矿井降温空调系统的分类及发展现状

矿井降温空调系统的分类及发展现状 矿井降温空调系统的分类及发展现状 中山大学论丛,2007年第27卷第2期 SUNYATSENUNIVERSITYFORUM,Vo1.27No.22007 矿井降温空调系统的分类及发展现状 王进,赵运超,梁栋2 (1.广州大学土木工程学院,广东广州510006,2.中山大学工学院,广东广州510006) 摘要:对矿井降温空调系统应用现状做了简要的阐述,讲述了矿井降温空调系统的组成及原 理,在此基础上对各种矿井空调系统进行分类,介绍了各种矿井降温空调系统的优缺点以及应用场 合,最后提出了相关的建设性的结论. 关键词:矿井降温;空调系统;分类;发展 中图分类号fTD727文献标识码:A文章编号f1007.1792(2007)02-0109-05 随着开采深度的增加,机械化程度越来越高,由此出现的机械散热愈来愈大. 据统计,国有重点煤矿平均采深年增加9m,采深大于700nl的矿井有50多处,最深矿 井已超过1000m?.现有生产矿井平均以每年l1m的速度向深度延伸,并且矿井开采深度 每增加100m,采掘工作面风流温度约增加1.5?,预计到2010年,我国煤矿35%的采掘工 作面风流温度超过30?.根据煤炭资源开发和资源保护资料显示,在预测的煤炭资源总储量 中73.2%的储量埋深在1000m以下,预测围岩温度39—45?,处于二级热害区J.国外: 西德伊本比伦煤矿现采深达1530m,地温梯度1oC/43m,井底岩温可达60?,南非斯太总 统金矿的工作面深度超过3000m,原始岩温度达63?以上.南非阿曼代巴尔特金矿 (Aman. delbult)1号井工作面温度高达55?J. 虽然矿井通风不仅为井下工人提供赖以生存的氧气,且可以冲淡井下有害气浓度,降低井 下温度,是矿井安全生产的重要保障之一.但对于高温矿井,只靠矿井通风不能解决高温热 害.所以,传统的矿井通风观念与常规的矿井通风方法已不能彻底解决高温高湿的矿井热害. 为提供可接受的矿井工作环境条件,当开采深度超过矿床极限开采深度,机械制冷降温成为矿 井热害治理的必须手段. 一 ,国内外发展状况 矿井空调降温是空调应用技术发展的一个新领域.人工制冷降温是目前国内外普遍采用的 降温措施.从世界上第一台制冷机的产生到现在,己有近200年的历史(我国从20世纪50年 代末开始制造制冷机),但矿井空调只有80余年的历史,其迅速发展和较广泛地应用仅是近 三十几年的事.Rodboel矿最早于1924年安装了第一台地面冷冻机;世界上第一个井下大型 制冷站于1929年在MorioAelho矿安装;1976年,南非环境工程实验室提供了向井下输冰供冷 方式;20世纪80年代中期,南非一些金矿采用冰冷却系统进行井下降温;1985年l1月,南 非在世界上首次用冰做载冷剂冷却空冷器的冷却水,该系统的制冷能力达628MW.目前,德 国也在积极开展此项研究J. 收稿日期:2006—12—06 作者简介:王进(1981一),男,江苏盐城人,工学硕士;通讯联系人:梁栋. 20世纪70年代,我国曾研制过压气引射器和涡流管制冷装置;1964,1975年,淮南九龙 岗矿了我国第一个矿井局部制冷降温系统;1982—1987年,山东新坟矿务局设计了我国 第一个井下集中制冷降温系统;1986—1991年,承担了国家"七五"科技攻关项目,在平顶 山八矿设计了我国第二个井下集中制冷降温系统;1992—1995年,在山东新坟矿务局设计了 我国第一个矿井地面集中制冷降温系统,设计制冷能力为7400kW,为亚洲最大的矿井制冷 降温系统;1993年7月,平顶山矿务局科研所和原中国航空工业总公司第609研究所联合研 制成KKL101矿用无氟空气制冷机;1995年,山东矿业学院陈平等提出用压气引射器和制冷 机结合进行矿井空调;2002年,新汉孙村矿一1100m水平降温工程初步设计,并于2004年 该冰冷低温辐射降温矿井空调系统完成'卜. 井下空气环境复杂,制冷剂必须无毒,不可燃和无爆炸危险,由于氟里昂使用的局限性, 在有高温蒸汽,高温水等余热的地方可采用吸收式制冷机.独联体国家采用溴化锂吸收式制冷 机,利用矿井瓦斯燃烧作为热源,此外氨制冷机也被采用L9.新近发展的分离氨系统输冷方 式是特制冷循环中的冷凝过程与蒸发过程分别设在地面和井下的一种制冷方式. 二,矿井空调系统的分类,适用情况及优缺点 目前矿井空调系统根据热力学特点可分为四类,分别为机械制冷水降温矿井空调 系统,冰 冷却矿井空调系统,空气压缩制冷空调系统. (一)机械制冷水降温矿井空调系统 这些矿井空调系统,若按制冷站所处的位置不同来分,可以分为以下四种基本类型. 1.8--v集中式空调系统 该系统的制冷机设在井下,通过管道集中向各工作而供冷水,系统比较简单供水冷管道 短,没有高低压换热器,仅有冷水循环管路.但必须在井下开凿大断面峒室,它给施工和维护 带来困难,并且电机和控制设备都需防爆,难度大,造价高.随着开采深度的增加,井下集中 空调系统的冷凝热排放则成为突出的问题.这种布置形式只适用于需冷量不太大的矿井.井下 集中式空调系统按冷凝热排系统的敷设方式的不同来分类,又可分成四种不同的布置形式:回 风流排热,地面冷却塔排热,地下水源排热,几种排热方式混合排热.根据不同的实际情况采 用不同的敷设方式. 2.地面集中式空调系统 该系统将制冷站设置在地面,冷凝热也在地面排放,在井下设置高低压换热器将一次高压 冷冻水转换成二次低压冷冻水,最后在用风地点上用空冷器冷却风流.这种空调系统有另外两 种形式,一种是集中冷却矿井总进风,这种形式,在用风地点上空调效果不好,而且经济性较 差;另一种是在用风地点上采用高压空冷器,这种形式安全性较差.实际上后两种形式在深井 中都不可采用.井下冷却风流系统,载冷剂输送管道中的静压很大,所以必须在井 下增设一个 中间换热装置(高低压换热器).其中,高压侧的载冷剂循环管道承压大,易被腐蚀损坏,且 冷损较大. 这种系统比较于井下集中式空调系统,制冷机不需要采取防爆措施,排热方便,冷损失 小,水头压力小,易安装,便于运行管理.但此系统形式年运行时间不短,供冷距离短,要求 水量大,冻水温差小,这些缺点严重制约了其在深井的应用.当矿井非预期的继续向下开采的 时候,该系统能够很方便的拓展成井下地面联合的矿井空调系统.此系统在1995年6月27Et 在孙村矿试运转,试运行后,因各方面原因一直未在运行.根据经验,应该是设备管道本身的 110 质量和现场安装质量上出现问题. 3.井上,下联合的混合空调系统 这种布置形式是在地面,井下同时设置制冷站,冷凝热在地面集中排放.它实际上相当于 两级制冷,井下制冷机的冷凝热是借助于地面制冷机冷水系统冷却.因井下的最大限度的制冷 容量受制于相应的空气和水流的回流排热能力,所以通常需要在地表安装附加的制冷机组.这 就使得混合系统成为深井冷却降温的必要.地下5000m处不同采深的矿井采用的矿井冷却空 调系统和矿井设计的成本可以被专家确定,这些被确定的成本数据及实践表明深井降温最经济 的深井冷却系统是地表制冷机组和地面制冷机组联合的混合冷却系统l1. 该系统中设备布置分散,冷媒循环管路复杂,操作管理不便.但是它可提高一次载冷剂回 水温度,减少冷损;可利用一次载冷剂将井下制冷机的冷凝热带到地面排放,这样就决定了此 系统能承担大负荷,这些是井下集中式和地面集中式所缺少的品质. 4.井下分散局部空调系统 从一定意义上讲:当实际矿井工程中只需要在几个点并且点点相隔较远时,如某几个单独 的工作面需要降温,这时分散局部空调系统是一种高效经济的降温措施.局部空调系统在我国 应用得比较广泛,在平顶山矿区,五矿己二采面采用一台制冷量为300kW的防爆制冷机组向 己15—23071采而供冷,利用井下回风排放冷凝热,效果明显,平均降温幅度4?;四矿戊九 采而空调系统,采用一台制冷量为500kW的制冷机组向戊九采区的戊S一19140采而供冷,很 好地满足了降温需求.新集一矿210807工作面降温,都是采用的此系统形式并取得良好的 效果. (二)冰冷却矿井空调系统 由于机械制冷水系统的水路系统的大压力的局限性,近年来国内外使用了新型的冰冷却矿 井空调系统.所谓冰冷却空调系统,就是利用地面制冰厂制取的粒状冰或泥状冰,通过风力或 水力输送至井下的融冰装置,在融冰装置内,冰与井下空调回水直接换热,使空调回水的温度 降低.冰冷却降温系统由制冰,输冰和融冰三个环节组成. 该系统有其独特的优点.首先,从井下用泵打回的水量只是水冷却系统水量的1/4,这大 大节约成本;其次,输送到空气冷却器的水和冰直接热交换,具有很高的热交换效率,能产生 1oC的冷水,这样输送到空气冷却器的水量需求明显减少,从而减少了冷冻水泵的输送能耗; 最后,能够很顺利的克服常用矿井空调系统的高静水压力和冷凝热排放困难等问题. 实际冷却系统的对比评价证明:目前3000m以下的矿井降温系统,即使在地表制冰费用 不扉,其最经济的选择是在地表安装机组制取冰供井下用.这些都表明冰冷却矿井空调系 统的远大的应用前景.南非Harmony金矿在1986年第一个采用冰冷却系统进行矿井降温.现 在因为矿井的关闭,降温系统不再运行.最成功的矿井冰冷却降温系统是已经成功运行10年 的ERPM矿井系统.ERPM系统的运行提供了宝贵的经验和信息,它适合于任何其他矿井冰输 送系统.任何冰冷却系统的一个重要问题是管道的机械设计.专家发现冰塞延着管道形成并在 管道末端激烈释放.冰塞的这种运动引起管道激烈的振动,从而导致对管道支撑的严重冲击, 特别是当管道和支撑有足够的空间时冲击更具有破坏力.当使用低压塑料管时,通过精密的支 撑设计使得冲击力降到最小是非常重要的.另外一个重要的问题是管道堵塞,主要发生在管道 的末端,它可以通过适当的监控措施来避免. 作为一项矿井空调的新技术,冰冷却空调系统在系统运行管理和控制方而有较高的要求. 该系统在我国还处于试应用阶段.为在我国真正推广应用冰冷却空调系统,尚需开展许多工 111 作,如适合不同冰制备方式的制冰设备的开发和研制,输冰系统和输冰设各的研究与开发,适 合低温水和泥状冰传热要求的井下空冷器的研究与开发.2004年孙村煤矿采用了冰冷却辐射 降温空调系统获得了巨大的成功,并把这项工程的技术和经验成功地推向市场. (三)空气压缩式制冷矿井空调系统 空气制冷空调有涡轮式空气制冷,变容式空气制冷,涡流管式空气制冷和压气引射器制冷 等形式;由于后三种形式使用的局限性,使得涡轮式空气制冷是目前最常用的矿井空调系统. 空气压缩制冷循环的制冷系数,单位质量制冷工质的致冷能力均小于蒸汽压缩制冷系统,在产 生相同制冷量的情况下,空气压缩式制冷系统需要较庞大的装置,并且单位制冷量的投资和年 运行费用均高于蒸汽压缩式系统.因此,全矿井采用空气压缩式制冷系统降温的矿井降温的矿 井很少. 涡轮式空气制冷利用压缩空气经过涡轮绝热膨胀做功,从而使空气制冷.1993年7月, 平顶山矿务局科研所和609研究所大胆借鉴空气制冷技术在航空,制氧,石油等工业上的成功 应用经验,联合研制成KKL一101无氟空气制冷机,为我国矿井空调开辟了一条新的途径. 涡轮式空气制冷机系统用空气制冷机作为高温矿井空调终端,它相当于冷水机组系统中的 空冷器,其优点如下:系统简单,没有高低压换热器和空冷器,输冷管道少,承压小,材质要 求低,施工技术难度低等;空气制冷机本身无需电力驱动,无防爆问题,空气既是制 冷剂 又是载冷剂,取之不尽,用之不竭,又无环境污染问题,在高温,高沼气煤矿具有很好的应用 前景.但也有其缺点:该系统需要矿井具有充足的压缩气源,与蒸气压缩式空调系统相比投资 和年运行费用较高. 随着空气压缩制冷的发展,1989年南非一金矿建成了压缩空气制冷系统,这作为一种新 型矿井压气空调系统是在传统的矿井空调系统的基础上发展起来矿井空调系统,其基本原理是 利用压气作为供冷媒质,直接向采掘工作面喷射制冷.矿井压气空调系统在技术上具有显着的 优点L1,运行经济合理,能够有效地解决我国当前矿井集中降温中存在的实际问题,使工作 面上的冷量分布合理,降温效果好,而且系统简单,应用灵活,可应用于需冷量小太大的小型 矿井降温系统,尤其对我国民壁开采工作面具有很强的适用性.矿井压气空调系统可作为我国 今后矿井降温中一条可供选择的新途径. 三,结论 (1)制冷机组常置于井下,现制冷机组的安装趋向于向地表发展,其重要的原因是根据 Mon~ealProtocol氟里昂不能再用做制冷工质,而替代制冷剂如氨等放置井下有潜在危害;据 南非的矿井空调实践,通过在排气井低部安装氨制冷机组来克服了使用有危险隐患的制冷剂的 制冷机组在井下安装的限制. (2)冰冷却空调系统在系统运行管理和控制方而有较高的要求,该系统在我国还处于试 应用阶段,为在我国推广冰冷却空调系统,尚需开展许多工作,从冰的融化到矿井降温系统能 否获得稳定的低水温和稳定的水流量;如何提高融冰速度,减小融冰槽体积需要研究;适合不 同冰制备方式的制冰设备的开发和研制;输冰系统和输冰设备的研究与开发;适合低温水和泥 状冰传热要求的井下空冷器的研究与开发,及相关设备生产工艺也有待速度提高. (3)虽然我国矿井降温空调设计模拟的软件速度发展,但我国设计相关软件的发展 状况相对于国外仍存在差距,作为矿井降温空调系统设计的重要辅助工具,模拟分析软件必须 大力开发., 112 (4)压缩空气制冷技术在理论上已经成熟,可有效用于煤矿掘进面降温,在加强研究后 可推广到采煤工作面降温;透平膨胀制冷系统充分利用矿井中原有的高压作业气源和水源,不 需另设管道,膨胀机系统可以做成整体移动式;这些空气压缩式制冷矿井空调系统形式将作为 主流矿井降温空调系统形式的必要补充,使得矿井降温空调系统具有更大的灵活性. 参考文献: [1]王文,桂详友,王国君.矿井热害的产生与治理[J].工业安全与环保,2003,9(4):33 —35. [2]孙艳玲,桂详友.煤矿热害及其治理[J].辽宁工程技术大学,2003,8:35—37. [3]刘璐,梅国栋,文虎,等.关于改善矿井环境气候的探讨[J].煤炭工程,2005(12):48—50. [4]冯兴隆,陈日辉.国内外深井降温技术研究和进展[J].云南冶金,2005,34(5):7—10. [5]RAMSDENR,SHEERTJ,BUTrRWORTHMD.Design&SimulationofUltra—DeepMineCoolingSystems [C].In:Proceedingsofthe7thinternationalmineventilationcongress.Krakow,Poland:2001 :755—760. [6]瓦斯通风防灭安全研究所.矿井降温技术的50年历程[J].煤矿安全,2003,34(9):154—158. [7]刘忠宝,王浚,张书学.矿井降温空调的概况及进展[J].安全与低温,2002,8(3):130 —134. [8]周峰.煤矿深井开采低温辐射降温技术问世[J].煤矿机械,2005(10):131—131. 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