徐廣才 劉京坤 陳炬
(通用技術(shù)集團工程設(shè)計有限公司,山東 濟南 250031)
山東新巨龍能源有限責(zé)任公司龍固煤礦位于山東省菏澤市巨野縣境內(nèi),設(shè)計生產(chǎn)能力6.0 Mt/a,核定生產(chǎn)能力為7.5 Mt/a。
本地區(qū)氣候溫和,四季分明,屬北溫帶半濕潤季風(fēng)型大陸性氣候。年平均氣溫14.8 ℃,月平均最高氣溫32.4 ℃,日最高氣溫42.4 ℃,日最低氣溫-18.7 ℃,月平均最低氣溫在每年的1 月份,平均-1.8 ℃。
6 月、7 月、8 月為最熱月份,最高氣溫一般在每年的7 月份。
礦井含煤地層為石炭系太原組和二疊系山西組,主采3(3上)煤層,埋深900~1200 m。煤層屬正常地溫梯度為背景的高溫區(qū);井田非煤系地層平均地溫梯度2.52 ℃/100 m,煤系地層平均地溫梯度3.23 ℃/100 m;全孔地溫梯度1.99~4.24 ℃/100 m,全區(qū)平均地溫梯度2.88 ℃/100 m,即地?zé)嵩鰷芈蕿? ℃/34.72 m。龍固煤礦主采煤層埋藏較深,故3(3上)煤層西部局部賦存區(qū)處于一級高溫區(qū),東部大部處于二級高溫區(qū),井下高溫?zé)岷^為嚴(yán)重。
(1)井下熱源
高溫?zé)岷聼嵩窗ǜ邷貒鷰r、高溫礦井水、機電設(shè)備、下山風(fēng)流壓縮熱、煤氧化散熱、人體散熱等[1-3]。
由于礦井開采深度較大,該礦井下巖溫最高達44.8 ℃,是最主要的井下熱源。
礦井水涌水量1000~1500 m3/h,水溫高達51 ℃。高溫的礦井水不僅提高了礦井進風(fēng)溫度,而且增加了進風(fēng)濕度,進一步加重了井下高溫?zé)岷Φ挠绊懀顷P(guān)鍵性熱源。
礦井采、掘、運的機電設(shè)備容量大,機電設(shè)備運行放熱是不可忽視的高溫?zé)嵩础?/p>
(2)礦井季節(jié)性熱害夏季高溫高濕,最高溫度42.4 ℃。夏季高溫高濕的室外空氣成為典型的礦井季節(jié)性熱源[4]。
為解決高溫?zé)岷栴},龍固煤礦自建井之初就采取了加大通風(fēng)量、利用低溫防塵水進行噴淋降溫等措施。投產(chǎn)后,實施了水源熱泵、EAV300 移動式空氣冷卻器等制冷設(shè)備的局部降溫系統(tǒng)和集中冰制冷降溫系統(tǒng),均取得良好的降溫效果。
隨著產(chǎn)量的增加,原有的制冷方式不能滿足降溫需求。近年來,該礦不斷完善礦井降溫系統(tǒng),逐步建成地面降溫和井下降溫相結(jié)合的綜合降溫模式。在井下二采區(qū)及三采區(qū)建立兩期井下集中式制冷降溫系統(tǒng),實現(xiàn)在井下集中制冷降溫。一期制冷系統(tǒng)安裝4 臺制冷機組,總制冷量13 000 kW;二期制冷系統(tǒng)安裝6 臺制冷機組,總制冷量19 600 kW。礦井總制冷量達32 600 kW,為井下所有回采及掘進工作面進行降溫。井下制冷降溫系統(tǒng)運行時,采掘工作面空冷器平均出風(fēng)溫度22 ℃,工作面溫度不超過28 ℃,井下高溫?zé)岷镜玫骄徑?,工作環(huán)境得以改善。
2013 年建設(shè)礦井水熱能綜合利用工程,以實現(xiàn)冬季供熱和夏季空調(diào)為主,同時能夠?qū)崿F(xiàn)部分井口進風(fēng)降溫。該工程安裝3 臺離心制冷機組,單臺制冷量為2500 kW,2 臺螺桿機組,單臺制冷量為1944 kW,總制冷量為11 388 kW。井口安裝6 臺冷風(fēng)機,單臺風(fēng)機處理風(fēng)量為900 m3/min,制冷量680 kW,總制冷量為4080 kW。
現(xiàn)有礦井降溫系統(tǒng)基本能夠滿足井下采掘工作面降溫的需求,但存在夏季井底車場及大巷溫度超限和現(xiàn)有降溫系統(tǒng)制冷能力不足的問題。受夏季高溫天氣影響,地面制冷系統(tǒng)因機組制冷量小,配套冷風(fēng)機處理風(fēng)量小,在初夏和夏末能夠?qū)颅h(huán)境溫度起到緩解作用。室外溫度較高時,井口進風(fēng)降溫系統(tǒng)對井底溫度影響較小,不能起到降低礦井進風(fēng)溫度的作用。夏季高溫時礦井進風(fēng)溫度在33 ℃以上,井底進風(fēng)溫度在34 ℃以上,極端天氣下井底溫度達38 ℃,造成井底車場及硐室溫度超溫(井底機電硐室溫度平均在34 ℃以上,中央泵房溫度達36 ℃),同時礦井各主要進風(fēng)巷溫度均在32 ℃以上。
由于井下各地點進風(fēng)溫度較高,極大地增加了礦井各地點的需冷量。據(jù)計算,夏季礦井需冷量比其他季節(jié)高6000 kW 以上,造成夏季礦井降溫難度增加,對設(shè)備運行及人員安全造成較大隱患。
龍固煤礦現(xiàn)有礦井降溫系統(tǒng)春秋季和冬季能夠滿足井下采掘工作面降溫的需求,但存在夏季井底車場及大巷溫度超限和現(xiàn)有降溫系統(tǒng)制冷能力不足的問題,說明井下環(huán)境受地面氣候影響顯著。經(jīng)調(diào)研,趙樓煤礦、濟三煤礦、東灘煤礦已經(jīng)實施的全風(fēng)量降溫系統(tǒng)[5-7]降溫效果明顯,極大地緩解井下高溫?zé)岷ΑR札埞堂旱V的進風(fēng)為例,降溫前的空氣焓值為101.3 kJ/kg,降溫后的焓值為56 kJ/kg,降溫后空氣的焓值降低45%,有效降低井下進風(fēng)的熱量,因此采用全面降低進風(fēng)溫濕度的礦井全風(fēng)量降溫方案是可行的。
為創(chuàng)造適宜工作環(huán)境,進一步解決高溫?zé)岷?,擬在礦井主、副井口實施全風(fēng)量降溫項目,新擴建一套制冷(熱泵)系統(tǒng),對礦井進風(fēng)進行降溫除濕,降低輸送至井下的空氣的溫度和濕度,以達到提高井下舒適度,改善井底車場及主要大巷的環(huán)境,降低夏季井下降溫系統(tǒng)負荷的目的。
同時對主副井口進行適當(dāng)封閉,并考慮該熱泵系統(tǒng)在冬季時利用礦井水作為熱源制熱,用于井筒保溫。
龍固礦井位于山東省巨野礦區(qū),參考菏澤市氣象參數(shù),結(jié)合龍固煤礦的具體情況,夏季室外空氣計算溫度確定為34.4 ℃,相對濕度72.7%,降溫后的進風(fēng)溫度為20 ℃,相對濕度95%,冬季井口防凍進風(fēng)溫度為2 ℃??傔M風(fēng)量30 000 m3/min,其中主井2×5500 m3/min,副井19 000 m3/min。
根據(jù)表1 可知,總制冷負荷27 617 kW,冷熱源機房內(nèi)設(shè)計6 臺水源熱泵機組,總制冷量為27 888 kW。其中新增四臺離心式熱泵機組,單臺機組制冷量6000 kW,額定輸入電功率1232 kW,主要負責(zé)井口全風(fēng)量降溫、井筒防凍和建筑空調(diào);另外兩臺原有螺桿式熱泵機組,單臺制冷量1944 kW,主要負責(zé)浴室供熱負荷。主機系統(tǒng)采用母管制連接方式,提高機組的備用性、安全性、靈活性。
表1 冷熱負荷統(tǒng)計表 (單位:kW)
夏季,制冷機組通過冷卻塔進行散熱。冷卻塔布置在機房東側(cè)的礦井水池上方,冷卻循環(huán)泵布置在水泵機房內(nèi),通過管道連接主機。
冬季,熱泵機組利用礦井涌水作為熱源,制備45 ℃及以上的熱水。東側(cè)1000 m3地面水池作為礦井水循環(huán)水池。礦井水取自選煤廠礦井水處理站。
在主副井井口房的空氣熱交換室內(nèi)設(shè)置空氣換熱器。夏季由熱泵機房提供給換熱器7/15 ℃冷凍水,將進風(fēng)冷卻除濕到20 ℃。冬季由熱泵機房提供給換熱器45/40 ℃熱水,進行進風(fēng)加熱,保證井筒進風(fēng)溫度不低于2 ℃。
為充分利用礦井主通風(fēng)機的動力,降低井口房的噪音,提高設(shè)備的安全可靠性,主副井井口采用無動力的表面式換熱器。考慮表冷器為無動力換熱設(shè)備,風(fēng)流流速越高風(fēng)阻越大,為降低對礦井通風(fēng)的影響,換熱器風(fēng)阻不大于50 Pa。
副井口設(shè)計進風(fēng)量為19 000 m3/min,冷負荷為16 224 kW。換熱器選型預(yù)留0.2 的富裕系數(shù),共選用36 臺空氣換熱器,總制冷量20 400 kW。
主井口設(shè)計進風(fēng)量為2×5500 m3/min,需要的冷負荷為9393 kW。換熱器選型預(yù)留0.2的富裕系數(shù),共選用18 臺空氣換熱器,總制冷量12 000 kW。
空氣換熱器選用無動力的表面式換熱器,利用井口負壓驅(qū)動空氣經(jīng)表面式冷卻器換熱后進入井筒。為防止冷風(fēng)滲透,需對井口房進行封閉改造,確保漏風(fēng)率小于10%。具體參數(shù)見表2。
表2 空氣換熱器參數(shù)表
系統(tǒng)設(shè)備運行總電功率6253 kW,綜合電價0.55元/千瓦時,夏季運行天數(shù)為90 d,負荷系數(shù)0.6,夏季全風(fēng)量降溫系統(tǒng)運行電費為356 萬元。
系統(tǒng)運行后,室外空氣經(jīng)表面式冷卻器降溫后,井口進風(fēng)溫度降至22~24 ℃,井底車場風(fēng)溫為26~28 ℃,達到了設(shè)計目標(biāo),滿足規(guī)程及規(guī)范要求,有效改善了井下工作環(huán)境。
隨礦井開采深度的增加和范圍的擴大,高溫?zé)岷呌趪?yán)重。龍固煤礦已經(jīng)實施的井下集中式的降溫系統(tǒng),冬季和春秋季能夠滿足井下采掘工作面降溫的需求,存在夏季井底車場及大巷溫度超限和現(xiàn)有降溫系統(tǒng)制冷能力不足的問題。
實踐證明,采用礦井全風(fēng)量降溫系統(tǒng)作為井下集中式礦井降溫系統(tǒng)的補充用于治理礦井高溫?zé)岷κ强尚械模軌蚪档图竟?jié)性熱害對礦井的影響,起到降低井底車場、主要大巷及沿途主要硐室溫度的作用,切實改善夏季井下高溫高濕環(huán)境,減少主要硐室設(shè)備故障,維護職工身體健康。礦井全風(fēng)量降溫系統(tǒng)初投資和運行費用低,系統(tǒng)運行維護方便,噪音低,安全可靠性高。