2012第八章矿井空调系统

1安全工程专业《矿井热害防治》矿井热害防治第八章矿井空调系统主讲：邓权威河南理工大学安全学院2本章主要内容•第一节矿井空调系统的原理及分类•第二节矿用空调制冷系统的主要设备（制冷设备、空冷器、高低压换热器）•第三节矿井空调的排热方法及其装置•第四节矿用空调系统管道保冷•第五节制冷站冷负荷计算及制冷设备选择•第六节矿井空调的供水系统设计•第七节矿井空调经济性分析•第八节矿井空调系统设计实例3第一节矿井空调系统原理及分类•一、矿井空调系统的工作原理•矿井空调系统由制冷剂、载冷剂(水、空气、盐水、冰、有机化合物)和冷却水3个独立的循环系统组成。•（一）制冷剂循环系统：制冷机通过制冷剂的循环制取冷量。•（二）载冷剂循环系统：由于制冷站的位置不同，形成不同的载冷剂循环系统。•（三）冷却水循环系统：冷却水循环系统由冷凝器、冷却塔(或称水冷却装置)和冷却水管道组成。4一、矿井空调系统的工作原理•图8-1矿井空调系统工作原理•1－压缩机；2－冷凝器；3－蒸发器；4－节流阀；5－冷却水管；6－冷却塔；7－冷却水泵；8－冷水泵；10－高低压换热器；11－空冷器；12－蒸发式冷却器5二、矿井空调系统的基本类型•按供冷能力和方式的不同，矿井空调系统分为集中式和分散式。•集中式：用一台或多台制冷机向多个采掘工作面供冷，或即使向1个采掘面供冷，但供冷能力在2Mw以上者，均称为集中式空调系统。•分散式：用小型制冷机分散地向采掘工作面供冷者，称为分散式空调系统。•从国内外矿井空调技术的发展趋势看，除南非金矿外，俄罗斯、德国等国家，从上世纪50年代到70年代中叶，大都以分散式制冷空调为主。•我国60年代初开始采用局部制冷空调，到了80年代才开始建立井下集中制冷空调系统。这一发展趋势表明，随着矿井开采深度的增加，矿井热负荷亦随之加大。6（一）分散式空调系统•当实际矿井工程中只需要在几个点且点与点相隔较远时，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，在平煤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℃；•平煤四矿戊九采面空调系统，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。7（一）分散式空调系统•目前国内外常见的冷冻水供冷、空冷器冷却风流的矿井空调系统的基本结构模式如图8-2所示，它是由制冷、输冷、传冷和排热四个环节所组成。图8-2矿井空调系统结构模式（局部空调模式）1─制冷站；2─冷水泵；3─冷水管；4─局部通风机；5─空冷器；6─风筒；7─冷却水泵；8─冷却水管；9─冷却塔。8（二）集中式空调系统•制冷机站、高低压换热器站、风流冷却站以及水冷却装置是构成矿井空调系统的基本要素，由这些要素的不同组合，便形成了不同的空调系统。•制冷站的位置是决定集中式矿井空调系统的基本要素。按制冷站的位置，矿井集中式空调系统主要分为以下三种基本类型：•（1）地面集中式空调系统•（2）井下集中式空调系统•（3）井上、下联合式空调系统9•将制冷站设置在地面，冷凝热也在地面排放，而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。•根据系统结构的不同，地面集中空调系统分为以下三类：•1）在地面集中冷却矿井总进风流•2）制冷站设在地面在井下冷却风流•3）在地面和井下同时冷却风流（1）地面集中式空调系统101）在地面集中冷却矿井总进风流•系统最为简单，制冷站和空冷器都设在地面。这种系统，在国内外一些矿井中应用过。•它的优点是，在井下不设高低压换热站。应用经验表明，这种系统运用于矿井空调范围不大和通风线路不长(小于3km)者。图8-3制冷站设在地面且地面冷却总进风1－压缩机；2－蒸发器；3－冷凝器；4－节流阀；5－水池；6、7－水泵；8－冷却塔；9－冷却水管；10－换热器；11－空冷器11（1）地面集中式空调系统•2）制冷站设在地面在井下冷却风流•有两种布置方式：•⑴采用高压空冷器。•⑵采用高低压换热器。122）制冷站设在地面在井下冷却风流•⑴采用高压空冷器。图8-4制冷站设在地面且在井下设高压空冷器1－压缩机；2－蒸发器；3－冷却器；4－节流阀；5－水池；6、7－水泵；8－冷却塔；9－冷却水管；10－换热器；11－冷水管；12－高压空冷器•此种布置方式曾在德国的一个矿井用过，但未获推广。•因为在井下巷道中(采掘工作面附近)使用高压空冷器既不安全又很复杂，同时，也显著加大了空冷器的体积和重量，移动困难，换热效率降低。132）制冷站设在地面在井下冷却风流•⑵采用高低压换热器。图8-5制冷站设在地面井下设高低压换热器1－压缩机；2－蒸发器；3－冷凝器；节流阀；5、15－水池；6、7、14－水泵；8－冷却塔；9－冷却水管；10－换热器；11、13、17－冷水管；12－高低压换热器；16、18－空冷器•为使地面向井下供给的一次载冷剂(高压)不直接进入空冷器，在井下设置了高低压换热器。•井下循环的二次载冷剂在高低压换热器中将热量传递给一次载冷剂，被冷却的二次载冷剂再由泵送到空冷器中冷却风流。143）在地面和井下同时冷却风流•德国依本毕伦煤矿就是采用这种系统。该系统自1983年投入运行以来，空调效果良好。•在地面安设4台制冷机，其中1台制冷机用于在地面冷却风流，可将风温由28℃降到18.5℃，3台制冷机向井下供冷水，总制冷能力为10.51lMW。高低压换热器(共16台)安设在井下-1400m水平，分别向各采掘工作面供冷。图8-6制冷站设在地面且在地面冷却部分进风流1－喷雾式空冷器；2－制冷机；3－高低压换热器15（2）井下集中式空调系统•井下集中式空调系统：为使制冷站靠近空冷器，缩短供冷距离、减少冷量损失，可将集中制冷站设在井下。•井下集中式空调系统，按冷凝热排放地点不同：•1）利用井下回风流排放冷凝热•2）在地面排放冷凝热161）利用井下回风流排放冷凝热•这种布置形式具有系统比较简单，冷量调节方便，供冷管道短，无高压冷水系统等优点。•德国拉德博德煤矿井下集中空调系统制冷站安设4台制冷机，总制冷能力为5.86MW。利用总回风流排热，风量为4800m3/min，入风温度为26.5和27.5℃，排热量为7.3MW。图8-8制冷站设在井下利用回风流排热1－制冷站；2、3－冷却水泵；4－喷雾硐室172）在地面排放冷凝热•8-9制冷站设在井下冷凝热排到地面1－压缩机；2－蒸发器；3－冷凝器；4－节流阀；5－冷水泵；6－主水平冷水管；7－冷水池；8－主水平冷空器；9－下水平冷水管；10－下水平空冷器；11、15－冷却水泵；12、14－冷却水管；13－高低压换热器；16－冷却塔；17－换热器•这种布置形式虽可提高冷凝热的排放能力，但需在冷却水系统增设一个高低压换热器，系统比较复杂。18（3）井上、下联合式空调系统•为了减小地面集中制冷站的冷量损失，克服井下制冷机的排热困难，在地面和并下同时设制冷站，构成矿井联合空调系统。在地面、井下同时设置制冷站，相当于两级制冷。图8-10地面井下同时设制冷站的联合空调系统1~4—制冷机；5—空气预冷器；6—高低压换热器；7~9—空冷器；10—冷却塔19•对地面集中空调系统，有条件的矿井，可实行矿井降温冷源与煤矿热电站联产。•利用丰富的劣质煤，建设小型坑口自备热电站，配置溴化锂吸收式制冷机组，再联合压缩式制冷机组，最终制出1℃的冷水送往井下降温系统。•热电站生产的电能供煤矿自身的生活和生产使用，从而大大提高了煤矿的经济效益。平煤四矿就是采用的这种方法，其制冷站内配置1台溴化锂制冷机组，并联合3台乙二醇冷水机组，该系统能使井下采掘工作面的气温降低5~6℃。20•自1975年以来，国内外均以采用集中制冷空调为主、局部制冷空调为辅的降温方式。•在井上集中式、井下集中、井上下联合三种类型中，究竟采用哪一种，要根据矿井的具体条件，通过技术经济比较来确定。•但从国外的发展趋势看，有从井下集中向地面集中转移的趋势。据俄罗斯，德国，英国和比利时等国的41个大型矿井集中空调系统的统汁资料：地面集中19个(占46.3％)，井下集中13个(占31.7％)，联合9个(占22％)。这是由于矿井采深越来越大，岩温和风温随之上升，制冷设备在井下排热困难所致。三、各种空调系统技术对比21三、各种空调系统技术经济对比表8-1矿井集中式空调系统技术比较表制冷站位置优点缺点地面1．厂房施工、设备安装、维护、管理方便；2．可用一般型的制冷设备，安全可靠；3．冷凝热排放方便；4．冷量便于调节；5．无需在井下开凿大断面硐室；6．冬季可用天然冷源。1．高压载冷剂处理困难；2．供冷管道长，冷损大；3．需在井筒中安装大直径管道；4．空调系统复杂。井下1．供冷管道短，冷损小；2．无高压冷水系统；3．可利用矿井水或回风流排热；4．供冷系统简单，冷量调节方便；1．井下要开凿大断面的硐室；2．对制冷设备要求严格；3．设备安装、管理和维护不方便；联合1.可提高一次载冷剂回水温度，减少冷损；2.可利用一次载冷剂将井下制冷机的冷凝热带到地面排放。1．系统复杂；2．设备分散，不便管理。22表8-2各方案的技术经济比较方案指标地面集中系统井下集中系统分区系统技术优缺点1.设备安装维护、管理方便2.安全可靠3.可利用地面天然冷源4.高压水处理困难，系统复杂1.无高压水系统简单2.供冷管道短，冷损小3.设备安装、维护、管理不方便4.安全性差1.输冷管道短，冷损小2.安全性差3.分散不易管理经济比较需冷量（KW）279023251802能耗（KW）210115461873基建投资（万元）819676662设备费（万元）252210224材料费（万元）392277235工程费（万元）583642年经营费（万元）117841050吨煤成本（元）1.51.11.4结论23•德国的实践表明：负荷小于2MW的矿井，以采用分散式最优；负荷大于2MW的矿井才采用集中式；集中式的3种型式，又以井上、下联合集中系统费用最低，地面集中式系统次之，而以井下集中式系统最高。•淮南煤田谢桥矿矿井降温方案的经济技术比较（煤炭工业部合肥设计研究院雷鸣，谢桥矿井降温方式及空调系统的探讨）也表明：地面集中式系统的总费用也是最小的(没有考虑井上下联合集中方案)。•因此，在经济上地面集中式和井上下联合集中式具有其优越性；而在技术上3种集中式系统各有千秋：•井下集中式系统的致命弱点是冷凝热排放困难；•地面集中式和井上下联合集中式系统必须使用高低压转换设备，此设备在冷冻水转换过程中会产生3-4℃的温度跃升。24三、矿井空调中的需要注意两个的问题•(1)空调系统中的管道隔热问题。•有关资料表明：当输冷管道外未添加保温(隔热)层时，输冷管道的冷量损失约占矿井空调系统总冷量损失中的60%。因此，要提高矿井空调系统的制冷效率，就要减少输冷管道的冷量损失。•(2)空调系统中的排热问题。•冷凝热的排放是矿井空调系统中的一个重要环节，直接影响到整个系统的最终效果。25第二节矿用空调制冷系统的主要设备•一、矿用制冷设备•主要指制冷机及其辅助装置，是矿井制冷空调的冷源。•有天然冷源和人造冷源两种。在深矿井空调中，完全利用天然冷源的可能性很小，仅能作为辅助冷源被采用。•人工制冷方法有蒸气制冷、气体膨胀制冷及半导体制冷等。但矿井空调广泛使用的还是蒸气压缩式制冷和蒸气吸收式制冷。型号(KMR-150)额定制冷量(145.4KW)额定输出功率（31.2KW）额定输出电源（27.3A）26•我国在60年代初开始利用制冷机进行矿井空调。当时，煤科总院抚顺分院利用1台从苏联引进的小型制冷机(制冷量为58kW)，在淮南九龙岗煤矿进行局部降温。•1955年煤科总院抚顺分院同中科院长沙矿冶研究所及冶金部和核工业部有关单位，在武汉冷冻机厂研制了JKT—20型矿用移动式空调器(制冷量为70kW)，该设备