三腔高低壓轉(zhuǎn)換器在熱害深井降溫工程設(shè)計(jì)中的選擇

1、三腔高低壓轉(zhuǎn)換器在熱害深井降溫工程設(shè)計(jì)中的選擇摘要：結(jié)合河南平寶煤業(yè)有限公司三腔高低壓轉(zhuǎn)化式地面集中礦井降溫系統(tǒng)工 程設(shè)計(jì)實(shí)例，闡述了該礦熱害現(xiàn)狀及降溫的必要性，概述了礦井降溫系統(tǒng)的多種 形式，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)上對比論證了地面式集中降溫中高低壓轉(zhuǎn)換方案，得出了三 腔高低壓轉(zhuǎn)換的地面式集中降溫系統(tǒng)最適合該礦井降溫。文章介紹了三腔高低壓 轉(zhuǎn)換器運(yùn)行原理和技術(shù)特點(diǎn)，并談到了自己的設(shè)計(jì)體會。關(guān)鍵詞：煤礦；降溫；三腔；工程設(shè)計(jì)1礦井概況河南平寶煤業(yè)有限公司于2004年8月開工建設(shè)，2010年7月投產(chǎn)，設(shè)計(jì)生 產(chǎn)能力2.4Mt/a。井田位于平頂山市東北，平頂山煤田李口向斜北翼東端，距平 頂山市約25km。井田

2、東西走向長6.6 km，南北傾斜寬44.6 km，面積26.9 km2。 礦井工業(yè)儲量4.02億噸，可采儲量3.1億噸。礦井采用立井多水平開拓，中央分列式通風(fēng)方式，主副井進(jìn)風(fēng)，中央回風(fēng)井 回風(fēng)。礦井設(shè)計(jì)投產(chǎn)移交戊一和己二兩個采區(qū)。礦井初期投產(chǎn)白石山背斜南翼己 二采區(qū)，2011年10月己二采區(qū)形成一區(qū)兩面生產(chǎn)格局，2014年第二個采區(qū)即己 一采區(qū)投產(chǎn)，形成兩區(qū)兩面生產(chǎn)格局，實(shí)現(xiàn)礦井達(dá)產(chǎn)1。2熱害現(xiàn)狀及降溫的必要性礦井由于埋深大、工作面走向長、供風(fēng)距離遠(yuǎn)，工作面溫度達(dá)33C36C， 濕度達(dá)86%95%。雖然采取了一些通風(fēng)及局部降溫措施，但仍然多次發(fā)生工作人 員中暑現(xiàn)象，既危害了職工的身心健康，又影

3、響了礦井的正常生產(chǎn)及接替，迫切 需要建設(shè)一套有效的降溫系統(tǒng)來解決礦井生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的熱害問題1。根據(jù) 煤礦安全規(guī)程（2016）第六百五十五條規(guī)定：“當(dāng)采掘工作面的空氣溫度超 過30C、機(jī)電設(shè)備硐室超過34C時(shí)，必須停止作業(yè)。新建、改擴(kuò)建礦井設(shè)計(jì)時(shí)， 必須進(jìn)行礦井風(fēng)溫預(yù)測計(jì)算，超過地點(diǎn)必須有降溫設(shè)施?！保煌瑫r(shí)，第六百五十六 條規(guī)定：有熱害的井工煤礦應(yīng)當(dāng)采取通風(fēng)等非機(jī)械制冷降溫措施。當(dāng)無法達(dá)到環(huán) 境溫度要求時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用機(jī)械制冷降溫措施?！?3礦井降溫系統(tǒng)形式概述礦井降溫系統(tǒng)根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同可以分為風(fēng)冷式降溫和水冷式降溫；根據(jù) 降溫區(qū)域劃分，可分為礦井局部降溫和礦井集中降溫；根據(jù)制冷設(shè)備的擺放位置

4、 又可以分為地面集中式、井下集中式和地面井下聯(lián)合式。從能源利用的角度，地 面集中式分為熱電冷聯(lián)供方式和純電制冷方式1。本礦井附近無熱電廠余熱，也 不具備熱電聯(lián)產(chǎn)的條件，只能采用純電制冷方式。地面集中降溫系統(tǒng)是在地面設(shè)置集中制冷站，冷凝熱的排放也主要分別兩種 形式，即依靠地面水源（可以是排至地面的礦井涌水，也可以是地面的江、河或 湖水），但不同井深的礦井井下輸冷系統(tǒng)主要有兩種形式，一種是直接輸冷，另 一種是間接輸冷。其中直接輸冷是地面制冷凍水，空冷器通過冷凍水循環(huán)管路直 接與冷水機(jī)組連接，適合礦井深度較淺的礦井，如圖1。而間接輸冷適用于井深 較大的礦井。為降低井下冷凍水管路及設(shè)備的壓力，采用在井

5、底安裝高低壓換熱 器（或三腔高低壓轉(zhuǎn)換器），地面冷凍水（一次水循環(huán)系統(tǒng)）輸送到井下通過高 低壓換熱器與井下降溫循環(huán)水（二次水循環(huán)系統(tǒng)）進(jìn)行熱量交換，將井下熱量排 至地面。平寶煤礦開采深度大，超溫工作面數(shù)目多，分布較廣，冷負(fù)荷大，不宜采用 井下局部式降溫，只能選用集中式降溫系統(tǒng)。在相同的降溫目標(biāo)溫度的情況下，地面集中式降溫方案在投資及運(yùn)行費(fèi)用方面均比井下集中式低，具有明顯優(yōu)勢， 因此設(shè)計(jì)采用地面集中式降溫系統(tǒng)作為該礦井下降溫方案。4高低壓轉(zhuǎn)換方案分析地面集中式降溫方案制冷設(shè)備及冷卻設(shè)備均安裝在地面，由于平寶煤礦地面 和風(fēng)井井底高差為730m，故井下需設(shè)熱交換硐室，同時(shí)井下設(shè)變配電硐室。制 冷機(jī)組

6、出來的冷凍水經(jīng)過井筒下井后進(jìn)入高低壓轉(zhuǎn)換裝置。經(jīng)高低壓轉(zhuǎn)換后的低 壓冷凍水經(jīng)二次冷凍水循環(huán)泵進(jìn)入各工作面和掘進(jìn)頭。地面制冷機(jī)房產(chǎn)生的冷水至井底后，由于極高靜壓，末端空冷器難以承受， 需要增加壓力轉(zhuǎn)換裝置。壓力的轉(zhuǎn)換方式通常有如下兩種：高低壓換熱器和三腔 高低壓轉(zhuǎn)換器方式。間接熱交換方式是傳統(tǒng)的壓力耦合方式，它是通過間接交換的方式將一次供 冷循環(huán)的冷量傳遞給井下二次供冷循環(huán)的冷水，并將二次供冷循環(huán)冷水的熱量傳 遞至一次供冷循環(huán)。三腔高低壓轉(zhuǎn)換器是德國某公司的專利產(chǎn)品，該產(chǎn)品通過閥門的開、關(guān)，巧 妙地將一次供冷循環(huán)的高壓供水轉(zhuǎn)換為低壓，直接送入井下二次供冷循環(huán)，又將 井下二次供冷循環(huán)高溫回水升壓，

7、返回地面一次供冷循環(huán)。5三腔高低壓轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)（PES）該系統(tǒng)組成部分主要有三個腔體、止回閥、分流閥柱、液壓站、控制系統(tǒng)等， 見圖1，圖中左側(cè)為自地面到井下的冷凍供水，右側(cè)為自井下到地面的冷凍回水。 如圖1，本工程采用15MW的PES，采用三根DN500鋼管組成腔室水平平行布置。 其中腔室一側(cè)采用分流閥柱，編號分別為13011306的六個切換閥來控制液壓， 編號為13071309，13171319六個閥門為旁通閥，液壓系統(tǒng)與主閥同步進(jìn)行控 制，開起主閥時(shí)來平衡控制主閥兩側(cè)的壓力。另外一側(cè)腔室為單向柱閥，采用編 號為13111316自動開啟和關(guān)閉兩側(cè)的壓差。三個腔室水流循環(huán)，依次切換，實(shí) 現(xiàn)了無溫

8、差情況下的高壓冷凍水供水與回水的壓力壓差交換。此過程中，任意時(shí) 間任意一次冷凍水回路與二次冷凍水回路都是相互獨(dú)立的，避免了高低壓相竄的 情況發(fā)生2。圖1三腔高低壓轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)（PES）原理圖河南平寶煤業(yè)有限公司礦井降溫采用的三腔高低壓轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)（PES）參數(shù)如 下：15 MW不低于10Mpa 8.5Mpa不低于4.0Mpa3.6Mpa3C18C18.5C3.5C輸送能力一次側(cè)設(shè)計(jì)壓力 一次側(cè)工作壓力 二次側(cè)設(shè)計(jì)壓力 二次側(cè)工作壓力 一次側(cè)進(jìn)水溫度 一次側(cè)出水溫度 二次側(cè)進(jìn)水溫度 二次側(cè)出水溫度一次、二次循環(huán)水流量860m3/h三腔系統(tǒng)阻力15m水柱因系統(tǒng)阻力小，經(jīng)過計(jì)算，對于15MW的三腔高低壓

9、轉(zhuǎn)換器比同等輸送能力 的高低壓換熱器循環(huán)水泵運(yùn)行功率降低132Kw ；因系統(tǒng)溫升小，經(jīng)過計(jì)算，平寶 煤礦若采用國產(chǎn)高低壓換熱器需要配置400kw的空冷器為55臺，而采用三腔高 低壓轉(zhuǎn)換器僅需要45臺，按照單臺空冷器市場價(jià)格60萬元計(jì)算，僅空冷器投資 差價(jià)近600萬元。由此可見，三腔高低壓轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)（PES）比傳統(tǒng)高低壓換熱 器有明顯的經(jīng)濟(jì)及技術(shù)優(yōu)勢，本降溫工程最終設(shè)計(jì)選擇三腔高低壓轉(zhuǎn)換器的地面 式集中降溫系統(tǒng)。6結(jié)束語近年來，隨著國內(nèi)降溫工程越來越多的實(shí)施，三腔高低壓轉(zhuǎn)換器與高低壓換 熱器的競爭也日趨增多，兩者之間的價(jià)格差距也逐漸減少。隨著價(jià)格的降低，高 低壓換熱器在價(jià)格上的優(yōu)勢也逐漸變小，而三腔高低壓轉(zhuǎn)換器由于溫升小，要求 的空冷器體積小，從降溫效果保證上更具有優(yōu)勢。因此，河南平寶煤業(yè)有限公司 礦井降溫設(shè)計(jì)選用三腔高低壓轉(zhuǎn)換器對井下冷水進(jìn)行壓力轉(zhuǎn)換，完全滿足礦井降 溫工程需要，應(yīng)該得到更大的普及與推廣。參考文獻(xiàn)：河南平寶煤業(yè)有限公司礦井降溫工程初步設(shè)計(jì)】Z .2017王雷等.三腔壓力交換系統(tǒng)與高低壓換熱器的技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比】J.山東煤炭 科技 2016.07煤礦安