制冷系統(tǒng)在小莊煤礦40309 工作面的應(yīng)用分析

劉昌國(guó) 張 濤

（陜西彬長(zhǎng)小莊礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽(yáng)713500）

1《煤礦安全規(guī)程》對(duì)井下溫度的要求

《煤礦安全規(guī)程》第一百零二條：進(jìn)風(fēng)井口以下的空氣溫度（干球溫度，下同）必須在2℃以上。生產(chǎn)礦井采掘工作面空氣溫度不得超過(guò)26℃，機(jī)電設(shè)備硐室的空氣溫度不得超過(guò)30℃；當(dāng)空氣溫度超過(guò)時(shí)，必須縮短超溫地點(diǎn)工作人員的工作時(shí)間，并給予高溫保健待遇。

采掘工作面的空氣溫度超過(guò)30℃、機(jī)電設(shè)備硐室的空氣溫度超過(guò)34℃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(cè)計(jì)算，超溫地點(diǎn)必須有制冷降溫設(shè)計(jì)，配齊降溫設(shè)施。

2 工程概況

小莊煤礦是陜西彬長(zhǎng)礦業(yè)集團(tuán)公司開(kāi)發(fā)建設(shè)的一座大型現(xiàn)代化礦井。井田東西長(zhǎng)9.0km，南北寬約6.8km，井田面積57.32km2，地質(zhì)儲(chǔ)量10.77 億噸，可采儲(chǔ)量5.78 億噸，煤炭產(chǎn)品屬低灰、低硫、特低磷、高發(fā)熱量的優(yōu)質(zhì)動(dòng)力煤和化工用煤。目前回采的40309 綜采工作面于2019 年2 月安裝調(diào)試運(yùn)行并投產(chǎn)，是彬長(zhǎng)礦區(qū)首個(gè)智能化綜采工作面，工作面走向長(zhǎng)度2980米，切眼長(zhǎng)度195 米，煤層煤層埋藏深度531m～731m，煤層厚度為19-28m。工作面內(nèi)XZ1 鉆孔地溫觀測(cè)結(jié)果顯示：4 煤底板地溫為29.99℃，補(bǔ)勘時(shí)對(duì)5 個(gè)鉆孔進(jìn)行了簡(jiǎn)易地溫測(cè)量，最大地溫梯度2.07℃/100m，最小地溫梯度1.26℃/100m，平均地溫梯度為1.68℃/100m。本區(qū)位于礦井一級(jí)熱害區(qū)，在開(kāi)采中必須對(duì)熱害問(wèn)題應(yīng)給予足夠重視并采取相應(yīng)的措施。因設(shè)備溫度和地溫綜合影響，工作面正常生產(chǎn)期間溫度高達(dá)31-32 度，給礦井安全生產(chǎn)造成極大的安全隱患，經(jīng)多方面考察研究論證，專(zhuān)為40309 綜采工作面建設(shè)了空調(diào)制冷系統(tǒng)，投運(yùn)以來(lái)，綜采工作面的環(huán)境得到很大的改善，熱患得到了有效治理。

3 制冷系統(tǒng)布置

我礦40309 綜采工作面集中制冷降溫系統(tǒng)是由礦用防爆制冷裝置、全風(fēng)量空調(diào)裝置、井下礦井排水換熱裝置、水循環(huán)輸送及過(guò)濾裝置、系統(tǒng)管路、電氣設(shè)備等組成。該系統(tǒng)通過(guò)位于19#聯(lián)巷制冷硐室的兩臺(tái)ZLS-1100/1140 制冷機(jī)組制取冷凍水，由冷凍水循環(huán)水泵經(jīng)冷凍水管路送至40309 運(yùn)順中段1450 米全風(fēng)量空調(diào)器處，將空調(diào)器循環(huán)水冷卻，冷卻后的空調(diào)循環(huán)水在空調(diào)器內(nèi)對(duì)運(yùn)順巷道內(nèi)所有送風(fēng)進(jìn)行冷卻，為空調(diào)器后端整個(gè)運(yùn)順及工作面進(jìn)行降溫。用于制冷機(jī)組散熱的冷卻水由冷卻水循環(huán)泵經(jīng)冷卻水管路送入耐腐蝕可清污的礦井排水換熱器與40202 采空區(qū)的礦井排水進(jìn)行熱交換，礦井排水將系統(tǒng)熱量吸收后排入盤(pán)區(qū)水倉(cāng)送至地面，完成整個(gè)制冷降溫循環(huán)（如圖1）。

4 系統(tǒng)概述

圖1 40309 綜采工作面制冷系統(tǒng)示意圖

4.1 系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)是基于過(guò)程控制系統(tǒng)模式應(yīng)用先進(jìn)的組態(tài)開(kāi)發(fā)技術(shù)開(kāi)發(fā)完成的。整個(gè)系統(tǒng)包含用戶權(quán)限管理、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、實(shí)時(shí)參數(shù)的運(yùn)行顯示、實(shí)時(shí)報(bào)警記錄、歷史報(bào)警記錄和機(jī)組控制操作等功能：

權(quán)限管理：控制系統(tǒng)為用戶設(shè)置了操作員、工程師和系統(tǒng)配置三種種級(jí)別,以不同的級(jí)別登陸本系統(tǒng)，其相應(yīng)的操作權(quán)限就有所不同。這將更有利于用戶對(duì)系統(tǒng)的管理。系統(tǒng)監(jiān)控：機(jī)組運(yùn)行時(shí)，相關(guān)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)將在監(jiān)控主畫(huà)面中顯示出來(lái)，便于用戶查看。用戶還可以根據(jù)機(jī)組要求對(duì)機(jī)組進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。報(bào)警記錄：當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)顯示出故障原因，并在報(bào)警記錄畫(huà)面中顯示和儲(chǔ)存。系統(tǒng)設(shè)定：包括系統(tǒng)配置設(shè)定、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、報(bào)警參數(shù)設(shè)定、校驗(yàn)參數(shù)設(shè)定。用戶可以根據(jù)實(shí)際需要更改其中的設(shè)定參數(shù)以滿足現(xiàn)場(chǎng)工況的要求。

4.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

4.2.1 操作簡(jiǎn)單

只要在觸摸屏上設(shè)定好系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)，再按照觸摸屏上的提示進(jìn)行操作，系統(tǒng)就能投入運(yùn)行或按設(shè)定步驟停止運(yùn)行。用戶所設(shè)定和校驗(yàn)的參數(shù)進(jìn)行保存操作后，即使PLC 長(zhǎng)期斷電也不會(huì)丟失。

4.2.2 參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控

當(dāng)系統(tǒng)通電后，程序自動(dòng)對(duì)各輸入點(diǎn)的溫度、壓力等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)時(shí)顯示。本控制系統(tǒng)也可根據(jù)廠家要求，采用MODBUS RTU、TCP/IP、PROFIBUS-DP 等通訊協(xié)議與中控室上位機(jī)進(jìn)行通訊，其中對(duì)MODBUS RTU 協(xié)議可進(jìn)行站地址、波特率、奇偶校驗(yàn)方式的屏上設(shè)定，使遠(yuǎn)程監(jiān)控變得更為簡(jiǎn)單和可靠。

4.2.3 故障自動(dòng)處理，避免頻繁停機(jī)

在參數(shù)設(shè)定菜單中只需設(shè)定好保護(hù)值，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到實(shí)際參數(shù)接近保護(hù)值時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行能量減載，若減載后仍超過(guò)保護(hù)值，系統(tǒng)才會(huì)停機(jī)，盡可能避免頻繁停機(jī)。但是如果發(fā)生油泵電機(jī)過(guò)載、壓縮機(jī)電機(jī)過(guò)載、油泵運(yùn)行無(wú)反饋、壓縮機(jī)運(yùn)行無(wú)反饋、系統(tǒng)連鎖等故障時(shí)，經(jīng)PLC 確認(rèn)后立即停機(jī)。

4.2.4 獨(dú)特的手動(dòng)和自動(dòng)控制

當(dāng)系統(tǒng)處于自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，手動(dòng)僅僅只能啟、停壓縮機(jī)，其它均為自動(dòng)控制狀態(tài)；在手動(dòng)狀態(tài)下，自動(dòng)控制不起作用，但仍可顯示機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，并實(shí)施報(bào)警保護(hù)。兩種狀態(tài)可分別獨(dú)立運(yùn)行，也可實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)相互切換。

4.2.5 通用性高，靈活性強(qiáng)

本控制系統(tǒng)適合絕大多數(shù)型號(hào)的螺桿制冷壓縮機(jī)組，用戶只要根據(jù)機(jī)組型號(hào)及工況對(duì)機(jī)組參數(shù)進(jìn)行必要的設(shè)定就能達(dá)到所需要的控制功能。

4.2.6 能量調(diào)節(jié)速度可調(diào)

能量調(diào)節(jié)速度可根據(jù)機(jī)組實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)設(shè)定好壓力或溫度控制值后，系統(tǒng)將自動(dòng)調(diào)節(jié)能量和內(nèi)容積比的工作狀態(tài)，使壓力或溫度達(dá)到設(shè)定值，并使壓縮機(jī)組工作在最佳狀態(tài)，提高能源利用率，降低能耗。

5 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析及注意事項(xiàng)

5.1 運(yùn)行狀態(tài)分析

目前運(yùn)行正常運(yùn)行一臺(tái)機(jī)組，冷凍水出溫：6.4℃，冷凍水進(jìn)溫：12.6℃；冷凍水流量為：73.2m3/h，水的比熱容為：C=4.2×103J/kg.℃，水的密度為：ρ 水=1.0×103kg/m3；空氣比熱容C=1×103J/Kg.℃，空氣的密度ρ≈1.29Kg/m3，40309 工作面運(yùn)輸順槽巷道有效斷面為20m2，有效風(fēng)速平均為2.0m/s；取冷熱轉(zhuǎn)換效率η=0.85；根據(jù)熱傳遞公示可η.Q 水冷=Q 放可求得。

根據(jù)熱量計(jì)算公式算出該機(jī)組一小時(shí)制冷量：

Q 水冷=CM（T-T0）=4.2×103×73.2×1×103×（12.6-6.4）=1906.128×106J

再根據(jù)η.Q 冷=Q 空氣C 空氣M 空氣△T 空氣 算出：△T空氣=8.7℃

因此：經(jīng)過(guò)理論計(jì)算，在目前狀態(tài)下，運(yùn)行一小時(shí)可以將與其完全接觸的空氣降溫8.7℃。

由此可見(jiàn)，小莊40309 工作面制冷系統(tǒng)的制冷效果非常明顯。而且通過(guò)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，制冷系統(tǒng)運(yùn)行后、環(huán)境溫度已經(jīng)達(dá)到了安全生產(chǎn)條件，工作環(huán)境確實(shí)得到了很大的改善。

5.2 應(yīng)該注意的事項(xiàng)

5.2.1 由于在40309 運(yùn)輸順槽1500 米處有通往回風(fēng)順槽的設(shè)備聯(lián)巷，會(huì)消耗掉一定的冷空氣，因此實(shí)際到達(dá)綜采工作面的冷空氣會(huì)減少，溫度和理論計(jì)算有一定的差距。

5.2.2 由于運(yùn)輸順槽裝有運(yùn)輸皮帶設(shè)備，不能夠做到巷道的完全封堵，造成通過(guò)的風(fēng)量不能完全經(jīng)過(guò)空調(diào)器進(jìn)行冷熱置換，因此在日常管理中要注意做好封堵工作。

5.2.3 冷凍水交換裝置與冷凍水空調(diào)器安裝在巷道中，使用過(guò)程中會(huì)造成冷凍水的消耗，與該處巷道煤體進(jìn)行了冷熱交換，所以會(huì)出現(xiàn)在空調(diào)器附近溫度很低。

結(jié)束語(yǔ)

在深井開(kāi)采條件下，地溫不斷升高，熱害以及有毒有害氣體、粉塵的危害也日益增大。這些危害嚴(yán)重影響作業(yè)工人的效率以及他們的身心健康，甚至很可能導(dǎo)致一些礦井惡性事故的發(fā)生，給礦井的安全生產(chǎn)及其日常管理帶來(lái)了極大的威脅。通過(guò)礦井制冷系統(tǒng)的投入運(yùn)行，能夠徹底改變這一現(xiàn)狀，目前我礦40309 工作面的工作環(huán)境得到了很大的改變，使工人的勞動(dòng)作業(yè)環(huán)。