礦井集中制冷機(jī)組高壓換熱器的設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用

嚴(yán)明慶

1瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)用技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 400037

2中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司 重慶 400037

隨著我國(guó)煤礦開(kāi)采深度的延伸，深部礦井的熱害情況日益加劇，熱害問(wèn)題已經(jīng)成為制約煤礦生產(chǎn)效率的關(guān)鍵因素之一。當(dāng)前，煤礦開(kāi)采朝著集中化、深部化方向發(fā)展，面臨的熱害問(wèn)題也呈現(xiàn)區(qū)域化現(xiàn)象，局部熱害防治技術(shù)已經(jīng)不能滿足深部開(kāi)采礦井的需求，礦井降溫必然朝著集中化[1]、大型化的方向擴(kuò)展。礦井集中制冷機(jī)組作為礦井集中降溫系統(tǒng)的組成部分，在熱害礦井得到了廣泛的應(yīng)用，逐漸成為礦井熱害防治技術(shù)的重要發(fā)展方向。但是，井下集中制冷機(jī)組大多采用國(guó)外產(chǎn)品，在一定程度上制約了我國(guó)礦井熱害防治的發(fā)展[2]。因此，研制國(guó)產(chǎn)的井下集中制冷機(jī)組勢(shì)在必行。

1 礦井集中制冷降溫系統(tǒng)

礦井集中制冷降溫系統(tǒng)[3]如圖 1 所示，由冷凍水循環(huán)系統(tǒng)和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成。冷凍水和冷卻水 2套循環(huán)系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，冷凍水經(jīng)循環(huán)泵輸送至末端空冷器，將末端的熱量帶走，水溫由 3 ℃ 上升至 18 ℃左右，再進(jìn)入制冷機(jī)組的蒸發(fā)器中，蒸發(fā)器將 18 ℃的熱水熱量傳遞了制冷介質(zhì)，水溫降低至 3 ℃，形成冷凍水循環(huán)；同時(shí)，冷卻水通過(guò)循環(huán)泵輸送至地面冷卻塔，水溫下降之后循環(huán)至礦井制冷機(jī)組的冷凝器，在冷凝器內(nèi)吸收制冷介質(zhì)的熱量而升溫，然后再循環(huán)至冷卻塔，形成冷卻水循環(huán)。從地面到井下，往往深度超過(guò)千米，因此，冷凝器必須能夠承受超過(guò) 10 MPa 的水壓，才能保證制冷機(jī)組安全運(yùn)行。

由圖 1 可以看出，礦井集中制冷機(jī)組是礦井集中制冷降溫系統(tǒng)的核心裝備，通過(guò)制冷介質(zhì)狀態(tài)的變化，將熱量從冷凍水傳遞到冷卻水，末端空冷器的作用是將環(huán)境熱量傳遞給冷凍水，從而降低環(huán)境溫度和濕度。

圖1 礦井集中制冷降溫系統(tǒng)Fig.1 Underground centralized refrigeration system

2 礦井集中制冷機(jī)組

礦井集中制冷機(jī)組采用蒸汽壓縮式制冷方式，主要包括螺桿壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器和膨脹閥 4 個(gè)關(guān)鍵部件。礦井集中制冷機(jī)組工藝流程如圖 2 所示。低壓氣態(tài)的制冷劑經(jīng)制冷機(jī)組的壓縮機(jī)壓縮之后，變成高溫高壓的過(guò)熱氣體，經(jīng)過(guò)油分之后進(jìn)入冷凝器。冷凝器將其冷卻形成過(guò)冷液態(tài)制冷劑(熱量傳遞給冷卻水)，然后液態(tài)制冷劑經(jīng)過(guò)膨脹閥的絕熱節(jié)流膨脹為低壓液態(tài)狀態(tài)，進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)吸熱，將冷凍水制冷到 3 ℃ 左右。

礦井集中制冷機(jī)組的蒸發(fā)器持續(xù)地將末端空冷器循環(huán)回的冷凍水降溫，熱量通過(guò)制冷劑經(jīng)冷凝器傳遞給冷卻水，冷卻水循環(huán)至地面冷卻塔，熱量通過(guò)冷卻塔散放至環(huán)境中，從而實(shí)現(xiàn)井下高溫區(qū)域降溫。

圖2 礦井集中制冷機(jī)組工藝流程Fig.2 Process flow of underground centralized refrigeration unit

3 高壓換熱器

由礦井集中制冷機(jī)組的工藝流程可知，其關(guān)鍵點(diǎn)在于高壓換熱器的研制。高壓換熱器必須滿足大換熱量、高承壓、小體積的特點(diǎn)，否則將無(wú)法滿足井下降溫負(fù)荷大、承受水壓高和運(yùn)輸安裝空間狹小的實(shí)際需求。

3.1 參數(shù)設(shè)計(jì)

高壓換熱器的傳熱設(shè)計(jì)主要包括換熱器類(lèi)型的確定、高承壓強(qiáng)化換熱管的選型和布置方式。通過(guò)熱力學(xué)參數(shù)計(jì)算可以確定換熱器的傳熱系數(shù)、換熱面積和換熱管簇?cái)?shù)量，進(jìn)而可以校核額定工況下，換熱器的制冷量和換熱器壓降是否滿足設(shè)計(jì)要求[3]。采用固定管板式換熱器的兩端管板和殼體制成一體，當(dāng) 2 個(gè)流體的溫差較大時(shí)，可以在外殼的適當(dāng)位置焊上 1 個(gè)補(bǔ)償圈(或膨脹節(jié))來(lái)平衡溫差。高壓換熱器主要熱力學(xué)性能參數(shù)如表 1 所列。

表1 高壓換熱器主要熱力學(xué)性能參數(shù)Tab.1 Main thermodynamic performance parameters of high-pressure heat exchanger

3.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

高壓換熱器冷凝器介質(zhì)為冷卻水，管程設(shè)計(jì)承壓能力為 16 MPa，進(jìn)水溫度為 31 ℃，出水溫度為 40℃。冷凝器采用 2 臺(tái)并聯(lián)布置，單臺(tái)冷凝器冷卻功率為 2 080 kW。

高壓換熱器的設(shè)計(jì)壓力為 16 MPa，根據(jù)傳熱設(shè)計(jì)確定了換熱器的各部件材料、換熱器結(jié)構(gòu)形式和換熱管的布置方式之后，還必須進(jìn)行換熱器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核。換熱管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容包括殼體、管板、換熱管、封頭、連接螺栓等的強(qiáng)度計(jì)算，從而確定材料厚度及加工工藝等[4]。高壓換熱器殼體、封頭等采用Q235R，換熱管采用高強(qiáng)度銅管。高壓換熱器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表 2 所列。

表2 高壓換熱器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Main structural parameters of high-pressure heat exchanger mm

4 模塊化設(shè)計(jì)

為了便于運(yùn)輸，將礦井集中制冷機(jī)組進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。礦井集中制冷機(jī)組模塊化設(shè)計(jì)如圖 3 所示，分為主機(jī)模塊、冷凝器蒸發(fā)器模塊 1 和冷凝器蒸發(fā)器模塊 2。主機(jī)模塊主要部件包括電動(dòng)機(jī)、壓縮機(jī)、油冷卻器和油分離器；模塊 1 主要由 1 臺(tái)蒸發(fā)器和 1 臺(tái)冷凝器及配套附件構(gòu)成；模塊 2 與模塊 1 相同。經(jīng)過(guò)模塊化設(shè)計(jì)后，單件結(jié)構(gòu)尺寸控制在 4.5 m×1.5 m×2.0 m 之內(nèi)，單件最大起吊質(zhì)量小于 10 t。

電動(dòng)機(jī)滿足煤礦井下防爆技術(shù)要求，電壓等級(jí)10 kV，壓縮機(jī)采用德國(guó)進(jìn)口格拉索產(chǎn)品。

蒸發(fā)器由預(yù)蒸發(fā)器和主蒸發(fā)器串聯(lián)組成，通過(guò)管板法蘭連接，管程內(nèi)介質(zhì)為制冷劑，殼程內(nèi)介質(zhì)為冷卻水。制冷劑在蒸發(fā)器的管程內(nèi)蒸發(fā)，將冷凍水制冷，其溫度從 18 ℃ 降到 3 ℃。主蒸發(fā)器直徑為 610 mm，壁厚為 18 mm，設(shè)計(jì)壓力為 6.4 MPa；預(yù)蒸發(fā)器直徑為 508 mm，壁厚為 15 mm，設(shè)計(jì)壓力為 6.4 MPa。

冷凝器殼體直徑為 500 mm，制冷劑壓力為 2.5 MPa，冷卻水設(shè)計(jì)壓力為 16 MPa，采用固定管板列管式換熱器，管程內(nèi)介質(zhì)為冷卻水，殼程內(nèi)介質(zhì)為制冷劑，采用單管程單殼程設(shè)計(jì)。

圖3 礦井集中制冷機(jī)組模塊化設(shè)計(jì)Fig.3 Modularized design of underground centralized refrigeration unit

5 礦井集中制冷機(jī)組的應(yīng)用

為了檢驗(yàn)礦井集中制冷機(jī)組的降溫及運(yùn)行效果，在山東陽(yáng)城煤礦進(jìn)行了工業(yè)化應(yīng)用。

5.1 山東陽(yáng)城煤礦熱害情況

由于多種井下熱源的綜合作用，導(dǎo)致山東陽(yáng)城煤礦的采掘工作面熱害情況嚴(yán)重。如在 -920 井底車(chē)場(chǎng)、3303 皮帶順槽的聯(lián)絡(luò)巷、工作面 3301 開(kāi)切眼的掘進(jìn)時(shí)，工作面的平均氣溫達(dá) 32 ℃，相對(duì)濕度接近100%，且熱害區(qū)域較大，因此必須采用集中制冷降溫系統(tǒng)才能夠解決熱害問(wèn)題。

經(jīng)計(jì)算山東陽(yáng)城煤礦熱害區(qū)域的降溫負(fù)荷[5-6]為6 160 kW，而礦井集中制冷機(jī)組的額定制冷量為 3 400 kW，因此采用 2 套該機(jī)組即可滿足降溫需求。降溫目標(biāo)是將工作面氣溫控制在 26 ℃ 以下，相對(duì)濕度控制在 80% 左右。

5.2 降溫效果

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，對(duì)采集到的末端環(huán)境溫度、濕度參數(shù)進(jìn)行分析，總結(jié)如下。空冷器的進(jìn)口平均風(fēng)溫約為 32.3 ℃，相對(duì)濕度接近 100%；空冷器的出口平均風(fēng)溫約為 10.5 ℃，相對(duì)濕度為 75%～78%。冷風(fēng)經(jīng)過(guò)保溫風(fēng)筒輸送至工作面作業(yè)點(diǎn)，環(huán)境平均氣溫為 24.5 ℃，氣溫平均降幅約為 7.7 ℃。在距離工作面 50 m 之內(nèi)，工作面同一地點(diǎn)不同時(shí)段降溫前后溫度、濕度對(duì)比如表 3 所列。

表3 距工作面 50 m 處不同時(shí)段降溫前后溫度、濕度對(duì)比Tab.3 Comparison of temperature and humidity at various time points 50 m away from work face before and after refrigeration

由表 3 可知，降溫后工作面的最低溫度達(dá)到了23.3 ℃，相對(duì)濕度降低到 73%，改善了工作環(huán)境，解決了工作面的高溫?zé)岷?wèn)題。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)礦井集中制冷機(jī)組達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB 3836的防爆技術(shù)要求，獲得了礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志證書(shū)。

(2)通過(guò) 4 年多的持續(xù)監(jiān)測(cè)，礦井集中制冷機(jī)組降溫效果良好，運(yùn)行穩(wěn)定，工作面氣溫平均降幅為7.7 ℃，相對(duì)濕度下降到 75%～78%，有效解決了山東陽(yáng)城煤礦的高溫?zé)岷?wèn)題。