高地溫深井WAT井下集中制冷降溫技術(shù)研究

周升舉 韓 力 劉善勇

（1.山東新巨龍能源有限責(zé)任公司，山東省巨野縣，274918；2.中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221008）

高地溫深井WAT井下集中制冷降溫技術(shù)研究

周升舉1，2韓 力1劉善勇1

（1.山東新巨龍能源有限責(zé)任公司，山東省巨野縣，274918；2.中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221008）

介紹了地面埋管式WAT井下集中制冷降溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、散冷系統(tǒng)等組成。該降溫技術(shù)顯著特點是制冷機組布置在井下，置換出的熱量通過鉆孔排到地面，能夠降低井下冷量損失和井下散熱量，并建立了制冷余熱利用系統(tǒng)。

深井高溫 井下制冷 地面排熱 余熱利用

1 概況

新巨龍能源有限責(zé)任公司位于魯西南巨野煤田的中南部，井田面積180km2，設(shè)計生產(chǎn)能力600萬t／a，主要開采水平為－810m，具有高地?zé)崽卣?。根?jù)礦井地質(zhì)資料，本區(qū)恒溫帶深度50m、溫度18.9℃；平均地溫梯度2.88℃／100m，其中非煤系地層平均地溫梯度2.52℃／100m，煤系地層平均地溫梯度3.23℃／100m。礦井主采3＃煤層，底板溫度平均41.38℃，3＃煤層全部處于一級或二級高溫區(qū)。

2 井下集中制冷降溫系統(tǒng)的選擇

集中式制冷降溫系統(tǒng)按照冷媒介質(zhì)分為冷水降溫和冰水降溫兩種。冰制冷降溫系統(tǒng)耗能較大，且冰輸送到井下還需要加水溶解，制冷效率較低，水消耗量較大，所以選用冷水降溫方式。

集中式制冷降溫系統(tǒng)按照制冷機的布置和組合方式不同，主要有地面集中式制冷降溫系統(tǒng)和井下集中式制冷降溫系統(tǒng)兩種，其基本原理都是制冷機組制備冷凍水，用冷水作為冷媒輸送到井下，達到降溫的目的，其制冷效率較高。

地面集中式制冷降溫系統(tǒng)主要優(yōu)點為可選用大機組，適合于制冷量30MW以上的礦井降溫系統(tǒng)；易于排除冷凝熱。其主要缺點為需在井下設(shè)高低壓轉(zhuǎn)換設(shè)備，以解決井上、井下高差而產(chǎn)生的高壓差。為保證降溫效果，采用的高低壓轉(zhuǎn)換器（PES）由于其結(jié)構(gòu)本體和控制系統(tǒng)等要求高，系統(tǒng)穩(wěn)定性差；多一個高壓冷凍水循環(huán)，系統(tǒng)冷損大，較為復(fù)雜；需在井筒中設(shè)置塑套鋼型成品保溫管，對施工要求高，安裝、維護等也相對較為困難；整個系統(tǒng)投資較大。

井下集中式制冷降溫系統(tǒng)主要優(yōu)點為制冷機組可盡量靠近負荷中心，冷損小；機組可模塊化組合，根據(jù)負荷分布情況分區(qū)域集中制冷；系統(tǒng)簡單，無需設(shè)高低壓轉(zhuǎn)換設(shè)備，機組冷凝器可直接承受最高16MPa壓力，少一個高壓冷凍水循環(huán)，系統(tǒng)冷損??；冷卻水管路無需保溫，施工、安裝方便；地面冷卻機房設(shè)備少，占地面積小；整個系統(tǒng)投資小。其主要缺點為系統(tǒng)配套的井下電氣設(shè)備必須有防爆要求。

3 地面埋管式井下集中降溫原理與系統(tǒng)構(gòu)成

3.1 制冷原理

井下集中制冷降溫系統(tǒng)基本原理是用制冷機組制冰冷凍水，用冷水作為冷媒介輸送到井下實現(xiàn)降溫的目的，其制冷效率較高。龍固礦采用的是通過打鉆孔方式在一采區(qū)車場附近施工兩個鉆孔，下兩趟冷卻水管，冷凝熱通過地面冷卻塔排放，同時在一采區(qū)車場附近設(shè)制冷降溫硐室，地面設(shè)置地面冷卻機房。系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 井下集中降溫技術(shù)原理

3.2 制冷系統(tǒng)組成

3.2.1 井下制冷機組

井下制冷機組采用德國WAT公司KM3000機組，單機制冷量可達3300kW，目前安裝兩臺機組。根據(jù)《煤礦井下熱害防治設(shè)計規(guī)范》的要求，當(dāng)采用井下集中式制冷降溫方式時，制冷機出水溫度不應(yīng)高于5℃。制冷機組出水溫度確定為3℃，另外，供水與回水的大溫差對整個系統(tǒng)更有利，國外一般為15℃，從設(shè)備運行安全性、穩(wěn)定性及使用情況等方面考慮，采用3℃／18℃的供回水溫差。

3.2.2 冷卻水系統(tǒng)

結(jié)合地面冷卻機房的布置，選用兩臺方形橫流塔作為冷卻塔。與井下制冷機組相配套，選用3臺冷卻水循環(huán)泵。由于冷卻塔存在蒸發(fā)損失、風(fēng)吹損失及排污損失，且補水要求為軟化水，需計算出需補水量并安裝配套補水設(shè)備。在地面打鉆孔，下兩趟冷卻水管，與井下制冷系統(tǒng)相連接，實現(xiàn)冷卻，并在地面排放冷凝熱。

3.2.3 冷凍水系統(tǒng)

與制冷機組相配套，選用3臺冷凍水循環(huán)泵，兩用一備。冷凍水的補水定壓方式采用設(shè)補水箱、補水泵，水源引自降溫硐室的冷卻水回水管，經(jīng)減壓閥減壓后接至補水箱?？紤]制冷機組對水質(zhì)的要求，井下集中式制冷降溫系統(tǒng)需補充軟化水，因此應(yīng)提供滿足制冷機組要求的水質(zhì)。

3.2.4 散冷系統(tǒng)

輸冷管采用無縫鋼管，輸冷管的隔熱保冷結(jié)構(gòu)采用塑套鋼預(yù)制成型保溫管，其內(nèi)工作管為無縫鋼管，中間層為聚氨酯發(fā)泡保溫層，外護管為雙抗高密度聚乙烯管。為確保冷凍水系統(tǒng)通往各采區(qū)主干管路的壓力平衡，在采區(qū)的支干管處必須設(shè)置電動調(diào)節(jié)閥及流量計，以調(diào)節(jié)冷凍水流量。

將冷水輸送到采掘工作面后，采用空氣冷卻器散冷方式對采掘工作面進行散冷降溫。根據(jù)采掘工作面的散冷量，在采掘工作面的合理位置安設(shè)大小不同、多少不等的空氣冷卻器進行散冷，以降低采掘工作面的風(fēng)溫。新巨龍公司采用了德國先進的RWK－450型空冷器，確保了空冷器的散冷效率。

4 地面埋管式井下集中降溫模式

井下集中式降溫模式有其獨有的優(yōu)點，但也存在很多不足，如井下安裝制冷機組對于安全性能要求較高、井下制冷時冷凝熱難以排放等。針對這些問題，結(jié)合龍固礦井的自身情況，建立和設(shè)計了地面埋管式井下集中降溫系統(tǒng)。

該系統(tǒng)為解決井下集中制冷模式存在的問題提出了一些較為可行的方法。首先，在制冷機組的選擇上，主要是選用德國WAT公司的井下制冷機組，機組是按照煤礦井下防爆標準制造的，已取得煤礦安全標志證書（MA證書），并在一些煤礦得到成功應(yīng)用。其次，針對井下集中制冷模式冷凝熱難以排放的問題，獨創(chuàng)了地面鉆孔的方式，通過地面鉆孔，建立一個冷卻水的循環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要負責(zé)將井下冷凝熱帶回地面，余熱加以利用后，經(jīng)冷卻塔自然冷卻后，送回井下循環(huán)利用，完成了井下冷凝熱的排放。

5 鉆孔位置的確定

WAT機組主要向二采區(qū)及開拓大巷等采掘工作面供冷，根據(jù)供回冷管路投資最?。ㄗ疃蹋?、運行費用最少原則，考慮降溫硐室方便布置等因素，確定鉆孔位置。優(yōu)化計算確定的制冷降溫峒室在二采區(qū)疏水巷附近，通過打鉆孔方式在二采區(qū)疏水巷附近施工兩個鉆孔，下兩趟冷卻水管，冷凝熱地面排放，地面設(shè)地面冷卻機房。

6 制冷余熱利用系統(tǒng)

井下集中制冷系統(tǒng)充分考慮了能源的有效利用，在冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中，建立了制冷余熱利用系統(tǒng)，將從井下帶回地面的熱水，充分利用其有效熱能，用于員工冬季供暖及生活熱水等，熱量得到有效利用后，經(jīng)處理再返回冷卻塔進行冷卻，這樣就節(jié)省了部分能源，起到了節(jié)能的效果。制冷余熱利用系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 制冷余熱利用系統(tǒng)

7 結(jié)語

（1）地面埋管式井下集中制冷降溫系統(tǒng)可以自由選擇鉆孔位置，處于冷負荷中心，大大減少冷凍水在輸送過程中冷量損失，井下制冷機組的能效比（4.1～4.4）較高，大大節(jié)省了系統(tǒng)運行成本。

（2）由于冷損最小，末端空冷器設(shè)備供水溫度低，降溫效果好，同時還可以節(jié)約運行成本。

（3）建立了制冷余熱利用系統(tǒng)，在解決了制冷的同時，又為地面提高了熱源，起到了互補的作用。余熱用于員工冬季供暖及生活熱水，節(jié)省了一大筆費用，同時，由于利用了一部分熱量，在一定程度上就減少了冷卻塔的負荷，降低了冷卻塔的部分費用。余熱系統(tǒng)將冷卻水循環(huán)利用，同時又有簡單的水處理系統(tǒng)，可以有效節(jié)約水資源，提高了資源的利用率。

（4）該降溫系統(tǒng)使礦井主要作業(yè)地點溫度平均降低了8℃，為井下創(chuàng)造了良好的作用環(huán)境，具有很大的社會效益和經(jīng)濟效益。

［1］ 左金寶，呂品，程國軍.高溫礦井熱源分析與制冷降溫技術(shù)應(yīng)用［J］.煤礦安全，2008（11）

［2］ 王偉，辛嵩，張明光等.趙樓煤礦首采工作面熱害預(yù)測及治理［J］.科技成果管理與研究，2008（7）

［3］ 劉何清，吳超，王衛(wèi)軍等.礦井降溫技術(shù)研究述評［J］.金屬礦山，2005（6）

［4］ 徐寧斌，吳奎斌.姚橋煤礦局部降溫技術(shù)的研究與應(yīng)用［J］.中國煤炭，2010（12）

Study on technology of WAT underground central cooling in deep well with high ground temperature

Zhou Shengju1，2，Han Li1，LiuShanyong1
（1.Shandong Xinjulong Energy Co.，Ltd.，Juye，Shandong 274918，China；2.School of Safety Engineering，China University of Mining ＆Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China）

The article introduces the buried WAT underground central cooling system，which is mainly composed of the cooling water circulating system，chilled water circulating system，and cold diffusion system.The significant features of the cooling technology are：the refrigeration unit is disposed in downhole，where the displaced heat is discharged to the ground through boring so as to reduce underground cooling losses and heat dissipation；cooling waste heat utilization system is established.

deep well with high temperature，underground refrigeration，ground heat discharge，waste heat utilization

TD727

A

周升舉（1983－），男，山東鄄城人，大學(xué)本科學(xué)歷，助理工程師，新巨龍公司通防部副主任。

（責(zé)任編輯 張艷華）