張安山徐召棟李新欣

（1. 臨沂礦業(yè)集團(tuán)菏澤煤電有限公司郭屯煤礦，山東 鄆城 274700；2. 山東鼎安檢測技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250032；3.山東礦通信息科技有限公司，山東 濟(jì)南 250031）

郭屯煤礦為立井單水平上下山開拓，現(xiàn)生產(chǎn)水平-808 m，礦井主采的3 煤層全部處于一或二級高溫區(qū)，且大部分處于二級高溫區(qū)，井下高溫、高濕、熱害問題嚴(yán)重威脅著井下職工的身體健康和礦井的安全生產(chǎn)。目前郭屯煤礦井下輸冷管路復(fù)雜，制冷設(shè)計(jì)的附屬設(shè)備與匹配方案較多，采掘工作面溫度變化與風(fēng)量、制冷調(diào)節(jié)難以融合聯(lián)動(dòng)。所以開展礦井智能降溫及冷凍水自動(dòng)控制是極有必要的。

1 智能降溫及冷凍水自動(dòng)控制技術(shù)的研究意義

為治理礦井熱害，改善礦井濕熱環(huán)境，礦井一般采用井下集中制冷系統(tǒng)、井口降溫系統(tǒng)、優(yōu)化通風(fēng)制冷系統(tǒng)、井下灑水治理等措施，改善井下作業(yè)環(huán)境。通過多措并舉的進(jìn)行高溫?zé)岷χ卫?，采掘作業(yè)地點(diǎn)溫度可降至24～28 ℃，但部分礦井存在制冷系統(tǒng)運(yùn)行效果差、能耗高現(xiàn)象。本研究旨在開展采掘作業(yè)面局部通風(fēng)機(jī)與空冷器聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)能耗優(yōu)化，分析制冷降溫系統(tǒng)冷量損失的原因，有針對性地制定調(diào)整或改造技術(shù)方案，更好地對礦井高地溫?zé)岷M(jìn)行防治，同時(shí)為礦井制冷降溫系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行提供技術(shù)保證，更大程度地提高煤礦現(xiàn)有制冷系統(tǒng)的供冷效率，進(jìn)而降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗[1-5]。

2 智能降溫及冷凍水自動(dòng)控制技術(shù)難點(diǎn)及創(chuàng)新點(diǎn)

2.1 主要技術(shù)難點(diǎn)

（1）目前煤礦井下輸冷管路復(fù)雜，精確地進(jìn)行管路水力平衡是本項(xiàng)目第一個(gè)難點(diǎn)。

（2）當(dāng)前制冷設(shè)計(jì)的附屬設(shè)備與匹配方案較多，如何選擇最為有效的控制方案，這是本項(xiàng)目第二個(gè)難點(diǎn)。

（3）實(shí)現(xiàn)采掘工作面溫度變化與風(fēng)量、制冷調(diào)節(jié)相融合，是本項(xiàng)目第三個(gè)難點(diǎn)。

2.2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

（1）礦井輸冷系統(tǒng)最佳輸冷參數(shù)確定的研究；建立表冷器物理模型，結(jié)合井下現(xiàn)場實(shí)際環(huán)境條件對仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證，確保所建立模型的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

（2）礦井動(dòng)態(tài)耗冷量與制冷機(jī)組制冷量的動(dòng)態(tài)匹配及智能控制的研究。

（3）應(yīng)用理論分析和CFD 模擬技術(shù)，確定空冷器在礦井實(shí)際安裝位置的研究。

（4）制冷機(jī)組的制冷量與礦井動(dòng)態(tài)需冷量匹配的智能調(diào)節(jié)研究。

2.3 項(xiàng)目實(shí)施目標(biāo)

（1）保證工作面等井下用冷地點(diǎn)的氣溫滿足《煤礦安全規(guī)程》及《煤礦井下熱害防治設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)要求。

（2）指出現(xiàn)礦井制冷降溫系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的耗能，并提出節(jié)能改造方案和措施，降低現(xiàn)礦井降溫系統(tǒng)的能耗。

（3）掘進(jìn)工作面制冷降溫系統(tǒng)與局部通風(fēng)機(jī)變頻控制相結(jié)合。

（4）根據(jù)采掘工作面溫度變化，對空冷器制冷效果進(jìn)行調(diào)配，當(dāng)溫度升高時(shí)，自動(dòng)增加制冷量，溫度降低時(shí)，減少制冷量。

3 智能降溫及冷凍水自動(dòng)控制技術(shù)主要研究內(nèi)容

經(jīng)過深入現(xiàn)場調(diào)研，根據(jù)礦井二采區(qū)實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)情況，主要從以下幾個(gè)方面開展研究工作：

（1）對現(xiàn)有制冷系統(tǒng)工況測試、診斷與分析。冷凍水輸送干管與支管冷量損失的測試、保溫材料保溫性能的測試與分析、供冷系統(tǒng)管路水力平衡的計(jì)算與分析。

（2）進(jìn)行空冷器工況優(yōu)化方案研究。掘進(jìn)工作面空冷器熱環(huán)境分析、采煤工作面空冷器安設(shè)位置的確定、空冷器最佳安設(shè)位置的理論確定和CFD數(shù)值模擬。

（3）開展通風(fēng)制冷系統(tǒng)控制方案研究。根據(jù)采掘工作面溫度變化，對空冷器制冷效果進(jìn)行調(diào)配，當(dāng)溫度升高時(shí)，自動(dòng)增加制冷量，溫度降低時(shí)，減少制冷量，達(dá)到節(jié)約降耗的目的。實(shí)現(xiàn)空冷器供冷量與耗冷地點(diǎn)動(dòng)態(tài)需冷量的實(shí)時(shí)自動(dòng)匹配，防止冷量不足引起用冷地點(diǎn)溫度升高或冷量供應(yīng)過多而引起冷量的浪費(fèi)，需對空冷器的控制方案進(jìn)行研究。針對掘進(jìn)工作面控制局部通風(fēng)機(jī)風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)節(jié)。

影響空冷器制冷量的參數(shù)有：冷水的水量、水溫、風(fēng)量；影響工作面或掘進(jìn)面熱環(huán)境的參數(shù)為：到達(dá)工作面（掘進(jìn)工作面）的有效冷量、風(fēng)速、工作面的溫度、濕度。為了保證空冷器制冷量中到達(dá)用冷地點(diǎn)部分的有效冷量，因此選擇工作面的溫度作為空冷器控制參數(shù)，根據(jù)工作面溫度的高低和空冷器冷水水溫的變化控制空冷器的水量。其控制分站的安裝位置如圖1，控制與檢測原理如圖2。

圖1 風(fēng)機(jī)控制分站及傳感器安裝位置

圖2 風(fēng)機(jī)控制與檢測原理示意圖

（4）掘進(jìn)工作面制冷降溫系統(tǒng)與局部通風(fēng)機(jī)變頻控制相結(jié)合，利用局部通風(fēng)機(jī)變頻與高溫?zé)岷χ卫斫Y(jié)合，通風(fēng)距離增加，單軌吊通過時(shí)，增加掘進(jìn)工作面風(fēng)量，提高巷道風(fēng)速，降低環(huán)境溫度。

（5）進(jìn)行制冷系統(tǒng)的能效分析與優(yōu)化研究，對制冷系統(tǒng)診斷與測試及制冷系統(tǒng)的優(yōu)化研究。

制冷機(jī)組制冷系數(shù)COP 的提高受制冷機(jī)組各運(yùn)行參數(shù)的影響，對于該礦多臺(tái)制冷機(jī)組，制冷機(jī)組的型號(hào)用途各不相同，并且制冷量的大小應(yīng)與井下需冷量匹配。因此制冷站的優(yōu)化和最高制冷系數(shù)的實(shí)現(xiàn)應(yīng)考慮以下幾個(gè)因素：① 兩預(yù)冷機(jī)組之間預(yù)冷能力的匹配；② 預(yù)冷水水溫與制冷能力的匹配；③預(yù)冷水用水量的最佳比例；④ 風(fēng)量與冷量的最佳參數(shù)組合；⑤ 各機(jī)組之間的優(yōu)化運(yùn)行組合與控制，實(shí)現(xiàn)制冷量與礦井需冷量的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)匹配，并實(shí)現(xiàn)機(jī)組輔助設(shè)備（冷卻塔）等隨地面氣象參數(shù)變化的自動(dòng)控制和運(yùn)行。其控制系統(tǒng)示意圖如圖3。

圖3 制冷降溫系統(tǒng)示意圖

4 項(xiàng)目實(shí)施過程

該項(xiàng)目通過對現(xiàn)礦井降溫系統(tǒng)的測試分析，來查找原因提出方案并解決問題，該降溫系統(tǒng)沿冷媒流動(dòng)方向測試順序?yàn)椋焊鹘禍胤謪^(qū)系統(tǒng)測試→空冷器制冷量測試及分析→確定系統(tǒng)能耗主要環(huán)節(jié)→診斷原因→提出節(jié)能措施與方案。

本項(xiàng)目技術(shù)路線與工藝流程如圖4，項(xiàng)目具體實(shí)施進(jìn)度見表1。

圖4 技術(shù)路線與工藝流程圖

表1 項(xiàng)目具體實(shí)施進(jìn)度表

5 實(shí)際應(yīng)用效果

臨沂礦業(yè)集團(tuán)菏澤煤電有限公司郭屯煤礦位于菏澤市鄆城縣城南，礦井設(shè)主、副、風(fēng)三個(gè)井筒，立井單水平上下山開拓，生產(chǎn)水平-808 m，井口標(biāo)高為+45 m，中央并列抽出式通風(fēng)。礦井主采3 煤層，煤種為1/3 焦、氣煤，現(xiàn)開采的3 煤層全部處于一或二級高溫區(qū)，且大部分處于二級高溫區(qū)，通過智能降溫及冷凍水自動(dòng)控制技術(shù)在礦井的研究與實(shí)際應(yīng)用，達(dá)到了以下效果：

（1）通過對制冷方案的優(yōu)化，使2305 采煤工作面作業(yè)地點(diǎn)干球溫度整體較現(xiàn)狀降低3～5 ℃，通風(fēng)機(jī)械裝機(jī)容量只減不增，降低通風(fēng)制冷設(shè)備能耗5%以上。

（2）通過提高通風(fēng)制冷機(jī)組的效率，提高作業(yè)人員熱舒適度，從而提高作業(yè)效率，煤炭增產(chǎn)6萬t，創(chuàng)收6000 余萬元。

（3）杜絕由熱害導(dǎo)致的安全隱患。

通過項(xiàng)目的現(xiàn)場實(shí)施，直接經(jīng)濟(jì)效益、間接經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益十分顯著，在類似礦井制冷降溫方面有較大的推廣價(jià)值。

6 結(jié)論

通過在郭屯煤礦開展智能降溫及冷凍水自動(dòng)控制技術(shù)研究與應(yīng)用，對制冷系統(tǒng)、空冷器運(yùn)行工況進(jìn)行優(yōu)化，提出合理有效的通風(fēng)制冷系統(tǒng)控制方案。經(jīng)由上述的多項(xiàng)研究方法，明顯降低了礦井井下環(huán)境溫度，改善了礦井下的作業(yè)環(huán)境條件，對保障井下職工身體健康和礦井安全生產(chǎn)有較大的促進(jìn)作用，可在其他有高溫?zé)岷Φ牡V井進(jìn)行推廣。