專利名稱：礦用高壓模塊化井下集中制冷裝置及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種礦用高壓模塊化井下集中制冷裝置，同時還涉及ー種井下集中制冷系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來，隨著礦井開采深度的増加，我國礦井高溫熱害問題日益突出，高溫礦井數(shù)量也越來越多。據(jù)統(tǒng)計，我國目前已有130多對礦井存在不同程度的高溫熱害現(xiàn)象，其中80多對礦井采取了機械制冷降溫措施。目前應(yīng)用于實踐的各種礦井降溫系統(tǒng)按照輸冷介質(zhì)的 不同可分為制冰降溫、制冷水降溫和制冷風降溫。但不論是何種輸冷介質(zhì)，最終均轉(zhuǎn)化為冷風降低井下采掘工作面空氣溫度；按照制冷裝置的布置特點可分為井上集中式、井下集中式、井下分散式(局部)、井上和井下聯(lián)合式。不論何種形式，都是由制冷、輸冷、散冷及排熱四大系統(tǒng)組成。目前，國外礦井降溫主要采用制冰和制冷水模式，以集中式制冷降溫系統(tǒng)為主。比如，德國主要采用大制冷量的集中式機械制冷水降溫系統(tǒng)；南非主要采用冰冷低溫輻射礦井降溫系統(tǒng)。我國隨著礦井開采深度的逐漸増大，礦井降溫所需冷負荷也不斷増加，地面集中制冷(冷量損失較大)和井下局部制冷(制冷量不足)已不能滿足全礦井熱害治理的需求，而是逐漸傾向于采用井下集中式機械制冷水降溫系統(tǒng)，減少系統(tǒng)的冷量損失，采用高承壓冷凝器代替高低壓換熱器承載深井水的靜壓力，從而減少初期投資，提高冷量利用效率，降低運行費用。這種降溫模式在我國華東地區(qū)ー些沒有余熱(瓦斯發(fā)電余熱)可以利用、單純利用電制冷的深部開采礦區(qū)尤為適用。在井下集中式機械制冷水礦井降溫系統(tǒng)中，集中制冷裝置是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵。目前國內(nèi)對礦井制冷設(shè)備的研發(fā)也是處于剛剛起步階段。專利(200710025002. 6)公開了ー種深部開采礦井降溫裝置，包括地面機組和井下機組，其主要制冷設(shè)備(制冷機組)位于地面，冷量在往井下輸送的過程中會有大量的損失。專利(201020548178. 7)公開了ー種應(yīng)用于煤礦井下的可移動式制冷降溫裝置，但其冷凝熱的排放位于井下，因此制冷量受到限制，偏小。專利201120032780. X和201120032790. 3則公開了一種考慮了冷凝器承受高壓的礦井制冷機組，但并沒有涉及到各結(jié)構(gòu)及整個裝置的模塊化設(shè)計，對整個機組在礦井下的適用性沒有考慮。2008年第I套國外進ロ的井下集中制冷、地面集中排熱的礦用集中式制冷水降溫系統(tǒng)在山東趙樓煤礦投入使用，至2011年底増加至12套。但遺憾的是，這12套礦井集中制冷降溫系統(tǒng)所使用的井下集中制冷裝置全部為國外進ロ，國內(nèi)沒有同類型的井下集中制冷裝置，從這一點來說，研制國內(nèi)井下集中制冷降溫裝置(本發(fā)明)并應(yīng)用于礦井降溫實踐中去，具有特別重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的之ー是提供一種礦用高壓模塊化井下集中制冷裝置，能夠滿足我國高溫深井礦井降溫面臨的高承壓、大換熱量以及小體積問題，適應(yīng)我國高溫深井井下集中制冷降溫的需要，打破國外技術(shù)壟斷；本發(fā)明的目的之ニ是提供ー種礦用高壓模塊化井下集中制冷系統(tǒng)。本發(fā)明的目的之一是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的
本發(fā)明的礦用高壓模塊化井下集中制冷裝置，包括制冷壓縮模塊、高壓冷凝模塊、節(jié)流膨脹模塊、蒸發(fā)冷卻模塊和控制系統(tǒng)模塊；
所述制冷壓縮模塊的一端與高壓冷凝模塊相連，一端與蒸發(fā)冷卻模塊相連，用于制備高壓高溫制冷劑蒸汽，并輸出至高壓冷凝模塊；
所述高壓冷凝模塊的一端與制冷壓縮模塊相連，一端與節(jié)流膨脹模塊相連，用于將制冷壓縮模塊輸出的高壓高溫制冷劑蒸汽制備成高壓常溫液態(tài)制冷劑，并輸出至節(jié)流膨脹模塊；所述高壓冷凝模塊由高承壓管殼式換熱器組成，采用水冷模式；
所述節(jié)流膨脹模塊的一端與高壓冷凝模塊相連，一端與蒸發(fā)冷卻模塊相連，用于使高 壓常溫的液態(tài)制冷劑膨脹變?yōu)榈蜏爻旱臍鈶B(tài)制冷劑，并輸出至蒸發(fā)冷卻模塊；
所述蒸發(fā)冷卻模塊的一端與制冷壓縮模塊相連，一端與節(jié)流膨脹模塊相連，用于將氣態(tài)制冷劑進行蒸發(fā)冷卻，處理后輸出至制冷壓縮模塊；
所述控制系統(tǒng)模塊采用PLC對上述各模塊進行控制，并通過溫度、壓カ傳感器實現(xiàn)對上述各模塊的監(jiān)控和參數(shù)顯示。所述制冷壓縮模塊包括軟啟動器、防爆電動機和螺桿式壓縮機，所述防爆電動機與螺桿式壓縮機相連，為壓縮機的運行提供動力，所述軟啟動器與防爆電動機相連，使防爆電動機實現(xiàn)軟啟動；
所述裝置還包括油路系統(tǒng)模塊，所述油路系統(tǒng)模塊與冷壓縮模塊中的螺桿式壓縮機配合使用，所述油路系統(tǒng)模塊包括油分離器、截止閥、油冷卻器、油過濾器和油泵，制冷壓縮模塊中的壓縮機將制冷劑和油的混合蒸汽排出，在進入高壓冷凝模塊之前先進入油路系統(tǒng)模塊中的油分離器，將制冷劑和油分開，分離后的油經(jīng)截止閥進入油冷卻器，冷卻后的油通過油泵再次進入壓縮機進行循環(huán)。進ー步，所述油冷卻器采用管殼式換熱器，采用地面水冷卻，冷卻水走管程，油走殼程，換熱器水側(cè)至少能夠承受16Mpa的高壓；所述高壓冷凝模塊的高承壓管殼式換熱器采用地面水冷卻，冷卻水走管程，制冷劑走殼程，換熱器水側(cè)至少能夠承受16Mpa的高壓；
進ー步，整個裝置采用一字串聯(lián)布置，高度和寬度方向上滿足礦井運輸和安裝要求；進ー步，所述裝置的各組成部分采用模塊化處理，整機形成模塊化結(jié)構(gòu)，便于多臺裝置的并聯(lián)使用，提供更大的制冷量。進ー步，所述節(jié)流膨脹模塊包括干燥過濾器和至少ー個膨脹閥，所述膨脹閥個數(shù)與高壓冷凝模塊中的高承壓管殼式換熱器個數(shù)相同，高壓冷凝模塊中高壓常溫液態(tài)制冷劑出來后首先進入干燥過濾器，除去制冷劑中的水分，然后進入節(jié)流膨脹閥，使高壓常溫的液態(tài)制冷劑膨脹變?yōu)榈蜏爻旱臍鈶B(tài)制冷劑。進ー步，蒸發(fā)冷卻模塊同樣由管殼式換熱器組成，
進ー步，蒸發(fā)冷卻模塊與制冷壓縮模塊之間相連管路上安裝有吸氣過濾器，對進入到壓縮機內(nèi)的制冷劑起凈化作用。本發(fā)明的目的之ニ是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的
該礦用高壓模塊化井下集中制冷系統(tǒng)包括如前所述的礦用高壓模塊化井下集中制冷裝置，還包括冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、末端散冷設(shè)備、地面冷卻系統(tǒng)、補水系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)；
所述地面冷卻系統(tǒng)和部分冷卻水循環(huán)系統(tǒng)設(shè)置于地面上，其余組成部分均布置在井下，所述礦用高壓模塊化井下集中制冷裝置產(chǎn)生的低溫冷凍水通過冷凍水循環(huán)系統(tǒng)送至礦井采掘工作面的末端散冷設(shè)備中，與采掘工作面風流進行熱交換，吸收過熱負荷的冷凍水通過冷凍水循環(huán)泵7重新進入裝置I中再冷；
所述礦用高壓模塊化井下集中制冷裝置產(chǎn)生的冷凝熱通過冷卻水循環(huán)系統(tǒng)輸送至地面冷卻系統(tǒng)中被冷卻，被冷卻后的冷卻水通過冷卻水循環(huán)系統(tǒng)重新進入裝置中吸收裝置產(chǎn)生的冷凝熱，所述補水水箱用于向冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)自動補水，冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中的管路通過井筒或者鉆孔引至井下； 所述監(jiān)控系統(tǒng)用于對整個降溫系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的相關(guān)參數(shù)進行監(jiān)測，對各電氣設(shè)備進行自動控制，完成整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運打和保護功能。進ー步，所述系統(tǒng)還包括井下PLC控制站和地面PLC控制站，所述井下PLC控制站用于對井下冷凍水循環(huán)回路及相應(yīng)的補水系統(tǒng)，包含冷凍水循環(huán)泵、補水泵以及相應(yīng)管路上的電動閥等設(shè)備的控制、參數(shù)的顯示和采集，井下PLC控制站通過通訊接ロ與礦用高壓模塊化井下集中制冷裝置自身PLC控制系統(tǒng)通信，同時完成對制冷裝置監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和下達控制命令；
所述地面PLC控制站用于地面冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的自動監(jiān)測監(jiān)控，包含冷凍水循環(huán)泵、補水泵以及相應(yīng)管路上的電動閥等設(shè)備的控制、參數(shù)的顯示和采集，井下PLC控制站和地面PLC控制站通過礦井エ業(yè)以太網(wǎng)與礦井調(diào)度室和礦井綜合自動化系統(tǒng)的相連，實現(xiàn)礦井降溫系統(tǒng)的的自動控制，并在自動控制方式下實現(xiàn)地面遙控。進ー步，所述地面冷卻系統(tǒng)的冷卻裝置采用冷卻塔，末端散熱設(shè)備采用空冷器，所述冷凍水循環(huán)系統(tǒng)包括冷凍水循環(huán)管路和冷凍水循環(huán)泵，所述冷卻水循環(huán)系統(tǒng)包括冷卻水循環(huán)管路和冷卻水循環(huán)泵。本發(fā)明的有益效果是
1.本發(fā)明能夠滿足我國高溫深井礦井降溫面臨的高承壓、大換熱量以及小體積問題，適應(yīng)我國高溫深井井下集中制冷降溫的需要，打破國外技術(shù)壟斷；
2.本發(fā)明的裝置采用模塊化設(shè)計，一方面不僅有利于運輸和安裝，也有利于檢修和維護；另一方面整機的模塊化可以使多臺此裝置并聯(lián)使用，以滿足礦井開采不同時期所需的冷負荷；
3.采用高壓冷凝器代替高低壓轉(zhuǎn)換裝置來承載高壓(可適用于千米高溫深井，承受最大水壓16MPa)，從而減少了初期投資(單套高低壓轉(zhuǎn)換裝置價值數(shù)百萬元)，并且冷卻水在地面冷卻，通過管路引至井下，整個裝置運行穩(wěn)定，安全可靠。本發(fā)明的其他優(yōu)點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實踐中得到教導。本發(fā)明的目標和其他優(yōu)點可以通過下面的說明書來實現(xiàn)和獲得。


為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述，其中
圖I為本發(fā)明的裝置組成結(jié)構(gòu)示意 圖2為制冷基本原通不意 圖3為本發(fā)明制冷エ藝流程示意 圖4為礦用高壓模塊化井下集中制冷裝置實施例主視 圖5為礦用高壓模塊化井下集中制冷裝置實施例側(cè)視 圖6為礦用高壓模塊化井下集中制冷系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)示意圖；
圖7為礦井降溫系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)組成示意圖。
具體實施例方式以下將參照附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述。應(yīng)當理解，優(yōu)選實施例僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護范圍。如圖I所示，本發(fā)明的礦用高壓模塊化井下集中制冷裝置，包括制冷壓縮模塊、高壓冷凝模塊、節(jié)流膨脹模塊、蒸發(fā)冷卻模塊、油路系統(tǒng)模塊和控制系統(tǒng)模塊，以下將針對各模塊的具體構(gòu)成分述如下
(1)制冷壓縮模塊本實施例中，制冷壓縮模塊主要由軟啟動器、防爆電動機和螺桿式壓縮機組成。防爆電動機與螺桿式壓縮機相連，為壓縮機的運行提供動力。防爆電動機的電壓等級為10000V，因此，設(shè)置軟啟動器，軟啟動器與防爆電動機相連，使防爆電動機實現(xiàn)軟啟動。螺桿式壓縮機采用滑閥式卸載電磁閥，10% 100%無級調(diào)節(jié)，另外對螺桿式壓縮機上的電磁閥進行防隔爆改造，滿足易燃易爆井下環(huán)境使用要求，壓縮機排氣ロ管路上安設(shè)溫度、壓カ傳感器，采用和壓縮機電磁閥相同的防隔爆等級、防護等級，傳感器線路與控制系統(tǒng)模塊相連，制冷壓縮模塊一端與高壓冷凝模塊相連，一端與蒸發(fā)冷卻模塊相連；
(2)高壓冷凝模塊制冷壓縮模塊出來的高壓高溫制冷劑蒸汽經(jīng)處理后進入高壓冷凝模塊。高壓冷凝模塊主要由高承壓管殼式換熱器組成，采用水冷模式。冷卻水走管程，制冷劑走殼程，換熱管選用銅管，采用強化換熱方式，增強換熱效果，達到小體積大換熱量的目的。管殼式換熱器具體結(jié)構(gòu)為固定管板式換熱器，銅管與管板先采用先漲接、后焊接的連接方式，換熱器冷卻水走管程，承壓能力可以達到16MPa，制冷劑走殼程，承壓能力最大可以達到2. 5MPa。因為需要在深井使用，地面冷卻水輸送至井下需要承受很高的靜壓，所以本發(fā)明設(shè)計換熱器水側(cè)承受最大壓カ16MPa，垂直高度可達1600m，代替了高低壓轉(zhuǎn)換裝置，本模塊中的高承壓管殼式換熱器可以為單個，也可以為多個，不同的組合方式均在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)，具體數(shù)目可以根據(jù)井下條件進行調(diào)整，使管殼式換熱器直徑盡量減小，長度方向可適當放寬。本模塊中的高承壓管殼式換熱器為多個時，應(yīng)設(shè)置為并聯(lián)模式。本模塊管殼式換熱器中制冷劑的冷凝溫度為43°C，冷卻水進水溫度31°C，出水溫度40°C。高承壓管殼式換熱器進出口管路上均安裝有溫度、壓カ和流量傳感器，傳感器采用和壓縮機電磁閥相同的防隔爆等級、防護等級，傳感器線路與控制系統(tǒng)模塊相連，高承壓管殼式換熱器出口管路上還安裝有液位計，可用來觀察換熱器內(nèi)制冷劑液位高度(冷卻后的制冷劑逐漸變?yōu)橐簯B(tài))；高壓冷凝模塊一端與制冷壓縮模塊相連，一端與節(jié)流膨脹模塊相連，高壓冷凝模塊冷卻功率不低于4000kW ；(3)節(jié)流膨脹模塊節(jié)流膨脹模塊主要由干燥過濾器和至少ー個膨脹閥組成，膨脹閥個數(shù)與高壓冷凝模塊中的高承壓管殼式換熱器個數(shù)相同。節(jié)流膨脹模塊一端與高壓冷凝模塊相連，一端與蒸發(fā)冷卻模塊相連。高壓冷凝模塊中高壓常溫液態(tài)制冷劑出來后首先進入干燥過濾器，除去制冷劑中的水分，然后進入節(jié)流膨脹閥，主要作用是使高壓常溫的液態(tài)制冷劑膨脹變?yōu)榈蜏爻旱臍鈶B(tài)制冷劑，這ー過程中制冷劑蒸發(fā)吸熱，產(chǎn)生低溫冷源；
(4)蒸發(fā)冷卻模塊蒸發(fā)冷卻模塊同樣由管殼式換熱器組成，管殼式換熱器具體結(jié)構(gòu)為固定管板式換熱器，換熱管選用銅管，銅管與管板先采用先漲接、后焊接的連接方式，其結(jié)構(gòu)與高壓冷凝模塊中的高承壓管殼式換熱器一致。換熱器ー側(cè)為氣態(tài)制冷劑，走管程，最大工作壓カ為2. 5MPa ;另ー側(cè)為水，走殼程，最大工作壓カ為4MPa。管殼式換熱器同樣可以為單個，也可以為多個，不同的組合方式均在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)，具體數(shù)目可以根據(jù)井下條件進行調(diào)整，使管殼式換熱器直徑盡量減小，長度方向可適當放寬。本蒸發(fā)冷卻模塊中管殼式換熱器中的制冷劑蒸發(fā)溫度為0°C，冷凍水進水溫度18°C，出水溫度3°C。蒸發(fā)冷卻模塊中管殼式換熱器進出口管路上均安裝有溫度、壓カ和流量傳感器，傳感器采用和壓縮機電磁閥相同的防隔爆等級、防護等級，傳感器線路與控制系統(tǒng)模塊相連。蒸發(fā)冷卻模塊ー 端與制冷壓縮模塊相連，一端與節(jié)流膨脹模塊相連。蒸發(fā)冷卻模塊與制冷壓縮模塊之間相連管路上安裝有吸氣過濾器，對進入到壓縮機內(nèi)的制冷劑起凈化作用。蒸發(fā)冷卻模塊制冷量不低于3000kW ;圖4所示的實施例中蒸發(fā)冷卻模塊的高承壓管殼式換熱器(蒸發(fā)器)為2個，直徑不同，分為主蒸發(fā)器和輔蒸發(fā)器，直徑大的為輔蒸發(fā)器(內(nèi)部制冷劑大部分為氣體狀態(tài))，直徑小的為主蒸發(fā)器(內(nèi)部制冷劑為汽液混合物)，二者串聯(lián)布置，中間采用直徑不同的法蘭連接。冷水先進入輔蒸發(fā)器，后進入主蒸發(fā)器，經(jīng)兩級冷卻后流出，供礦井降溫使用。(5)油路系統(tǒng)模塊本發(fā)明制冷壓縮模塊中的壓縮機采用螺桿式壓縮機，噴油量大，因此需要專門配備油路系統(tǒng)，一方面可以起到潤滑作用，另ー方面可以降低壓縮機排氣溫度。油路系統(tǒng)模塊包括油分離器、截止閥、油冷卻器、油過濾器和油泵。制冷壓縮模塊中的壓縮機將制冷劑和油的混合蒸汽排出，在進入高壓冷凝模塊之前先進入油路系統(tǒng)模塊中的油分離器，將制冷劑和油分開。分離后的油經(jīng)截止閥進入油冷卻器，冷卻后的油通過油泵再次進入壓縮機進行循環(huán)。本發(fā)明中油冷卻器采用水冷型管殼式換熱器，具體結(jié)構(gòu)形式同樣為固定管板式換熱器，與高壓冷凝模塊和蒸發(fā)冷卻模塊中的固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)相同。不同的是油冷卻器采用的管殼式換熱器中冷卻水走管程，油走殼程。由于采用地面水冷卻，所以換熱器水側(cè)同樣需要承受16MPa的高壓。油路系統(tǒng)模塊中油冷卻器進出口管路上均安裝有溫度、壓カ傳感器，傳感器采用和壓縮機電磁閥相同的防爆等級、防護等級，傳感器線路與控制系統(tǒng)模塊相連。油路系統(tǒng)模塊是閉合循環(huán)，和制冷壓縮模塊、高壓冷凝模塊之間存在交叉；
(6)控制系統(tǒng)模塊控制系統(tǒng)模塊采用PLC控制，通過溫度、壓カ傳感器可實現(xiàn)對其他模塊的監(jiān)控、參數(shù)顯示，設(shè)置有接ロ通過Profibus通信與井下PLC控制站相連，并將監(jiān)測顯示數(shù)據(jù)上傳，實現(xiàn)井下PLC控制站和制冷裝置自身PLC控制系統(tǒng)兩者數(shù)據(jù)交換和共享，完成對本制冷裝置的近程及遠程自動控制和保護功能。本發(fā)明的礦用高壓模塊化井下集中制冷裝置的基本原理如圖2所示，簡述如下
壓縮機將吸收過熱負荷的低壓氣態(tài)制冷劑吸入并壓縮為高壓高溫蒸汽，通過冷凝器(高壓冷凝模塊中的高承壓管殼式換熱器)將熱量傳遞給冷卻水，同時制冷劑變?yōu)槌馗邏阂后w。而后常溫高壓狀態(tài)下的制冷劑通過膨脹閥，節(jié)流減壓變?yōu)榈蜏爻簹庖簝上嗷旌衔镞M入蒸發(fā)器(蒸發(fā)冷卻模塊中的管殼式換熱器)。液態(tài)制冷劑在蒸發(fā)器中蒸發(fā)制冷(吸熱)，產(chǎn)生用于和風流進行熱交換的低溫冷凍水。吸收過熱負荷后的制冷劑以常壓氣態(tài)進入壓縮機再次進行循環(huán)。以上述原理為基礎(chǔ)，本發(fā)明提供的礦用高壓模塊化井下集中制冷裝置運行的原理和エ藝流程如下
防爆電動機提供動力，帶動壓縮機運轉(zhuǎn)，將蒸發(fā)冷卻模塊中換熱器內(nèi)的氣態(tài)制冷劑吸入，壓縮為高溫高壓氣態(tài)制冷劑噴出，同時，油路系統(tǒng)模塊中的油泵將油噴出，一方面冷卻壓縮機，一方面還可以起到潤滑作用。此時，制冷劑和油的混合蒸汽進入油分離器。經(jīng)過分離后，純凈的制冷劑蒸汽進入高壓冷凝模塊中的高承壓管殼式換熱器內(nèi)。通過換熱器內(nèi)冷卻水的冷卻作用，高溫高壓氣態(tài)制冷劑變?yōu)槌馗邏阂簯B(tài)制冷劑。常溫高壓液態(tài)制冷劑從 高壓冷凝模塊出來后即進入節(jié)流膨脹模塊中的干燥過濾器，除去制冷劑中的水分，然后進入節(jié)流膨脹閥，通過節(jié)流膨脹，變?yōu)榈蜏爻簹鈶B(tài)制冷劑進入蒸發(fā)冷卻模塊中的管殼式換熱器內(nèi)。在換熱器內(nèi)制冷劑蒸發(fā)吸熱，使水的溫度降低，產(chǎn)生低溫冷凍水。氣態(tài)制冷劑通過吸氣過濾器，再次進入壓縮機壓縮，再次循環(huán)。本機組油路系統(tǒng)中，油分離器被分離出來的高溫油氣進入油冷卻器，地面來的冷卻水分流一小部分進入油冷卻器冷卻高溫油氣，冷卻后的油通過油泵重新進入壓縮機循環(huán)使用。制冷裝置的運行和控制通過控制系統(tǒng)模塊的PLC來實現(xiàn)。整個エ藝流程如圖3所示。圖4、5為本發(fā)明的礦用高壓模塊化井下集中制冷裝置實施例主視圖和側(cè)視圖，其中各附圖標記的意義如下
I-防爆電機；2_壓縮機；3_油分離器；4_冷凝器；5_干燥過濾器；6_節(jié)流膨脹閥；7_主蒸發(fā)器；8_輔蒸發(fā)器；9_吸氣過濾器；10_冷卻水分流管；11_油冷卻器；12_油泵及管路；13-熱水進ロ ；14_熱水出口 ；15_冷水進ロ ；16_冷水出口 ；17_地腳螺栓及底座；18-吊環(huán)。本實施例中，高壓冷凝模塊中高承壓管殼式換熱器(冷凝器)設(shè)置為2個，規(guī)格相同，并聯(lián)布置，對應(yīng)的節(jié)流膨脹模塊設(shè)置2個干燥過濾器、膨脹閥，蒸發(fā)冷卻模塊中高承壓管殼式換熱器(蒸發(fā)器)設(shè)置為2個，規(guī)格(長度、直徑)不同，串聯(lián)布置。圖4所示的實施例中蒸發(fā)冷卻模塊的高承壓管殼式換熱器(蒸發(fā)器)為2個，直徑不同，分為主蒸發(fā)器和輔蒸發(fā)器，直徑大的為輔蒸發(fā)器(內(nèi)部制冷劑大部分為氣體狀態(tài))，直徑小的為主蒸發(fā)器(內(nèi)部制冷劑為汽液混合物)，二者串聯(lián)布置。冷水先進入輔蒸發(fā)器，后進入主蒸發(fā)器，經(jīng)兩級冷卻后流出，供礦井降溫使用。本發(fā)明提供的礦用高壓模塊化井下集中制冷裝置采用模塊化設(shè)計，包括兩方面的內(nèi)容，ー是裝置的各組成部分采用模塊化處理(各模塊前面已介紹)；ニ是整機采用模塊化處理，可以很方便的進行擴容，因為多臺裝置可以并聯(lián)使用，提供更大的制冷量。本發(fā)明提供的礦用高壓模塊化井下集中制冷裝置采用一字排開結(jié)構(gòu)，分為前中后三部分。前部分主要為電機、壓縮機，中部主要為油分離器和油冷卻器，后部分主要為蒸發(fā)器和冷凝器，其他部分根據(jù)現(xiàn)場及方便程度條件擺放。各部分為可拆卸形式，使其整體外形尺寸能夠滿足礦井運輸和安裝要求。本發(fā)明提供的礦用高壓模塊化井下集中制冷裝置所有電氣元部件防隔爆標準滿足易燃易爆井下環(huán)境使用要求，即防爆等級Exd I礦用隔爆型或Exd ib I礦用本安型，防護等級IP54或IP55。本發(fā)明提供的礦用高壓模塊化井下集中制冷裝置自身PLC控制系統(tǒng)主要監(jiān)控以下參數(shù)壓縮機吸氣壓力、排氣壓力、噴油壓力、吸氣溫度、排氣溫度、噴油溫度、油壓差、能級、冷凍水進出水溫度和流量、冷卻水進出水溫度和流量、總運行時間、壓縮機電機過載、油泵電機過載、公共報警、公共故障、緊急停機等；
本發(fā)明提供的礦用高壓模塊化井下集中制冷裝置整個裝置安裝防震底座，采用地腳螺栓固定，各主要部件上安設(shè)吊環(huán)，方便運輸和安裝?；谏鲜龅难b置，本發(fā)明還提供了ー種以上述礦用高壓模塊化井下集中制冷裝置為基礎(chǔ)的井下集中制冷、地面集中排熱的礦井降溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括礦用高壓模塊化井下集中制冷裝置、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、末端散冷設(shè)備、地面冷卻系統(tǒng)、補水系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)組成。 如圖6所示，在該系統(tǒng)中，除地面冷卻系統(tǒng)和部分冷卻水循環(huán)系統(tǒng)外，其余系統(tǒng)組成部分均布置在井下。礦用高壓模塊化井下集中制冷裝置31正常運行時，產(chǎn)生低溫冷凍水通過冷凍水循環(huán)系統(tǒng)(33-冷凍水循環(huán)管路、37-冷凍水循環(huán)泵)送至礦井采掘工作面的末端散冷設(shè)備34中，與采掘工作面風流進行熱交換，降低采掘工作面環(huán)境溫度，達到創(chuàng)造適宜工作環(huán)境的目的，吸收過熱負荷的冷凍水通過冷凍水循環(huán)泵37重新進入裝置31中再冷。礦用高壓模塊化井下集中制冷裝置31產(chǎn)生的冷凝熱通過冷卻水循環(huán)系統(tǒng)(32-冷卻水循環(huán)管路、38-冷卻水循環(huán)泵)輸送至地面冷卻系統(tǒng)中被冷卻，地面冷卻系統(tǒng)的冷卻裝置可以是冷卻塔或其他合適的冷卻器。被冷卻后的冷卻水通過冷卻水循環(huán)泵重新進入裝置31中吸收裝置I產(chǎn)生的冷凝熱。36是補水水箱，可以向冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)自動補水。冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中的管路32通過39 (井筒或者鉆孔)引至井下，需要承受較高的靜水壓力。本發(fā)明提供的以礦用高壓模塊化井下集中制冷裝置為基礎(chǔ)的井下集中制冷、地面集中排熱的礦井降溫系統(tǒng)還包括監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)要求對整個降溫系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)的相關(guān)參數(shù)進行監(jiān)測，對各電氣設(shè)備進行自動控制，完成整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運行和保護功能。礦用高壓模塊化井下集中制冷裝置自身采用PLC控制，在井下另外設(shè)置ー套井下PLC控制站，實現(xiàn)對井下冷凍水循環(huán)回路及相應(yīng)的補水系統(tǒng)，包含冷凍水循環(huán)泵、補水泵以及相應(yīng)管路上的電動閥等設(shè)備的控制、參數(shù)的顯示和采集。該井下PLC控制站通過Profibus接ロ與礦用高壓模塊化井下集中制冷裝置自身PLC控制系統(tǒng)通信，同時也可以完成對制冷裝置監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和下達控制命令。在地面還需要設(shè)置另外ー套地面PLC控制站，完成地面冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的自動監(jiān)測監(jiān)控，包含冷凍水循環(huán)泵、補水泵以及相應(yīng)管路上的電動閥等設(shè)備的控制、參數(shù)的顯示和采集。井下和地面兩個PLC控制站都通過礦井エ業(yè)以太網(wǎng)與礦井調(diào)度室和礦井綜合自動化系統(tǒng)的相連，實現(xiàn)礦井降溫系統(tǒng)的的自動控制，并在自動控制方式下可以實現(xiàn)地面遙控。礦井降溫系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的組成如圖7所示。最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術(shù)方案的宗g和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。
權(quán)利要求
1.礦用高壓模塊化井下集中制冷裝置，其特征在于所述裝置包括制冷壓縮模塊、高壓冷凝模塊、節(jié)流膨脹模塊、蒸發(fā)冷卻模塊和控制系統(tǒng)模塊； 所述制冷壓縮模塊的一端與高壓冷凝模塊相連，一端與蒸發(fā)冷卻模塊相連，用于制備高壓高溫制冷劑蒸汽，并輸出至高壓冷凝模塊； 所述高壓冷凝模塊的一端與制冷壓縮模塊相連，一端與節(jié)流膨脹模塊相連，用于將制冷壓縮模塊輸出的高壓高溫制冷劑蒸汽制備成高壓常溫液態(tài)制冷劑，并輸出至節(jié)流膨脹模塊；所述高壓冷凝模塊由高承壓管殼式換熱器組成，采用水冷模式； 所述節(jié)流膨脹模塊的一端與高壓冷凝模塊相連，一端與蒸發(fā)冷卻模塊相連，用于使高壓常溫的液態(tài)制冷劑膨脹變?yōu)榈蜏爻旱臍鈶B(tài)制冷劑，并輸出至蒸發(fā)冷卻模塊； 所述蒸發(fā)冷卻模塊的一端與制冷壓縮模塊相連，一端與節(jié)流膨脹模塊相連，用于將氣態(tài)制冷劑進行蒸發(fā)冷卻，處理后輸出至制冷壓縮模塊； 所述控制系統(tǒng)模塊采用PLC對上述各模塊進行控制，并通過溫度、壓カ傳感器實現(xiàn)對上述各模塊的監(jiān)控和參數(shù)顯示； 所述制冷壓縮模塊包括軟啟動器、防爆電動機和螺桿式壓縮機，所述防爆電動機與螺桿式壓縮機相連，為壓縮機的運行提供動力，所述軟啟動器與防爆電動機相連，使防爆電動機實現(xiàn)軟啟動； 所述裝置還包括油路系統(tǒng)模塊，所述油路系統(tǒng)模塊與冷壓縮模塊中的螺桿式壓縮機配合使用，所述油路系統(tǒng)模塊包括油分離器、截止閥、油冷卻器、油過濾器和油泵，制冷壓縮模塊中的壓縮機將制冷劑和油的混合蒸汽排出，在進入高壓冷凝模塊之前先進入油路系統(tǒng)模塊中的油分離器，將制冷劑和油分開，分離后的油經(jīng)截止閥進入油冷卻器，冷卻后的油通過油泵再次進入壓縮機進行循環(huán)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的礦用高壓模塊化井下集中制冷裝置，其特征在于所述油冷卻器采用管殼式換熱器，采用地面水冷卻，冷卻水走管程，油走殼程，換熱器水側(cè)至少能夠承受16Mpa的高壓；所述高壓冷凝模塊的高承壓管殼式換熱器采用地面水冷卻，冷卻水走管程，制冷劑走殼程，換熱器水側(cè)至少能夠承受16Mpa的高壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的礦用高壓模塊化井下集中制冷裝置，其特征在于整個裝置采用一字串聯(lián)布置，高度和寬度方向上滿足礦井運輸和安裝要求。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3所述的礦用高壓模塊化井下集中制冷裝置，其特征在于所述裝置的各組成部分采用模塊化處理，整機形成模塊化結(jié)構(gòu)，便于多臺裝置的并聯(lián)使用，提供更大的制冷量。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的礦用高壓模塊化井下集中制冷裝置，其特征在于所述節(jié)流膨脹模塊包括干燥過濾器和至少ー個膨脹閥，所述膨脹閥個數(shù)與高壓冷凝模塊中的高承壓管殼式換熱器個數(shù)相同，高壓冷凝模塊中高壓常溫液態(tài)制冷劑出來后首先進入干燥過濾器，除去制冷劑中的水分，然后進入節(jié)流膨脹閥，使高壓常溫的液態(tài)制冷劑膨脹變?yōu)榈蜏爻旱臍鈶B(tài)制冷劑。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的礦用高壓模塊化井下集中制冷裝置，其特征在于蒸發(fā)冷卻模塊由管殼式換熱器組。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的礦用高壓模塊化井下集中制冷裝置，其特征在于蒸發(fā)冷卻模塊與制冷壓縮模塊之間相連管路上安裝有吸氣過濾器，對進入到壓縮機內(nèi)的制冷劑起凈化作用。
8.礦用高壓模塊化井下集中制冷系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)包括如權(quán)利要求I至7所述的礦用高壓模塊化井下集中制冷裝置，還包括冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、末端散冷設(shè)備、地面冷卻系統(tǒng)、補水系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)； 所述地面冷卻系統(tǒng)和部分冷卻水循環(huán)系統(tǒng)設(shè)置于地面上，其余組成部分均布置在井下，所述礦用高壓模塊化井下集中制冷裝置產(chǎn)生的低溫冷凍水通過冷凍水循環(huán)系統(tǒng)送至礦井采掘工作面的末端散冷設(shè)備中，與采掘工作面風流進行熱交換，吸收過熱負荷的冷凍水通過冷凍水循環(huán)泵重新進入裝置中再冷； 所述礦用高壓模塊化井下集中制冷裝置產(chǎn)生的冷凝熱通過冷卻水循環(huán)系統(tǒng)輸送至地面冷卻系統(tǒng)中被冷卻，被冷卻后的冷卻水通過冷卻水循環(huán)系統(tǒng)重新進入裝置中吸收裝置產(chǎn)生的冷凝熱，所述補水水箱用于向冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)自動補水，冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中的管路通過井筒或者鉆孔引至井下； 所述監(jiān)控系統(tǒng)用于對整個降溫系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的相關(guān)參數(shù)進行監(jiān)測，對各電氣設(shè)備進行自動控制，完成整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運打和保護功能。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的礦用高壓模塊化井下集中制冷系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)還包括井下PLC控制站和地面PLC控制站，所述井下PLC控制站用于對井下冷凍水循環(huán)回路及相應(yīng)的補水系統(tǒng)，包含冷凍水循環(huán)泵、補水泵以及相應(yīng)管路上的電動閥等設(shè)備的控制、參數(shù)的顯示和采集，井下PLC控制站通過通訊接ロ與礦用高壓模塊化井下集中制冷裝置自身PLC控制系統(tǒng)通信，同時完成對制冷裝置監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和下達控制命令； 所述地面PLC控制站用于地面冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的自動監(jiān)測監(jiān)控，包含冷凍水循環(huán)泵、補水泵以及相應(yīng)管路上的電動閥等設(shè)備的控制、參數(shù)的顯示和采集，井下PLC控制站和地面PLC控制站通過礦井エ業(yè)以太網(wǎng)與礦井調(diào)度室和礦井綜合自動化系統(tǒng)的相連，實現(xiàn)礦井降溫系統(tǒng)的的自動控制，并在自動控制方式下實現(xiàn)地面遙控。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的礦用高壓模塊化井下集中制冷系統(tǒng)，其特征在于所述地面冷卻系統(tǒng)的冷卻裝置采用冷卻塔，末端散熱設(shè)備采用空冷器，所述冷凍水循環(huán)系統(tǒng)包括冷凍水循環(huán)管路和冷凍水循環(huán)泵，所述冷卻水循環(huán)系統(tǒng)包括冷卻水循環(huán)管路和冷卻水循環(huán)泵。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種礦用高壓模塊化井下集中制冷裝置及系統(tǒng)，裝置包括制冷壓縮模塊、高壓冷凝模塊、節(jié)流膨脹模塊、蒸發(fā)冷卻模塊、油路控制模塊和控制系統(tǒng)模塊；制冷壓縮模塊用于制備高壓高溫制冷劑蒸汽，并輸出至高壓冷凝模塊；高壓冷凝模塊用于將制冷壓縮模塊輸出的高壓高溫制冷劑蒸汽制備成高壓常溫液態(tài)制冷劑，并輸出至節(jié)流膨脹模塊；節(jié)流膨脹模塊用于使高壓常溫的液態(tài)制冷劑膨脹變?yōu)榈蜏爻旱臍鈶B(tài)制冷劑，并輸出至蒸發(fā)冷卻模塊；蒸發(fā)冷卻模塊用于將氣態(tài)制冷劑進行蒸發(fā)冷卻，處理后輸出至制冷壓縮模塊；控制系統(tǒng)模塊采用PLC并通過溫度、壓力傳感器實現(xiàn)對上述各模塊的監(jiān)控和參數(shù)顯示，本發(fā)明能夠滿足我國高溫深井降溫面臨的高承壓、大換熱量以及小體積問題。
文檔編號F25B41/00GK102692091SQ20121019400
公開日2012年9月26日 申請日期2012年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月13日
發(fā)明者劉俊杰, 姬建虎, 張習軍, 文光才, 曾明明, 杜子健, 董浩民, 褚召祥, 閆洪遠, 陳孜虎, 龔林平 申請人:中煤科工集團重慶研究院