矿井热能转换循环生产系统.pdf

本发明公开了一种矿井热能转换循环生产系统，属于深井开采高温热害控制及资源化利用领域，该系统包括：制冷工作站、压力转换工作站、降温工作站、地面工作站和矿井涌水系统构成；制冷工作站冷量提取端与矿井涌水系统的排水端连接，制冷工作站的回水输出端通过泵站与地面工作站连接，制冷工作站的冷冻水供水管及冷冻水回水管与压力转换工作站连接构成上循环子系统，压力转换工作站的冷冻水输出管及冷冻水回水管与降温工作站连接构成下循环子系统，降温工作站上设置风循环子系统，降温工作站的风循环子系统上设有冷风输出口。该系统结构简单，在实现深井开采高温热害控制的同时，又可以将热害资源化利用。

1、  一种矿井热能转换循环生产系统，其特征在于，该系统包括：
制冷工作站(2)、压力转换工作站(3)、降温工作站(4)、地面工作站(7)和矿井涌水系统(1)构成；制冷工作站(2)冷量提取端与矿井涌水系统(1)的排水端连接，制冷工作站(2)的回水输出端通过泵站(6)与地面工作站(7)连接，制冷工作站(2)的冷冻水供水管及冷冻水回水管与压力转换工作站(3)连接构成上循环子系统，压力转换工作站(3)的冷冻水输出管及冷冻水回水管与降温工作站(4)连接构成下循环子系统，降温工作站(4)上设置风循环子系统，降温工作站(4)的风循环子系统上设有冷风输出口。

2、  根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述制冷工作站包括：
制冷器(21)、上循环泵(22)、水仓和补水箱构成；所述制冷器(21)的冷却水进水口通过管路与水仓连接，水仓的进水口与矿井涌水系统(1)的排水端连接，制冷器(21)的冷冻水出水管通过管路与压力转换工作站(3)的冷却水进水管连接，制冷器(21)的冷冻水回水口通过上循环泵(22)与压力转换工作站(3)的冷却水回水管连接；补水箱输出端通过管路与所述制冷工作站(2)的冷冻水回水管连接。

3、  根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述制冷器为两个，所述水仓也为两个，两个制冷器的冷却水进水管通过一管路及耙式流量计(26)与水仓一(220)连接，两个制冷器的冷却水回水管通过另一管路和管道式除污器(23)、除沙器(25)及冷却泵(24)与水仓二(221)连接。

4、  根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述补水箱为两个，两个补水箱(222、223)之间通过管路、管道式除污器(23)和软水器(29)连接，补水箱二(223)的输出端通过管路连接到所述压力转换工作站(3)的冷却水回水管上。

5、  根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述压力转换工作站包括：
转换器(212)和下循环泵(213)构成；转换器(212)的冷却水进水口与所述制冷工作站(2)的冷冻水供水管连接，转换器(212)的冷却水回水口与所述制冷工作站(2)的冷冻水回水管连接；转换器(212)的冷冻水供水管与降温工作站(4)的冷冻水进水管连接，转换器(212)的冷冻水回水管通过下循环泵(213)与降温工作站(4)的冷冻水回水管连接。

6、  根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述转换器的冷冻水回水管通过下循环泵(213)、水表(28)及管道式除污器(23)与降温工作站(4)的冷冻水回水管连接。

7、  根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述压力转换工作站还包括：补水箱三(215)，补水箱三(215)的一端口通过管路与转换器(212)的冷冻水回水管连接。

8、  根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述降温工作站包括：
多个降温器(218)及防爆对旋风机(219)构成，各个降温器的进水管分别与总进水管连接，各个降温器的回水管分别与总回水管连接，各个降温器形成并联连接，各降温器之间的空隙形成风循环子系统的通风道，所述通风道的一端为进风口，所述通风道的另一端与进风口对应端设置防爆对旋风机(219)。

9、  根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括：制冷工作站(2)设置在矿井下600米处，压力转换工作站(3)设置在矿井下800米处，降温工作站(4)设置在矿井下1000米处或1000米以下。

矿井热能转换循环生产系统
技术领域
本发明涉及一种矿井热能转换技术，尤其涉及一种用于矿井的深井中的热能转换循环生产系统，属于深井开采高温热害控制及资源化利用领域。
背景技术
国内外的矿井降温技术，总体上可以分为非人工降温和人工制冷降温技术两大类。
在矿井生产中，矿井开拓部署、通风系统设计等都会影响到矿井风流的温度，合理的矿井通风方式会使得井下高温热害得到一定的缓解，尤其当加大通风量时可以起到明显的降温效果，这就是非人工降温技术中应用比较多的一种降温方式。但改善通风方式、增加风量受进风温度和围岩温度的影响，其降温幅度是有限的。此外，热源隔离、采空区全面充填及预冷煤层及个体防护等方法都能起到一定的降温效果。但实践表明，非人工降温技术的降温能力小，对于热害较严重的矿井往往不能满足要求，一般只作为人工制冷降温的辅助措施。
而人工制冷降温技术从总体可以分为水冷却系统和冰冷却系统，其中水冷却系统就是矿井空调技术的应用，是利用以氟利昂为制冷剂的压缩制冷机进行矿内人工制冷的降温方法；而冰冷却系统则是将制冰机制出的冰块撒向工作面，通过冰水相变完成热量交换，或利用井下融冰后形成的冷冻水向工作面喷雾，达到降温目的。
从上述对现有人工制冷降温技术介绍中，发明人发现上述现有技术至少存在以下问题：
上述非人工降温技术和人工制冷降温技术均以降温为单一目的，而对降温后工作面产生的热害无法有效地利用。而现有的降温系统也无法有效利用矿井中工作面产生的热量。
发明内容
本发明实施方式提供了一种矿井热能转换循环生产系统，该系统从矿井各水平现有涌水中提取冷量，并运用提取出的冷量与工作面高温空气进行换热作用，降低工作面的环境温度及湿度，同时将置换出的热量作为地面供热及洗浴使用的热源。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明实施方式提供了一种矿井热能转换循环生产系统，该系统包括：
制冷工作站、压力转换工作站、降温工作站、地面工作站和矿井涌水系统构成；制冷工作站冷量提取端与矿井涌水系统的排水端连接，制冷工作站的回水输出端通过泵站与地面工作站连接，制冷工作站的冷冻水供水管及冷冻水回水管与压力转换工作站连接构成上循环子系统，压力转换工作站的冷冻水输出管及冷冻水回水管与降温工作站连接构成下循环子系统，降温工作站上设置风循环子系统，降温工作站的风循环子系统上设有冷风输出口。
所述制冷工作站包括：制冷器、上循环泵、水仓和补水箱构成；所述制冷器的冷却水进水口通过管路与水仓连接，水仓的进水口与矿井排水系统的排水端连接，制冷器的冷冻水出水口通过管路与压力转换工作站的冷却水进水管连接，制冷器的冷冻水回水口通过上循环泵与压力转换工作站的冷却水回水管连接；补水箱输出端通过管路与所述制冷工作站的冷冻水回水管连接。
所述制冷器为两个，所述水仓也为两个，两个制冷器的冷却水进水口通过一管路及耙式流量计与水仓一连接，两个制冷器的冷却水回水口通过另一管路和管道式除污器、除沙器及冷却泵与水仓二连接。
所述补水箱为两个，两个补水箱之间通过管路、管道式除污器和软水器连接，补水箱二的输出端通过管路连接到所述压力转换工作站的冷却水回水管上。
所述压力转换工作站包括：转换器和下循环泵构成；转换器的冷却水进水口与所述制冷工作站的冷冻水供水管连接，转换器的冷却水回水口与所述制冷工作站的冷冻水回水管连接；转换器的冷冻水供水管与降温工作站的冷冻水进水管连接，转换器的冷冻水回水管通过下循环泵与降温工作站的冷冻水回水管连接。
所述转换器的冷冻水供水管通过下循环泵、水表及管道式除污器与降温工作站的冷冻水回水管连接。
所述压力转换工作站还包括：补水箱三，补水箱三的一端口通过管路与转换器的冷冻水回水管连接。
所述降温工作站包括：多个降温器及防爆对旋风机构成，各个降温器的进水管分别与总进水管连接，各个降温器的回水管分别与总回水管连接，各个降温器形成并联连接，各降温器之间的空隙形成风循环子系统的通风道，所述通风道的一端为进风口，所述通风道的另一端与进风口对应端设置防爆对旋风机。
所述系统进一步包括：制冷工作站设置在矿井下600米处，压力转换工作站设置在矿井下800米处，降温工作站设置在矿井下1000米处或1000米以下。
由上述本发明实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施方式通过制冷工作站、压力转换工作站和降温工作站配合构成适用于矿井的深井中降温及热能转换的系统，该系统在实现深井开采高温热害控制的同时，又实现了对热害资源化利用的目的。系统运行后所置换出的热量以水为载体(即以热水的形式)返回地表的地面工作站，通过降温工作站以风-液交换的形式进行热量的提取，最终通过向地面供热的形式完成深井中热能的充分利用，形成循环生产系统，可以大大降低深井热害控制系统的运行成本，变消耗系统为生产系统，可以取得良好的经济效益。
附图说明
图1为本发明实施例的矿井热能转换循环生产系统示意图；
图2为本发明实施例的矿井热能转换循环生产系统设置在矿井内的平面布置示意图；
图3为本发明实施例的矿井热能转换循环生产系统设置在矿井内的剖面布置示意图；
图4为本发明实施例的系统中的制冷工作站的各部件连接结构示意图；
图5为本发明实施例的系统中的制冷工作站的水源供水结构示意图
图6为本发明实施例的系统中的压力转换工作站的各部件连接结构示意图；
图7为本发明实施例的系统中的降温工作站的各部件连接结构示意图；
图8为本发明实施例的系统的各部分连接结构示意图。
图中：1-矿井涌水系统、2-制冷工作站(HEMS-I)、3-压力转换工作站(HEMS-PT)、4-降温工作站(HEMS-II)、5-降温工作面、6-泵站、7-地面工作站(HEMS-III)；
21-制冷器、22-上循环泵、23-管道式除污器、24-冷却泵、25-除沙器、26-靶式流量计、28-水表、29-软水器、220-水仓一、221-水仓二、222-补水箱一、223-补水箱二、213-下循环泵、215-补水箱三、216-高压浮球阀、218-降温器、219-防爆对旋风机。
具体实施方式
本发明实施方式提供了一种矿井热能转换循环生产系统，该系统主要由制冷工作站、压力转换工作站和降温工作站构成，制冷工作站与压力转换工作站连接形成上循环子系统，压力转换工作站与降温工作站连接形成下循环子系统，上循环子系统中的制冷工作站以矿井涌水系统排出的水为水源并从中提取冷量，并通过作为上、下循环子系统连接转换压力的压力转换工作站，使制冷工作站与降温工作站进行液-液交换，将制冷工作站提取的冷量提供给降温工作站，降温工作站通过其风循环子系统以风-液交换的形式，将深井处的热量交换到上、下循环子系统中的循环的水体中，通过水体的循环将深井处的热量返回到制冷工作站中，并通过泵站输送到地面工作站(如可以以热水的形式)，完成了深井降温的同时，将深井的热能转换利用。
为便于理解，下面结合附图和具体的实施例进行说明。
实施例
如图1所示，本实施例提供一种矿井热能转换循环生产系统，主要用于对深井中热害的控制及热能的转换利用，该系统具体包括：
制冷工作站2、压力转换工作站3、降温工作站4、地面工作站7和矿井涌水系统1构成；制冷工作站2冷量提取端与矿井涌水系统1的排水端连接，制冷工作站2的冷却水回水端通过泵站6与地面工作站7连接，制冷工作站2的冷冻水供水管及冷冻水回水管与压力转换工作站3连接构成上循环子系统，压力转换工作站3的冷冻水输出管及冷冻水回水管与降温工作站4连接构成下循环子系统，降温工作站4上设置风循环子系统，降温工作站4的风循环子系统上设有冷风输出口。
如图2、图3所示，实际中，所述系统的制冷工作站设置在矿井下600米处，压力转换工作站设置在矿井下800米处，降温工作站设置在矿井下1000米处或1000米以下。实际使用时，根据冷源工程设计，将制冷工作站(HEMS-I)布置在-600水平；压力转换工作站(HEMS-PT)布置在制冷工作站与降温工作站之间，即深井内的-800水平；降温工作站(HEMS-II)作为整个循环系统的末端设备工作站，其布置位置距离降温工作面以近为宜，一般布置在深井的-1000水平或-1000水平以下；地面工作站(HEMS-III)布置在地表，选择适当的位置进行土建工程施工即可。
上述系统主要由上循环子系统、下循环子系统及风循环子系统组成，其中上、下循环子系统是闭路循环系统，循环介质是水体，而风循环子系统设在降温工作站中是开路循环。制冷工作站(HEMS-I)根据降温工作面计算的冷负荷进行的配置，考虑系统运行过程中能量的损失，要求制冷工作站(HEMS-I)必须能够提供足够的冷量；降温工作站(HEMS-II)根据制冷工作站(HEMS-I)提供的冷量，通过冷量载体与风流进行热交换，将降温工作面5的热量置换后达到降温的效果；压力转换工作站(HEMS-PT)在系统中主要起到压力转换也就是降低设备承压的作用，因为制冷工作站(HEMS-I)与降温工作站(HEMS-II)两个工作站布置在两个不同的开拓水平，当两个水平间高差很大时所造成的高压对下水平布置的管道及相关设备的承压性能提出很高的要求，导致在设备及相应材料的选择上存在很难克服的难题，当在两者之间设置压力转换工作站(HEMS-PT)后，将系统分为上循环子系统和下循环子系统两个闭路循环，这样就将上下两个循环均控制在常规设备可以承受的压力范围内；地面工作站(HEMS-III)设置在地表，是针对井下循环子系统的回排热水，利用系统制热功能进行热能的提取与应用，其运行机制正好与井下各工作站相反。
如图4所示，上述系统中，所述制冷工作站包括：
制冷器21、上循环泵22、水仓和补水箱构成；所述制冷器21的冷却水进水口通过管路与水仓连接，水仓的进水口与矿井涌水系统的排水端连接，制冷器21的冷冻水出水口通过管路与压力转换工作站3的冷却水进水管连接，制冷器21的冷冻水回水口通过上循环泵22与压力转换工作站3的冷却水回水管连接；补水箱输出端通过管路与所述制冷工作站2的冷冻水回水管连接。
其中，所述的制冷器21为两个，所述水仓也为两个，两个制冷器的冷却水进水口通过一管路及耙式流量计26与作为中央水仓的水仓一220连接，两个制冷器的冷却水回水口通过另一管路和管道式除污器23、除沙器25及冷却泵24与水仓二221连接。
实际中，制冷工作站的水源供水示意如图5所示，矿井涌水系统以矿井涌水作为冷源。如：矿井四个水平涌水量总计135m³/h，其中设置在井下-600水平涌水量为50m³/h，占总涌水量的37％，考虑目前设置在井下-600水平西一储水仓的储水量及其位置，将井下-450水平和井下-800水平的涌水引入该储水仓，如涌水量不能满足系统运行要求，则将制冷工作站(HEMS-I)冷却水回水经由中央水仓用泵排至设置在井下-280米处的水仓，冷却后再用泵将水排至设置在井下-600米处的西一储水仓，使得冷却水循环利用，满足制冷工作站(HEMS-I)机组冷却水水量需求。
水源供水的操作要求：
a、制冷工作站(HEMS-I)冷却水回水经过设置在井下-600米处中央水仓排至-280水仓，冷却后排至-600西一储水仓是系统运行中的正常供水系统，当设置在井下-280米处的储水仓供水不能满足机组用水量需求时，立即开启设置在-800米处的水泵，将该-800水平的涌水排至-600西一储水仓，将其作为补充水源，从而保证系统的正常运行；
b、井下-80米处水源的水温低，水质好，要充分利用起来，排到设置在井下-280米处的水仓，可以改善水质，增强冷却效果。
为了保证系统用水，设置的所述补水箱为两个，两个补水箱222、223之间通过管路、管道式除污器23和软水器29连接，补水箱二223的输出端通过管路连接到所述压力转换工作站3的冷却水回水管上。
如图6中所示，上述系统中，所述压力转换工作站具体包括：
转换器212和下循环泵213构成；转换器212的冷却水进水口与所述制冷工作站2的冷冻水供水管连接，转换器212的冷却水回水口与所述制冷工作站2的冷冻水回水管连接；转换器212的冷冻水供水管与降温工作站4的冷冻水进水管连接，转换器的冷冻水回水管通过下循环泵213、水表28、管道式除污器23与降温工作站的冷冻水回水管连接。
上述的所述压力转换工作站还包括：补水箱三215，补水箱三215的一端口通过管路与压力转换器的冷冻水回水管连接，补水箱215三内设有高压浮球阀216。
如图7所示，所述系统中的降温工作站具体包括：
多个降温器218及防爆对旋风机219构成，各个降温器的进水管分别与总进水管连接，各个降温器的回水管分别与总回水管连接，各个降温器形成并联连接，各降温器之间的空隙形成风循环子系统的通风道，所述通风道的一端为进风口，进风口处设有防护网，所述通风道的另一端与进风口对应端设置防爆对旋风机219。
上述系统在实际使用中，其组成的各设备在具体布置位置要充分考虑现有矿井巷道的使用情况，尽量使用已有巷道，可针对设备布置巷道要求，对现有巷道进行扩刷改造，以减少巷道施工工作量，加快系统工程施工进度。
综上所述，本发明实施例中的矿井热能转换循环生产系统，以制冷工作站、压力转换工作站与降温工作站构成热能转换利用系统，并通过该系统组成的上循环子系统、下循环子系统和风循环子系统，充分利用矿井涌水为水源提取相应冷量，对深井处的工作面进行降温，并将交换后的热量通过循环系统中的水输送到地面，在控制深井热害的同时，有效的利用了深井的热资源。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。