嚴(yán)明慶

1中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司 重慶 400037

2瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 400037

由 于礦井開采深度逐漸增加，孔莊煤礦采掘工作面的熱害問題日益突出。其中采煤工作面的環(huán)境溫度已經(jīng)超過 33 ℃，空氣相對(duì)濕度接近飽和，嚴(yán)重影響生產(chǎn)?？浊f煤礦于 2012 年建立了地面制冰降溫系統(tǒng)，雖然緩解了一定的熱害問題，但效果較差。由于能耗較高，系統(tǒng)復(fù)雜，容易出現(xiàn)系統(tǒng)故障。隨著礦井降溫技術(shù)的發(fā)展，制冰降溫系統(tǒng)逐漸被冷水系統(tǒng)取代。現(xiàn)有降溫系統(tǒng)由于部件損壞、輸冰系統(tǒng)易堵塞等原因處于停機(jī)狀態(tài)。綜合考慮制冷效果和經(jīng)濟(jì)效益，需要對(duì)降溫系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)改造，以滿足孔莊礦井下降溫的實(shí)際需求。

根據(jù)我國(guó)《煤礦安全規(guī)程》中的規(guī)定[1-2]，生產(chǎn)過程中，工作面的微環(huán)境溫度不得超過 26 ℃，機(jī)電設(shè)備硐室內(nèi)的溫度不得超過 30 ℃。孔莊煤礦如果不采取有效的治理手段，就會(huì)影響作業(yè)人員的身體健康，限制勞動(dòng)效率的提高，并且違反《煤礦安全規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定。由于孔莊煤礦井下熱害范圍逐漸擴(kuò)大，并且高溫區(qū)域不集中，采用局部制冷降溫系統(tǒng)已不能解決熱害。為了使降溫系統(tǒng)能覆蓋所有高溫采掘工作面，且要求管理更為簡(jiǎn)單、便捷，因此，建立地面集中降溫系統(tǒng)是一種可行的技術(shù)方案。

1 現(xiàn)有降溫系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)介紹

(1) 地面部分 現(xiàn)有降溫系統(tǒng)為制冰系統(tǒng)，主要包括地面制冷站設(shè)置了 4 臺(tái)冷水機(jī)組，總制冷量為 5 640 kW；1 臺(tái)制冰量為 1 020 t/d 的進(jìn)口制冰機(jī)；4 臺(tái)冷凍水循環(huán)泵；6 臺(tái)冷卻水循環(huán)泵。

(2) 井下部分 硐室內(nèi)有 2 臺(tái)冷凍水循環(huán)泵，額定功率為 710 kW，流量為 280 m3/h；每個(gè)采煤工作面串聯(lián)布置了 25 臺(tái) 50 kW 的空冷器；掘進(jìn)工作面設(shè)置了 2 臺(tái) 150 kW 的空冷器。

(3) 輸冰系統(tǒng) 輸冰管道材質(zhì)為高密度聚乙烯(HDPE)，直徑為 273 mm，總長(zhǎng)度約為 1 400 m。

1.2 存在的問題

從運(yùn)行可靠性角度分析，該制冰集中降溫系統(tǒng)主要存在如下問題。

(1) 時(shí)常發(fā)生輸冰管道阻塞現(xiàn)象，采取冷水回灌沖刷的方式也無法有效解決。

(2) 運(yùn)行時(shí)，真空泵溫度容易過高，直接影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)安全性，無備用泵，存在設(shè)計(jì)缺陷。

(3) 關(guān)鍵設(shè)備為國(guó)外進(jìn)口，如果其中一個(gè)關(guān)鍵的部件出現(xiàn)故障，系統(tǒng)就會(huì)停止運(yùn)行。由于主要配件大多是國(guó)外進(jìn)口，采購(gòu)周期較長(zhǎng)，維護(hù)成本高。

從運(yùn)行及降溫效果的角度分析，存在以下問題。

(1) 工作面風(fēng)流降溫幅度低，降溫效果差。根據(jù)工作面各測(cè)點(diǎn)溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，工作面實(shí)測(cè)溫度為28.6～31.2 ℃，濕度大于 95%，降溫效果不明顯。

(2) 空冷器傳熱效率低，實(shí)際制冷換熱負(fù)荷約為設(shè)計(jì)值的 54%。

(3) 空冷器進(jìn)水溫度最高為 14 ℃，最低為 4.8℃。較高的空冷器進(jìn)水溫度直接影響降溫效果。

(4) 制冰機(jī)組運(yùn)行效率較冷水降溫機(jī)組更低，節(jié)能效果差。制冷系統(tǒng)的能效比 COP 為 2.16，遠(yuǎn)低于同級(jí)別螺桿冷水機(jī)組的能效比。

2 礦井降溫系統(tǒng)改造

2.1 方案概述

降溫系統(tǒng)改造主要分為地面制冷系統(tǒng)改造、冷量輸送系統(tǒng)改造及末端換熱系統(tǒng)改造。

地面集中降溫系統(tǒng)如圖 1 所示[3-4]。利用地面制冷站原有冷水機(jī)組制取低溫冷凍水 (3～5 ℃)，將冷凍水通過保溫管道輸送到井下?lián)Q冷硐室 (融冰硐室進(jìn)行改造而成)，在換冷硐室內(nèi)建造高低壓轉(zhuǎn)換裝置，通過該裝置將冷凍水的壓力從 11 MPa 降低至 2 MPa，然后通過冷凍水泵和保溫管道輸送到采掘工作面末端空冷器。從空冷器回來的冷凍水 (溫度約 18 ℃) 通過高低壓轉(zhuǎn)換裝置升壓后循環(huán)回到地面制冷站重新制冷，形成閉式循環(huán)。

2.2 地面制冷系統(tǒng)改造

圖1 地面集中降溫系統(tǒng)Fig.1 Ground centralized cooling system

地面制冷系統(tǒng)中冷卻水系統(tǒng)不進(jìn)行改造，只對(duì)冷水機(jī)組做部分改造，以實(shí)現(xiàn)大溫差、小流量的目的。目前冷水機(jī)組額定流量為 243 m3/h，設(shè)計(jì)進(jìn)水溫度為 5 ℃，回水溫度為 10 ℃。對(duì)制冷機(jī)組控制程序、系統(tǒng)運(yùn)行流程進(jìn)行改造，其中 2 臺(tái)冷水機(jī)組作為第一階段制冷使用，將冷凍水預(yù)冷到 10～13 ℃，然后冷凍水再進(jìn)入另外 2 臺(tái)制冷機(jī)組，將水溫度降低至 3～5 ℃。改造之后，實(shí)現(xiàn)進(jìn)水溫度為 3～5 ℃，回水溫度為 15～18 ℃，冷凍水流量為 280 m3/h。

2.3 冷量輸送系統(tǒng)改造

2.3.1 高壓冷凍水管道

地面至井底的水靜壓力為 10.5 MPa，設(shè)計(jì)管道最大承壓為 16 MPa，隨著管道的延伸而逐漸增加管道承壓能力。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)考察情況，井筒內(nèi)原有 2 條備用供排水管道可以利用，管道直徑分別為 273、325 mm，但需要進(jìn)行保溫處理。

2.3.2 井下融冰硐室

將融冰硐室內(nèi)的設(shè)備和構(gòu)筑物全部拆除，高度擴(kuò)建增加 1 m。此外，地面硬化并建設(shè)設(shè)備安裝基礎(chǔ)，安裝高低壓轉(zhuǎn)換裝置及其配套設(shè)備。高低壓轉(zhuǎn)換裝置如圖 2 所示。

圖2 高低壓轉(zhuǎn)換裝置Fig.2 High-low pressure transfer device

2.3.3 井下輸冷系統(tǒng)

井下輸冷系統(tǒng)包括冷凍水泵以及從冷凍水泵到空冷器的冷凍水管道等。據(jù)實(shí)地考察，循環(huán)水泵可以滿足使用需求，保溫管道維護(hù)后可以使用。

2.4 末端換熱系統(tǒng)改造

孔莊煤礦采煤工作面使用 25 臺(tái) 50 kW 的空冷器，總換熱量為 1 250 kW，總換熱量偏低。另外，現(xiàn)有空冷器系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備維護(hù)困難，且由于采用串聯(lián)前后布置，空冷器效率較低。采煤工作面空冷器改造如圖3 所示，將 25 臺(tái) 50 kW 空冷器更換為 4 臺(tái) 450 kW 的空冷器。掘進(jìn)工作面空冷器改造如圖 4 所示，將 2 臺(tái) 150 kW 的空冷器更換為 1 臺(tái) 450 kW 的空冷器。

圖3 采煤工作面空冷器改造Fig.3 Design of air cooler on mining work face

根據(jù)既往的使用經(jīng)驗(yàn)，改造后的空冷器布置更加合理，空冷器的制冷效果能夠得到較大的改善。

改造前后溫度變化曲線如圖 5 所示。改造后，工作面的風(fēng)流溫度在 26 ℃ 以下，最大降幅達(dá)到 12 ℃，改造后比改造前溫度平均下降 7 ℃，相對(duì)濕度也下降至 80% 以下，降溫效果顯著提高，可以有效解決工作面的熱害問題，改善作業(yè)環(huán)境。

圖4 掘進(jìn)工作面空冷器改造Fig.4 Design of air cooler on tunneling work face

圖5 改造前后工作面溫度變化曲線Fig.5 Variation curve of temperature on work face before and after reconstruction

3 新增設(shè)備

制冷降溫系統(tǒng)工藝具有如下特點(diǎn)。

(1) 耐高壓 高低壓轉(zhuǎn)換裝置的作用是將地面冷凍水壓力由 11 MPa 降低到 2 MPa。其設(shè)計(jì)承壓能力為 16 MPa。

(2) 溫差大 為了降低運(yùn)行能耗，制冷機(jī)組設(shè)計(jì)成小流量大溫差，冷凍水溫度設(shè)計(jì)為 3 ℃。

(3) 尺寸小 受礦井運(yùn)輸和安裝條件的限制，設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸不能太大，特別是空冷器，在滿足換熱量的同時(shí)，確保外形最小。

3.1 高低壓轉(zhuǎn)換裝置

高低壓轉(zhuǎn)換裝置是地面集中降溫系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，也是此次改造的關(guān)鍵裝備。

根據(jù)礦方的輸冷量需要并考慮未來擴(kuò)容的需求，選擇換冷量為 5 000 kW 的高低壓轉(zhuǎn)換裝置，其技術(shù)參數(shù)如表 1 所列。

3.2 空冷器

空冷器是降溫系統(tǒng)的重要末端設(shè)備，應(yīng)能適應(yīng)井下高濕度、強(qiáng)腐蝕性、多粉塵的工作環(huán)境。其換熱效果優(yōu)劣直接影響到需冷區(qū)域的降溫效果。空冷器參數(shù)如表 2 所列。

表1 高低壓轉(zhuǎn)換裝置技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of high-low pressure transfer device

表2 空冷器技術(shù)參數(shù)Tab.2 Technical parameters of air cooler

3.3 變頻調(diào)速裝置

由于現(xiàn)有的冷凍水泵功率較大，為了減小運(yùn)行能耗，需要配套礦用隔爆兼本安型變頻調(diào)速裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)循環(huán)水泵的變頻調(diào)速，變頻調(diào)速裝置技術(shù)參數(shù)如表 3 所列。

表3 變頻調(diào)速裝置技術(shù)參數(shù)Tab.3 Technical parameters of variable frequency speed regulation device

3.4 管道

從地面制冷機(jī)站到井下?lián)Q冷硐室高低壓轉(zhuǎn)換裝置處，高壓側(cè)冷凍水輸送管道采用直徑為 273 mm 的保溫管道。井下冷凍水管道需承壓能力較高，最大工作壓力為 16 MPa。低壓側(cè)冷凍水輸送保溫管道從換冷硐室到末端空冷器，設(shè)計(jì)壓力為 4 MPa。

3.5 地面集中控制系統(tǒng)

地面集中監(jiān)控系統(tǒng)如圖 6 所示，由井下?lián)Q冷硐室高低壓轉(zhuǎn)換裝置集中監(jiān)控系統(tǒng)和地面監(jiān)控系統(tǒng)組成[5]。該集中控制系統(tǒng)采用以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)為核心、以視頻監(jiān)控為輔助控制的管控一體化集中控制管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行與管理的高度自動(dòng)化。

(1) 報(bào)警功能 通過各種傳感器采集設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，設(shè)置參數(shù)預(yù)警閾值及超限時(shí)發(fā)預(yù)警信號(hào)。通過對(duì)可能故障的提前維護(hù)，有利于避免故障擴(kuò)大導(dǎo)致嚴(yán)重后果，做到設(shè)備管理的預(yù)防性維護(hù)。

圖6 地面集中控制系統(tǒng)Fig.6 Ground centralized control system

(2) 可視化功能[6]地面集中控制系統(tǒng)控制界面如圖 7 所示。該界面可以展示核心裝備高低壓轉(zhuǎn)換裝置的工藝原理、流程、工作狀態(tài)及重要的運(yùn)行參數(shù)，如循環(huán)泵的軸承溫度，液壓系統(tǒng)液壓油溫度，重要節(jié)點(diǎn)閥門的開度，冷凍水溫度、壓力、流量，高低壓轉(zhuǎn)換裝置的三腔管道閥門的開閉狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)孔莊煤礦現(xiàn)有降溫系統(tǒng)存在的問題，經(jīng)過改造，能夠克服制冰系統(tǒng)存在的高能耗、降溫效果差、冰漿輸送困難、運(yùn)行維護(hù)成本高等問題。采用以高低壓轉(zhuǎn)行裝置為核心的地面集中降溫系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)。

(1) 高低壓轉(zhuǎn)行裝置技術(shù)成熟，穩(wěn)定可靠。在平煤四礦試運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，滿足礦井的實(shí)際運(yùn)行需求。

(2) 節(jié)能效果良好。由于高低壓轉(zhuǎn)換裝置在高壓冷凍水降壓過程中溫度躍升小于 0.7 ℃，具有很好的節(jié)能效果。

(3) 空冷器的降溫效果良好。工程實(shí)踐表明，采用該空冷器布置能夠高效地降低環(huán)境溫度和濕度。