循環(huán)冷卻水系統(tǒng)在膠帶輸送機中的應(yīng)用

郭洪麗

（潞安化工集團(tuán)有限公司五陽煤礦，山西 長治 046200）

在五陽煤礦井下主運輸系統(tǒng)中，75%的主運輸膠帶輸送機冷卻系統(tǒng)是水冷模式，但冷卻水未實現(xiàn)循環(huán)水再利用，只使用一次后就直接排放。使用過的冷卻水經(jīng)過排水管直接排至井下水倉，由井下水倉水泵提升至地面污水站進(jìn)行處理，增加污水站廢水處理負(fù)擔(dān)和電能消耗，浪費水資源。為達(dá)到礦井節(jié)能降耗、節(jié)約水資源的目的，以五陽煤礦主2#皮帶主運輸膠帶輸送機為例，對主2#皮帶膠帶輸送機的冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行改造，實現(xiàn)冷卻水循環(huán)再利用，摸索一條切實可行的節(jié)水之路，起到節(jié)能降耗的作用。

1 目前存在的問題

1）全礦井下主運輸系統(tǒng)膠帶輸送機75%的膠帶輸送機電動機、減速機采用水冷模式降溫，降溫效果較差，導(dǎo)致設(shè)備故障頻出，影響生產(chǎn)。

2）因采用水冷直排方式，每天每部膠帶輸送機運輸系統(tǒng)排放冷卻水單臺用水2 m3/h，運行時間約18 h/d，單臺水耗約36 m3/d，全年直排水11 880 m3，這些廢水都要經(jīng)排水管排至井下水倉，大大增加了礦井排水系統(tǒng)的壓力。

3）從成本角度來說，靜壓水通過地面供至井下費用約1.5元/m3，冷卻水流入水倉再提升上井及處理費用約4元/m3，綜合單臺膠帶輸送機冷卻費用約198元/天。目前水冷機組有32臺，冷卻費用約6 336元/天，造成很大成本負(fù)擔(dān)和資源浪費。

4）冷卻系統(tǒng)屬于單向直流冷卻，冷卻水處于長開狀態(tài)，冷卻水從靜壓水管流出，通過膠帶輸送機電動機、減速機自身攜帶的冷卻箱體后直接排放至井下水倉，造成現(xiàn)場環(huán)境潮濕、臟亂，不但浪費大量水資源，而且還因潮濕的環(huán)境造成設(shè)備銹蝕老化，造成安全隱患多、維護(hù)成本高等問題［1］。而且，水流中攜帶大量煤泥、粉塵進(jìn)入水倉，為礦井排水帶來安全隱患。

5）冷卻水經(jīng)排水管道排至水倉送回地面進(jìn)行處理，排放的水需要通過水泵提升到地面，在使用過程中直排的水與煤粉、雜質(zhì)混合在一起流入水倉形成廢水，廢水由井下水倉水泵提升至地面污水站，增加了地面污水處理站污水的處理負(fù)擔(dān)，而且泵排廢水和處理廢水還需要耗費大量電能，造成資源的二次浪費。

2 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計

2.1 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)原理

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是以水作為冷卻介質(zhì)，并循環(huán)使用的一種冷卻水系統(tǒng)。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是指冷卻水換熱并經(jīng)降溫，再循環(huán)使用的給水系統(tǒng)，包括敞開式和密閉式兩種類型。井下的膠帶輸送機常采用密閉式的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，它通過膠帶輸送機減速機自帶的冷卻水箱體冷卻進(jìn)行降溫。封閉式冷卻水循環(huán)系統(tǒng)采用封閉式冷卻設(shè)備（如減速機冷卻箱體），循環(huán)水在管中流動，管外通常用風(fēng)散熱。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)主要由冷卻設(shè)備、水泵和管道組成。冷水流過需要降溫的換熱設(shè)備（如冷卻水箱、換熱器等）后，溫度上升，如果即行排放，冷水只用一次（稱直流冷卻水系統(tǒng)），使升溫冷水流過冷卻設(shè)備則水溫回降，可用循環(huán)泵送回?fù)Q熱設(shè)備再次使用，冷水的用量大大降低，一般可節(jié)約95%以上。冷卻水占膠帶輸送機用水量的70%左右，因此，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)主要起到膠帶輸送機節(jié)約大量用水的作用。

從冷卻水箱流出來的較低溫度的冷卻水，經(jīng)循環(huán)水泵加壓后送入電機、減速機，帶走電機、減速機運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量后，溫度升高了，然后被送到散熱器上進(jìn)行散熱。由于散熱器散熱片的降溫作用，使冷卻水在散熱過程中，不斷與巷道內(nèi)空氣發(fā)生熱交換而冷卻，冷卻后的水進(jìn)入冷卻水箱中，然后再次被循環(huán)泵加壓后進(jìn)入下一個循環(huán)。這是一個熱量交換的過程。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計

（1）系統(tǒng)組成

以主2#皮帶膠帶輸送機的電機、減速機為例，防爆型水冷電機定子外殼設(shè)計有冷卻水套，冷卻水由水泵從冷卻水箱中抽出，經(jīng)過管路流入電動機、減速機入水口，冷卻水在設(shè)備管徑中快速循環(huán)，最后從出水口排出，再通過管道流入冷卻水箱中，完成一個周期的循環(huán)，從而將膠帶輸送機電機、減速機運行產(chǎn)生的熱量迅速帶走，防止機器過熱損害，起到對機身的保護(hù)作用。

對主2#皮帶膠帶輸送機機組進(jìn)行水冷散熱系統(tǒng)分析研究，設(shè)計出一套適用的冷卻水閉路循環(huán)系統(tǒng)，它以足夠的冷卻箱體，實現(xiàn)了電機、減速機冷卻水循環(huán)利用。根據(jù)機組熱量傳遞原理，計算出冷卻箱體的尺寸及外形。冷卻閉路循環(huán)系統(tǒng)設(shè)備主要包括：封閉式固定冷卻水箱（6～10 m3容積）、循環(huán)水泵（單臺功率2 kW，一用一備）、過濾器、散熱器、連接膠帶輸送機電機、減速機管件閥門、電控開關(guān)等。改進(jìn)后的主2#皮帶膠帶輸送機冷卻水自動循環(huán)系統(tǒng)，主要由循環(huán)水泵（2臺，一用一備）、封閉式固定冷卻水箱、冷卻水散熱器、連接電機、減速機、冷卻水箱、散熱器的管件、電控開關(guān)等組成如圖1所示。

圖1 冷卻水自動循環(huán)系統(tǒng)

①冷卻水箱

改造前的冷卻系統(tǒng)一直沿用水冷直排方式，由主供水管路引出一根進(jìn)水管，經(jīng)過膠帶輸送機電機、減速機自身攜帶的冷卻設(shè)備后直接排至主2#皮帶膠帶巷水溝內(nèi)。研究初期重點是將直排式冷卻水系統(tǒng)改成循環(huán)式冷卻水系統(tǒng)，中間增加一個冷卻水箱用于儲存循環(huán)冷卻水。經(jīng)過實踐，這種循環(huán)設(shè)計可以減少水資源的浪費，提升冷卻效果。

經(jīng)過多次改進(jìn)，將冷卻水循環(huán)系統(tǒng)分成了兩級，一級冷卻，從被冷卻電機、減速機設(shè)備流出的高溫水與礦井主供水管路中的冷卻水進(jìn)行交換，對高溫水進(jìn)行一次降溫。二級冷卻，經(jīng)過一級冷卻設(shè)備的循環(huán)水流入二級冷卻水箱內(nèi)，水箱里的水在二級冷卻循環(huán)水泵的作用下不斷通過冷卻水散熱器進(jìn)行循環(huán)散熱，使冷卻水溫度快速下降。為了達(dá)到一個較好的冷卻效果，二級冷卻的散熱器采用了暖氣片的散熱原理，可以達(dá)到更好地冷卻效果，以保證整套循環(huán)設(shè)備的正常運行。

考慮到冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中有可能發(fā)生循環(huán)水流失問題，在冷卻水箱上安設(shè)了水位觀測管，通過水位觀測管觀測水量的變化，對水量情況及時進(jìn)行增補。水位觀測管上安裝有過濾網(wǎng)，可避災(zāi)雜質(zhì)和灰塵落入系統(tǒng)。冷卻水箱上還設(shè)有透氣孔和放水閥，可以隨時根據(jù)膠帶運輸機冷卻水系統(tǒng)的運行情況、冷卻水水箱水量情況，及時給冷卻系統(tǒng)進(jìn)行補水和散熱。

②循環(huán)水泵

循環(huán)水泵是膠帶輸送機冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的動力來源，采用管道離心泵。該膠帶輸送機冷卻水系統(tǒng)循環(huán)水泵由2臺2 kW的壓力泵組成，一用一備。當(dāng)冷卻水經(jīng)過膠帶輸送機電機、減速機自身的冷卻箱體后，由循環(huán)水泵將冷卻水壓入冷卻水箱，從而實現(xiàn)冷卻水循環(huán)再利用。

③冷卻水過濾器

為了解決膠帶輸送機礦井用水水質(zhì)差，容易堵塞腐蝕管路的問題，在新的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中加入了進(jìn)水過濾器，并在循環(huán)水路中的冷卻水箱中增加了帶有過濾網(wǎng)的過濾器。對流入冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的一般生產(chǎn)用水進(jìn)行過濾凈化，大大降低了因水質(zhì)問題造成的系統(tǒng)故障。

④冷卻水散熱器

冷卻水散熱器是冷卻水循環(huán)系統(tǒng)將熱能轉(zhuǎn)移的設(shè)備，冷卻水散熱器將熱能由內(nèi)部系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到外部系統(tǒng)。冷卻水經(jīng)過膠帶輸送機電機、減速機自帶的冷卻箱體后進(jìn)入冷卻水散熱器進(jìn)行降溫，然后流入冷卻水箱，由循環(huán)泵進(jìn)行抽吸后經(jīng)過冷卻水散熱器散熱進(jìn)入電機、減速機。冷卻水散熱器將冷卻水通過散熱片的形式將熱能傳導(dǎo)釋放到巷道風(fēng)流中排出。冷卻水散熱器，將熱能轉(zhuǎn)移到巷道空氣中，從而降低循環(huán)冷卻水本身溫度。

⑤冷卻水連接管件

冷卻水連接管件是將冷卻水箱、冷卻水散熱器和循環(huán)水泵連接成一個系統(tǒng)的管路，主要起循環(huán)水流動、分配的作用。它的長短、粗細(xì)和高低、管材決定了沿程壓力損失和管件的壓力損失，它的選擇與循環(huán)水泵的流量、揚程有關(guān)，材質(zhì)宜采用不銹鋼鋼材。

（2）循環(huán)過程

上述循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)備與電機、減速機形成一個冷卻水閉路循環(huán)系統(tǒng)，通過循環(huán)泵抽吸的作用，冷卻水在冷卻水箱中抽出，經(jīng)過電機、減速機，通過設(shè)備管路散熱片進(jìn)行散熱，再次進(jìn)入冷卻水箱，完成一個循環(huán)，從而實現(xiàn)冷卻水循環(huán)利用，最終達(dá)到為主2#皮帶膠帶輸送機電機、減速機降溫的目的。

當(dāng)冷卻水箱水位較低時，可以通過靜壓水管、冷卻水箱水位觀測管進(jìn)行補水，能保證設(shè)備在高負(fù)荷運力和炎熱天氣下的安全穩(wěn)定運行［2］。

2.3 冷卻水耗能計算（直排式）

（1）電動機發(fā)熱量計算。電動機溫度升高的主要原因是運行中的電動機鐵芯處在交變磁場中產(chǎn)生鐵損，繞組通電后銅損，還有其他雜散損耗及機械摩擦損耗等，這些都會使電動機溫度升高［3］。電動機的損耗可以用電機額定功率的10%進(jìn)行估算。主2#皮帶膠帶輸送機的電動機額定功率400 kW/臺，單臺損耗近似為40 kW/臺。

（2）冷卻水水量計算。通過主2#皮帶膠帶運輸機電動機實際測算，根據(jù)進(jìn)出水的溫度差為17℃。單臺400 kW電動機1小時產(chǎn)生的熱量計算如下：

式中：Q為發(fā)熱量（J）,單臺損耗近似為Q=Pt=40 kJ/s×3 600 s=1.44×108J；Cp為冷卻介質(zhì)的 定壓比熱（J/kg℃），水為4.2×103J/kg℃；P為冷卻介質(zhì)的比重（kg/m3），為1.0×103kg/m3；V為冷卻介質(zhì)體積（m3）,即為所需冷卻水量；ΔT=T2-T1為冷卻介質(zhì)進(jìn)出溫度差（℃），為17℃。

通過公式（1）可知，單臺400 kW電動機1小時產(chǎn)生的熱量所需冷卻水水量的計算如下：

通過公式（2）可得出單臺400 kW電動機1小時所需冷卻水水量為2 m3。每部膠帶運輸機運行時間約18小時/天，單臺水耗約36 m3/d。靜壓水通過地面供至井下費用約1.5元/m3，冷卻水流水倉提升上井及處理費用約4元/m3，綜合單臺皮帶機冷卻費用約198元/天。

3 應(yīng)用效果

3.1 經(jīng)濟(jì)分析

從經(jīng)濟(jì)上來看，膠帶輸送機冷卻系統(tǒng)單臺膠帶運輸機節(jié)約冷卻水36 m3/d，單臺節(jié)約冷卻成本198元/天。全年膠帶輸送機按330天運行、每天運行18小時核算，僅主2#皮帶膠帶運輸機一部皮帶，單臺膠帶運輸機機組節(jié)約冷卻成本約65 340元。目前全礦膠帶輸送機水冷機組有32臺，冷卻費用約6 336元/天，造成極大成本負(fù)擔(dān)和資源浪費。井下膠帶輸送機組全部安裝冷卻水循環(huán)系統(tǒng)后，全年可節(jié)約冷卻成本約209.1萬元。

3.2 效益分析

從效益上看，改進(jìn)后的主2#皮帶膠帶輸送機冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，它通過增加冷卻箱體，實現(xiàn)了電機、減速機冷卻水循環(huán)利用，減少了冷卻水排至水倉、再由排水泵提升上井的廢水處理費用和電能消耗，大大提高膠帶輸送機冷卻水系統(tǒng)的使用效率，不僅節(jié)省了大量水資源，而且還解決了工作現(xiàn)場潮濕臟亂的問題，同時改善了膠帶輸送機冷卻系統(tǒng)設(shè)備冷卻效果，降低了設(shè)備故障率，實現(xiàn)了節(jié)能降耗。

4 結(jié)語

通過技術(shù)改進(jìn)，既改善了膠帶輸送機電機、減速機冷卻系統(tǒng)冷卻效果，實現(xiàn)了冷卻水循環(huán)利用，又取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，同時還節(jié)約了電能消耗，減少了廢水的處理費用，為礦井的安全生產(chǎn)、穩(wěn)定運行提供了強有力保障。