矿用井下集中制冷系统的制作方法

本实用新型涉及煤矿领域，特别涉及一种矿用井下集中制冷系统。

背景技术：

近年来，随着矿井开采深度的增加，我国矿井高温热害问题日益突出，高温矿井数量也越来越多。据统计，我国目前已有130多对矿井存在不同程度的高温热害现象，其中80多对矿井采取了机械制冷降温措施。目前应用于实践的各种矿井降温系统按照输冷介质的不同分为制冰降温、制冷水降温和制冷风降温。但不论是何种输冷介质，最终均转化为冷风降低井下采掘工作面空气温度。

按照制冷装置的布置特点可分为井上集中式、井下集中式、井下分散式(局部)、井上和井下联合式。其中，随着我国矿井开采深度的逐渐增大，矿井降温所需冷负荷也不断增加，地面集中制冷(冷量损失大)和井下局部制冷(制冷量不足)已不能满足全矿井热害治理的需求。目前国内对矿井制冷设备的研发也是出于刚刚起步阶段。专利(200710025002.6)公开了一种深部开采矿井降温装置，包括地面机组和井下机组，其主要制冷设备(制冷机组)位于地面，冷量在往井下输送过程中会有大量损失。专利(201020548178.7)公开了一种应用于煤矿井下的可移动式制冷降温装置，但其冷凝热的排放位于井下，因此制冷量受到限制，偏小。专利201120032780.X和201120032790.3则公开了一种考虑了冷凝器承受高压的矿井制冷机组，但没有涉及到各结构及整个装置的模块化设计，对整个机组在井下的适用性没有考虑。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型提供一种矿用井下集中制冷系统，能够满足我国高温深井降温面临的高承压、大换热量以及小体积运输安装要求，适应我国高温深井井下集中降温的需要。

本实用新型的矿用井下集中制冷系统，至少包括设置于井下并用于冷凝蒸发产生低温冷冻水的冷却介质生成系统和用于对冷却介质生成系统进行控制的控制系统，冷却介质生成系统包括：

制冷压缩模块，用于制备高压高温气态制冷剂；

高压冷凝模块，用于将制冷压缩模块输出的高压高温气态制冷剂制备成高压常温液态制冷剂；

流量控制模块，用于控制流过的高压常温液态制冷剂流量，并将其减压为低温低压液态制冷剂；

蒸发冷却模块，用于低温低压液态制冷剂蒸发吸热以使其内的水温度降低产生低温冷冻水，并蒸发吸热后的气态制冷剂输出至制冷压缩模块；

制冷压缩模块、高压冷凝模块、流量控制模块和蒸发冷却模块依次连接设置并形成循环；系统整体成一字形排列布置，高压冷凝模块和蒸发冷却模块采用上下布置，流量控制模块为设置在高压冷凝模块与蒸发冷却模块连通管路上的浮球液位控制阀；

制冷压缩模块包括压缩机和用于对压缩机冷却和润滑的油路系统，油路系统包括将冷却油泵入压缩机的油泵、设置于压缩机的出流体端用于对制冷剂和油的混合蒸汽分离的油气分离器和与油气分离器连接并对分离后的油进行冷却的油冷却器，油泵与油冷却器连接并用于将冷却后的油重新泵入压缩机；

控制系统包括：设置于压缩机的进进流体端和出流体端管路上的温度传感器Ⅰ和压力传感器Ⅰ；

设置于油冷却器的进流体端管路和出流体管路上的温度传感器Ⅱ和压力传感器Ⅱ；

高压冷凝模块的进流体端管路和出流体端管路上均设置的温度传感器Ⅲ、压力传感器Ⅲ和流体流量传感器；

中央控制单元，用于接收处理温度传感器Ⅰ、压力传感器Ⅰ、温度传感器Ⅱ、压力传感器Ⅱ、温度传感器Ⅲ、压力传感器Ⅲ和流体流量传感器的检测信号并根据检测信号一一对应控制压缩机、油冷器器和高压冷凝模块的工作状态。

进一步，高压冷凝模块包括与制冷压缩模块的出流体端连接的冷凝器；蒸发冷却模块至少包括与浮球液位控制阀连接的蒸发器。

进一步，流量控制模块还包括过滤器，过滤器与高压冷凝模块的出液体端连接并与浮球液位控制阀的进液体端连接。

进一步，蒸发冷却模块和制冷压缩模块的连接管路上设置有用于蒸发吸热后的气态制冷剂进入制冷压缩模块的吸气组件，吸气组件至少包括用于防止停机后制冷剂倒流的吸气止回阀。

进一步，吸气组件还包括用于对制冷剂过滤的吸气过滤器；蒸发冷却模块还设有用于将积存在蒸发冷却模块中的油引回油路模块的回油引射器。

进一步，矿用井下集中制冷系统还包括设置于矿井采掘工作面并与工作面风流进行热交换的末端散冷装置和设置于井下用于将低温冷冻水输送至末端散冷装置并将经热交换后的冷冻水重新输送回冷却介质生成系统的冷冻水循环系统；还包括设置于井上地面并用于对冷却介质生成系统工作过程中所产生的冷凝热水进行冷却的井上冷却装置和将冷凝热水输送至井上冷却装置进行冷却并将冷却后的冷却水重新输送入冷却介质生成系统中的冷却水循环系统。

进一步，冷冻水循环系统包括在蒸发冷却模块与末端散冷装置间形成循环连接管路的冷冻水循环管路和设置在冷冻水循环管路上的冷冻水循环泵；冷却水循环系统包括在高压冷凝模块与井上冷却装置间形成循环连接管路的冷却水循环管路和设置在冷却水循环管路上的冷却水循环泵；矿用井下集中制冷系统还包括冷冻水循环管路和冷却水循环管路自动补水的补水系统。

进一步，还包括设置在井下用于实现冷却介质生成系统、冷冻水循环系统的检测控制及自动补水的井下PLC控制站和设置在井上地面用于实现冷却水循环系统的检测控制及自动补水的井上PLC控制站；井下PLC控制站与控制系统通信连接并可完成对控制系统数据的采集和下达控制命令；井下PLC控制站与井上PLC控制站通过以太网与矿井调度控制系统连接。

本实用新型的有益效果：本实用新型的矿用井下集中制冷系统，其中的冷却介质生成系统的各组成部分采用模块化处理，整机形成模块化结构，便于多台装置的并联使用，提供更大的制冷量，而且还有利于运输和安装，并方便检修维护；且整体制冷系统相对于地面集中制冷(地面制冷后输送至井下，需全程保温)，输冷距离短，冷量损失小，使用效率高，可满足我国高温深井矿井降温面临的高承压、大换热量以及小体积问题，适应我国高温深井井下集中制冷降温的需要。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步描述。

图1为本实用新型中冷却介质生成系统原理框图；

图2为本实用新型整体流程示意图；

图3为本实用新型中制冷压缩模块结构示意图；

图4为本实用新型中高压冷凝模块与蒸发冷凝模块结构示意图。

具体实施方式

图1为本实用新型中冷却介质生成系统原理框图，图2为本实用新型整体流程示意图，图3为本实用新型中制冷压缩模块结构示意图，图4为本实用新型中高压冷凝模块与蒸发冷凝模块结构示意图，如图所示：本实施例的矿用井下集中制冷系统，至少包括设置于井下并用于冷凝蒸发产生低温冷冻水的冷却介质生成系统和用于对冷却介质生成系统进行控制的控制系统，冷却介质生成系统包括：

制冷压缩模块1，用于制备高压高温气态制冷剂；高压冷凝模块2，用于将制冷压缩模块1输出的高压高温气态制冷剂制备成高压常温液态制冷剂；流量控制模块3，用于控制流过的高压常温液态制冷剂流量，并将其减压为低温低压液态制冷剂；蒸发冷却模块4，用于低温低压液态制冷剂蒸发吸热以使其内的水温度降低产生低温冷冻水，并蒸发吸热后的气态制冷剂输出至制冷压缩模块1；制冷压缩模块1、高压冷凝模块2、流量控制模块3和蒸发冷却模块4依次连接设置并形成循环；系统整体成一字形排列布置，所述高压冷凝模块和所述蒸发冷却模块采用上下布置，所述流量控制模块为设置在高压冷凝模块与蒸发冷却模块连通管路上的浮球液位控制阀；

其中，制冷压缩模块1用于制备高压高温气态制冷剂，并输出至高压冷凝模块2；高压冷凝模块2用于将制冷压缩模块1输出的高压高温制冷剂蒸汽制备成高压常温液态制冷剂，并输出至流量控制模块3；流量控制模块3通过蒸发冷却模块4中液态制冷剂液位高度控制流过流量控制模块3的制冷剂流量，并将其减压为较低温度较低压力输送至蒸发冷却模块4；蒸发冷却模块4用于制冷剂吸热蒸发，冷却载冷工质后输出至制冷压缩模块1；控制系统采用PLC并通过温度、压力、流量传感器实现对上述各模块的监控和参数显示。

另外，冷却介质生成系统整体采用长度方向上一字布置，系统内部的高压冷凝模块2和蒸发冷却模块4采用上下布置，在高度和宽度方向上满足矿井运输和安装要求；系统的各组成部分采用模块化处理，整机形成模块化结构，便于多台装置的并联使用，提供更大的制冷量。

本实施例中，制冷压缩模块1包括压缩机5和用于对压缩机5冷却润滑的油路系统，油路系统包括将冷却油泵入压缩机5的油泵6、设置于压缩机5的出流体端用于对制冷剂和油的混合蒸汽分离的油气分离器7和与油气分离器7连接并对分离后的油进行冷却的油冷却器8，油泵6与油冷却器8连接并用于将冷却后的油重新泵入压缩机5；其中，制冷压缩模块1一端与高压冷凝模块2相连，一端与蒸发冷却模块4相连，制冷压缩模块1还包括软启动器和防爆电动机9，压缩机5为螺杆式压缩机5，防爆电动机9与螺杆式压缩机5相连，为压缩机5的运行提供动力，软启动器与防爆电动机9相连，使防爆电动机9实现软启动，防爆电动机9的电压等级为10000V，因此，设置软启动器，软启动器与防爆电动机9相连，使防爆电动机9实现软启动。螺杆式压缩机5采用滑阀式卸载电磁阀，20％～100％无级调节，另外对螺杆式压缩机5上的电磁阀进行防爆改造，满足易燃易爆井下环境使用要求；另外，油路模块与压缩机5配合使用，其包括油分离器、截止阀、油冷却器8、油过滤器17和油泵6，制冷压缩模块1中的压缩机5将制冷剂和油的混合蒸汽排出，在进入高压冷凝模块2之前先进入油路系统模块中的油分离器，将制冷剂和油分离，分离后的油经截止阀进入油冷却器8，冷却后的油通过油泵6再次进入压缩机5进行循环，且油冷却器8采用壳管式换热器，采用地面水冷却，冷却水走管程，油走壳程，具体结构形式为固定管板式换热器，与高压冷凝模块2和蒸发冷却模块4中的固定式管板换热器结构相同，由于采用地面水冷却，所以油冷却器8水侧同样可以承受16Mpa高压，冷却后的润滑油通过恒温控制阀与未进行冷却的油混合，以得到符合要求的油温。

本实施例中，控制系统包括：设置于压缩机5的进流体端和出流体端管路上的温度传感器Ⅰ和压力传感器Ⅰ；

设置于油冷却器8的进流体端管路和出流体管路上的温度传感器Ⅱ和压力传感器Ⅱ；

高压冷凝模块2的进流体端管路和出流体端管路上均设置的温度传感器Ⅲ、压力传感器Ⅲ和流体流量传感器；

中央控制单元，用于接收所有传感器的检测信号并处理进行远程交互。

其中，中央控制单元接收温度传感器Ⅰ、压力传感器Ⅰ、温度传感器Ⅱ、压力传感器Ⅱ、温度传感器Ⅲ、压力传感器Ⅲ和流体流量传感器的检测信号，通过所接收的检测信号，对当前压缩机和油冷器器，以及高压冷凝模块的进流体端与出流体端的温度和压力进行判断，从而根据当前检测信号对压缩机和油冷器器，以及高压冷凝模块的工作状态进行控制，实现自动控制；控制系统采用PLC控制，通过温度、压力、流量传感器实现对其它模块监控和参数显示，设置有接口通过profibus通信与井下PLC控制站相连，并将监控显示数据上传，实现井下PLC控制站和制冷装置自身PLC控制系统两者数据交换和共享，完成对本冷却介质生成系统的近程及远程自动控制和保护功能。

本实施例中，高压冷凝模块2包括与制冷压缩模块1的出流体端连接的冷凝器11；；蒸发冷却模块4至少包括与浮球液位控制阀10连接的蒸发器12；流量控制模块3还包括过滤器18，过滤器18与高压冷凝模块2的出液体端连接并与浮球液位控制阀10的进液体端连接。

其中，制冷压缩模块1出来的高压高温制冷剂蒸汽经处理后进入高压冷凝模块2，冷凝器主要由高承压管壳式换热器组成，采用水冷模式，冷却水走管程，制冷剂走壳程，采用强化换热方式，增强换热效果，达到小体积大换热量的目的；管式换热器具体结构为固定管板式换热器，换热管与管板采用先胀接、后焊接的连接方式，换热器冷却水走管程，承压能力可以达到16Mpa，制冷剂走壳程，承压能力最大可以到2.5Mpa。因为需要在深井使用，地面冷却水输送至井下需要承受很高的静压，所以本实用新型设计换热器水侧承压16Mpa，垂直承压高度可达到1600m，代替了高低压转换装置，本模块中的高承压管壳式换热器可以为单个，也可以为多个，不同的组合方式均在本实用新型的保护范围之内，具体数目可以根据井下条件进行调整，是管壳式换热器直径尽量减小，长度方向可适当放宽。本模块中的高承压管壳式换热器为多个时，应设置为并联模式。本模块管壳式换热器中制冷剂的冷凝温度为43℃，冷却水进水温度31℃，出水温度40℃；高承压管壳式换热器侧面还安装有液位计，可用来观察换热器内制冷剂液位高度(冷却后的制冷剂逐渐变为液态)；高压冷凝模块2上部入口与制冷压缩模块1相连，下部出口与膨胀模块相连，高压冷凝模块2冷却功率不低于4000KW。

流量控制模块3主要由过滤器和至少一个浮球液位控制阀10组成，浮球液位控制阀10个数与高压冷凝模块2中的高承压管壳式换热器个数相同，流量控制模块3一端与高压冷凝模块2，一端与蒸发冷却模块4相连，并通过浮球控制阀根据冷凝器11或蒸发器12中液位高度控制制冷剂流量，使高压冷凝器11中常温液态制冷剂膨胀进入低压蒸发器12中变为气态制冷剂，这一过程制冷剂蒸发吸热，降低冷冻水温度，产生低温冷冻水。

蒸发冷却模块4同样由管壳式换热器组成，管壳式换热器具体结构为固定管板式换热器，换热管与管板采用先胀接后焊接的连接方式，换热器将气液分离器合为一体，在顶部具有气液分离装置，兼具气液分离功能，以防止压缩机5吸液产生湿压缩现象。蒸发器12壳程走制冷剂，最大承压2.5Mpa，管程走水，最大工作压力为4Mpa，管壳式换热器同样可以为单个或多个，不同的组合方式均在本实用新型的保护范围内，具体数目可以根据井下条件进行调整，是管壳式换热器直径尽量减小，长度方向可适当放宽。本蒸发冷却模块4中管壳式换热器制冷剂蒸发温度为0℃，冷冻水进水温度18℃，出水温度3℃。蒸发冷却模块4中冷冻水进出口管路上均安装有温度、压力和流量传感器，传感器采用和压缩机5电磁阀相同的防爆等级、防护等级，传感器线路与控制系统模块相连。蒸发冷却模块4一端与制冷压缩模块1相连，一端与流量控制模块3相连。蒸发冷却模块4制冷量不低于3000KW；图4中蒸发冷却模块4的壳管式换热器(蒸发器12)布置在下方，可与模块中其它管壳式换热器(蒸发器12)并联运行。

冷凝器11和蒸发器12均为高承压式管壳换热器，具体蒸发器为满液式蒸发器，可相对高低压换热器承载深井水的静压力，从而减少初期投资，提高冷量利用效率，降低运行费用；膨胀阀个数与高压冷凝模块2中的高承压管壳式换热器个数相同，高压冷凝模块2中高压常温液态制冷剂出来后首先进入过滤器，除去制冷剂中的水分，然后通过，因为浮球液位控制阀不是制冷剂的主要流通管道，它通过旁路控制主要流通管道的流量，浮球液位控制阀10控制流量，使高压常温的液态制冷剂膨胀变为低温低压的液态制冷剂。

本实施例中，蒸发冷却模块4和制冷压缩模块1的连接管路上设置有用于蒸发吸热后的气态制冷剂进入制冷压缩模块1的吸气组件，吸气组件至少包括用于防止停机后制冷剂倒流的吸气止回阀。

本实施例中，吸气组件还包括用于对制冷剂过滤的吸气过滤器；蒸发冷却模块4还设有用于将积存在蒸发冷却模块4中的油引回油路模块的回油引射器。

综上，冷却介质生成系统的具体工作流程为：防爆电动机9提供动力，带动压缩机5运转，将蒸发冷却模块4中换热器内的气体制冷剂吸入，压缩为高温高压气态制冷剂排出，同时，油路系统模块中通过油泵6增压的润滑油进入压缩机5，一方面冷却润滑压缩机5，一方面对压缩机5轴端起到密封作用。此时，制冷剂和油的混合蒸汽进入油分离器。经过分离后，纯净的制冷剂蒸汽进入高压冷凝模块2中的高承压壳管式换热器内。通过换热器内冷却水的冷却作用，高温高压气态制冷剂变为常温高压液态制冷剂。常温高压液态制冷剂从高压冷凝模块2出来后即进入流量控制模块3中的过滤器，然后通过浮球液位控制阀10，通过节流，变为低温低压液态制冷剂进入蒸发冷却模块4中的管壳式换热器内。在换热器内制冷剂蒸发吸热，使水的温度降低，产生低温冷冻水。气态制冷剂通过吸气组件，再次进入压缩机5压缩循环。本机组油路系统中，油分离器被分离出来的高温润滑油进入油冷却器8，地面来的冷却水分流一小部分进入油冷却器8冷却高温润滑油，冷却后的润滑油重新进入压缩机5循环。制冷装置的运行和监控通过控制系统的PLC来实现。

本实施例中，矿用井下集中制冷系统还包括设置于矿井采掘工作面并与工作面风流进行热交换的末端散冷装置13和设置于井下用于将低温冷冻水输送至末端散冷装置13并将经热交换后的冷冻水重新输送回冷却介质生成系统的冷冻水循环系统14，末端散冷装置为空冷器；还包括设置于井上地面并用于对冷却介质生成系统工作过程中所产生的冷凝热水进行冷却的井上冷却装置15和将冷凝热水输送至井上冷却装置进行冷却并将冷却后的冷却水重新输送入冷却介质生成系统中的冷却水循环系统16，冷却水循环系统中的管路通过井筒或钻孔引致井下，需要承受较高的静水压力，井上冷却装置为冷却塔；即矿用井下集中制冷系统整体形成井下集中制冷、地面集中排热的矿井降温系统。

本实施例中，冷冻水循环系统包括在蒸发冷却模块4与末端散冷装置13间形成循环连接管路的冷冻水循环管路和设置在冷冻水循环管路上的冷冻水循环泵；冷却水循环系统包括在高压冷凝模块2与井上冷却装置间形成循环连接管路的冷却水循环管路和设置在冷却水循环管路上的冷却水循环泵；矿用井下集中制冷系统还包括冷冻水循环管路和冷却水循环管路自动补水的补水系统。

本实施例中，还包括设置在井下用于实现冷冻水循环系统的检测控制及自动补水的井下PLC控制站和设置在井上地面用于实现冷却水循环系统的检测控制及自动补水的井上PLC控制站；井下PLC控制站与控制系统通信连接并可完成对控制系统数据的采集和下达控制命令；井下PLC控制站与井上PLC控制站通过以太网与矿井调度控制系统连接。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。