深井降温冰制冷空调系统的负荷确定方法与应用*

亓玉栋

深井降温冰制冷空调系统的负荷确定方法与应用*

亓玉栋

(山东科技大学 山东省土木工程防灾减灾重点实验室，山东 青岛市 266590)

针对当前深井降温系统空调负荷确定的诸多问题，为利于负荷的确定和分析，提出了有效冷负荷、固定冷负荷、矿井冷负荷和机组冷负荷的概念，分析了矿井空调负荷的构成并给出了计算公式。通过对某深1100 m，采用冰冷却空调系统的冷负荷的计算与分析，得出固定冷负荷占机组冷负荷的29.2%，占制冷设备装机容量的26.5%。

深井;冷负荷;空调;冰制冷

0 引 言

随着煤矿开采深度的增加和采掘机械化水平的提高，高温热害已成为深部矿井普遍面临的灾害[1]，为治理深井热害，矿井空调技术在国内外深井热害治理的应用也越来越多。目前，矿井空调系统按制冷站所处位置不同主要有：地面集中式、井下集中式及井上、下联合式空调系统[2-3]，在深井降温中，因空调负荷大，通风及矿井排水排热有限，因此井下集中式的降温方式难以采用；井上、下联合式空调系统，其实质相当于两级制冷机组的串联，前一级制冷机组冷凝器的排热作为后一级制冷机组蒸发器的吸热，因系统投资较高，在立井中部开拓制冷设备硐室困难，设备的维护检修困难，在实际工程中应用较少，因此现矿井降温系统多采用地面集中式空调系统。按载冷剂的不同可分为水冷系统、风冷系统和冰冷系统，随着众多矿井向深部延伸，矿井空调降温负荷越来越大，传统的以风为载冷剂的空调系统，其输冷能力因受风量和空气比热容的限制，已不能适应深井降温的需要；而以水为载冷剂的深井降温系统，其主要问题是，水静压大，为降低水静压措施所采用的高低压换热器存在换热温差，使水温升高，导致冷量利用效率下降，最终到达工作面的冷水水温较高，降温效果有限，因此在深井降温工程中，水冷式空调系统应用越来越少。因此传统的矿井空调系统已难以适应深井降温的需要，1980年初南非等国提出用冰制冷空调系统（Ice Cooling Air-conditioning System）进行矿井降温，制冷机组集中布置在地面，并由此开始了对深井降温的冰冷却空调系统的应用研究[4]。

空调冷负荷是确定矿井制冷装置装机容量的依据和矿井降温效果的保证，空调负荷计算准确与否直接影响制冷装置的投资和降温效果[5]。而当前对矿井空调负荷的计算方法，主要集中在对矿井各类热源散热量的确定，甚至认为矿井空调负荷等于井下各类热源散热量之和，而对矿井空调负荷的合理分类、构成与降温方式及制冷机组制冷量的相互关系等缺少系统的理论分析。因此，本文以当前深井降温中广泛采用的地面集中制冷的冰制冷空调系统的负荷构成进行分析，指出矿井空调负荷的大小不仅由井下各类热源的散热引起，还应考虑深井风流的自压缩温升、载冷剂的种类与输冷方式的异同，如忽略这些因素的影响，将导致原则性错误。

1 冰制冷空调系统负荷构成

矿井冰制冷空调系统，就是借助冰相变融化所吸收的热量远高于水温升所吸收的热量，将冰作为冷量输送的载冷剂，利用地面制冰设备制取的管状冰、片状冰或泥状冰作为载冷剂，一般从制冰站到竖井井口采用传送带、风力或水力输送[4]。为降低输送能耗，输冰立管以及井下到融冰槽的水平段一般借助于重力作用将冰或冰水混合物输送至井底，为利用冰水混合物下降时的能量，可安装水能回收装置[6-7]，但从煤矿实际看，多数矿井冰制冷空调系统用融冰池代替了井下的能量回收装置。在融冰装置内，冰与井下空调回水直接换热，使空调回水的温度降低后再通过水泵送至各用冷地点。降温系统如图1所示。

图1 冰冷却空调系统降温原理

文献[3,7]指出，矿井主要热源包括井巷围岩散热、机电设备放热、运输中煤炭及矸石的放热、矿物及其他有机物的氧化放热、人员放热和热水放热，并给出了各类热源散热量的计算公式；除考虑以上热源外，文献[2, 8]指出风流在井筒内的向下流动过程为绝热过程，其温升是由于位能转换为焓的结果，虽不是外部热源输入热量引起，但其对矿井风流的温升与井下热源所产生的后果相同，都增加了风流的焓值，因此由自压缩引起的风流温升应作为矿井通风空调的热源。本文认为后者做法更可取，同时为防止在矿井需冷量计算及选择制冷设备时出现失误，易于分析负荷构成及特点，特提出有效冷负荷、固定冷负荷、矿井冷负荷及制冷机组冷负荷4个概念。

有效冷负荷是指在矿井热害的防治中，由井下各类热源（如井巷围岩、机电设备放热、运输中煤炭及矸石、矿物及其他有机物的氧化、人员和热水等）的散热所形成的空调冷负荷；其特点是各分区或工作面的冷负荷与该分区或工作面的热源密切相关，而与矿井的开采深度等无直接关系，该部分冷负荷主要对供冷区域进行降温，也包括冷水在井下巷道输送过程中的吸热量，本文认为，在保温合理的情况下，该吸热量主要吸收了巷道风流的热量，而供回水管道原则上布置在进风巷道中，因此该部分冷量降低了进风风流温度，可看作有效冷负荷。固定冷负荷是指，由于地面空气与用冷地点风流焓差、风流的自压缩和自地面向井下输冷过程中因冷媒势能转换而产生的冷负荷；其特点是该部分冷负荷的大小与井下各类热源的散热量等因素无关，主要由井深、风量与载冷剂等因素决定，其实质是由地面相对井底标高的势能转化为热能引起，如风量和冷媒流量不变，其数值变化不大；固定冷负荷与有效冷负荷共同构成矿井冷负荷，实际是自井口向矿井供应的冷量，矿井冷负荷是地面制冷设备选型的基础，但并不等于制冷机组冷负荷；机组冷负荷是在矿井冷负荷的基础上，并考虑地面制冷站及冷量输送过程中的冷量损失，可看作制冷机组实际制冷量。制冷机组装机制冷量，是在机组冷负荷的基础上，考虑备用负荷及制冷机组运行工况偏离设计工况时而考虑的具有一定余量的冷负荷，余量系数一般为1.1~1.2[9]，各类负荷关系如图2所示。

图2 各类冷负荷的关系

2 空调负荷的确定

前已指出，矿井空调负荷构成可分为有效冷负荷、固定冷负荷，两者构成矿井冷负荷，根据矿井冷负荷确定制冷机组冷负荷及装机容量。

2.1 有效冷负荷的计算

有效冷负荷主要由井下的各类热源及散热设备所引起，用公式表示为[9]：

式中，为围岩与风流间的传热量；为采掘设备放热；为其他电动设备放热；为运输中煤炭及矸石的放热；为矿物及其他有机物的氧化放热；0为人员放热；为热水放热。

由式（1）可以看出，有效冷负荷由井下的各类散热设备、人员散热及地质条件所引起，该负荷的大小与井深及载冷剂物理性质等无直接关系，是用以消除井下各类热害的，故称为有效冷负荷。

2.2 固定冷负荷

固定冷负荷包括地面空气与井下工作地点风流焓差、风流自压缩焓增及载冷剂势能转换3部分。

2.2.1 井上下风流焓差冷负荷

矿井降温系统运行期间，当地面空气温度较高，空气焓值高于井下风流焓值时，地面风流将产生部分冷负荷。如以山东境内7月份平均温度较高的菏泽市为例，其最热月空气平均温度为27℃，相对湿度为67%，平均空气焓值为65.6 kJ/kg；根据《煤矿安全规程》第102条“生产矿井采掘工作面空气温度不得超过26℃，机电设备硐室的空气温度不得超过30℃。”根据井下实际气候条件，当温度26℃、相对湿度为80%时，焓值为69.5 kJ/kg，因此一般来讲，地面空气焓值不比井下作业地点气流焓值高，不会因井上下风流焓差产生固定冷负荷，还可以用来对矿井降温[10]。但本文认为，在上面的参数选取中是选择7月份空气平均温度进行计算的，因此实际地面空气焓值可能有部分时间高于井下风流焓值，所以不宜考虑地面空气的降温效果。如该地区的地面空气平均焓值高于井下气流焓值时，则须计算地面与工作面的风流焓差引起的冷负荷。井上下风流焓差引起的冷负荷Q1可用式（2）计算：

式中，Q为风量，m3/s；为空气的密度，kg/m3；1为地面空气焓值，kJ/kg；2为井下空气焓值，kJ/kg。

2.2.2 风流自压缩冷负荷

将风流在井筒内的流动看作绝热过程，井筒内风流总能不变，风流对外做功为0，井筒进出口速度相等，进出口风流质量为M不变，则风流自压缩引起的焓增Δ，即风流自压缩冷负荷Q2为：

对于理想气体，由d=cd得：

式中，=9.81 m/s2；1为地面标高；2为井底标高；c为空气的定压比热，c=1.05 kJ/（kg∙℃）。

由式（4）得，风流在纯自压缩过程中，当井深为1000 m时，其理论温升可达9.76℃，这也是深井降温中，不采用空气降温的原因之一。风流因自压缩引起的固定冷负荷，在深井降温负荷中将是一个相当可观的数值[7]。

2.2.3 载冷剂势能转换引起固定冷负荷

对于冰冷却降温系统，冰在立井管道内的输送过程是在重力作用下进行的，重力做功转变为冰（冰水混合物）的焓增，形成输冰过程的固定冷负荷。参照图1，假设输冰立管内进行的是一绝热过程，因冰由地面立井入口流入时的速度相对较低，可认为其速度为0，由井底输冰管道流出时，其流速虽然较大，但最终在融冰池内速度近似为0，其动能全部转化为热能而被冰或水所吸收。设输冰立井深为，输冰质量量为ice，立井输冰过程形成的固定冷负荷Q3为：

由式（2）、式（3）、式（5）得深井降温固定冷负荷2为：

由式（2）、式（6）得矿井冷负荷Q为：

2.3 冷量损失的计算

地面输冰系统冷量损失的计算可按式（8）计算：

式中，为保温管道的传热系数，W/(m2∙℃)；3为管道的冷量损失，W；为管道长度，m；db为管外巷道空气温度，℃；w为管内平均水温，℃。

2.4 机组制冷量的确定

由式（1）、式（6）、式（8）得，制冷机组冷负荷为：

制冷机组装机制冷量0为：

由上面的分析可以看出，井下热源散热仅为矿井空调负荷的一部分，如仅根据热源散热确定制冷机组装机容量，将导致冷量不足。

3 冰冷却空调负荷计算实例

某煤矿井深1100 m，风量180 m3/s，地面风流未产生冷负荷，为治理矿井热害，经多方论证后拟采用冰冷却降温空调系统，地面立井入口冰温为−3℃，井底融冰池的供水水温为5℃，工作面回水水温14℃，每千克冰可提供的冷量为399.23 kJ/kg，地面制冷站距井口120 m，输冰管道冷损失为12 kW。在矿井空调冷负荷计算中，综合考虑井下载冷剂传输管道冷量损失、水泵对载冷剂的加热、作业用水的冷量损失等因素，由山东科技大学风温解算软件FW2008，得该矿有效冷负荷1为6220 kW。

井口输冰量为：

由式（6）得固定冷负荷2=2569 kW，耗冰量23.15 t/h，其中风流自压缩冷负荷为Q2=2331 kW，耗冰量为21 t/h，输冰势能转换冷负荷为238 kW，耗冰量为2.2t/h。

矿井冷负荷Q为：Q=2569+6220=8789 kW，制冷机组冷负荷为：=6220+2569+12=8801 kW；制冷机组装机容量为：0=8801×1.1=9681 kW。

由以上分析易得，各部分冷负荷（耗冰量）占矿井制冷机组冷负荷（机组制冰量）的比例分别为：固定冷负荷占29.2%（其中立井输冰过程中因势能转换耗冰量占2.7个百分点，风流自压缩温升耗冰量占26.5个百分点），有效冷负荷占70.7%，地面冷量损失占0.1%。占装机制冷量的比例分别为：固定冷负荷占26.5%，有效冷负荷占64.2%，地面冷量损失占0.1%。如在计算中，不考虑风流压缩升温或冰势能转换引起的冷负荷，将导致矿井降温冷量严重不足。因此，在深井降温空调系统中，必须考虑固定冷负荷的影响。

4 结 论

冰冷却空调作为治理深井热害的一项新技术，目前在国内外深井热害的治理中被逐渐推广。本文以采深为1100 m的深井，利用重力输送的冰冷却空调系统为例，经计算分析得：

（1）固定冷负荷占制冷机组空调负荷的29.2%，占装机制冷量的26.5%，因此在选择制冷设备时，必须充分考虑固定冷负荷的影响，否则将导致矿井供冷不足；

（2）提出矿井有效冷负荷、固定冷负荷、矿井冷负荷、制冷机组冷负荷的概念，明确了矿井空调系统负荷的构成和区别，便于确定制冷设备装机容量及对矿井空调冷负荷构成进行分析；

（3）本文以冰冷却空调为例计算了各类冷负荷在机组冷负荷中的比例，如采用冷水等其他载冷剂，其计算原理相同，因此本文的分析方法同样适用于其他矿井降温空调系统。

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(2019-08-23)

亓玉栋(1976—),男,山东莱芜人,博士,主要从事矿井降温系统的研究,Email: yudong_qi@163.com。