摘要：结合河南平宝煤业有限公司三腔高低压转化式地面集中矿井降温系统工程设计实例，阐述了该矿热害现状及降温的必要性，概述了矿井降温系统的多种形式，从技术、经济上对比论证了地面式集中降温中高低压转换方案，得出了三腔高低压转换的地面式集中降温系统最适合该矿井降温。文章介绍了三腔高低压转换器运行原理和技术特点，并谈到了自己的设计体会。
关键词：煤矿；降温；三腔；工程设计
1矿井概况
河南平宝煤业有限公司于2004年8月开工建设，2010年7月投产，设计生产能力2.4Mt/a。井田位于平顶山市东北，平顶山煤田李口向斜北翼东端，距平顶山市约25km。井田东西走向长6.6 km，南北倾斜宽4～4.6 km，面积26.9 km2。矿井工业储量4.02亿吨，可采储量3.1亿吨。
矿井采用立井多水平开拓，中央分列式通风方式，主副井进风，中央回风井回风。矿井设计投产移交戊一和己二两个采区。矿井初期投产白石山背斜南翼己二采区，2011年10月己二采区形成一区两面生产格局，2014年第二个采区即己一采区投产，形成两区两面生产格局，实现矿井达产[1]。
2热害现状及降温的必要性
矿井由于埋深大、工作面走向长、供风距离远，工作面温度达33℃~36℃，湿度达86%~95%。虽然采取了一些通风及局部降温措施，但仍然多次发生工作人员中暑现象，既危害了职工的身心健康，又影响了矿井的正常生产及接替，迫切需要建设一套有效的降温系统来解决矿井生产过程中产生的热害问题[1]。根据《煤矿安全规程》（2016）第六百五十五条规定：“当采掘工作面的空气温度超过30℃、机电设备硐室超过34℃时，必须停止作业。新建、改扩建矿井设计时，必须进行矿井风温预测计算，超过地点必须有降温设施。”；同时，第六百五十六条规定：“有热害的井工煤矿应当采取通风等非机械制冷降温措施。当无法达到环境温度要求时，应当采用机械制冷降温措施。”[3]
3矿井降温系统形式概述
矿井降温系统根据冷却介质的不同可以分为风冷式降温和水冷式降温；根据降温区域划分，可分为矿井局部降温和矿井集中降温；根据制冷设备的摆放位置又可以分为地面集中式、井下集中式和地面井下联合式。从能源利用的角度，地面集中式分为热电冷联供方式和纯电制冷方式 [1]。本矿井附近无热电厂余热，也不具备热电联产的条件，只能采用纯电制冷方式。
地面集中降温系统是在地面设置集中制冷站，冷凝热的排放也主要分别两种形式，即依靠地面水源（可以是排至地面的矿井涌水，也可以是地面的江、河或湖水），但不同井深的矿井井下输冷系统主要有两种形式，一种是直接输冷，另一种是间接输冷。其中直接输冷是地面制冷冻水，空冷器通过冷冻水循环管路直接与冷水机组连接，适合矿井深度较浅的矿井，如图1。而间接输冷适用于井深较大的矿井。为降低井下冷冻水管路及设备的压力，采用在井底安装高低压换热器（或三腔高低压转换器），地面冷冻水（一次水循环系统）输送到井下通过高低压换热器与井下降温循环水（二次水循环系统）进行热量交换，将井下热量排至地面。
平宝煤矿开采深度大，超温工作面数目多，分布较广，冷负荷大，不宜采用井下局部式降温，只能选用集中式降温系统。在相同的降温目标温度的情况下，地面集中式降温方案在投资及运行费用方面均比井下集中式低，具有明显优势，因此设计采用地面集中式降温系统作为该矿井下降温方案。
4高低压转换方案分析
地面集中式降温方案制冷设备及冷却设备均安装在地面，由于平宝煤矿地面和风井井底高差为730m，故井下需设热交换硐室，同时井下设变配电硐室。制冷机组出来的冷冻水经过井筒下井后进入高低压转换装置。经高低压转换后的低压冷冻水经二次冷冻水循环泵进入各工作面和掘进头。
地面制冷机房产生的冷水至井底后，由于极高静压，末端空冷器难以承受，需要增加压力转换装置。压力的转换方式通常有如下两种：高低压换热器和三腔高低压转换器方式。
间接热交换方式是传统的压力耦合方式，它是通过间接交换的方式将一次供冷循环的冷量传递给井下二次供冷循环的冷水，并将二次供冷循环冷水的热量传递至一次供冷循环。
三腔高低压转换器是德国某公司的专利产品，该产品通过阀门的开、关，巧妙地将一次供冷循环的高压供水转换为低压，直接送入井下二次供冷循环，又将井下二次供冷循环高温回水升压，返回地面一次供冷循环。
5三腔高低压转换器系统（PES）
该系统组成部分主要有三个腔体、止回阀、分流阀柱、液压站、控制系统等，见图1，图中左侧为自地面到井下的冷冻供水，右侧为自井下到地面的冷冻回水。如图1，本工程采用15MW的PES，采用三根DN500钢管组成腔室水平平行布置。其中腔室一侧采用分流阀柱，编号分别为1301~1306的六个切换阀来控制液压，编号为1307~1309，1317~1319六个阀门为旁通阀，液压系统与主阀同步进行控制，开起主阀时来平衡控制主阀两侧的压力。另外一侧腔室为单向柱阀，采用编号为1311~1316自动开启和关闭两侧的压差。三个腔室水流循环，依次切换，实现了无温差情况下的高压冷冻水供水与回水的压力压差交换。此过程中，任意时间任意一次冷冻水回路与二次冷冻水回路都是相互独立的，避免了高低压相窜的情况发生[2]。
图1 三腔高低压转换器系统（PES）原理图
河南平宝煤业有限公司矿井降温采用的三腔高低压转换器系统（PES）参数如下：
输送能力 15 MW
一次侧设计压力 不低于10Mpa
一次侧工作压力 8.5Mpa
二次侧设计压力 不低于4.0Mpa
二次侧工作压力 3.6Mpa
一次侧进水温度 3℃
一次侧出水温度 18℃
二次侧进水温度 18.5℃
二次侧出水温度 3.5℃
一次、二次循环水流量 860m3/h
三腔系统阻力 15m水柱
因系统阻力小，经过计算，对于15MW的三腔高低压转换器比同等输送能力的高低压换热器循环水泵运行功率降低132Kw；因系统温升小，经过计算，平宝煤矿若采用国产高低压换热器需要配置400kw的空冷器为55台，而采用三腔高低压转换器仅需要45台，按照单台空冷器市场价格60万元计算，仅空冷器投资差价近600万元。由此可见，三腔高低压转换器系统（PES）比传统高低压换热器有明显的经济及技术优势，本降温工程最终设计选择三腔高低压转换器的地面式集中降温系统。
6结束语
近年来，随着国内降温工程越来越多的实施，三腔高低压转换器与高低压换热器的竞争也日趋增多，两者之间的价格差距也逐渐减少。随着价格的降低，高低压换热器在价格上的优势也逐渐变小，而三腔高低压转换器由于温升小，要求的空冷器体积小，从降温效果保证上更具有优势。因此，河南平宝煤业有限公司矿井降温设计选用三腔高低压转换器对井下冷水进行压力转换，完全满足矿井降温工程需要，应该得到更大的普及与推广。
参考文献：
[1] 河南平宝煤业有限公司矿井降温工程初步设计［Z］.2017
[2] 王雷等. 三腔压力交换系统与高低压换热器的技术经济对比［J］.山东煤炭科技2016.07
[3] 煤矿安全规程［M］.2016
[4] 煤矿井下热害防治设计规范［S］（GB50418-2017）
作者简介：
王玉麟，男，（1982.8-），安徽当涂人，硕士，高级工程师，项目经理，2005年毕业于安徽建筑大学建筑筑环境与设备工程专业，毕业后至今于煤炭工业合肥设计研究院长期从事暖通空调与热能动力设计研究与总承包项目管理工作。
论文作者:王玉麟
论文发表刊物:《基层建设》2019年第20期
论文发表时间:2019/10/9
标签：矿井论文; 高低压论文; 井下论文; 地面论文; 转换器论文; 系统论文; 换热器论文; 《基层建设》2019年第20期论文;