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                    機械制冷降溫系統在煤礦井下的應用
                    發布時間:2013-04-07 14:29:00 瀏覽次數:0次
                     隨著礦井開采深度的增加,巖石溫度升高,開采與掘進工作面的環境熱害日益嚴重,不少工作面的氣溫超過28℃,個別高達34℃。目前國內外的研究成果顯示,在井下作業地點氣溫超過28℃時,便會對人體健康產生明顯影響,使作業人員體溫升高、水鹽代謝出現紊亂,循環系統、消化系統、泌尿系統、神經系統等均會因高溫高濕大量失水,改變正常功能,甚至致病。原蘇聯的研究成果顯示:井下氣溫每超過標準(26℃)1℃,勞動生產率便下降6% ~8%〔1〕。
                     
                      《煤礦安全規程》第102條規定:采掘工作面空氣溫度超過30℃,機電硐室空氣溫度超過34℃,必須停止作業〔2〕。在高溫環境下作業,不但礦工勞動生產率下降,身體健康將受到損害,同時也嚴重威脅井下安全生產。
                    目前國內外的礦井降溫,主要有2個方面的措施:一是非人工制冷措施(采礦技術),通過通風降溫或改革采煤工藝以及煤壁注水預冷煤層等;二是人工制冷降溫措施,即采用人工機械制冷進行降溫。
                       非人工制冷措施雖然經濟實用,但受到諸多因素的制約,其效果有限,一般只能降低2℃左右,遠遠滿足不了采掘工作面的降溫需求。根據目前應用實踐,礦井降溫最有效的方法還是人工制冷降溫〔3〕。
                      1 機械制冷降溫在煤礦巷道中的應用現狀防治礦井熱害機的械制冷降溫技術雖然已有80余a的歷史,但迅速發展和較廣泛地應用僅是近30 a的事。在各國科技工作者的共同努力下,用于防治礦井熱害的技術已經取得了巨大成就,在礦井開采過程中起著重要作用。1977年,原蘇聯研制成移動式礦用制冷機,在煤礦和金屬礦的獨頭掘進巷道中應用。1985年11月,南非在世界上首次用冰做載冷劑冷卻空冷器的冷卻水,該系統的制冷能力達628 kW。1989年,南非一金礦建成壓縮空氣制冷空調系統,將空氣在地面壓縮為液態,通過管道輸送到井下,先膨脹成氣態后,再進入空氣制冷機,排出的低溫空氣冷卻工作面的風流。同年,波蘭研制出渦流管式空氣制冷裝置,在煤礦掘進工作面試用,取得了一定的降溫效果〔4〕。
                     
                       近幾年德國在礦井降溫方面研究取得了很好的成果,一些新產品通過代理和技術轉讓已服務于中國煤礦。例如WAT公司在峰峰集團梧桐莊礦、淮南礦業集團潘三礦DV400、DV290大氣降溫機,西馬格公司在國投新集劉莊礦礦井降溫系統,HERCO公司通過技術轉讓的方式與北京長順安達合作在阜新清河門礦的ZJL-450降
                    溫機,降溫效果良好。
                       早在20世紀70年代,我國就開始礦用制冷設備的研制工作,但進展相對緩慢。80年代后,隨著礦井開采深度的加深,礦井熱害已經嚴重影響到了煤礦的正常生產。1993年7月,平頂山礦務局科研所和原中國航空工業總公司第609研究所聯合研制成KKL101礦用無氟空氣制冷機,并且在平煤五礦己三軌道下山掘進工作面實施局部制冷降溫,可使掘進工作面的氣溫降低5~8℃。1996后又與相關單位合作,用LSLGF-300、1000、500螺桿式水冷機組對工作面降溫,效果明顯〔5-6〕。
                     
                       近兩年,隨著對礦用機械制冷設備需求量的增加,國內一些廠家也開始對礦用制冷設備的研制,唐山開成與煙臺冰輪合作開發的ZJL-500礦用大氣降溫裝置已經通過安標國家中心的礦用產品安全標志認證。
                    2 機械制冷系統在煤礦巷道中的應用
                       2. 1 制冷方式
                        在煤礦井下制冷降溫中,常見制冷方式有蒸汽壓縮式和空氣壓縮式,蒸汽壓縮式制冷是利用液體氣化時的吸熱效應而實現制冷的。在一定壓力下液體氣化時,需要吸收熱量,該熱量稱為液體的氣化潛熱。液體所吸收的熱量來自被冷卻對象,使被冷卻對象溫度降低,或者使它維持低于環境溫度的某一溫度。在液體氣化制冷中,可分為機械壓縮式、吸收式、噴射式、吸附式制冷,而在煤礦井下制冷系統應用中,以機械壓縮式制冷為主。機械壓縮式制冷系統由壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發器組成,用管道將其連成一個封閉的系統。工質在蒸發器內與巷道空氣發生熱量交換,吸收被冷卻對象的熱量并氣化,產生的低壓蒸汽被壓縮機吸人,壓縮機消耗能量(通常是電能),將低壓蒸汽壓縮到需要的高壓后排出。
                         壓縮機排出的高溫高壓氣態工質在冷凝器內被常溫冷卻介質(水或空氣)冷卻,凝結成高壓液體。高壓液體流經膨脹閥時節流,變成低壓、低溫濕蒸汽,進入蒸發器,其中的低壓液體在蒸發器中再次氣化制冷??諝鈮嚎s式制冷為理想氣體的逆向循環系統,高壓氣體絕熱膨脹時,對膨脹機作功,同時氣體的溫度降低。其循環型式主要有:定壓循環,有回熱的定壓循環和定容循環。與液體氣化式制冷相比,空氣膨脹制冷是一種沒有相變的制冷方式,所采用的工質主要是空氣。由于空氣壓縮制冷循環的制冷系數、單位質量制冷工質的致冷能力均小于蒸汽壓縮制冷系統,在產生相同制冷量的情況下,空氣壓縮式制冷系統需要較龐大的裝置,并且單位制冷量的投資和年運行費用均高于蒸汽壓縮式系統。因此,空氣壓縮式制冷在礦井降溫中很少應用,因此只介紹蒸汽壓縮式制冷
                    系統在煤礦中的應用。
                         蒸汽壓縮式制冷降溫系統根據制冷站的安裝位置、冷卻礦內風流的地點、載冷劑的循環方式等,可分為井下集中式、地面集中式、井上下聯合式和井下局部分散式。
                        (1)井下集中式制冷機設在井下,通過管道集中向各工作面供冷水。系統比較簡單,供冷管道短,沒有高低壓轉換裝置,僅有冷水循環管路。但是這需要在井下開鑿大斷面峒室,給施工和維護帶來一定困難。隨著開采深度的增加,礦井需求冷量的增大,井下集中空調系統的冷凝熱排放困難則成為突出的問題,制約了制冷能力,其系統布置如圖1所示。
                     
                    圖1 井下集中式制冷系統
                      (2)地面集中空調系統分為2種:一種是地面冷卻風流系統,其全部設備都設在地面,對礦井總進風風流進行冷卻,其系統布置如圖2所示。由于冷卻降溫后的低溫風流不斷被井下熱源加熱,降溫
                    效果變低。故僅適用于開采深度小、風流距離短的高溫礦井。另一種是井下冷卻風流系統,其制冷機位于地面。載冷劑(冷水或鹽水)通過隔熱管道被送到井下采掘工作面的空冷器。從地面到井下高差大,載冷劑輸送管道中的靜壓很大,所以必須在井下增設高低壓轉換裝置。
                     
                     
                    圖2 井上集中式制冷系統
                      (3)井上下聯合系統的制冷機分別設在地面和井下,可以看作是井上、井下制冷系統的混聯,具有地面和井下2個系統的特點。該設備布置分散,冷媒循環管路復雜,操作管理不便。
                         (4)井下局部分散式系統的制冷機可移動,僅供1個或局部高溫場所空調使用。蒸發器即相當于空冷器。冷量傳輸距離小,冷損小,初期投資少,移動靈活。但冷凝熱排放困難,故僅適用于小范圍的煤礦降溫空調。其系統布置如圖3所示。
                         2. 2 壓縮機
                      壓縮機是制冷空調的心臟,它對系統運行性能、噪聲振動和使用壽命有著決定性作用。礦用制冷裝置的制冷量一般都在100 kW以上,在此冷量范圍內,長期以來使用的主要是活塞式、螺桿式2種機型〔6〕。近年來螺桿式壓縮機工作可靠性的不斷提高,
                     
                     圖3 井下局部分散式制冷系統
                    已開始取代較大的往復式壓縮機,而螺桿式壓縮機兩種基本機型中,雙螺桿制冷壓縮機顯得較多地受到青睞。作為礦用設備,壓縮機在整個制冷裝置中的安全性顯得格外重要。它作為一種特種設備,在運轉中可能會出現一些異常情況,如排氣壓力過高,吸氣壓力太低,油壓不足,排氣溫度過高等。出現這些異常情況,給生命和財產帶來隱患,輕則會對壓縮機造成損壞,重則會發生爆炸。因此作為礦用設備的制冷裝置壓縮機必須采取以下防護措施:
                    (1)壓力保護。壓力保護包括壓縮機的吸排氣壓力保護和潤滑油壓力保護。壓縮機運轉時,因系統的原因或壓縮機本身的原因,可能出現排氣壓力過高或吸氣壓力過低的情況。為此應設置高、低壓壓力控制器、安全閥。為防止制冷劑泄漏至大氣,一般采用閉式安全閥。為保證壓縮機運動部件的良好潤滑,并保證有些壓縮機輸氣量控制機構的正常動作,必須設置潤滑油壓差控制器。
                    (2)溫度保護。排氣溫度過高導致制冷劑分解,絕緣材料的老化,潤滑油結炭,氣閥損壞。因此,應在排氣口設置溫控器,排氣溫度過高時,溫控器動作,切斷電路。
                    2. 3 空冷器
                    空冷器是冷卻流過其表面的空氣,進而實現降溫的熱交換器,對于井下局部分散式機械制冷降溫系統,空冷器相當于蒸發器。礦用空冷器主要分為兩大類:表面式空冷器和直接接觸式空冷器(也稱噴淋式空冷器)。表面式空冷器由于結構緊湊、體積小、適應性強等優點而倍受青睞。為了提高其換熱效率,常在表面式空冷器的肋管上增設翅片,以增加換熱面積。這種翅片式空冷器常因井下條件惡劣,粉塵濃度高,很難發揮應有的效果。德國等發達
                    國家改用換熱效率較低的光管式空冷器,并配合沖洗泵,以適應井下惡劣環境。直接接觸式空冷器具有換熱效率高的優點,但由于其體積較大,不及表面式空冷器布置靈活,因而限制了它的使用〔7〕。另外由于受到井下諸多條件限制,活性金屬鋁不能在井下使用,熱交換器的材質比較好的是銅和不銹鋼。
                    紫銅的熱導系數比不銹鋼大很多,故紫銅也常作為熱交換器的材質。
                         2. 4 制冷劑
                       在蒸汽壓縮式制冷中,循環流動的工作介質稱為制冷劑,又稱制冷工質,它在系統的各個部件間循環流動,以實現能量的轉換和傳遞。鹵代烴是目前最常用的制冷劑,在礦用制冷裝置中,制冷劑的選擇除了要環保、高效外,更重要的是要安全,不經意的制冷劑泄漏會造成嚴重的事故。因此在選擇制冷劑時首先應考慮制冷劑的毒性、燃燒和爆炸性。制冷劑可以根據特性分為3個組別:
                    (1)對人體健康基本上無害的、不易燃的制冷劑。
                    (2)有毒或有腐蝕性的制冷劑,當其與空氣形成混合物時,其引爆體積分數下限(起爆點)不低于3. 5%。
                    (3)當制冷劑與空氣形成混和物時,其引燃體積分數下限(起爆點)低于3. 5%。在我國有熱害的礦井中,絕大部分又是瓦斯礦井。因此應選擇第1組的制冷劑。目前常用在井下制冷裝置的制冷劑〔8〕見表1。
                     
                     
                         2. 5 潤滑油
                       制冷系統中的潤滑油又稱冷凍機油、潤滑機油。在制冷系統中,潤滑油和制冷劑在壓縮機內直接接觸;有少量潤滑油被攜帶進制冷管路內隨同制冷劑循環;在封閉壓縮機中,潤滑油與電動機的線圈及密封等有機材料密切接觸;制冷系統中的潤滑油既經歷壓縮機排氣的最高溫度,又經歷膨脹閥、蒸發器的最低溫度〔9〕。因此潤滑油潤滑壓縮機的各運動部件,既能減少摩擦和磨損,又能起到冷卻作用,將運動部件保持較低溫度,以提高效率。利用潤滑油的粘度,使運動部件間形成油膜,維持制冷循環高低壓力,起密封作用。在選擇煤礦井下用制冷裝置潤滑
                    用油中,除了要考慮潤滑油的粘度、與制冷劑的互溶性等物性指標外,更重要是其化學性能指標,根據不同排氣溫度,應選用不同閃點的潤滑油,一般潤滑油的閃點應高于排氣溫度15~30℃。
                         3 煤礦用機械制冷降溫系統的發展前景
                       隨著高溫礦井數量的不斷增多,機械制冷降溫系統在礦井中的應用會越來越廣泛。煤礦用機械制冷降溫系統應不僅體現在其安全性上,更應該與國家的“節能減排”政策相一致,為此需從以下幾方面做起:
                    (1)煤礦用機械降溫系統的投資、成本的高低、降溫效果的好壞將直接取決于設計水平、降溫系統裝備水平和系統安裝、管理和維護水平。因此降溫設計和降溫設施,應與礦井改造、建設同時設計、同時施工。
                    (2)熱害集中的礦井,在經濟條件允許下,盡可能采用井下集中制冷降溫,這樣可以降低單位制冷量功耗,管理也大大方便。
                    (3)針對煤礦井下多灰塵、高濕度環境,依據表面式空冷器的結構特征,開發高效的配套清洗裝置或研制機動靈活、體積小的噴淋式空冷器,以適應煤礦井下多種場合的需要。
                    (4)由于煤礦井下的特殊環境,要求制冷機所用的制冷劑必須符合無毒、不可燃和無爆炸危險的要求,目前廣泛使用的制冷劑R22雖然符合煤礦井下的特殊要求,但其散放到大氣中對臭氧層有破壞作用,急需新型制冷劑。
                       4 結 語
                       我國煤礦開采深度的不斷增加,高溫礦井的數量也在不斷增多,如何有效地解決井下高溫問題己迫在眉睫。加強通風、預冷進風風流等優化通風系統的方法在我國礦井熱害治理中應用較為成熟,但其降溫幅度有限,限制了其在井下大規模應用。機械制冷降溫技術在礦井降溫中應用雖然得到廣泛發展,但煤礦井下空氣中含有瓦斯、煤塵等可燃易爆氣體,高濕度的環境也給井下制冷降溫設備提出了更嚴格的要求。國內礦井降溫設備生產廠家和使用單位還需研制出更安全、高效、經濟的適合我國煤礦井下使用的機械制冷降溫設備。
                    參考文獻:
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                    〔3〕 孫建華,張小洲.平煤五礦井下降溫措施與效果〔J〕.煤礦安全, 2001(4): 20-22.
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                    〔5〕 李振頂,彭輝仕.礦井熱害的治理方法及效果〔J〕.煤炭科學技術, 2002, 30(1): 22-24.
                    〔6〕 繆道平,吳業正.制冷壓縮機〔M〕.北京:機械工業出版社, 2001.
                    〔7〕 劉何清,吳 超,王衛軍.礦井降溫技術研究述評〔J〕.金屬礦山, 2005(6): 43-46.
                    〔8〕 全國冷凍設備標準化技術委員會.GB 9237-2001制
                    冷和供熱用機械制冷系統安全要求〔S〕.北京:中國標準出版社, 2001.
                    〔9〕 董天祿.離心式/螺桿式制冷機組及應用〔M〕.北京:機械工業出版社, 2006.
                      作者簡介:孫志林(1980-),男,陜西榆林人,助理工程師, 2006年7月碩士畢業于西安交通大學制冷與低溫工程系,現在煤炭科學研究總院檢測分院從事產品檢測檢驗,發表論文4篇。
                     
                     
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