淺析礦用半自動螺桿壓縮機冷卻裝置的研制及應用

張海軍

（山西新景礦煤業有限責任公司，山西陽泉 045000）

0 引言

煤炭是中國的主要能源，并為中國國民經濟持續快速增長提供了可靠的能源支持。根據國家局公布的數據統計（NBS）表示，2016年中國煤炭產量達到36.8億噸[1]。確保快速持續的能源供應發展國民經濟，保持年煤炭產量40億噸，煤炭資源開采深度將不可避免地增加。采礦深度超過1000米的礦山在中國有47個，平均采礦深度高達1086米。其中，最大開采深度已達1501米，位于山東能源新汶礦業集團下屬的孫村煤礦，這也是亞洲最大的深度。在深部采礦期間，除了一些意外災害和局部地區的威脅，如煤和瓦斯泄露、巖爆和水爆破等，煤礦一般都會受到熱損傷，這已成為制約深部煤炭資源安全開采一個重要的因素。不僅影響工人的身體健康，降低勞動生產率，高溫煤礦濕度也對煤礦安全生產構成嚴重威脅。本文作者在結合實際工作經驗的基礎上，充分了解煤礦的四大特點-高溫、高濕、高粉塵和有限的空間，引進了世界先進技術學習和創新，在提高關鍵設備可靠性的同時，降低了開發成本。介紹了ZL400系列采用半封閉螺桿壓縮機的礦山制冷機組，開發并應用于實踐中，以減少在深部煤層中發生的熱損傷。

1 世界范圍內礦用冷卻裝置使用情況及必要性

盡管存在各種煤礦熱傷害的原因，但在中國主要地區煤礦熱量的原因主要包括增加開采深度時的巖石溫度，以及大型機電設備的散熱[2]。為地下工作提供適當的工作環境首先應采用傳統的非機械冷卻方法來緩解問題，例如增加通風率，改變采礦方法和通風模式等。一旦這種傳統方式失效，機械冷卻方式必然將成為主要設備。西方國家擁有發達的采礦業，如美國、德國、英國、澳大利亞、波蘭、南非等國家對深井風冷進行了研究并制定出來各種形式的機械冷卻系統，帶來了良好的效果。例如，在美國地面集中冷卻系統（冷卻和散熱均已完成）地下，地下礦井（它們在地下礦井完成）以及混合使用（地下散熱完成冷卻，地面散熱）根據機械冷卻的散熱位置的不同，系統也不盡相同。每個冷卻系統可以據具體情況采取幾種特定的形式。德國的礦山冷卻方法是在地面或地下礦井具有大的冷卻能力的制冷站。依托在其發達的工業設備制造業中，它提高了盡可能多的冷卻站中的每個冷卻單元的冷卻能力，以補償冷卻損失并釋放系統在地面產生的冷凝熱量。英國和澳大利亞是獨立的聯邦國家，他們的采煤方法有很大相似之處：長壁采礦最常使用，而U型或Y型通風用于工作面。他們的礦山冷卻方法在德國人的影響下，通過由設置在道路上的空氣冷卻器（包括冷卻器）分開或逐漸冷卻空氣流組成進氣，并返回在工作面和地面上的集中冷凍水冷卻系統。

輔助設備是集中式和本地冷卻設備，如GMC-2000、GMC-1000、TS-300和TS-450。世界各地的礦山冷卻技術，并具有豐富的冷卻方法。雖然南非是一個發展中國家，但是在南非發現的均為貴金屬礦山，所以較高的采礦成本也是可以承受的。因此，該國的挖掘深度很大，平均在3000～5000米。很多工程師對它進行了相關的各種熱源分析研究，降溫測定等負載，礦井局部空冷，地面和地下集中冷卻，冰冷系統，相關輔助設備和計算機模擬軟件[3]。

目前，我國煤礦伴熱傷害的技術和設備基本上都是與上述國家相同。例如，山東省趙樓煤礦需要不同的階段使用地面系統噴水和地下集中式冷水冷卻系統；安徽省丁集和潘集煤礦集中煤礦冷卻加熱和電力系統（CCHP）；河南省四礦煤礦經營平美集團采用移動空調系統來處理零件和冷卻系統對于使用低溫冰箱的加熱；三河尖煤江蘇省礦山部署采用礦山的HEMS深部礦井風冷系統流入水作為冷卻源。所有這些都得到了很好的冷卻效果[4-5]。

然而，與發達國家采礦業國家的情況不同，我國煤礦降溫面臨的主要問題是缺乏關鍵和核心設備（如，作為本地制冷單元，大型防爆制冷單元等）。無論大尺寸集中式空氣冷卻系統或靈活使用的小型移動式局部空氣冷卻系統，都需要這種關鍵和核心設備發展的重大突破。

2 ZL400制冷機組的開發

2.1 工作原理

與普通地面制冷機組一樣，ZL400礦山的工作原理也是如此，冷卻裝置用壓縮機、蒸發器、冷凝器等完成整個制冷循環，膨脹閥和循環制冷劑[6]。吸收過量熱量后不久，氣體制冷劑被壓縮機壓縮成高溫高壓的氣體，然后轉移到冷凝器中，在50℃冷凝成液體。由此釋放熱量被冷凝器中循環的冷卻水帶走。之后，冷卻的制冷劑被減壓并通過膨脹閥進入蒸發器，在那里變成氣體低溫（從0℃到10℃），吸收水或空氣流過的多余熱量實現冷卻目標。然后這種氣體制冷劑再次被傳送到壓縮機，從而實現封閉制冷循環“壓縮→冷凝→節流→蒸發”形成。

ZL400礦山冷卻裝置的主要特點是冷卻和散熱過程在地下礦井完成。冷卻裝置使用返回空氣或噴涌放熱水。但是，要解決熱介質在夏季達到高溫的問題，它被設計成在高冷凝溫度下運行的熱泵機組，流量大、工作溫差小、用水帶走熱量[7]。它使用R22作為循環制冷劑，設計用于在0℃（冷凝溫度）下蒸發53℃，過熱溫度5℃，過冷卻溫度5℃。根據制冷劑的物理性質，然后可以找到并確定與狀態點對應的參數，選擇合適的工質。

2.2 結構和技術參數

冰箱體由半封閉式螺桿制冷壓縮機組成，包括殼管式冷凝器、熱力膨脹閥、過濾干燥器、集油器及相關調節裝置閥門等。整個機器的小尺寸導致轉向方便。密封螺桿式壓縮機穩定運行并防止制冷劑泄漏。完全自我保護機制使其在復雜環境中具有很強的適應性。ZL400冷卻裝置如圖1所示。

圖1 ZL400冷卻裝置及配套裝置

ZL400冷卻裝置中的本地空調系統可分為兩個類別：蒸發器直接作用制冷系統和間接地冷卻氣流制冷設備，蒸發器將冷卻水供應給閘門道路和長壁空氣冷卻器。前者主要由ZF400制冷機組直接冷卻蒸發器、再冷卻器、監控系統（如PLC等）以及必要的配件，后者由ZL400制冷機組，蒸發器，空冷器，再冷卻器，監控系統和必要的附件（如PLC等）組成[8]。

3 ZL400制冷單元優勢分析及現場應用

（1）三個“四個組件”（排除蒸發器）在冷卻和冷卻中工作冷卻裝置的循環過程是其主要組成部分。由于蒸發器是與其身體分離，其體積減小，因此移動更容易安裝。而且，這種分離表明需要配備不同的蒸發器，該單元可以作為制冷系統直接冷卻氣流直接作用，如以及間接作用制冷系統來冷卻制冷介質如水，從而滿足不同具體條件的要求。

（2）與活塞式壓縮機不同，冷卻裝置采用螺桿式壓縮機，螺桿式壓縮機是半密封的，可以避免發生在活塞式壓縮機中的制冷劑泄漏等問題，在世界各地的礦山冷卻應用中這是一個開創性的工作。

（3）制冷機組的部件——壓縮機、蒸發器和冷凝器，采用模塊化設計，因此可以一個一個地拆除并運入地下礦山。這適用于中國南部地區經常發生熱損傷的地區，對中國北方大型和現代礦山也具有優勢。該單位體積小，移動方便，安裝簡單，操作方便，靈活性和適用性廣泛等。

為了檢測ZL400冷卻單元的性能，在上面建立了一個檢測平臺地面，主要用于檢測當地空調系統的性能完整的設備和工廠檢查，并提供技術支持升級現有設備并開發用于本地空調的新型系統。該平臺有四大部分：制冷系統，數據采集系統，PLC控制和保護系統以及供電和配電系統。它能夠檢測冷卻能力低于500千瓦并且完成的礦井冷卻系統的設備性能。該平臺主要用于測試冷卻裝置的運行穩定性不同的工作條件和冷卻效果。

4 結語

綜上所述，本文介紹了ZL400系列采用半封閉螺桿壓縮機的礦山制冷機組，開發并應用于實踐中，以減少在深部煤層采礦中發生的熱損傷，得到了良好的效果。