螺杆式矿井降温及余热利用一体化制冷机组的研究.pdf

分类号分类号 TD311 密密 级级 公开公开 UDC 单位代码单位代码 10424 学学 位位 论论 文文 螺杆式矿井降温及余热螺杆式矿井降温及余热 利用一体化制冷机组的研究利用一体化制冷机组的研究 张张 红红 芳芳 申请学位级别申请学位级别 硕士学位硕士学位 专业专业名名称称工程管理工程管理 指导教师姓名指导教师姓名 李李 兴兴 东东 职职 称称 教教 授授 副副指导教师姓名指导教师姓名邓邓 星星 利利 职职 称称教授级高教授级高工工 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零一六年五月二零一六年五月 万方数据 论文题目论文题目 螺杆式矿井降温及余热利用一体化制螺杆式矿井降温及余热利用一体化制 冷机组的研究冷机组的研究 作者姓名作者姓名 张红芳张红芳 入学时间入学时间 2014 年年 9 月月 专业名称专业名称 工程管理工程管理 研究方向研究方向 工业企业管理工业企业管理 指导教师指导教师 李兴东李兴东 职职 称称 教教 授授 指导教师指导教师 邓星利邓星利 职职 称称 教授级高工教授级高工 论文提交日期论文提交日期 2016 年年 5 月月 论文答辩日期论文答辩日期2016 年年 5 月月 28 日日 授予学位日期授予学位日期 万方数据 Researches on the Screw-type Mine Cooling and Waste Heat Utilization- Integrated Chiller Group A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF ENGINEERING MANAGEMENT from Shandong University of Science and Technology by zhanghongfang SupervisorProfessor Li Xingdong College of Mining and Safety Engineering May 2016 万方数据 声声 明明 本人呈交给山东科技大学的这篇工程管理硕士学位论文，除了所列参考文本人呈交给山东科技大学的这篇工程管理硕士学位论文，除了所列参考文 献和世所公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚献和世所公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚 没有呈交于其它任何学术机关作鉴定。没有呈交于其它任何学术机关作鉴定。 工程管理硕士生签名工程管理硕士生签名 日日 期期 AFFIRMATION I declare that this dissertation，ted in fulfillment of the requirements for the award of Master of Engineering in Shandong University of Science and Technology， is wholly my own work unless referenced of acknowledge。 The document has not been ted for qualification at any other academic institute。 Signature Date 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 1 摘摘 要要 随着矿井开采深度的增加和采掘机械化程度的不断提高，矿井高温热害日趋 严重，已经成为严重制约矿井正常生产，影响矿井经济效益的重大问题之一。近 年来，矿井降温技术不断发展，在矿井热害治理中有很多实例应用。 本文根据矿井热害主要热源的散热特性，分析了热源对井下热环境造成的影 响。依据建筑环境学人体热舒适性的分析原理，结合井下热环境的特殊性，提出 了矿工热舒适性评价方法。在理论分析的基础上，本文以郭屯煤矿为例，分别计 算分析了该矿区夏季矿井降温冷负荷缺失量和洗浴热负荷，冬季井筒防冻、洗浴 热水及矿区建筑采暖热负荷。通过计算得到，夏季冷负荷总缺失量为3069kw，冬 季总热负荷为4496kw。在负荷计算的基础上，本文提出了一种螺杆式矿井降温及 余热利用一体化制冷机组，并对机组控制功能的确定、机组安全保护功能的确定、 机组控制系统的研发、机组结构的研发以及机组的测试与调整进行了介绍。 以郭屯煤矿为例，应用本课题研究的螺杆式矿井降温及余热利用一体化制冷 机组将带来巨大的经济效益和社会效益。通过预算得到，项目实施后，年节约供 热运行费用为363万元； 年节约锅炉燃煤9075吨， 折合标煤6482吨， 减排CO2 16983 吨，减排SO2 107吨。 关键词关键词矿井降温，热舒适性，制冷机组，余热利用 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 2 ABSTRACT With the increase of mining depth and the continuous improvement of mechanization, heat disaster in mines becoming more and more serious， it has become a big problem to limit normal production and impact economic benefits of mille. Recently, cooling technologies in mille is developing faster and there are many examples of mine cooling technologies applications. In this paper, accordance with the characteristics of the main heat source, analysis the impaction for the heat environmental in mine. Base on the principle of human thermal comfort in built environment and the characteristics of underground thermal environment, provide the of uation for miner thermal comfort. On the basis of theoretical analysis, take Guo Tun coal mine as an example, this paper calculates and analysis the cooling load of the mine and heating load of bathing in summer, and the heating load of the freeze-proofing of pit shaft, hot water for bathing and building heating in winter. By calculation, the total loss of cooling load in summer is 3069kw, and the total heating load in winter is 4496kw. Based on the load calculation, this paper proposes a screw type mine cooling and waste heat using integrated refrigeration units, and has carried on the introduction to the determination of unit control function, the determination of safety protection function of the unit, the research and development of the unit control system, the R and it will save 9075 tons of coal every year, equivalent to 6482 tons of standard coal, 16983 tons of emission reduction CO2, 107 tons of emission reductionSO2. Key word mine cooling, thermal comfort, refrigeration units, waste heat using 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 1 目目 录录 1 绪绪 论论 ........................................................................................ 1 1.1 课题的提出 ............................................................................................ 1 1.2 课题研究目的和意义 ............................................................................ 3 1.3 高温矿井降温技术国内外研究动态 .................................................... 4 1.4 课题研究的内容及技术路线 ................................................................ 8 1.5 本章小结 ................................................................................................ 9 2 郭屯煤矿热源及其对矿郭屯煤矿热源及其对矿井热害影响分析井热害影响分析 ................................ 10 2.1 郭屯煤矿主要热源 .............................................................................. 10 2.2 矿井内热源对井下热环境的影响 .................................................... 14 2.3 矿井热害对矿工的影响分析 .............................................................. 19 2.4 本章小结 .............................................................................................. 25 3 郭屯煤矿负荷计算郭屯煤矿负荷计算 ................................................................... 27 3.1 夏季矿井降温冷负荷及洗浴热负荷分析 .......................................... 27 3.2 冬季主副井井筒防冻、浴室洗浴热水、建筑采暖热负荷分析 ...... 30 3.3 本章小结 .............................................................................................. 31 4 矿井降温及余热利用一体化制冷机组设计矿井降温及余热利用一体化制冷机组设计 ............................ 32 4.1 机组测试与调整 .................................................................................. 32 4.2 机组功能确定 ...................................................................................... 33 4.3 机组结构研发 ...................................................................................... 33 4.4 机组控制系统研发 .............................................................................. 35 4.5 本章小结 .............................................................................................. 45 5 矿井降温技术经济分析矿井降温技术经济分析 ........................................................... 46 5.1 矿井降温的技术经济评价指标 .......................................................... 46 5.2 预期目标分析 ...................................................................................... 48 5.3 本章小结 .............................................................................................. 49 6 结论及展望结论及展望 ............................................................................... 50 6.1 结论 ...................................................................................................... 50 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 2 6.2 展望 ...................................................................................................... 50 致致 谢谢 .......................................................................................... 52 攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果 ............................................................... 53 参考文献参考文献 ...................................................................................... 54 附录附录 .............................................................................................. 60 附录一 ......................................................................................................... 60 附录二 ......................................................................................................... 61 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 3 CONTENTS 1. Introduction.............................................................................................................. 1 1.1 Proposing of the Topic .............................................................................................. 1 1.2 Target and Meaning for the Topic Research .................................................................. 3 1.3 Domestic and Foreign Research Status for High-temperature Mine Cooling Technology .... 4 1.4 Contents and Technological Routes for the Topic Research ............................................ 8 1.5 Brief Summary of this Chapter ................................................................................... 9 2. Analysis on the Guotun Coal Mines Heat Source and Its Underground Thermal Pollution ...................................................................................................... 10 2.1 The Major Heat Source for Guotun Coal Mine ............................................................10 2.2 The Impacts of the Inner-coal mine Heat Source on the Underground Heat Environment ..14 2.3 Mine thermal analysis on the influence of the miners....................................................19 2.4 Brief Summary of This Chapter .................................................................................26 3. Loading Computation for Guotun Coal Mine ................................................. 27 3.1 Analysis on the Coal Mine Cooling Load and Showering Heat Load in summer...............27 3.2 Shaft Anti-freeze, Showering Heat Water and Construction Heating Load Analysis ..........30 3.3 Brief Summary of this Chapter ..................................................................................31 4. Design of Mine Cooling and Waste Heat Utilization- Integrated Chiller Group ................................................................................................................................. 32 4.1 Determination of the Groups Functions ......................................................................32 4.2 R 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 矿井降温及余热利用一体化制冷机组设计 43 （6）电气连接示意图 . 图图 4.9 电气连接示意图电气连接示意图 Figure 4.9 Electrical connection diagram I5 I4 I3 I2 I1 I0 NTC3 NTC5 NTC4 NTC2 NTC1 NTC0 S2 ONON S1 A8A5A4A3A2 A1A0GND VCCGND VCC A6 A6- A7 A7- A10-A11A11-A10A9-A8- A9 AGNDDA3DA2 X01X00X17X16X15X14X13X12X10COM4X11X07X06COM3X05X04X03X02 DA1DA0POW-POWY00 Y01 Y02 Y03 Y04COM1Y05 Y06 Y07Y10 Y11COM2Y17Y16Y15Y14Y12 Y13 S5S6 NTC NTC NTC NTC NTC NTC p p p p p p p p p p p p p p p p M0M3 M4 M5 M6 M7M10M11M12M13M14M15M16M17 冷冻出水温度 冷冻回水温度 冷却出水温度 冷却回水温度 冷冻泵过载 冷却水泵过载 冷却水流不足 压机低压开关 压机高压开关 压机过载过热 压机机内保护 冷冻水流不足 冷冻泵 冷却泵 冷却塔风机 主接触器 星型接触器 角型接触器 25电磁阀 50电磁阀 备用 排气温度 膨胀阀故障 压机油压差开关 压机油位开关 相序保护 外部连锁 防冰开关 塔风机过载 线控开关 输入公共端 S4 M1 M2 75电磁阀 油冷却旁通阀 液路阀 电机喷液阀 中间喷液阀 间歇阀 回油阀 故障输出 on off 4321432121 432165 on off 432165 A0 A1 A2 A3 信号源 电压 输入 A4 A5 ONONON S1-1off off off off off off off off S1-2 S1-3 S1-4 S2-1 S2-2 S2-3 S2-4 S1-1 S1-2 S1-3 S1-4 S2-1 S2-2 S2-3 S2-4 S1-1 S1-2 S1-3 S1-4 S2-1 S2-2 S2-3 S2-4 off on off on off on off on on off on off on off on off off off off off S1-5 S1-6 S2-5 S2-6 S1-5 S1-6 S2-5 S2-6 S1-5 S1-6 S2-5 S2-6 off on off on on off on off 电流NTC 输出公共端 输出公共端 输入公共端 232R232TGND 显示屏 DC24V DC24V- S1 电流检测 低压变送器 高压变送器 备用 备用 M5 M4 GNDE 直流24V负极或交流18V输入 直流24V正极或交流18V输入 接大地 AC220V-NAC220V-N AC220V-LAC220V-L VCCVCC Vout Vout VZ 电气连接示意图.螺杆机组水冷冷水机型 1、此电气接线图仅供参考。 2、如果是分绕组启动，绕组一接触器和绕组二接触器分别对应星三角启动的主接触器和角接触器，此时没星型接触器。 3、Y11\Y12\Y13\Y14\Y15\Y16为自定义端口，请参考说明书上“自定义端口”。 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 矿井降温及余热利用一体化制冷机组设计 44 I5 I4 I3 I2 I1 I0 NTC3 NTC5 NTC4 NTC2 NTC1 NTC0 S2 ONON S1 A8A5A4A3A2A1 A0GND VCCGND VCC A6A6- A7 A7- A10-A11A11-A10A9-A8- A9 AGNDDA3DA2 X01X00X17X16X15X14X13X12X10COM4X11X07X06COM3X05X04X03X02 DA1DA0POW-POWY00 Y01 Y02 Y03 Y04COM1Y05 Y06 Y07Y10 Y11COM2Y17Y16Y15Y14Y12 Y13 S5S6 NTC NTC NTC NTC NTC NTC p p p p p p p p p p p p p p p p M0M3 M4 M5 M6 M7M10M11M12M13M14M15M16M17 空调出水温度 空调回水温度 翅片温度 备用 备用 空调泵过载 冷凝风机过载 中压开关 压机低压开关 压机高压开关 压机过载过热 压机机内保护 空调泵水流不足 空调水泵 冷凝风机一 冷凝风机二 主接触器 星型接触器 角型接触器 25电磁阀 50电磁阀 环境温度 排气温度 压机气压开关 压机油压差开关 压机油位开关 相序保护 外部连锁 防冰开关 制热低压开关 线控开关 输入公共端 S4 M1 M2 75电磁阀 四通阀 辅助电加热 电机喷液阀 中间喷液阀 间歇阀 回油阀 故障输出 on off 4321432121 432165 on off 432165 连接PC监控 A0 A1 A2 A3 信号源 电压 输入 A4 A5 ONONON S1-1off off off off off off off off S1-2 S1-3 S1-4 S2-1 S2-2 S2-3 S2-4 S1-1 S1-2 S1-3 S1-4 S2-1 S2-2 S2-3 S2-4 S1-1 S1-2 S1-3 S1-4 S2-1 S2-2 S2-3 S2-4 off on off on off on off on on off on off on off on off off off off off S1-5 S1-6 S2-5 S2-6 S1-5 S1-6 S2-5 S2-6 S1-5 S1-6 S2-5 S2-6 off on off on on off on off 电流NTC 输出公共端 输出公共端 输入公共端 232R232TGND 显示屏 DC24VDC24V- S1 电流检测 低压变送器 高压变送器 备用 备用 M5 M4 GNDE 直流24V负极或交流18V输入 直流24V正极或交流18V输入 接大地 AC220V-NAC220V-N AC220V-LAC220V-L VCCVCC Vout Vout VZ 电气连接示意图.螺杆机组风冷热泵机型 1、此电气接线图仅供参考。 2、如果是分绕组启动，绕组一接触器和绕组二接触器分别对应星三角启动的主接触器和角接触器，此时没星型接触器。 3、Y13、Y14、Y15、Y16为自定义输出点。 图图 4.10 电气连接示意图电气连接示意图 Figure 4.10 Electrical connection diagram 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 矿井降温及余热利用一体化制冷机组设计 45 4.5 本章小结本章小结 本章主要介绍了螺杆式矿井降温及余热利用一体化制冷机组的设计，包括机 组控制功能的确定、机组各项安全保护功能的确定、机组故障的系统处理方式、 机组控制系统的研发、螺杆式制冷机组结构的研发以及机组的整体测试与系统调 整。 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 矿井降温技术经济分析 46 5 矿井降温技术经济分析矿井降温技术经济分析 在进行技术经济分析时，根据工程项目的经济评价标准不同，需要从不同的 角度考虑，常用的经济评价方法主要有以下四类 1费用类经济评价方法。它是最小费用为准则，追求项目最小计算费用。综 合考虑各个方案中，最优解就是所需费用最少的方案。 2投资能力类经济评价方法。主要评价投资的回收效果，其中主要的考核方 法的是投资回收期法，投资回收期越短，投资收益越大，说明投资回收速度越快， 为最优方案。 3赢利类经济评价方法。以工程项目的盈利性为最终目的的经济评价方法， 该方法可以用货币单位直接表示，并且是应用最广泛的是净现值法，指各年收入 与支出按投资收益折现与初投资现值相减的差值。 4效率类经济评价方法，也就是按照投入计算产出的经济法。它主要是考虑 两者之间的比例，确定最大收益。 郭屯煤矿的螺旋式制冷机组的目的是为了矿井降温，减轻矿井的高温热害威 胁，改善井下作业人员的作业环境，保障矿工的身体健康，提高矿工的劳动安全 水准，从而使生产效率有一个质的飞越，显著增加矿井的社会效益和经济效益。 在设计中，我们建设矿井降温工程的目的不单单是从经济性来分析考虑的，既简 单的从工程项目的盈利性和降温工程投资的回收期长短分析矿井制冷降温工程的 效益，而是着重于把考虑降温工程的经济性和矿井经济效益、矿井产能以及为井 下的作业人员提供一个良好的作业环境，本论文对郭屯煤矿的螺旋式制冷机组宜 采用费用类经济评价方法进行经济评价，该方法可对该制冷降温系统进行系统的 评价和最优的方案的选择。 5.1 矿井降温的技术经济评价指标矿井降温的技术经济评价指标 矿井降温技术经济指标可以清楚的描绘出高温热害矿井降温前后经济效益的 不同，并对矿井年降温所需要的费用进行汇总，统计出矿井降温设备的能耗情况 以及职工作业环境改善减少的卫生花费。 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 矿井降温技术经济分析 47 5.1.1 工作面的经济效益工作面的经济效益 采煤工作面因制冷降温系统安装后，工作面温度会有所降低，矿井热舒适性 计算结果为评价标准，据统计数据表明矿工的作业环境温度每上升 1℃，井下作业 人员的劳动生产大约会下降 6％， 采用在制冷降温系统安装使用前的工作面年产量 为计算基准，则采煤工作面降温系统的经济效益 Bl单位元为  1 01 1 1 10.06 BAd tt      （5.1） （6.1）式中 0 t降温前工作面风流的温度，℃； 1 t降温后工作面风流的温度，℃； A采用该制冷降温系统前的采煤工作面年产量，t/a； d吨煤利润，元/t。 我们可以认为掘进工作面在使用降温系统后的经济效益 B2单位元为    01 01 2 010101 0.06 36521.91 1365 10.0610.061 0.06 ttnatt Bna tttttt       （5.2） 式中n表示采用该制冷降温系统前，掘进面的定员数； a工人的平均日工资额，元/d。 降温系统在工作面的经济效益 B 为 我们可以认为使用降温系统后的总经济效益等于使用降温系统提高劳动生产 率而增加的经济收入减去该降温系统的总费用包括设备折旧费用， 也就是说采煤 面在使用降温系统后的经济效益与掘进面在使用降温系统后的经济效益之和减去 消耗的费用，即可用下式表示   12 01 1 1365 1 0.06 BBBZAdnaZ tt      5.3 式中Z降温系统的年平均经营费用和初投资的年折旧费用之和。 5.1.2 单位制冷量费用单位制冷量费用 单位制冷量费用的是衡量了每生产 lkW 冷量所需要的各项费用总和。我们计 算出单位制冷量费用可用于和其他矿井做横向比较，对制冷设备的选型提供参考 和单位耗费提出目标。 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 矿井降温技术经济分析 48 k BO z Q     （5.4） 式中 BO Q  空调降温系统总制冷负荷，kw； 空调系统的年运转时间，h。 5.1.3 能效比能效比 COP 能效比COP是指制冷机组每消耗1kw的电能可以制造相当于多少 kw的冷量。 5.1.4 年吨煤降温成本年吨煤降温成本 将降温费用和矿井产量联系在一起，可以直观的反应降温系统费用在矿井经 营中所占比重。矿井降温系统年总成本包括系统总投资年折算费用、设备年折旧 费用和运行管理费用与降温采掘