井下降溫設計方案

肥城礦業集團有限責任公司

單縣能源有限責任公司陳蠻莊煤礦

井下降溫設計方案

山東節能環保產業示範基地

山東煤炭學會節能環保產業委員會

中青國能(集團)山東同方能源工程技術有限公司

二零一零年九月

目 錄

1 山東同方能源工程技術有限公司企業簡介1

2 綜述1

2.1 基礎數據1

2.2 熱害現狀1

2.3 設計內容2

2.4 設計依據2

2.5 製冷負荷計算2

3 方案概述9

4 過渡時期製冷方案12

4.1 製冷機選型14

4.2 末端布置14

4.3 水泵選型15

4.4 軟化水係統15

4.5 係統配電16

4.6 設備一覽表17

4.7 投資估算表18

4.8 運行費用計算18

4.9 製冷機房設備布置19

5 永久製冷方案20

6 結論21

7 業績介紹22

8 政策獎勵直通車36

9 經濟效益對比38

9.1 冰製冷運行費用38

9.2 水源熱泵係統運行費用38

9.3 運行費用對比39

10 售後服務與承諾40

11 承 諾 書42

1山東同方能源工程技術有限公司企業簡介

2008年12月，經山東省政府批準，山東省節能環保產業示範基地正式在中青國能(集團)山東同方能源工程技術有限公司正式掛牌。基地依照以政府為主導、企業為主體、旨在整合國內外節能環保領域技術、人才、信息、資金、市場等優勢資源，充分利用國家一係列節能環保鼓勵扶持政策，以山東同方能源工程技術有限公司為主體進行市場化運作經營。

2009年9月山東省煤炭學會節能環保專業委員會成立並設立在中青國能(集團)山東同方能源工程技術有限公司。專業委員會是為加強對全省煤炭企業提供節能環保工作的指導，認真貫徹落實國家節能減排工作的政策，大力推廣應用節能環保新技術，促進煤炭企業科學發展、可持續發展，經山東省科協批準設立的專業機構。

山東同方能源工程技術有限公司是中青國能集團的全資控股子公司，公司主要針對工業領域實施節能減排工作。2007年以來先後完成了煤礦節能型井下降溫除濕、節能型井口防凍、煤矸石磚廠餘熱回收、電廠循環水采暖、熱網平衡係統節電、變頻改造、冷凝水熱回收、熱電廠整體運營和節能改造等多個標杆性項目。項目的實施優化了煤炭企業的能源結構，大大提升了煤炭企業的能源管理水平。

2綜述

2.1基礎數據

陳蠻莊煤礦位於單縣煤田的西部，礦井設計生產能力為0.90Mt/a，生產能力1.80Mt/a。中央並列抽出式通風方式，采用立井開拓，設置主井、副井、風井三個井筒。是一座現代化的大型礦井。

依據山東省地質科學實驗研究院編製的《山東省單縣煤田陳蠻莊井田勘探報告》，陳蠻莊煤礦的地溫梯度：主檢孔中性點深度560米,溫度28.8度;最深測點970米,溫度38.2度,地溫梯度2.1度/百米;副檢孔中性點深度700米,溫度33.3度;最深測點1130米,溫度45.8度,地溫梯度2.49度/百米，屬於二級熱害礦區。礦井總湧水量為39.68m3/h。與本井田水文地質條件較為接近的張集井田湧水量為1049.79m3/h，本井田采用數據應進一步核實，應進一步補充水文地質工作。依據煤炭工業濟南設計研究院編製的《陳蠻莊煤礦初步設計》數據，暫定礦井正常湧水量為500 m3/h，最大湧水量為1000m3/h。

2.2熱害現狀

依據山東省地質科學實驗研究院編製的《山東省單縣煤田陳蠻莊井田勘探報告》，對13個鑽孔進行了簡易測溫，未進行近似穩態測溫工作。根據鄰區《巨野煤田普查報告》測溫資料，恒溫帶深度為50m左右，溫度18.9℃。經計算，本區地溫梯度平均2.59℃/100m，即地熱增溫率1℃/38.6m。屬地溫梯度正常區。根據測溫資料，煤層底板溫度與埋深成正比關係。經換算，3煤層底板-750m以深為大於37℃的二級高溫區，亦即本井田可采煤層基本上都處於二級高溫區內。因此，本井田在建設及開采過程中，應采取綜合措施進行熱害防治，確保安全。

2.3設計內容

目前井下巷道尚未成型，實際圍岩溫度、巷道位置、湧水量等無法精確確定，隻能根據地質勘探報告和礦井初步設計預測。

本方案針對礦井建設的各個階段，分別製定製冷方案，對製冷機房內的設備進行設計、選型，估算工程投資，計算運行費用。

2.4設計依據

《地源熱泵係統工程技術規範》GB 50366-2005

《采暖通風與空氣調節設計規範》(GB50019-2003)

《礦井排水設計手冊》

《陳蠻莊礦井初步設計》

《煤炭安全規程》2010版

2.5製冷負荷計算

《煤礦安全規程》第一百零二條規定：“生產礦井采掘工作麵空氣溫度不得超過26℃，機電設備硐室的空氣溫度不得超過30℃;當空氣溫度超過時，必須縮短超溫地點工作人員的工作時間，並給予高溫保健待遇。采掘工作麵的空氣溫度超過30℃、機電設備硐室的空氣溫度超過34℃時，必須停止作業。”“對於新建改擴建礦井設計時，必須進行礦井風溫預測計算，超過地點必須有製冷降溫設計配齊降溫設施”。

本設計按照《煤炭安全規程》規定的26℃為標準進行冷負荷計算。

井下熱源主要有以下幾部分：

1、風流壓縮熱

本礦井開采深度大，大部分為下山開采，垂高大，風流在井巷中自然壓縮，其壓縮熱使風流升溫較大。

2、圍岩礦井水散熱

本礦為深井高地溫，由於新生界鬆散層較厚，開采深度大，其井下地溫高，圍岩散熱成為影響礦井井下風流溫度的主要熱源。

3、機電設備散熱影響

該礦開采強度大，井下采、掘、運等生產環節機械化程度高，設備功率大，機電設備散熱成為該礦井的又一主要熱源。

4、其他散熱影響

其他散熱包括人體散熱、溝管散熱、爆破熱等。

下麵對幾種熱源分別進行計算。

1.5.1 掘進工作麵冷負荷計算

1)空氣側的冷負荷

局扇送風參數降溫後參數單位

幹球溫度3226℃

相對濕度95%85%

比容0.8640.847m3/Kg

密度1.1571.17Kg/m3

含濕量29.421.61g/Kg

焓值107.5581.31Kj/Kg

巷道截麵積20m2

巷道平均長度1000M

風量掘進頭280m3/min

局扇送風的焓值高於降溫後的空氣焓值，局扇送風屬於熱源。

Q1=m(h1-h2)=ρV(h1-h2)

=1.157×280/60×(107.55-81.31)

=142 kw

其中

—空氣密度，取 1.157 Kg/m3

V—新風風量，m3/min

h1—降溫前空氣焓值

h2—降溫後空氣焓值

2)礦井圍岩、礦井水表麵散熱

巷道掘進所暴露的圍岩和礦井水對流熱和輻射熱活動強烈, 其傳熱量與掘進麵的風速、表麵圍岩溫度等有關, 傳熱過程呈動態。

圍岩表麵放熱產生的熱負荷由對流熱和輻射熱組成, 在工程中采用等效溫度計算方法。

Q2=AwFw(tw-tn )

=10×10×50×(37-26)

=55kw

其中

Aw-圍岩表麵放熱係數,10 w/m2.℃;

Fw-新掘進巷道表麵積，斷麵周長取10m，長度取50m;

tw-圍岩表麵溫度，取37℃;

tn-礦井內空氣溫度，取26℃;

3)大型機電設備散熱

根據經驗，綜掘機的電功率中有30%左右轉化為熱量，散發到迎頭的空氣中。若采取炮掘的方式，同樣存在爆破熱，為便於計算，其熱值可以近似等同於綜掘機散熱。

掘進機：功率145kW;膠帶轉載機：功率8kW;皮帶輸送機功率2×40kW;

Q3 =0.3WJ

=0.3×(145+8+80)

=70kw

4)運輸中的煤炭散熱

需要考慮運輸中的煤炭及矸石的散熱，這實際是圍岩或煤壁散熱的另一種表現。由於其處於鬆散狀態，換熱麵積大，散熱量也很大，對風流的影響也較大。另外，煤炭或矸石采掘後為降塵需進行灑水降塵處理，導致空氣濕度大於90%。

計算運輸中的煤炭及矸石的散熱量可按下式計算：

QK=MKCKtk

=2.78×1.25×(37-32)=17 kW

式中：MK-運輸中煤炭及矸石的質量，2.78kg/s。日進尺按照10m/天計算，巷道界麵按20㎡計算，未開采的煤炭容重按1.2計算。

CK-運輸中煤炭、矸石的平均比熱，取1.25kJ/kg.℃

tK-運輸中煤炭及矸石在巷道中被風流冷卻的溫度差，℃

合計，單條掘進巷道總的製冷負荷為142+55+70+17=284kw。

1.5.2采煤工作麵冷負荷計算

考慮局扇風機的送風空氣、圍岩散熱、礦井水散熱、設備散熱幾大部分的熱負荷。

1)空氣熱負荷

局扇送風參數降溫後參數單位

幹球溫度3226℃

相對濕度95%85%

比容0.8640.847m3/Kg

密度1.1571.17Kg/m3

含濕量29.421.61g/Kg

焓值107.5581.31Kj/Kg

巷道截麵積20m2

工作麵長度220M

風量960m3/min

Q1=m(h1-h2)=ρV(h1-h2)

=1.157×960/60×(107.55-81.31)

=486 kW

其中

—空氣密度，取 1.157 Kg/m3

V—通風風量，m3/min

h1—空氣的高位焓值

h2—空氣的低位焓值

2)礦井圍岩、礦井水散熱

采煤麵所暴露的煤體對流熱和輻射熱活動強烈, 其傳熱量與采煤麵的風速、表麵岩體溫度等有關, 傳熱過程呈動態。

表麵放熱產生的冷負荷由對流熱和輻射熱組成, 在工程中采用等效溫度計算方法。

Q2 = AwFw(tw -tn )

=10×(4.5+3.1)×2×220×(37-26)

=334.4 kW

其中

Aw-礦井表麵放熱係數,10 w/m2;

Fw-礦井采麵表麵積，取常規值;

tw-岩體表麵溫度，取37℃;

tn-礦井內空氣溫度;

3)機械散熱

回采麵機械功率如下：采煤機710kW，溜子輸送機400kW，乳化泵200kW。

粗略估計，上述機械的電功率中有30%左右轉化為熱量，散發到迎頭的空氣中。

Q4 =0.3WJ

=(710+400+200)×0.3

=394 kW

4)運輸中的煤炭散熱

計算運輸中的煤炭及矸石的散熱量可按下式計算：

QK=MKCKtk

=28.9×1.25×5

=180kW

式中：MK-運輸中煤炭及矸石的量，28.9kg/s，按180萬噸/年

CK-運輸中煤炭及矸石的平均比熱，取1.25kJ/kg.℃

tK-運輸中煤炭及矸石在巷道中被風流冷卻的溫度差，℃

由於運輸中煤炭及矸石的散熱量主要用於加熱巷道中的進風流，影響進風流的溫度。

上述四部分總的熱負荷為486+334.4+394+180=1394 kW

單個采煤工作麵製冷負荷為1394kw。

井下冷負荷計算表

空氣

散熱岩壁、礦井水散熱電氣設備散熱煤、矸石散熱小計數量累計(kW)

掘進工作麵14255701728482272

回采工作麵486334.4394180139422788

由上述計算可見，單個掘進工作麵製冷負荷為284kW，單個回采工作麵製冷負荷為1394kW。

礦井開采前期，布置4個掘進工作麵，1個綜采工作麵，總的製冷負荷為(284×4+1394)×1.2=3036kW，其中1.2為餘量係數;

礦井開采後期，布置8個掘進工作麵，2個綜采工作麵，總的製冷負荷為(284×8+1394×2)×1.2=6072kW。

3方案概述

現礦井處於建井階段，風井到底後掘進回風大巷、皮帶大巷;主井到底後掘進軌道大巷和井底車場;副井進度較慢，到底後繼續完成井底車場的掘進工作。副井到底後，先進行井筒裝備，鋪設三根DN350的礦井排水管道。副井裝備完成後，裝備風井和主井，風井敷設兩根冷卻水管道，作為礦井永久製冷的排熱管道。風井裝備完成，製冷設備到位，即可進行永久製冷設備的安裝。

根據以上礦井的建設順序，依據井下降溫係統所需的條件，可將製冷工程的實施分為兩個階段：

第一階段：過渡時期製冷

時間段：2011.04副井裝備完成後—永久製冷係統運行之前

該段時間內，掘進工作麵多，需冷量大，永久製冷係統尚未運行，風井冷卻水管道處於安裝、調試階段，無法正常使用。但副井3根排水管道已安裝完畢，可以借用。

係統工作原理：

當礦井湧水量小，單純利用礦井水作為冷卻水無法滿足需求時(每條掘進迎頭製冷量284kw，每1000kw製冷量需要礦井水110 m3/h，礦井水溫度低時需水量可適當減少)，采用1根排水管道完全可以滿足礦井排水的要求。可借用另外2根礦井水排水管作為冷卻水循環管道，將冷卻水送到地麵，通過地麵的冷卻塔排熱，冷卻後再送到井下作為製冷機組的冷卻水。製冷機冷凝器采用高壓換熱器(12MPa)，解決機組耐壓問題。

第二階段：永久製冷係統運行後

因永久製冷係統涉及到礦建、設備采購、安裝、調試等因素，運行時間無法確定。

永久製冷係統運行後，將前期使用的製冷機並入永久製冷係統，作為製冷係統的一部分。

在風井井筒敷設2根冷卻水管道，進入製冷機冷凝器，換熱後回到地麵冷卻塔散熱，通過冷卻塔散熱。

圖1：製冷階段劃分圖

4過渡時期製冷方案

在2011年4月底副井正式裝備完畢之後，根據井下湧水量可采取兩種措施：

1、礦井湧水量大時，完全可以將礦井水作為冷卻水，無需使用井底至地麵的冷卻水管道;

2、礦井湧水量小時，一根排水管道完全可以滿足排水要求，另外兩根副井的排水管道可臨時作為冷卻水循環管道，將冷凝廢熱通過地麵冷卻塔排熱.

製冷機冷凝器直接采用高壓冷凝器，冷卻水從地麵送到冷凝器，再將熱量帶到地麵，通過冷卻塔回冷。

地麵安裝冷卻水循環泵、冷卻塔、冷卻水池、軟化及補水裝置;井下安裝防爆製冷機、防爆冷凍水泵、定壓補水裝置、末端空冷器等。

根據冷負荷計算，單個迎頭製冷負荷為284kw，因建井初期掘進頭數量未定，暫以6個迎頭為例，對製冷設備進行設計、選型。

熱泵機組蒸發器耐壓為1.6MPa，冷凝器耐壓為12MPa。

工作係統圖如下圖所示：

圖1：過渡階段製冷係統圖

4.1製冷機選型

根據計算得出的冷負荷，6個迎頭總的製冷量為284×6×1.2= 2045kw，選用開啟式螺杆冷水機組兩台，單台製冷量1100 Kw 。

機組型號LSLGF1100Ⅳ

額定製冷量1100 kW

製冷額定功率280 kW

電壓等級660/1140 V

冷凝器進出口溫度37/45 ℃

流量148 m³/h

管徑DN200

阻力壓降10 m

設計承壓12 MPa

蒸發側進出口溫度7/12 ℃

流量189 m³/h