煤电联合集中制冷降温工艺的探索与设计.pdf

1872020 年第 5 期 煤电联合集中制冷降温工艺的探索与设计 夏亮亮 连 涛 张 刚 （山东济矿鲁能煤电股份有限公司阳城煤矿，山东 济宁 272502） 摘 要 针对阳城煤矿热害治理的实际情况，充分利用现有管路、冷却塔、机电硐室等设施，将地面电厂与井下集中制 冷系统有机地结合起来。自主设计研发的单台制冷量达到 3300kW、最大承压达到 16MPa 的井下制冷装置应用成功，实现 了井下作业现场温度降低 5℃的效果。 关键词 集中降温 制冷机 电厂冷却塔 空冷器 中图分类号 TD727.2 文献标识码 A doi10.3969/j.issn.1005-2801.2020.05.069 Exploration and Design of the Cooling Process of Coal and Power Combined Centralized Refrigeration Xia Liang-liang Lian Tao Zhang Gang Yangcheng Coal Mine, Shandong Jining Mine Luneng Coal Power Co., Ltd., Shandong Jining 272502 Abstract Aiming at the actual situation of heat damage treatment in Yangcheng Coal Mine, the existing facilities such as pipeline, cooling tower, electromechanical chamber and so on are fully utilized to combine the ground power plant with the underground centralized refrigeration system organically. The single refrigerating capacity of the underground refrigeration unit, which is designed and developed independently, reaches 3300kW and the maximum pressure reaches 16MPa, has been successfully applied, and the effect of reducing the temperature of the underground operation site by 5C has been realized. Key words centralized cooling refrigerating machine cooling tower of power plant air cooler 收稿日期 2019-12-18 作者简介 夏亮亮（1984-），男，汉族，2005 年毕业于山东科技 大学机电专业，本科，学士学位，副高级工程师，现工作于山东 济矿鲁能煤电股份有限公司阳城煤矿机电技术科，任副科长。 1 引言 阳城煤矿 -500 -650m 深度地温 26C，-650m 以下属正常增温区。随着矿井向深部延伸，以及开 采范围的增大，由于多种热源的综合作用，导致阳 城煤矿采掘工作面热害十分严重，掘进工作面热害 更为严重。 气温一般均超出 煤矿安全规程 的规定， 局部地点气温高达 34℃。在这样的条件下工作，既 危害了职工的身体健康，又影响矿井安全生产和劳 动效率。 2 系统简介 阳城煤矿井下集中制冷降温系统工艺主要分为 制冷工艺、散冷工艺、排热工艺、补水工艺。 2.1 制冷工艺 制冷机组由一个主机撬块和两个辅机撬块构 成。一个辅机撬块由一台冷凝器和一台蒸发器构成， 布置形式为冷凝器在上、蒸发器在下，两个辅机撬 块为并联布置。三相异步电动机为制冷主机提供动 力，带动压缩机运转，压缩机将蒸发器中流入的过 热气态制冷剂（R22）压缩为高温高压气态制冷剂。 同时，机组油路系统中的油泵将油喷出，一方面冷 却压缩机，一方面还可以起到润滑作用。此时，制 冷剂和油的混合蒸汽进入油分离器。经过多次分离 后，纯净的制冷剂蒸汽由油分离器排气口进入冷凝 器。在冷凝器内，制冷剂走壳程，冷却水走管程。 在该系统中，冷却水从地面通过管路送至井下 的机组冷凝器内，因此，需要承受很高的水静压力， 最高达 8MPa。通过冷凝器内冷却水的冷却作用， 高温高压气态制冷剂冷凝为常温高压液态制冷剂。 冷凝器内的制冷剂通过管路分别进入各自的膨胀阀 内，节流泄压后进入蒸发器内。在蒸发器内，制冷 剂的蒸发作用产生低温冷冻水，输送至采掘工作面 使用，通过空气冷却器冷却风流，从而降低采掘工 1882020 年第 5 期 作面的风流温度。蒸发为气态的制冷剂再次进入压 缩机，形成一个完整的制冷循环。 2.2 散冷工艺 矿井降温系统散冷工艺就是通过换热器实现能 量的转移，即将制冷机组制取的冷量通过载冷介质 （冷冻水） 转移给风流， 风流的热量转移给载冷介质， 从而实现风流温度的降低。 降温系统末端的散冷装置为空冷器，制冷机组 制取的冷冻水通过保温管路送至各个末端空冷器， 通过空冷器完成热交换后，再通过保温管路返回制 冷机组，形成一个闭式的冷冻水循环系统。在空冷 器中，冷冻水作为载冷介质在换热管内流动，风流 通过空冷器，与换热管外表面接触，从而实现与冷 冻水的热交换，温度降低后的风流再送往工作面， 达到改善工作面作业环境的最终目的。 在设计工况下，冷冻水通过末端空冷器管程， 与通过空冷器壳程中的风流进行逆向对流换热，冷 冻水温度升高，约 3℃冷冻水升高至 18℃左右，风 流温度由 32℃降低至 20℃左右。冷却后的风流通 过风筒，在局部通风机动力作用下，送往采掘工作 面，与工作面的高温风流进行掺混换热，使得采掘 工作面的风流温度降低至 28℃左右或者降温幅度达 到 5℃及以上。 2.3 排热工艺 阳城煤矿井下集中制冷降温系统的排热工艺为 冷却水从制冷机组冷凝器出水端出来，通过冷却水 回水管路通往地面，冷却水回水管路与地面电厂冷 却水回水管路并联对接，冷却水汇合进入冷却塔， 热量排至大气中去。冷却水供水管路与电厂冷却水 供水管路并联对接，冷却水从冷却塔出来后从降温 系统冷却水供水管路通往井下制冷机组冷凝器进水 端，由于高差原因，冷凝器自身需要承受约 7.5MPa 的高压（冷凝器最大承压能力为 16MPa）。冷却水 排热温度降低后再返回制冷机组，实现了冷凝热的 排放。 2.4 补水工艺 该系统中的冷却水和冷冻水在循环过程中或多 或少的都有一定程度的损失，因此需要定时给系统 补水，确保系统的循环水流量。 系统补水工艺为降温系统冷却水循环管路与电 站冷却水循环管路并联对接，循环冷却水直接从电 站冷却水中得到补给，循环冷冻水从循环冷却水管 路中得到补给。来自地面高压冷却水通过与冷却水 回水管路连接的补水管路经过减压装置减压进入补 水箱中，再通过补水泵将水送入膨胀水箱。给膨胀 水箱设定一个压力值，当压力值低于设定值时，自 动给冷冻水管路系统补水，当压力值高于设定值时， 自动排水泄压，从而实现定压自动补水。 3 技术指标 （1）采煤工作面最末端的空冷器距离采煤 工作面进风口距离不超过 100m 时，采煤工作面进 风口风流干球温度达到 28℃或进风口风流干球温度 平均降幅达到 5℃，相对湿度达到 80； （2）掘进工作面当送风距离≤ 500m 时，掘 进工作面风流干球温度达到 28℃或降温幅度达到 5℃，相对湿度达到 80； （3）空冷器进出风流温度当空冷器进风干 球温度为 3033℃时，空冷器出风干球温度可降至 1821℃。 4 采掘工作面参数测定 目前井下采掘工作面末端运行的空冷器为 6 台，分别在 3303 采煤工作面轨道顺槽 2 台、在 3306 皮带顺槽入口 2 台、-920 轨道大巷 2 台。 3303 采煤工作面轨道顺槽空冷器布置及参数测 点选取如图 2 所示。 图 1 空冷器布置及参数测定点选取示意图 根据图1所示选取的测点， 连续测2d， 每天3班， 每班测 1 组，共 6 组数据，取平均值。3303 采煤工 作面降温后参数测定结果如表 1 所示。 表 1 3303 采煤工作面降温后参数测定结果 测点 1 点 风温 2 点 风温 3 点 风温 4 点 风温 5 点 风温 5 点 风温 温度值 /℃ 31.723.223.615.321.820.3 测点 6 点 风温 6 点 风温 7 点 风温 7 点 风温 8 点 风温 8 点 风温 温度值 /℃ 24.722.227.52830.930.4 5 3303 采煤工作面降温效果分析 3303 采煤工作面依次选取轨道顺槽 1空冷 （下转第 191 页） 1912020 年第 5 期 似，只是根据配套使用情况将支架的结构高度、顶 梁长度、顶梁形式等做相应调整。 3 7m 支架的工业性试验研究 3.1 工作面概况 王家岭煤矿 22303 工作面埋深 129280m，基 岩厚度为 120250m，顺槽掘进时留有顶煤沿底板 掘进。直接顶厚 0.964.2m，以粉质泥岩为主；直 接底厚 0.8515.25m，以泥岩、粉岩为主。以王家 岭煤矿 22303 工作面为开采对象，设计 7m 支架综 采成套设备进行初步工业性试验。 3.2 工作面综采成套设备选型 22303 工作面长 301m，推进长度为 4965m， 共使用 152 台支架。其中机头机尾端头架使用 ZY12000/28/55 型液压支架 7 台，机头机尾过渡 架 使 用 ZY12000/28/63 型 液 压 2 台， 中 部 使 用 ZY16800/32/70 型液压支架 143 台。工作面采煤机 为 JOY 公司 7LS7 型采煤机，工作面运输设备为 DBT31000型刮板输送机， 中部槽为西北奔牛1.2m 槽宽、 2.05m长中部槽， 配套DBT公司522型破碎机， 带式输送机选用SSJ160/400/3500型带式输送机。 3.3 工业性试验及效果分析 王家岭煤矿 22303 工作面于 2016 年 12 月 31 日投入生产，采取一日三班工作制，白班检修 4h， 生产 4h，中班和晚班各生产 8h。初步试验累积推 进 400m，过煤量为 110104t。 该工作面试验期间采高为 6.27.0m，采煤机 牵引速度为 5m/min，每刀煤约 2200t，最高日产 2.2l04t。经矿压观测得知工作面推进距开切眼 63m 时，顶板初次来压，支架下缩量大，最大下缩 量位于第102131架之间， 其下缩量高达1.21.3m； 周期来压步距为 1317m，压力相比采高 6.2m 时无 明显变化。 ZY16800/32/70 型液压支架基本满足 7m 工作面 使用要求，但是该支架也存在以下问题护帮、伸 缩梁动作慢；护网不可靠；一级护帮油缸不易更换； 部分油缸接头座、阀座、主进回液管焊接质量差。 这些都需要在以后的设计中进行改进。 【参考书目】 ［1］ 梅玉剑 . 不同采高近浅埋煤层采场覆岩运移及应 力演化规律研究 [D]. 西安科技大学，2017. ［2］ 胡江 . 补连塔煤矿 7m 支架综采面回撤阶段矿压 规律研究 [J]. 能源技术与管理，2014，39（04） 96-98. ［3］ 刘柄良 . 大采高工作面贯通回撤巷道矿压规律研 究 [J]. 内蒙古煤炭经济，2013（12）110-111. ［4］ 刘文刚 . 四台掩护支架在大采高综采面回撤中的 应用 [J]. 陕西煤炭，2012，31（03）108-109. ［5］ 李志军.大采高超长工作面顶板灾害预警研究[D]. 太原理工大学，2010. （上接第 188 页） 器入风口、1空冷器出风口、2空冷器入风口、 2空冷器出风口、风筒出风口、工作面入风口、 工作面回风口和 3303 皮带顺槽回风口 8 个测点。 1空冷器入风口风流温度为 31.7℃，经过 2 台空 冷器阶梯式冷却，温度降低至 15.3℃，降温幅度为 16.4℃。经风筒送至 3303 采煤工作面，风筒出风 口温度升高至 21.8℃，湿球温度为 20.3℃，相对湿 度为 86.8；风流从风筒向外射出，膨胀吸热，风 筒外界环境达到降温降湿的效果，至 3303 采煤工 作面入风口干球温度 24.7℃，湿球温度为 22.2℃， 相对湿度降为 79.8；再经过采煤工作面至回风口 温度升高至 27.5℃，湿球温度为 28℃，相对湿度 为 96；风流达到 3303 皮带顺槽回风口时干球温 度达到 30.9℃，湿球温度达到 30.4℃，相对湿度为 96。从工作面入口至回风口，再到皮带顺槽回风 口，为一个升温加湿的过程，呈“冷 - 舒适 - 闷热” 的变化趋势，工作面段基本上处于舒适的环境中。 各测点温度变化情况如图 2 所示。 图 2 3303 采煤工作面降温效果分析 6 结论 3303 采煤工作面经空冷器冷却后，风流温度 由 30.7℃降低至 15.3℃，温度降幅为 16.4℃。降温 后的实测参数均达到了设计要求，改善了现场作业 环境。