浅析矿用半自动螺杆压缩机冷却装置的研制及应用

张海军

（山西新景矿煤业有限责任公司，山西阳泉 045000）

0 引言

煤炭是中国的主要能源，并为中国国民经济持续快速增长提供了可靠的能源支持。根据国家局公布的数据统计（NBS）表示，2016年中国煤炭产量达到36.8亿吨[1]。确保快速持续的能源供应发展国民经济，保持年煤炭产量40亿吨，煤炭资源开采深度将不可避免地增加。采矿深度超过1000米的矿山在中国有47个，平均采矿深度高达1086米。其中，最大开采深度已达1501米，位于山东能源新汶矿业集团下属的孙村煤矿，这也是亚洲最大的深度。在深部采矿期间，除了一些意外灾害和局部地区的威胁，如煤和瓦斯泄露、岩爆和水爆破等，煤矿一般都会受到热损伤，这已成为制约深部煤炭资源安全开采一个重要的因素。不仅影响工人的身体健康，降低劳动生产率，高温煤矿湿度也对煤矿安全生产构成严重威胁。本文作者在结合实际工作经验的基础上，充分了解煤矿的四大特点-高温、高湿、高粉尘和有限的空间，引进了世界先进技术学习和创新，在提高关键设备可靠性的同时，降低了开发成本。介绍了ZL400系列采用半封闭螺杆压缩机的矿山制冷机组，开发并应用于实践中，以减少在深部煤层中发生的热损伤。

1 世界范围内矿用冷却装置使用情况及必要性

尽管存在各种煤矿热伤害的原因，但在中国主要地区煤矿热量的原因主要包括增加开采深度时的岩石温度，以及大型机电设备的散热[2]。为地下工作提供适当的工作环境首先应采用传统的非机械冷却方法来缓解问题，例如增加通风率，改变采矿方法和通风模式等。一旦这种传统方式失效，机械冷却方式必然将成为主要设备。西方国家拥有发达的采矿业，如美国、德国、英国、澳大利亚、波兰、南非等国家对深井风冷进行了研究并制定出来各种形式的机械冷却系统，带来了良好的效果。例如，在美国地面集中冷却系统（冷却和散热均已完成）地下，地下矿井（它们在地下矿井完成）以及混合使用（地下散热完成冷却，地面散热）根据机械冷却的散热位置的不同，系统也不尽相同。每个冷却系统可以据具体情况采取几种特定的形式。德国的矿山冷却方法是在地面或地下矿井具有大的冷却能力的制冷站。依托在其发达的工业设备制造业中，它提高了尽可能多的冷却站中的每个冷却单元的冷却能力，以补偿冷却损失并释放系统在地面产生的冷凝热量。英国和澳大利亚是独立的联邦国家，他们的采煤方法有很大相似之处：长壁采矿最常使用，而U型或Y型通风用于工作面。他们的矿山冷却方法在德国人的影响下，通过由设置在道路上的空气冷却器（包括冷却器）分开或逐渐冷却空气流组成进气，并返回在工作面和地面上的集中冷冻水冷却系统。

辅助设备是集中式和本地冷却设备，如GMC-2000、GMC-1000、TS-300和TS-450。世界各地的矿山冷却技术，并具有丰富的冷却方法。虽然南非是一个发展中国家，但是在南非发现的均为贵金属矿山，所以较高的采矿成本也是可以承受的。因此，该国的挖掘深度很大，平均在3000～5000米。很多工程师对它进行了相关的各种热源分析研究，降温测定等负载，矿井局部空冷，地面和地下集中冷却，冰冷系统，相关辅助设备和计算机模拟软件[3]。

目前，我国煤矿伴热伤害的技术和设备基本上都是与上述国家相同。例如，山东省赵楼煤矿需要不同的阶段使用地面系统喷水和地下集中式冷水冷却系统；安徽省丁集和潘集煤矿集中煤矿冷却加热和电力系统（CCHP）；河南省四矿煤矿经营平美集团采用移动空调系统来处理零件和冷却系统对于使用低温冰箱的加热；三河尖煤江苏省矿山部署采用矿山的HEMS深部矿井风冷系统流入水作为冷却源。所有这些都得到了很好的冷却效果[4-5]。

然而，与发达国家采矿业国家的情况不同，我国煤矿降温面临的主要问题是缺乏关键和核心设备（如，作为本地制冷单元，大型防爆制冷单元等）。无论大尺寸集中式空气冷却系统或灵活使用的小型移动式局部空气冷却系统，都需要这种关键和核心设备发展的重大突破。

2 ZL400制冷机组的开发

2.1 工作原理

与普通地面制冷机组一样，ZL400矿山的工作原理也是如此，冷却装置用压缩机、蒸发器、冷凝器等完成整个制冷循环，膨胀阀和循环制冷剂[6]。吸收过量热量后不久，气体制冷剂被压缩机压缩成高温高压的气体，然后转移到冷凝器中，在50℃冷凝成液体。由此释放热量被冷凝器中循环的冷却水带走。之后，冷却的制冷剂被减压并通过膨胀阀进入蒸发器，在那里变成气体低温（从0℃到10℃），吸收水或空气流过的多余热量实现冷却目标。然后这种气体制冷剂再次被传送到压缩机，从而实现封闭制冷循环“压缩→冷凝→节流→蒸发”形成。

ZL400矿山冷却装置的主要特点是冷却和散热过程在地下矿井完成。冷却装置使用返回空气或喷涌放热水。但是，要解决热介质在夏季达到高温的问题，它被设计成在高冷凝温度下运行的热泵机组，流量大、工作温差小、用水带走热量[7]。它使用R22作为循环制冷剂，设计用于在0℃（冷凝温度）下蒸发53℃，过热温度5℃，过冷却温度5℃。根据制冷剂的物理性质，然后可以找到并确定与状态点对应的参数，选择合适的工质。

2.2 结构和技术参数

冰箱体由半封闭式螺杆制冷压缩机组成，包括壳管式冷凝器、热力膨胀阀、过滤干燥器、集油器及相关调节装置阀门等。整个机器的小尺寸导致转向方便。密封螺杆式压缩机稳定运行并防止制冷剂泄漏。完全自我保护机制使其在复杂环境中具有很强的适应性。ZL400冷却装置如图1所示。

图1 ZL400冷却装置及配套装置

ZL400冷却装置中的本地空调系统可分为两个类别：蒸发器直接作用制冷系统和间接地冷却气流制冷设备，蒸发器将冷却水供应给闸门道路和长壁空气冷却器。前者主要由ZF400制冷机组直接冷却蒸发器、再冷却器、监控系统（如PLC等）以及必要的配件，后者由ZL400制冷机组，蒸发器，空冷器，再冷却器，监控系统和必要的附件（如PLC等）组成[8]。

3 ZL400制冷单元优势分析及现场应用

（1）三个“四个组件”（排除蒸发器）在冷却和冷却中工作冷却装置的循环过程是其主要组成部分。由于蒸发器是与其身体分离，其体积减小，因此移动更容易安装。而且，这种分离表明需要配备不同的蒸发器，该单元可以作为制冷系统直接冷却气流直接作用，如以及间接作用制冷系统来冷却制冷介质如水，从而满足不同具体条件的要求。

（2）与活塞式压缩机不同，冷却装置采用螺杆式压缩机，螺杆式压缩机是半密封的，可以避免发生在活塞式压缩机中的制冷剂泄漏等问题，在世界各地的矿山冷却应用中这是一个开创性的工作。

（3）制冷机组的部件——压缩机、蒸发器和冷凝器，采用模块化设计，因此可以一个一个地拆除并运入地下矿山。这适用于中国南部地区经常发生热损伤的地区，对中国北方大型和现代矿山也具有优势。该单位体积小，移动方便，安装简单，操作方便，灵活性和适用性广泛等。

为了检测ZL400冷却单元的性能，在上面建立了一个检测平台地面，主要用于检测当地空调系统的性能完整的设备和工厂检查，并提供技术支持升级现有设备并开发用于本地空调的新型系统。该平台有四大部分：制冷系统，数据采集系统，PLC控制和保护系统以及供电和配电系统。它能够检测冷却能力低于500千瓦并且完成的矿井冷却系统的设备性能。该平台主要用于测试冷却装置的运行稳定性不同的工作条件和冷却效果。

4 结语

综上所述，本文介绍了ZL400系列采用半封闭螺杆压缩机的矿山制冷机组，开发并应用于实践中，以减少在深部煤层采矿中发生的热损伤，得到了良好的效果。