高温矿井降温系统的设计.pdf

参考文献 [ 1] 李景平. 基于现场总线思想的煤矿综合监控系统设计 [ J] . 测控技术, 2000, 19 12 21 -23. [ 2] 成继勋, 孟祥忠 . 煤矿用现场总线标准的研究[ J] . 煤炭 学报, 2001, 26 6 657-662. [ 3] 芦建军. Profibus-DP 现场总线在煤矿设备监控系统 中的应用[ J] . 煤, 2005, 14 3 30 -31. [ 4] 茹 锋, 薛钧义. Profibus 协议实时性能的仿真计算 [ J] . 系统仿真学报, 2002, 14 6 789-792. [ 5] 刘富强, 钱建生, 曹国清. 多媒体图象技术及应用[ M] . 北京 人民邮电出版社, 2000. [ 6] 孟凡芹, 孙新梅, 马 正. 煤矿井下计算机监控网络及 其应用[ J] . 煤炭工程, 2003 2 61-63. 第 11 期 2009 年 11 月 工矿自动化 Industry and Mine Automation No . 11 Nov . 2009 文章编号 1671 - 251X 2009 11-0081 - 03 高温矿井降温系统的设计 杨争光 , 叶 平 , 张晓磊 , 毕于业 中国矿业大学机电学院 ,江苏 徐州 221008 摘要 结合某煤矿的具体情况 ,通过对多个矿井降温方案的技术经济比较, 确定了可行的矿井降温方案, 并根据该高温矿井的实际情况 ,设计了一种可靠的降温系统 ,详细介绍了系统的工作原理与系统各组成部分 的设计。实际应用表明, 该系统解决了井下冷凝热排放困难的问题, 取得了良好的应用效果。 关键词 矿井; 制冷站; 降温系统; 冷凝器; 保温 中图分类号 TD727 文献标识码 B 0 引言 我国是世界上第一产煤大国, 也是高温热害矿 井最多的国家。随着矿井开采深度的增加, 矿井高 温热害问题越来越严重 。有关资料显示, 中国大约 有八十多对矿井存在不同程度的高温热害问题 , 井 下高温高湿的气候条件, 不仅损害工人的身体健康 , 而且大大降低了劳动生产率, 甚至使采掘工作无法 进行 [ 1～ 2] 。某矿井下温度已超过煤矿安全规程所 规定的28 ℃,而通风降温不能解决实质问题 ,因此 , 对高温矿井实施人工降温十分必要。为此, 笔者根 据该高温矿井热害程度及具体结构情况, 确定了降 温方案,并设计了冷水降温系统,对保证该矿的安全 生产有着重要的意义 。 1 降温方案的确定 矿井热害治理措施可分为两大类 一是对原有 通风系统进行调整 ,二是利用空调系统对高温地点 收稿日期 2009-06-30 作者简介 杨争光 1983- , 男, 河南周口人, 中国矿业大学机电 工程学院 2007 级在读硕士研究生, 研究方向为测试技术及仪器。 E -mail yangzhgu 126. com 的进风流进行强制降温。根据该矿具体情况和 近几年矿井热害治理的实践经验 ,对己17-23200 综 采工作面的降温提出以下 3 种方案并进行比较 。 1通风降温 加大风量对改善工作面环境有一定作用 ,但不 能从根本上解决问题。并且该矿采掘工作面的供风 量已达 1 200 m3/min ,受巷道断面和通风能力等因 素影响 ,已无法再加大风量 。 2原制冷系统降温 该矿 1996 年安装并投入运行的制冷系统, 制冷 量为 1 000 kW , 制冷机组安装在制冷峒室, 排热系 统将热水输至己三采区风井地面进行喷淋 ,冷冻水 通过保冷管路输至热交换器 ,再通过局部通风机向 工作面供冷 。设计时主要为 -300 ～ -450 m 水平 降温服务,降温设备性能和稳定性较差,如果利用原 制冷系统恢复运行服务 - 450 m 以下将受供冷距离 和制冷能力的限制 ,不能满足生产降温需要,并且受 制于排热、 系统压力及冷损较大 , 因此, 该方案不宜 采用。 3综合制冷降温 综合制冷降温方式是新建 -650 m 制冷站, 冷 凝热可以利用北山风井中淋水, 该淋水的水温比较 低,一般为 14～ 22 ℃,水量为 110～ 120 m3/h ,这是 一种难得的天然冷源 。以机械制冷降温为主, 采面 上部采用冷水喷淋降温为辅, 并结合回风巷安装抽 放管抽放采面上隅角热量, 以及单独排放热水的综 合治理降温措施 。 对上述 3个降温方案进行技术经济比较可以看 出,最经济有效 、 切实可行的降温方案是以机械制冷 降温为主 、 其它降温方式为辅的综合制冷降温方案 , 该方案实施工期短, 系统简单可行 ,易于管理 。方案 技术经济比较如表 1 所示 。 表 1 降温方案技术经济比较表 降温方式 总投资 /万元 温度降幅 / ℃ 服务范围备注 通风降温-1～ 1. 5己三采区受条件限制 原制冷 系统降温 1801. 5～ 21 个采掘 工作面 冷损大、压力 大 综合制冷 降温 1903～ 51 个采煤 工作面 简单可行, 易管理 2 降温系统设计 2. 1 降温系统工作原理 制冷站建在 -650 m , 制冷机组制取低温冷冻 水,通过输冷管道向己17-23200 综采面机巷输送 , 通过安装在机巷的空冷器对己17-23200 综采工作 面进风流进行冷却降温, 再通过回水管重新回入制 冷机组进行制冷循环 。为避免采面降温下冷上热冷 热不均的现象, 采面上部采用冷冻水喷淋降温 ,降温 系统布置如图 1 所示[ 3]。 2. 2 降温系统设计 降温系统设计主要包括制冷机、冷凝器排热计 算、 供 、 回水管路水力计算 、 供冷水泵选型、 保温层厚 度的计算 、 空冷器的选型设计等部分。 1制冷机制冷量计算及选型 QW≥ 1 . 2 -1. 5∑QiQh 1 式中∑Qi为冷冻水管内损失冷量 , kW ; Qh 为采面所需冷负荷, kW 。 取余量系数 1. 35, 得 QW763 . 75 kW, 根据煤 矿特点,选用 LSLGF800 型防爆冷水机组, 其制冷 量为 800 kW 。 图 1 己三采区降温系统布置示意图 2冷凝器排热计算 根据能量平衡计算出制冷机冷凝器总排热量为 1 050 kW 。北山风井井筒淋水水温为 14 ～ 22 ℃, 水量为 110 ～ 120 m3/h, 设计冷凝器出口水温为 30 ℃,井筒淋水可带走 1 200 kW 以上的热量 ,可以 满足 LSLGF800 型冷水机组的排热要求。 3供 、 回水管路水力计算 选取空冷器进出口温差为 6 ℃,空冷器效率η 0. 8,根据采煤工作面所需的冷负荷为 486 kW , 由热 力学基本原理 Q η c qvρ水/ 3 600 Δt 2 式中 Q 为采煤工作面所需冷负荷, kW ; c 为水 的比热 ; qv为冷水的体积流量, m3/h ; Δt 为空冷器 进出口温差 , ℃。 得 qv m3/h87. 5 针对该矿采面用冷水喷淋 , 喷水量为 5 m3/h, 则供水管路流量为 QV m3/ h 87 . 55 92. 5 取经济流速 v 1. 5 m/s ,由 QVπ /4 D 2 v , 得 D m0. 147 故可选用 D159 6 无缝钢管 。 4供冷水泵选型 流体在管内流动过程中, 由于流体的粘滞力造 82工矿自动化2009 年 11 月 成的损失称为沿程阻力损失, 可用式 4 计算[ 4] hfλ L d v2 2 g 3 式中 hf为沿程损失, mH2O ; λ 为沿程损失系 数; L 为管道长度 , m ; d 为管道的内径, m ;v 2 2g 为 单位重力流体的动压头。 由于流体微团的碰撞, 流体中产生的漩涡等造 成的损失成为局部损失 。通常 , 管流中单位重力流 体的局部能量损失可用式 4 表示 hjζ v 2 2 g 4 式中 hj为局部损失 , mH2O ; ζ 为局部损失系 数,是一个无量纲量 。 由上述数据求得雷诺数 Re 2. 205 105 2 000, 可知水在管内呈 紊流状态。 查表得 ε 0. 19 mm ,ε /d 0. 00 129,由莫迪图查得 λ 0. 021, 得 hf29. 14 mH2O 。 结合该矿井下实际条件, hj 0 . 8 mH2O 。制冷 站布置在 -650 m 水平, 工作面为 -540 m 水平 。 冷冻水泵需克服 h 110 m 的水的高度压差 , 整个 管 道 上 的 损 失 为 29. 14 0. 8 110 139. 94 mH2O ,故选用 D125 -25 7 型多级泵 , 流 量为 72 ～ 119 m3/h, 扬程为 122～ 179 mH2O , 电功 率为 75 kW ,防爆。 5保温层 输冷管道的保温性能直接影响到工作面的降温 效果 ,因此 ,必须对管道进行保温 ,保温材料特性如 表 2所示 。 表 2 保温材料特性表 保温 材料 导热系数 W/ mK 吸水率 mg/cm2 耐腐 蚀性 燃烧 性能 使用 年限 单价 元/m3 聚氨脂0. 0351. 9～ 2. 7 一般离火即灭5～ 102 200 玻璃钢-----9 000 根据矿井降温的特点, 防止潮湿空气中水蒸汽 在保温管道或设备表面凝结的保温层厚度为[ 5] 0. 274 λ t2-t /[ Di ta-t2 ] 5 δDi D0-Di / 2 Di 6 式中 为系数, 与 D0/Di有关; δ 为保温层厚 度,m ; λ 为保温材料导热系数 , W/ m ℃ ; D0为 管道保温层外径 , m ; Di为管道保温层内径, m ; t 为 设备及管道外壁温度, ℃,对无内衬材料的金属外壁 设备及管道取介质温度; ta为保温结构周围环境的 空气温度, ℃; t2为周围空气露点温度 , ℃, 从 I -d 图查取 。 保温层厚度计算结果如下 DN ≥150 时, δ 40 mm ; DN 150 时, δ 30 mm 。对于设备保温, 如制冷机蒸发器及相关管路的保温, 其保温层全部 选用 δ 30 mm ; 保温管结构型式为内管 无缝钢 管 聚氨脂保温层玻璃钢外保护层。 6空冷器 根据前 面计算, 水泵克 服供水管 道压损为 139. 94 mH2O , 水泵扬程为 122 ～ 179 mH2O , 选 HSPC -100 -2. 5 型空冷器 6 台, 主要技术参数要 求如下 进水温度为 8 ℃,水侧阻力200 kPa ,入风 量为400 m3/min, 入水量为 14. 5 m3/h ,额定功率为 100 kW 。 3 结语 本文通过对增大通风量降温 、利用原制冷系统 降温和综合制冷降温 3 种降温方案进行技术经济比 较 ,确定了某矿降温的方案 , 即以机械制冷降温为 主 、 其它降温方式为辅的综合制冷降温方案 。并结 合实际情况 ,利用北山低温淋水对冷凝热进行排热, 解决了井下冷凝热排放困难的问题。该矿井降温系 统运行后,井下温度一直被控制在规定的温度范围 内 ,达到了设计的预期效果 ,为该矿取得了一定的经 济效益 。 参考文献 [ 1] 金 梁, 殷勤业. 时空 DOA 矩阵方法[ J] . 电子学报, 2000, 28 6 8 -12. [ 2] 张朝昌, 厉彦忠, 苏 林, 等. 透平膨胀制冷在高温矿井 降温中的应用[ J] . 西安科技学院学报, 2003, 23 4 397-399. [ 3] 王永强, 于洪海, 李红阳. 矿井空调特点及制冷降温 装备的研制[ C]//全国第十五届矿井降温技术交流会 论文集, 武夷山, 2005, 10. [ 4] 孔 珑. 工程流体力学[ M] . 北京 中国电力出版社, 2001. [ 5] 杨世铭, 陶文铨. 传热学[ M] . 北京 高等教育出版社, 1998. 832009 年第 11 期杨争光等 高温矿井降温系统的设计