安全工程采矿工程煤矿井降温方案刘店矿井降温方案Word文档格式.docx
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本井田所在地的恒温带深度为自地表向下垂深25m,相应的温度
为17.2℃。
本井田地温梯度为2.35℃/hm,属正常地温区。
预计本井田在510m以下开始进入一级高温区。
九、通风方式
本矿井为高瓦斯矿井,前期采用中央并列式通风方式,主、副井进风,中央回风井回风。
后期增开西风井,通风方式为混合式通风方式。
选用FBCDZ-No32/2*800型轴流式风机2台,1用1备。
二、矿井需冷量计算
采掘面降温标准
目前矿井降温标准有:
1、《矿山安全条例》第53条规定“井下采掘作业地点的空气温度不得超过28℃”。
2、《煤矿安全规定》第102条规定“生产矿井采掘工作面空气温度不得超过26℃,机电设备峒室的空气温度不得超过30℃……,采掘工作面的空气温度超过30℃、机电设备峒室的空气温度超过34℃时,必须停止作业”。
3、《矿山井巷工程施工及验收规范》(GBJ213-90)第10.2.1条规定“井巷工程施工时,工作面的相对湿度为90%时,空气温度不得越过28℃,超过时采取以下措施……
三部降温标准有26℃、28℃、30℃三种不同要求。
结合刘店矿目前及下步深水平高温发展状况,本设计按《矿山安全条例》规定,井下回采工作面上隅角由35℃降至28℃,掘进工作面由31℃降至28℃的标准进行计算需冷量。
供冷范围:
按矿方要求,本次降温工程共设计矿井二个综采工作面、四个掘进工作面。
矿井需冷量计算
1.回采工作面需冷量的计算
根据矿提供的工作面热工计算参数及实测温度,风量按766回采工作面1176m3/min,气温35℃,相对湿度96%,大气压力按99.98kPa,计算回采工作面的需冷量为639kW。
⑴计算采煤工作面制冷前的空气状态参数
空气的含湿量
d1=0.622*ψPs1/(P-ψPs1)=0.0338kg/kg干空气
其中:
d1—含湿量
ψ—相对湿度
Ps1—34度时饱和水蒸汽压力
P—大气压力
湿空气的焓
i1=1.005t1+1.85t1d1+2501d1=121.86KJ/kg干空气
i1—湿空气的焓
t1—空气温度
湿空气的密度
ρ1=0.003484/T1*(P-0.378*ψPs)=1.1092kg/m3
ρ1–密度
T1–热力学温度,T1=273+35=308K
湿空气的质量流量
M=Q*ρ1=21.74kg/s
干空气的质量流量
Md=M/(1+d1)=21.03kg/s
⑵计算制冷后空气状态参数
饱和湿空气的含湿量
d2=0.622*Ps2/(P-Ps2)=0.02438kg/kg干空气
Ps2--28度时饱和水蒸汽压力
含水雾空气的焓
i1=1.005t2+1.85t2d2+4.19(d1-d2)t2+2501d2=91.481kJ/kg干空气
制冷前后空气的焓差
Δi1=i1-i2=121.86-91.48=30.38kJ/kg干空气
采煤工作面的需冷量
Q1=G*(i1--i2)=639KW
2.掘进工作面冷量计算
按照1017掘进工作面提供参数:
风量800m3/min,风温31℃,相对湿度96%,大气压99.98kPa,按同样方法计算掘进工作面需冷量为192kW。
3.矿井总需冷量
Q=639×
2+192×
4=2046kW
根据“煤炭工业矿井设计规范”要求设备备用系数取1.2,“矿井热害防治规范”要求矿井冷量损失系按矿井有效需冷量的1.25计算,因此本矿井下降温需冷量为:
Qc=K*Q=1.2×
1.25×
2046=3069kW
三、矿井制冷降温系统
矿井制冷降温系统工艺流程:
主要由地面制冷水系统、防尘管输冷系统、井下空冷器散冷系统以及控制配电系统组成。
具体祥见系统流程图。
工艺流程如下:
地面制冷站设置一套冷水机组,制取2℃的低温冷水。
低温冷水通过循环水泵,利用主井中的¢159mm静压防尘水管(保温),将低温冷水输送到井下,通过井底减压阀减压后直接供至各工作面的空气冷却器。
经过空气冷却器换热后,水温升至25℃,升温后的高温水进过工作面或大巷喷雾降尘,消耗下放低温水,然后进入井下大巷排水沟,然后再进入井底水仓,再通过井底主排水泵经主井排水管返回,返回地面的矿井排水经过地面水处理站处理,净化后的水再进入地面制冷机房进行制冷,重复使用。
此降温系统主要借助地面制冷机和保温的矿井防尘水管,不断将地面产生冷水送入井下工作面进行降温,并且工作面安装空气冷却器和喷雾降尘水幕。
(一)工作面降温设备选型
1、回采工作面
回采工作面的需冷量为639KW,空冷器进出水温差需达到20℃,故按照1200KW配空冷器,考虑到工作面运输巷进风,采用4台MK-300空气冷却器,距工作面切眼150-200米放置,可利用软风筒将冷风接至工作面进口。
考虑工作面供风量较小,每台空气冷却器可配备防爆风机FBDNo.5.3/11×
2KW,空气冷却器单台名义制冷功率为300KW,作为热交换器,降低工作面进风温度和湿度;
另外,工作面各运输设备转载点喷雾、巷道洒水降尘也接自空冷器回水系统,通过正常喷雾等,也起到降低工作面进风温度。
4台空气冷却器的所需冷水量:
42.8m3/h。
2、掘进工作面
总需冷量为192kW,按照400KW配空冷器,采用1台MK-400空气冷却器,单台名义制冷功率为400KW,可满足要求。
所需冷水量:
12.8m3/h。
空气冷却器可安放在距迎头150-200米的地点,与Φ600mm软质风筒串接。
3、矿井需总冷水量:
42.8×
2+12.8×
4=136.8m3/h
井下工作面空气冷却器的效率直接关系到工作面的降温幅度,若进出水温温差高,则可节省冷水流量,进而采取较细的输冷水管,由地面下放到井下的水量减少,做到节能节电。
(二)防尘管输冷系统
设计立井、井下采用防尘管输冷系统,按照降温范围:
二个回采工作面和四个掘进工作面,需要冷水流量为:
136.8m3/h;
另外考虑矿井正常防尘水消耗,综合考虑供冷水量按照:
140m3/h设计。
目前,矿井地面、立井、井下防尘主管路采用Φ159mm无缝钢管,但未进行保温处理。
为保证空气冷却器的散冷效率,保障进水水温在5℃,设计矿井地面、立井、轨道大巷的防尘管路全部进行保温,保温材料选用50mm的聚氨脂保温层,外层采用玻璃丝布乳化沥青涂层处理,作为外防护层。
1、管道冷损计算:
计算公式:
ql=л(t2-t1)÷
{ln(D1/D2)÷
(2λ)+[1/(aD1)]}
ql-----每米管道的冷量损失,W/m;
t2-----管道外周围空气温度,℃;
t1-----管道内介质温度,℃;
λ-----隔热材料的热导率,W/(m•K);
a-----隔热层外表面的放热系数,在自然对流的情况下,可取
a=8.141W/(m2•K);
D1-----隔热管外径,m;
D2-----无隔热层管外径,m;
Q损=ql×
m
Q损-----输冷管道的冷损量,W;
m------输冷管道的长度,m;
管道温升计算公式:
⊿t=Q损÷
(C×
m)
C-----水的比热;
m-----循环冷水流量,m3;
管路按照外径Ф159mm无缝钢管,保温层为50mm厚的聚氨酯保温,环境温度为30℃,供水温度为2℃,回水温度为25℃时,计算766工作面各段管路单位冷损量:
管径
单位冷损
管路长度
Q损(W)
流量(m3/h)
⊿t(℃)
备注
地面防尘水管
Ф159
10.22W/m
50m
511
140
0.00031
保温
立井防尘水管
674m
6888
0.04217
-641大巷防尘水管
2795m
28564
70
0.3497
回采工作面防尘水管
Ф78
5.74W/m
1036m
5946
42.8
0.119
∑
41909
0.51
若考虑管路法兰接头、弯头等损失增大20%,则:
Q损(KW)=50.3KW
⊿t(℃)=0.613℃
另外考虑到水流向下流动时,要损失位能,如果这部分能量不对外做功,要全部转化为热能,水温就要升高。
温升公式:
g△H=cp△t
cp--------水的比热容(4.19KJ/(kgK));
△t-------水的温升,℃;
采用减压阀,可利用3MPa压力,剩余4MPa压力转化为热能,即374米的位能转化为热能,水温升高△t=0.875℃。
故低温冷水总的温升:
⊿t=1.488℃,地面下放2-3℃的冷水,到达回采工作面喷淋式空气冷却器进口,水温为3.488-4.488℃。
2、矿井防尘输冷管路水利阻力计算:
利用矿井防尘水管作为输冷水管,由于目前矿井的防尘水管为Φ159无缝钢管,井下供冷水量为:
140m3/h,而Φ159管路在平巷中最大流速为:
2.45m/s,最大流量为:
154.5m3/h,140m3/h的流量不超过管路最大流量,另外两个工作面分别位于副井两翼,故副井底静压防尘水管分为两路供水。
但考虑立井井筒中存在水位差,井筒管路的静压为6.74MPa。
计算此压力能否克服管路阻力,满足个工作面供冷水量。
计算766工作面输冷管路的阻力损失:
hi=λi×
Li×
vi2÷
(Dgi×
2g)
Dgi=159mmλi=0.0364
Dgi=78mmλi=0.0451
管道位置
长度(m)
管径(mm)
流速(m/s)
压力损失(米水柱)
Φ159
1.96
2.24
30.2
0.9798
31.3
Φ78
2.489
189.3
253.04
防尘供水管路水力阻力为:
253.04米水柱,考虑工作面洒水降尘水压力,井底减压阀出口应调整在4MPa,最远点及工作面供水压力可保持在1.47MPa,能够满足工作面防尘水压力要求。
但通过计算回采工作面运输顺槽内防尘管路水利阻力最大,必要时应采用加压水泵进行加压满足设备防尘水压要求,以及工作面回水要求。
对于其它巷道内的喷雾防尘、或洒水防尘,可根据所需压力确定从防尘水管接。
(三)地面制冷水系统选型
根据井下需冷量为:
2046KW。
设计地面冷水机组最低出水温度为2℃,进水温度为25℃,向井下供冷水量140m3/h,计算地面机房的制冷量为:
3760KW,地面制冷机房制冷机组能够满足要求。
根据“煤炭工业矿井设计规范”要求,制冷设备数量不宜少于2台,本设计选用2台模块式制冷机组,依次对冷水进行降温。
考虑今后矿井降温需冷量增大,机房预留一台机组空间,以及相配套的冷却塔、冷却水泵和配电设备。
制冷机房布置在地面工业广场内,离矿井防尘管路较近。
为减少占地面积,设计将冷水机组的冷却塔放在制冷机房屋顶,机房内安装制冷机组、保温水池、水泵、供配电设备。
设计机房长×
宽:
20×
10m,高度约5m。
制冷机房内建冷水机组设备基础,安装2级制冷压缩机组和冷冻水泵基础。
地面制冷设备制冷剂采用R-22,由二套螺杆式冷水机组、四台蒸发冷和二台冷冻水泵组成。
1、第一级冷水机组:
进水温度:
25℃,出水温度:
12℃,进、出水温差:
13℃,冷冻水量为140m3/h时,则冷负荷为:
2123KW。
蒸发器采用壳管式,压缩机采用汉钟RC2-1130B二台并联,制冷量为:
1225KW×
2,电功率241KW×
2,蒸发冷为STC-2300二台,风机电机功率20.5KW×
2。
2、第二级冷水机组:
12℃,出水温度:
2℃,进、出水温差:
10℃,冷冻水量为140m3/h时,则冷负荷为:
1633KW。
蒸发器为降幕式,能够防止表面结冰损坏蒸发器,供水水泵11KW,压缩机采用汉钟RC2-1130B二台并联,制冷量880KW×
2,电功率223KW×
2,蒸发冷为STC-1800一台,风机电机功率11.7KW×
(四)控制配电系统
地面制冷机房供电采用6KV,安装一台高压进线开关柜,一台10KV/380V-1000KVA干式变压器,冷水机组、蒸发冷、冷冻水泵供电采用380V。
井下回采工作面空气冷却器的防爆供风风机可取自附近660V供电,掘进工作面原有供风风机,喷淋式空气冷却器直接串入风筒中,不需要另加防爆风机。
四、主要设备明细及投资表
序号
名称
规格型号或图号
技术说明
数量
单位
一、地面设备
1.1
一级压缩机
RC2-1130B
38/6℃,Q=1224.9kW/台
2
台
Hanbell
1.2
二级压缩机
38/-3℃,Q=880.1kW/台
3.1
一级蒸发式冷凝器
STC-2300
额定换热负荷2300kW/台
Snoweky
3.2
二级蒸发式冷凝器
STC-1800
额定换热负荷1800kW/台
5.1
一级壳管式蒸发器
25℃~12℃,1200kW/台
5.2
二级降幕式蒸发器
1500×
1800
12℃~2℃,1760kW
48
片
2.1
一级排气管
带管路配件
根
2.2
二级排气管
4.1
一级供液管
4.2
二级供液管
5.3
卧式气分
6.1
一级回气管
6.2
二级回气管
10
其它
1
套
7
冷冻油
以现场实际加油量为准
项
8
制冷剂
R22
以现场实际加氟量为准
2000
Kg
9
电控系统
各高、低压柜,变压器等
小计
450万元
二、井下设备
高压空冷器
AC-300
240万
风机
AC300标准配套
20万
AC-400
4
152万
AC400标准配套
10万
喷淋空冷器
AC-200
64万
AC200标准配套
496万元
三、合计
946万元
五、其他投资
费用(万元)
地面保温水池、厂房(土建)
50
地面制冷设备安装
15
3
立井、井下管路保温安装
60
设计费
5
合计
135
防尘水制冷系统总投资1081万元
六、制冷系统运行费用
制冷系统运行费用主要是电费,其余人工费,由于地面冷水系统自动化程度比较高,每班只需一人进行巡检即可,井下采用减压阀方式,管路冷水正常循环运行,不需要人员,故整个系统简单,需要人员较少。
另外年维修费也较少,地面冷水机组技术比较成熟,属于免维护设备,主要维修量在井下管路漏水,可由矿原来管道维修人员代替,不需要另外增加人员,维修费用也很低。
制冷系统运行电费
制冷系统按每年4个月运行,其它时间设备停止运转,正常运转期,考虑到负荷的调整与变化,负荷调整系数取0.7,当地用电平均价格按0.6元/kWh;
系统运行功率为:
996KW。
电费:
996×
24×
30×
4×
0.7×
0.6=120万元/a
因增加排水量而增加的排水费用:
(矿井吨水百米电耗不超过0.5KWh)
去除正常矿井消防洒水水量,每小时回水仓的循环水量为:
50m3/h,考虑到随着季节变化,下放冷水量会发生变化,调整系数取0.7,则计算年排水电费增加:
0.5×
50×
(674÷
100)×
0.6×
0.7=20.4万元
3、系统每年运行费用:
120+20.4=140.4万元
月运行费用:
140.4÷
4=35.1万元
七、防尘水水冷、冰冷与局部降温降温系统比较
采用的防尘水水冷降温系统与地面集中冷水系统有一定区别,取消了井下的高低压换热器,利用防尘系统中的减压阀将冷冻水减压到一定压力,满足井下冷水管路的正常循环。
其优点:
减少投资,省掉高低压换热器,井下供冷管路的供水动力取消了供水水泵,依靠管路的静压实现供水。
设备设计在地面,排热方便,设备操作维修方便。
另外,设计一套地面水源热泵,夏季作为井下降温设备,产生冷水供井下使用,冬季可利用矿井水处理厂的水源,进行取热,供地面工业广场的供暖,实现设备综合利用。
缺点:
增加矿井的排水费用,但较冰冷降温的运行费用较低。
举例:
冷水机组制取1000KW的能量,机组功率210KW,冷却塔15KW,水泵按30KW(包括冷却和冷冻水泵),总功率为255KW,冷水量按85.7m3/h(进水、出水温差为10℃),小时电耗为255×
0.9×
0.8=183.6KWh(0.9为需用系数,0.8为负荷率)。
制冰机组制取1000KW的能量,机组功率450KW,蒸发式冷凝器30KW(风机、冷却塔),供水水泵15KW,片冰机7.5KW(三台),总功率为502.5KW,制冰量为7.5m3/h,小时电耗为502.5×
0.8=361.8KWh(0.9为需用系数,0.8为负荷率),根据以上分析可确定在同样制冷量下,制冰比制冷冷水小时电耗增大一倍。
考虑冷水系统排水费用:
比冰冷系统增加排水量85.7-7.5=78.2m3/h,按照矿井排水百米吨水电耗0.5KWh计算,西风井井筒深度为600米,增加的排水费用为78.2×
(600÷
100)×
0.5=234.6KWh,即水冷系统小时电耗为183.6+234.6=418.2KWh,小时电耗增加:
418.2-361.8=56.4KWh,每度电按0.5元计算,每天增加费用56.4×
24=676.8元,每月多支出2.1万元。
但初期投资相差较大,冷水机组制取1000KW的能量,投资在150万元(地面设备、安装),制冰机组制取1000KW的能量,投资在500万元(地面设备、安装)。
另外,矿井目前排水能力富裕较大,能够满足下放冷水后出现的排水要求,并且不需要新的投入。
通过以上经济比较,选用冰冷降温经济性较差。
采用局部降温机,最大缺点排热困难,象有些矿目前采区有两条巷道,一条进风巷,一条回风巷,回风巷兼作主运输巷,巷道内设有运输设备,操作维修人员每班都要进入,若将进风巷的热量带到回风巷内,会增加运输巷的回风温度,影响到皮带司机和维修人员正常作业,不符合煤矿安全规程要求,“煤矿安全规程”第102条规定,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℃,……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。
有些矿利用井下涌水排热,相应增加泵房温度,尤其是排热热量大时,超过2000KW,井下水泵运行困难,事故率增多,对机电设备安全运行不利,另外,井下涌水水质较差时,水质硬度大时,局部降温机冷凝器结垢严重,使用时间不长就不能正常运转。
局部降温机单位制冷量投资额要大于其他方式制冷,单台的制冷量较小,不超过500KW。
矿井降温主要是考虑热量如何转移,一般两种方式,一是地面产生冷源送到井下,平衡井下高温地点热量,实现降温目的;
二是井下设置设备,产生冷源,送到高温地点降温,但如何将热量排到地面是技术关键,若排热解决不好,会重新污染进风流,使进风流风温升高,起不到降温目的。
地面制备冷源下放,不会发生上述问题,象地面制冰、制冷水,中途冷损也属于有益损耗,降低进风流风温,效率高。
三种降温方式比较:
防尘水水冷系统
冰冷系统
局部降温
系统排热
设备设置在地面,排出的热量不会进入井下,效果好。
另外采用冷却塔排热,设备简单,介质采用,无制冷剂循环,安全性能高。
采用蒸发式冷凝器,设备复杂,体积较大,盘管内流动制冷剂,若发生泄漏,对环境