郭洪麗

（潞安化工集團(tuán)有限公司五陽煤礦，山西 長(zhǎng)治 046200）

在五陽煤礦井下主運(yùn)輸系統(tǒng)中，75%的主運(yùn)輸膠帶輸送機(jī)冷卻系統(tǒng)是水冷模式，但冷卻水未實(shí)現(xiàn)循環(huán)水再利用，只使用一次后就直接排放。使用過的冷卻水經(jīng)過排水管直接排至井下水倉，由井下水倉水泵提升至地面污水站進(jìn)行處理，增加污水站廢水處理負(fù)擔(dān)和電能消耗，浪費(fèi)水資源。為達(dá)到礦井節(jié)能降耗、節(jié)約水資源的目的，以五陽煤礦主2#皮帶主運(yùn)輸膠帶輸送機(jī)為例，對(duì)主2#皮帶膠帶輸送機(jī)的冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)冷卻水循環(huán)再利用，摸索一條切實(shí)可行的節(jié)水之路，起到節(jié)能降耗的作用。

1 目前存在的問題

1）全礦井下主運(yùn)輸系統(tǒng)膠帶輸送機(jī)75%的膠帶輸送機(jī)電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)采用水冷模式降溫，降溫效果較差，導(dǎo)致設(shè)備故障頻出，影響生產(chǎn)。

2）因采用水冷直排方式，每天每部膠帶輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)排放冷卻水單臺(tái)用水2 m3/h，運(yùn)行時(shí)間約18 h/d，單臺(tái)水耗約36 m3/d，全年直排水11 880 m3，這些廢水都要經(jīng)排水管排至井下水倉，大大增加了礦井排水系統(tǒng)的壓力。

3）從成本角度來說，靜壓水通過地面供至井下費(fèi)用約1.5元/m3，冷卻水流入水倉再提升上井及處理費(fèi)用約4元/m3，綜合單臺(tái)膠帶輸送機(jī)冷卻費(fèi)用約198元/天。目前水冷機(jī)組有32臺(tái)，冷卻費(fèi)用約6 336元/天，造成很大成本負(fù)擔(dān)和資源浪費(fèi)。

4）冷卻系統(tǒng)屬于單向直流冷卻，冷卻水處于長(zhǎng)開狀態(tài)，冷卻水從靜壓水管流出，通過膠帶輸送機(jī)電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)自身攜帶的冷卻箱體后直接排放至井下水倉，造成現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境潮濕、臟亂，不但浪費(fèi)大量水資源，而且還因潮濕的環(huán)境造成設(shè)備銹蝕老化，造成安全隱患多、維護(hù)成本高等問題［1］。而且，水流中攜帶大量煤泥、粉塵進(jìn)入水倉，為礦井排水帶來安全隱患。

5）冷卻水經(jīng)排水管道排至水倉送回地面進(jìn)行處理，排放的水需要通過水泵提升到地面，在使用過程中直排的水與煤粉、雜質(zhì)混合在一起流入水倉形成廢水，廢水由井下水倉水泵提升至地面污水站，增加了地面污水處理站污水的處理負(fù)擔(dān)，而且泵排廢水和處理廢水還需要耗費(fèi)大量電能，造成資源的二次浪費(fèi)。

2 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)原理

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是以水作為冷卻介質(zhì)，并循環(huán)使用的一種冷卻水系統(tǒng)。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是指冷卻水換熱并經(jīng)降溫，再循環(huán)使用的給水系統(tǒng)，包括敞開式和密閉式兩種類型。井下的膠帶輸送機(jī)常采用密閉式的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，它通過膠帶輸送機(jī)減速機(jī)自帶的冷卻水箱體冷卻進(jìn)行降溫。封閉式冷卻水循環(huán)系統(tǒng)采用封閉式冷卻設(shè)備（如減速機(jī)冷卻箱體），循環(huán)水在管中流動(dòng)，管外通常用風(fēng)散熱。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)主要由冷卻設(shè)備、水泵和管道組成。冷水流過需要降溫的換熱設(shè)備（如冷卻水箱、換熱器等）后，溫度上升，如果即行排放，冷水只用一次（稱直流冷卻水系統(tǒng)），使升溫冷水流過冷卻設(shè)備則水溫回降，可用循環(huán)泵送回?fù)Q熱設(shè)備再次使用，冷水的用量大大降低，一般可節(jié)約95%以上。冷卻水占膠帶輸送機(jī)用水量的70%左右，因此，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)主要起到膠帶輸送機(jī)節(jié)約大量用水的作用。

從冷卻水箱流出來的較低溫度的冷卻水，經(jīng)循環(huán)水泵加壓后送入電機(jī)、減速機(jī)，帶走電機(jī)、減速機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量后，溫度升高了，然后被送到散熱器上進(jìn)行散熱。由于散熱器散熱片的降溫作用，使冷卻水在散熱過程中，不斷與巷道內(nèi)空氣發(fā)生熱交換而冷卻，冷卻后的水進(jìn)入冷卻水箱中，然后再次被循環(huán)泵加壓后進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。這是一個(gè)熱量交換的過程。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)組成

以主2#皮帶膠帶輸送機(jī)的電機(jī)、減速機(jī)為例，防爆型水冷電機(jī)定子外殼設(shè)計(jì)有冷卻水套，冷卻水由水泵從冷卻水箱中抽出，經(jīng)過管路流入電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)入水口，冷卻水在設(shè)備管徑中快速循環(huán)，最后從出水口排出，再通過管道流入冷卻水箱中，完成一個(gè)周期的循環(huán)，從而將膠帶輸送機(jī)電機(jī)、減速機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的熱量迅速帶走，防止機(jī)器過熱損害，起到對(duì)機(jī)身的保護(hù)作用。

對(duì)主2#皮帶膠帶輸送機(jī)機(jī)組進(jìn)行水冷散熱系統(tǒng)分析研究，設(shè)計(jì)出一套適用的冷卻水閉路循環(huán)系統(tǒng)，它以足夠的冷卻箱體，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)、減速機(jī)冷卻水循環(huán)利用。根據(jù)機(jī)組熱量傳遞原理，計(jì)算出冷卻箱體的尺寸及外形。冷卻閉路循環(huán)系統(tǒng)設(shè)備主要包括：封閉式固定冷卻水箱（6～10 m3容積）、循環(huán)水泵（單臺(tái)功率2 kW，一用一備）、過濾器、散熱器、連接膠帶輸送機(jī)電機(jī)、減速機(jī)管件閥門、電控開關(guān)等。改進(jìn)后的主2#皮帶膠帶輸送機(jī)冷卻水自動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)，主要由循環(huán)水泵（2臺(tái)，一用一備）、封閉式固定冷卻水箱、冷卻水散熱器、連接電機(jī)、減速機(jī)、冷卻水箱、散熱器的管件、電控開關(guān)等組成如圖1所示。

圖1 冷卻水自動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)

①冷卻水箱

改造前的冷卻系統(tǒng)一直沿用水冷直排方式，由主供水管路引出一根進(jìn)水管，經(jīng)過膠帶輸送機(jī)電機(jī)、減速機(jī)自身攜帶的冷卻設(shè)備后直接排至主2#皮帶膠帶巷水溝內(nèi)。研究初期重點(diǎn)是將直排式冷卻水系統(tǒng)改成循環(huán)式冷卻水系統(tǒng)，中間增加一個(gè)冷卻水箱用于儲(chǔ)存循環(huán)冷卻水。經(jīng)過實(shí)踐，這種循環(huán)設(shè)計(jì)可以減少水資源的浪費(fèi)，提升冷卻效果。

經(jīng)過多次改進(jìn)，將冷卻水循環(huán)系統(tǒng)分成了兩級(jí)，一級(jí)冷卻，從被冷卻電機(jī)、減速機(jī)設(shè)備流出的高溫水與礦井主供水管路中的冷卻水進(jìn)行交換，對(duì)高溫水進(jìn)行一次降溫。二級(jí)冷卻，經(jīng)過一級(jí)冷卻設(shè)備的循環(huán)水流入二級(jí)冷卻水箱內(nèi)，水箱里的水在二級(jí)冷卻循環(huán)水泵的作用下不斷通過冷卻水散熱器進(jìn)行循環(huán)散熱，使冷卻水溫度快速下降。為了達(dá)到一個(gè)較好的冷卻效果，二級(jí)冷卻的散熱器采用了暖氣片的散熱原理，可以達(dá)到更好地冷卻效果，以保證整套循環(huán)設(shè)備的正常運(yùn)行。

考慮到冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中有可能發(fā)生循環(huán)水流失問題，在冷卻水箱上安設(shè)了水位觀測(cè)管，通過水位觀測(cè)管觀測(cè)水量的變化，對(duì)水量情況及時(shí)進(jìn)行增補(bǔ)。水位觀測(cè)管上安裝有過濾網(wǎng)，可避災(zāi)雜質(zhì)和灰塵落入系統(tǒng)。冷卻水箱上還設(shè)有透氣孔和放水閥，可以隨時(shí)根據(jù)膠帶運(yùn)輸機(jī)冷卻水系統(tǒng)的運(yùn)行情況、冷卻水水箱水量情況，及時(shí)給冷卻系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)水和散熱。

②循環(huán)水泵

循環(huán)水泵是膠帶輸送機(jī)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)力來源，采用管道離心泵。該膠帶輸送機(jī)冷卻水系統(tǒng)循環(huán)水泵由2臺(tái)2 kW的壓力泵組成，一用一備。當(dāng)冷卻水經(jīng)過膠帶輸送機(jī)電機(jī)、減速機(jī)自身的冷卻箱體后，由循環(huán)水泵將冷卻水壓入冷卻水箱，從而實(shí)現(xiàn)冷卻水循環(huán)再利用。

③冷卻水過濾器

為了解決膠帶輸送機(jī)礦井用水水質(zhì)差，容易堵塞腐蝕管路的問題，在新的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中加入了進(jìn)水過濾器，并在循環(huán)水路中的冷卻水箱中增加了帶有過濾網(wǎng)的過濾器。對(duì)流入冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的一般生產(chǎn)用水進(jìn)行過濾凈化，大大降低了因水質(zhì)問題造成的系統(tǒng)故障。

④冷卻水散熱器

冷卻水散熱器是冷卻水循環(huán)系統(tǒng)將熱能轉(zhuǎn)移的設(shè)備，冷卻水散熱器將熱能由內(nèi)部系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到外部系統(tǒng)。冷卻水經(jīng)過膠帶輸送機(jī)電機(jī)、減速機(jī)自帶的冷卻箱體后進(jìn)入冷卻水散熱器進(jìn)行降溫，然后流入冷卻水箱，由循環(huán)泵進(jìn)行抽吸后經(jīng)過冷卻水散熱器散熱進(jìn)入電機(jī)、減速機(jī)。冷卻水散熱器將冷卻水通過散熱片的形式將熱能傳導(dǎo)釋放到巷道風(fēng)流中排出。冷卻水散熱器，將熱能轉(zhuǎn)移到巷道空氣中，從而降低循環(huán)冷卻水本身溫度。

⑤冷卻水連接管件

冷卻水連接管件是將冷卻水箱、冷卻水散熱器和循環(huán)水泵連接成一個(gè)系統(tǒng)的管路，主要起循環(huán)水流動(dòng)、分配的作用。它的長(zhǎng)短、粗細(xì)和高低、管材決定了沿程壓力損失和管件的壓力損失，它的選擇與循環(huán)水泵的流量、揚(yáng)程有關(guān)，材質(zhì)宜采用不銹鋼鋼材。

（2）循環(huán)過程

上述循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)備與電機(jī)、減速機(jī)形成一個(gè)冷卻水閉路循環(huán)系統(tǒng)，通過循環(huán)泵抽吸的作用，冷卻水在冷卻水箱中抽出，經(jīng)過電機(jī)、減速機(jī)，通過設(shè)備管路散熱片進(jìn)行散熱，再次進(jìn)入冷卻水箱，完成一個(gè)循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)冷卻水循環(huán)利用，最終達(dá)到為主2#皮帶膠帶輸送機(jī)電機(jī)、減速機(jī)降溫的目的。

當(dāng)冷卻水箱水位較低時(shí)，可以通過靜壓水管、冷卻水箱水位觀測(cè)管進(jìn)行補(bǔ)水，能保證設(shè)備在高負(fù)荷運(yùn)力和炎熱天氣下的安全穩(wěn)定運(yùn)行［2］。

2.3 冷卻水耗能計(jì)算（直排式）

（1）電動(dòng)機(jī)發(fā)熱量計(jì)算。電動(dòng)機(jī)溫度升高的主要原因是運(yùn)行中的電動(dòng)機(jī)鐵芯處在交變磁場(chǎng)中產(chǎn)生鐵損，繞組通電后銅損，還有其他雜散損耗及機(jī)械摩擦損耗等，這些都會(huì)使電動(dòng)機(jī)溫度升高［3］。電動(dòng)機(jī)的損耗可以用電機(jī)額定功率的10%進(jìn)行估算。主2#皮帶膠帶輸送機(jī)的電動(dòng)機(jī)額定功率400 kW/臺(tái)，單臺(tái)損耗近似為40 kW/臺(tái)。

（2）冷卻水水量計(jì)算。通過主2#皮帶膠帶運(yùn)輸機(jī)電動(dòng)機(jī)實(shí)際測(cè)算，根據(jù)進(jìn)出水的溫度差為17℃。單臺(tái)400 kW電動(dòng)機(jī)1小時(shí)產(chǎn)生的熱量計(jì)算如下：

式中：Q為發(fā)熱量（J）,單臺(tái)損耗近似為Q=Pt=40 kJ/s×3 600 s=1.44×108J；Cp為冷卻介質(zhì)的 定壓比熱（J/kg℃），水為4.2×103J/kg℃；P為冷卻介質(zhì)的比重（kg/m3），為1.0×103kg/m3；V為冷卻介質(zhì)體積（m3）,即為所需冷卻水量；ΔT=T2-T1為冷卻介質(zhì)進(jìn)出溫度差（℃），為17℃。

通過公式（1）可知，單臺(tái)400 kW電動(dòng)機(jī)1小時(shí)產(chǎn)生的熱量所需冷卻水水量的計(jì)算如下：

通過公式（2）可得出單臺(tái)400 kW電動(dòng)機(jī)1小時(shí)所需冷卻水水量為2 m3。每部膠帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行時(shí)間約18小時(shí)/天，單臺(tái)水耗約36 m3/d。靜壓水通過地面供至井下費(fèi)用約1.5元/m3，冷卻水流水倉提升上井及處理費(fèi)用約4元/m3，綜合單臺(tái)皮帶機(jī)冷卻費(fèi)用約198元/天。

3 應(yīng)用效果

3.1 經(jīng)濟(jì)分析

從經(jīng)濟(jì)上來看，膠帶輸送機(jī)冷卻系統(tǒng)單臺(tái)膠帶運(yùn)輸機(jī)節(jié)約冷卻水36 m3/d，單臺(tái)節(jié)約冷卻成本198元/天。全年膠帶輸送機(jī)按330天運(yùn)行、每天運(yùn)行18小時(shí)核算，僅主2#皮帶膠帶運(yùn)輸機(jī)一部皮帶，單臺(tái)膠帶運(yùn)輸機(jī)機(jī)組節(jié)約冷卻成本約65 340元。目前全礦膠帶輸送機(jī)水冷機(jī)組有32臺(tái)，冷卻費(fèi)用約6 336元/天，造成極大成本負(fù)擔(dān)和資源浪費(fèi)。井下膠帶輸送機(jī)組全部安裝冷卻水循環(huán)系統(tǒng)后，全年可節(jié)約冷卻成本約209.1萬元。

3.2 效益分析

從效益上看，改進(jìn)后的主2#皮帶膠帶輸送機(jī)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，它通過增加冷卻箱體，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)、減速機(jī)冷卻水循環(huán)利用，減少了冷卻水排至水倉、再由排水泵提升上井的廢水處理費(fèi)用和電能消耗，大大提高膠帶輸送機(jī)冷卻水系統(tǒng)的使用效率，不僅節(jié)省了大量水資源，而且還解決了工作現(xiàn)場(chǎng)潮濕臟亂的問題，同時(shí)改善了膠帶輸送機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)備冷卻效果，降低了設(shè)備故障率，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗。

4 結(jié)語

通過技術(shù)改進(jìn)，既改善了膠帶輸送機(jī)電機(jī)、減速機(jī)冷卻系統(tǒng)冷卻效果，實(shí)現(xiàn)了冷卻水循環(huán)利用，又取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)還節(jié)約了電能消耗，減少了廢水的處理費(fèi)用，為礦井的安全生產(chǎn)、穩(wěn)定運(yùn)行提供了強(qiáng)有力保障。