局部降溫工程中冷凝熱排放方案探討及工程實(shí)踐

周 濤 向 東 陳耀輝 王冠男

（中國平煤神馬能源化工集團(tuán)有限公司，河南省平頂山市，467000）

局部降溫工程中冷凝熱排放方案探討及工程實(shí)踐

周 濤 向 東 陳耀輝 王冠男

（中國平煤神馬能源化工集團(tuán)有限公司，河南省平頂山市，467000）

總結(jié)出煤礦井下局部降溫的3種冷凝熱排放方案，并對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析、對(duì)比，結(jié)合中平能化集團(tuán)十三礦己15.17-13031風(fēng)、機(jī)兩巷高位瓦斯抽放巷局部降溫工程，根據(jù)降溫地點(diǎn)實(shí)際工況制訂冷凝熱排放方案，對(duì)方案制訂中需注意的相關(guān)問題進(jìn)行了闡述。

礦井熱害 局部降溫 冷凝熱排放

建立大型地面集中制冷站能夠有效解決井下高溫采掘工作面的熱害問題，但對(duì)于距離集中制冷站較遠(yuǎn)的高溫掘進(jìn)工作面，因其數(shù)量多、分布廣、地點(diǎn)變化頻繁且冷量輸送困難，根本無法解決其高溫?zé)岷﹄y題，而新建地面集中制冷站又投資很大，不可能在每個(gè)高溫掘進(jìn)工作面建立大型地面集中制冷站。相對(duì)而言，局部制冷降溫工程投資少，安裝簡便，施工周期短，局部制冷機(jī)組可隨降溫地點(diǎn)的變化而移動(dòng)，恰好能夠彌補(bǔ)地面集中制冷站的不足，與其形成優(yōu)勢互補(bǔ)。

1 煤礦用局部制冷機(jī)組構(gòu)成

煤礦用局部制冷機(jī)組通常由3部分構(gòu)成，一是壓縮機(jī)組，包括壓縮機(jī)、電動(dòng)機(jī)、制冷劑冷凝器、電控部分等，是制冷機(jī)組的核心組件，主要用來控制制冷劑的物理狀態(tài)轉(zhuǎn)換及輸出制冷機(jī)組工況參數(shù)；二是蒸發(fā)器，又稱作直接作用熱交換器，包括熱交換管束、除霧器等，在熱交換管束中，處于蒸發(fā)狀態(tài)的制冷劑與流經(jīng)蒸發(fā)器的空氣進(jìn)行熱交換；三是排熱冷卻器，包括蛇形管組、噴淋組件、除霧器等，主要功能是用于冷卻制冷劑在冷凝過程中加熱的冷卻水。

2 冷凝熱排放方案

井下局部降溫工程實(shí)施的目的是采用一定的技術(shù)手段及設(shè)備把工作面的熱量置換出來，再選擇合理的冷凝熱排放方式將工作面的熱量置換至地面或回風(fēng)巷中，從而使工作面的溫度降低，改善井下作業(yè)人員工作環(huán)境。井下相對(duì)地面而言是一個(gè)密閉的空間，而且受到各種生產(chǎn)、地質(zhì)條件的限制，這就決定了局部制冷機(jī)組冷凝熱排放方式選擇是否合理是降溫效果是否良好的關(guān)鍵，如果制冷機(jī)組冷凝熱排放不當(dāng)，會(huì)使制冷效果大大降低，甚至使置換出的熱量又重新回到工作面。因此，結(jié)合降溫地點(diǎn)的實(shí)際情況，研究選擇科學(xué)合理的制冷機(jī)組冷凝熱排放方式，再選擇與制冷機(jī)組相匹配的水泵、管路等，才能達(dá)到降低工作面風(fēng)流溫度的目的。

2.1 3種冷凝熱排放方案

（1）方案一：一次性水排熱。冷卻水由水泵送進(jìn)壓縮機(jī)組的冷凝器內(nèi)與高溫低壓的制冷劑進(jìn)行冷熱交換，冷卻水吸收制冷劑的熱量后，攜帶熱負(fù)荷的冷卻水不再循環(huán)使用，而是通過保溫管路一次性排放掉。因此制冷機(jī)組產(chǎn)生的冷凝熱排放最為徹底，制冷效果最優(yōu)。此種冷凝熱排放不再需要安裝排熱冷卻器和與之相配套的局部通風(fēng)機(jī)，安裝簡便。在井下供水富裕且有一定排水能力時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮此種冷凝熱排放方式。如果井下涌水的水量和水溫適宜，也可將其作為局部制冷機(jī)組的冷卻水。冷凝熱排放見圖1。

圖1 一次性水排熱

（2）方案二：循環(huán)水及新風(fēng)排熱。冷卻水由水泵送進(jìn)壓縮機(jī)組的冷凝器內(nèi)與高溫低壓的制冷劑進(jìn)行冷熱交換，冷卻水吸收制冷劑的熱量，攜帶熱負(fù)荷的冷卻水經(jīng)由保溫管路進(jìn)入排熱冷卻器的蛇形管組內(nèi)，安裝于進(jìn)風(fēng)巷的局部通風(fēng)機(jī)經(jīng)由風(fēng)筒將溫度較低的新鮮風(fēng)流壓入排熱冷卻器，新鮮風(fēng)流與蛇形管組內(nèi)流動(dòng)的帶有熱負(fù)荷的冷卻水進(jìn)行冷熱交換，排出熱量后的冷卻水經(jīng)由保溫管路回到壓縮機(jī)組中的制冷劑冷凝器中進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)，吸收冷卻水熱量的風(fēng)流則排至回風(fēng)巷內(nèi)。在冷卻水通過排熱冷卻器排出熱量的效率不能達(dá)到100%時(shí)，再次參與循環(huán)的冷卻水中必然帶有部分未排掉的制冷劑的熱量，勢必會(huì)影響到制冷機(jī)組制冷效果。因此，此種制冷機(jī)組冷凝熱排放效率及制冷效果居中。循環(huán)水及新風(fēng)排熱見圖2。

圖2 循環(huán)水及新風(fēng)排熱

（3）方案三：循環(huán)水及乏風(fēng)排熱。此種冷凝熱排放方式和前一種基本相似，所不同的是排熱冷卻器安放于回風(fēng)巷中，由局部通風(fēng)機(jī)將乏風(fēng)壓入排熱冷卻器的蛇形管組內(nèi)與冷卻水進(jìn)行熱交換。由于乏風(fēng)溫度比新鮮風(fēng)流溫度要高，再加上冷卻水是循環(huán)使用，因此，此種冷凝熱排放效率較低，制冷效果一般。循環(huán)水及乏風(fēng)排熱見圖3。

圖3 循環(huán)水及乏風(fēng)排熱

在煤礦井下供水、供風(fēng)量緊張的情況下，可考慮利用循環(huán)水及乏風(fēng)排熱，但存在一定安全隱患，不能用于高瓦斯的瓦斯突出采掘工作面，即使瓦斯?jié)舛葮O低也應(yīng)謹(jǐn)慎采用，而且必須設(shè)立自動(dòng)瓦斯監(jiān)測報(bào)警斷電裝置。

2.2 3種冷凝熱排放方案對(duì)比

3種冷凝熱排放方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表1。

表1 3種冷凝熱排放方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比一覽表

3 工程實(shí)踐

中國平煤神馬集團(tuán)十三礦是我國高溫礦井之一，所屬的己15.17-13031風(fēng)、機(jī)兩巷高位瓦斯抽放巷夏季氣溫達(dá)到34℃，濕度達(dá)95%，經(jīng)常發(fā)生職工中暑暈倒事故。雖然十三礦在東風(fēng)井工業(yè)區(qū)建有大型地面集中制冷站，但距離上述高溫地點(diǎn)約20 km，制冷站所產(chǎn)生的冷量無法有效輸送。

3.1 降溫工程實(shí)施地點(diǎn)概況

（1）十三礦己15.17-13031風(fēng)巷高位瓦斯抽放巷基本情況。工作面溫度34℃、濕度96%，巷道設(shè)計(jì)長度2334 m，已掘進(jìn)1798 m，掘進(jìn)方式為炮掘，通過扒斗機(jī)、帶式輸送機(jī)進(jìn)行清、運(yùn)渣，掘進(jìn)工作面與最近的回風(fēng)巷距離為1800 m，己三上部東大巷進(jìn)風(fēng)，供風(fēng)通風(fēng)機(jī)功率為2×45 k W，吸風(fēng)量1000 m3／min，末端風(fēng)量840 m3／min，風(fēng)筒直徑為1000 mm，巖層出水量為0.5 m3／h，溫度為56℃，距離最近的水倉為己三中部水倉，水倉容量1050 m3，水倉排水能力465 m3／h。

（2）十三礦己15.17-13031機(jī)巷高位瓦斯抽放巷基本情況。工作面溫度34℃、濕度96%，巷道設(shè)計(jì)長度2234 m，已掘進(jìn)1616 m。掘進(jìn)方式為炮掘，通過扒斗機(jī)、帶式輸送機(jī)進(jìn)行清、運(yùn)渣，掘進(jìn)工作面與最近的回風(fēng)巷距離為1630 m。己三下部集中進(jìn)風(fēng)，供風(fēng)通風(fēng)機(jī)功率為2×45 k W，吸風(fēng)量1000 m3／min，末端風(fēng)量846 m3／min，風(fēng)筒直徑為1000 mm。巖層出水量為0.5 m3／h，溫度為56℃，距離最近的水倉也為己三中部水倉。

3.2 高溫?zé)岷Τ梢蚍治?/h3>

經(jīng)過實(shí)地調(diào)研分析，己15.17-13031風(fēng)、機(jī)兩巷高位瓦斯抽放巷高溫、高濕主要由以下原因引起：

（1）巖溫高。實(shí)測掘進(jìn)工作面巖溫為56℃，高巖溫使巷道內(nèi)風(fēng)流溫度不斷升溫。

（2）巖層出水。巖層涌水量0.5 m3／h，水溫56℃，高溫水經(jīng)圍巖裂隙不斷滲入工作面中，將熱量釋放到巷道內(nèi)。

（3）己15.17-13031風(fēng)、機(jī)兩巷高位瓦斯抽放巷為正在施工巷道，尚未貫通，現(xiàn)有通風(fēng)設(shè)備所產(chǎn)生的風(fēng)流無法有效將巷道內(nèi)熱量帶走。

（4）井下機(jī)電設(shè)備在工作時(shí)散發(fā)的熱量及爆破時(shí)炸藥熱能的釋放。

3.3 局部制冷機(jī)組的選擇

根據(jù)工作面實(shí)際環(huán)境參數(shù)并經(jīng)相關(guān)公式計(jì)算可知，己15.17-13031風(fēng)、機(jī)兩巷瓦斯高位抽放巷需冷量分別為290.32 k W和298.7 k W （富余系數(shù)為1.3）。工程中選用的是波蘭托馬斯派克 （TOMASPEC）公司生產(chǎn)的TS-300型局部制冷機(jī)，其制冷量為300 k W，需水量為30～36 m3／h（≤30℃），需風(fēng)量 ≥500 m3／min，機(jī)組最高耐壓4 MPa。

3.4 冷凝熱排放方式的選擇

為保證工作面降溫效果，在上述兩降溫地點(diǎn)各安裝一套TS-300型局部制冷機(jī)組。

（1）己15.17-13031風(fēng)巷瓦斯高位抽放巷。經(jīng)過實(shí)地勘察，己三采區(qū)供水充足，能夠同時(shí)滿足生產(chǎn)和制冷機(jī)組用水，因此，采用一次性水排熱 （方案一）作為制冷機(jī)組冷凝熱排放方式，即將己三采區(qū)生產(chǎn)用水作為制冷機(jī)組的冷卻水，經(jīng)由制冷機(jī)組進(jìn)水管 （裸管）進(jìn)入工作裝置內(nèi)的冷凝器中，吸收制冷劑的熱量后，通過保溫處理后的排水管經(jīng)由13031風(fēng)巷回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷以及己三回風(fēng)下山原有的排水管路先排至己三采區(qū)中部水倉，然后再排往井下中央水倉，利用中央泵房的排水設(shè)備，將帶有熱負(fù)荷的冷卻水排往地面，其工藝流程見圖4。

（2）己15.17-13031機(jī)巷高位瓦斯抽放巷。雖然一次性水排熱方式能夠使得制冷機(jī)組的冷凝熱排放最為徹底，制冷效果最優(yōu)，但由于安裝于己15.17-13031風(fēng)巷高抽巷的制冷機(jī)組已經(jīng)采用此種冷凝熱排放方式，如果在己15.17-13031機(jī)巷也采用一次性水排熱方式，會(huì)對(duì)井下生產(chǎn)用水產(chǎn)生較大影響，可考慮冷凝熱排放效果居中的循環(huán)水及新風(fēng)方式，而經(jīng)實(shí)地勘察，在滿足風(fēng)、機(jī)兩巷風(fēng)量需求的情況下，已無多余的新鮮風(fēng)，無法滿足制冷機(jī)組中排熱冷卻器需新風(fēng)量不低于500 m3／min的要求。因此，第二種冷凝熱排放方式無法采用。己15.17-13031機(jī)巷屬巖巷掘進(jìn)，幾乎沒有瓦斯，綜合考慮以上因素，可在該降溫地點(diǎn)采用循環(huán)水加乏風(fēng)排熱方式，同時(shí)設(shè)立瓦斯自動(dòng)監(jiān)測報(bào)警斷電裝置。

圖4 己15.17-13031風(fēng)、機(jī)兩巷瓦斯高位抽放巷降溫工藝流程圖

3.5 冷卻水管及冷卻泵的選擇

（1）冷卻水管的選擇。由于制冷機(jī)組冷卻水的流量需滿足36 m3／h，根據(jù)公式：

式中：V——載冷劑循環(huán)量，m3／s；

vj——載冷劑流速，m／s；

Dx——管道直徑，m。

在礦井制冷系統(tǒng)中，載冷劑一般采用1.5～2.5 m／s的經(jīng)濟(jì)流速，取中間值2 m／s，經(jīng)計(jì)算可知管道直徑為79.79 mm。由此可知，若要滿足冷卻水量為36 m3／h，在經(jīng)濟(jì)流速下，應(yīng)選擇?89 mm和?108 mm兩種規(guī)格的管子比較合適。經(jīng)計(jì)算比較，?89 mm的管道水阻要比?108 mm的管道水阻高出許多。從投資和安裝方面考慮，?89 mm的管道成本較低且安裝方便，但為了取得更好的制冷效果，管子的選擇盡量富裕，因此選用?108 mm×4 mm規(guī)格的無縫鋼管作為冷卻水管。

（2）冷卻水泵的選擇。由于己三采區(qū)是下山開采，從地面來的生產(chǎn)用水壓力較高，約為6 MPa左右。因此，無需再增加水泵，利用礦井原有供水系統(tǒng)壓力即可滿足要求。但考慮到制冷機(jī)組最高耐壓為4 MPa，還需在制冷機(jī)組冷卻水進(jìn)水處安裝減壓閥，以確保制冷機(jī)組正常運(yùn)行。

3.6 管道保溫

從制冷機(jī)組冷凝器中流出的冷卻水溫度約為40℃，必須對(duì)管道進(jìn)行隔熱處理。否則，由于管道內(nèi)外存在溫差，必然發(fā)生熱交換，進(jìn)而使冷卻水的熱量又散發(fā)至巷道中，影響降溫效果。管道隔熱層采用聚氨酯泡沫塑料，厚度約20～30 mm，外保護(hù)層為雙抗玻璃鋼材料，厚度為5 mm。

3.7 降溫效果

十三己15.17-13031風(fēng)巷高抽巷掘進(jìn)工作面降溫幅度能達(dá)到4～5℃，濕度降低15%左右；己15.17-13031機(jī)巷高抽巷掘進(jìn)工作面由于采用的排熱方式為循環(huán)水加乏風(fēng)排熱，因此，降溫效果一般，降溫幅度為2～3℃，濕度降低15%左右。

3.8 應(yīng)注意的問題

（1）當(dāng)采用一次性水排熱作為制冷機(jī)組的冷凝熱排放方式時(shí)，由于其排水量較大，要充分考慮井下水倉容積以及泵房排水能力。

（2）當(dāng)采用礦井涌水作為制冷機(jī)組的冷卻水時(shí)，水泵功率的選取要適宜，其抽水量不能大于礦井涌水量，否則會(huì)使制冷機(jī)因缺水而保護(hù)停機(jī)。另外，還需要在輸水管道上安裝過濾器，以防異物堵塞管道。

（3）如果制冷機(jī)組 （蒸發(fā)器）距離掘進(jìn)工作面較遠(yuǎn)，應(yīng)注意降低風(fēng)筒的漏風(fēng)量，以保證掘進(jìn)工作面的降溫效果。

［1］周孟穎 .礦井高效節(jié)能局部降溫技術(shù)的研究 ［J］.煤礦機(jī)電，2008（3）

［2］劉海軍，韓偉峰 .單臺(tái)TS-300B制冷機(jī)在綜放工作面的應(yīng)用 ［J］.中州煤炭，2011（7）

［3］吳建亭，陳星明等 .移動(dòng)制冷機(jī)在深井降溫中的應(yīng)用 ［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2010（10）

［4］左金寶，呂品 .高溫礦井熱源分析與制冷降溫技術(shù)應(yīng)用 ［J］.煤礦安全，2008 （11）

［5］徐寧斌，吳奎斌 .姚橋煤礦局部降溫技術(shù)的研究與應(yīng)用 ［J］.中國煤炭，2010 （12）

［6］張習(xí)軍 .礦井熱害治理技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀 ［J］.煤礦安全，2009（3）

Engineering practice and discussion on condensing heat emission during local cooling engineering

Zhou Tao，Xiang Dong，Chen Yaohui，Wang Guannan
（China Pingmei Shenma Group，Pingdingshan，Henan 467000，China）

Three kinds of condensing heat emission programs for the underground local cooling of coal mine were summarized and their advantages and disadvantages were analyzed and compared.On the basis of the local cooling engineering in the high gas drainage roadway of ventilation roadway and conveyor roadway at F15.17-13031 working face in No.13 Coal Mine of China Pingmei Energy Chemical Group，how to make program for the condensing heat emission according to the cooling location and actual working conditions and the relevant issues that should be noticed during making program were described.

colliery thermal hazard，local cooling，condensing heat emission

TD727

A

周濤 （1975-），男，河南許昌人，工程師，畢業(yè)于華中科技大學(xué)，現(xiàn)任中平能化集團(tuán)能源化工研究院開采所電氣室主任，主要從事煤礦機(jī)電、煤礦熱害治理等方面研究。

（責(zé)任編輯 張艷華）