循环冷却水系统在胶带输送机中的应用
时间：2023-04-18 14:25:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
郭洪丽
（潞安化工集团有限公司五阳煤矿，山西 长治 046200）
在五阳煤矿井下主运输系统中，75%的主运输胶带输送机冷却系统是水冷模式，但冷却水未实现循环水再利用，只使用一次后就直接排放。使用过的冷却水经过排水管直接排至井下水仓，由井下水仓水泵提升至地面污水站进行处理，增加污水站废水处理负担和电能消耗，浪费水资源。为达到矿井节能降耗、节约水资源的目的，以五阳煤矿主2#皮带主运输胶带输送机为例，对主2#皮带胶带输送机的冷却水系统进行改造，实现冷却水循环再利用，摸索一条切实可行的节水之路，起到节能降耗的作用。
1）全矿井下主运输系统胶带输送机75%的胶带输送机电动机、减速机采用水冷模式降温，降温效果较差，导致设备故障频出，影响生产。
2）因采用水冷直排方式，每天每部胶带输送机运输系统排放冷却水单台用水2 m3/h，运行时间约18 h/d，单台水耗约36 m3/d，全年直排水11 880 m3，这些废水都要经排水管排至井下水仓，大大增加了矿井排水系统的压力。
3）从成本角度来说，静压水通过地面供至井下费用约1.5元/m3，冷却水流入水仓再提升上井及处理费用约4元/m3，综合单台胶带输送机冷却费用约198元/天。目前水冷机组有32台，冷却费用约6 336元/天，造成很大成本负担和资源浪费。
4）冷却系统属于单向直流冷却，冷却水处于长开状态，冷却水从静压水管流出，通过胶带输送机电动机、减速机自身携带的冷却箱体后直接排放至井下水仓，造成现场环境潮湿、脏乱，不但浪费大量水资源，而且还因潮湿的环境造成设备锈蚀老化，造成安全隐患多、维护成本高等问题［1］。而且，水流中携带大量煤泥、粉尘进入水仓，为矿井排水带来安全隐患。
5）冷却水经排水管道排至水仓送回地面进行处理，排放的水需要通过水泵提升到地面，在使用过程中直排的水与煤粉、杂质混合在一起流入水仓形成废水，废水由井下水仓水泵提升至地面污水站，增加了地面污水处理站污水的处理负担，而且泵排废水和处理废水还需要耗费大量电能，造成资源的二次浪费。
2.1 循环冷却水系统原理
循环冷却水系统是以水作为冷却介质，并循环使用的一种冷却水系统。循环冷却水系统是指冷却水换热并经降温，再循环使用的给水系统，包括敞开式和密闭式两种类型。井下的胶带输送机常采用密闭式的冷却水循环系统，它通过胶带输送机减速机自带的冷却水箱体冷却进行降温。封闭式冷却水循环系统采用封闭式冷却设备（如减速机冷却箱体），循环水在管中流动，管外通常用风散热。循环冷却水系统主要由冷却设备、水泵和管道组成。冷水流过需要降温的换热设备（如冷却水箱、换热器等）后，温度上升，如果即行排放，冷水只用一次（称直流冷却水系统），使升温冷水流过冷却设备则水温回降，可用循环泵送回换热设备再次使用，冷水的用量大大降低，一般可节约95%以上。冷却水占胶带输送机用水量的70%左右，因此，循环冷却水系统主要起到胶带输送机节约大量用水的作用。
从冷却水箱流出来的较低温度的冷却水，经循环水泵加压后送入电机、减速机，带走电机、减速机运转产生的热量后，温度升高了，然后被送到散热器上进行散热。由于散热器散热片的降温作用，使冷却水在散热过程中，不断与巷道内空气发生热交换而冷却，冷却后的水进入冷却水箱中，然后再次被循环泵加压后进入下一个循环。这是一个热量交换的过程。
2.2 系统设计
（1）系统组成
以主2#皮带胶带输送机的电机、减速机为例，防爆型水冷电机定子外壳设计有冷却水套，冷却水由水泵从冷却水箱中抽出，经过管路流入电动机、减速机入水口，冷却水在设备管径中快速循环，最后从出水口排出，再通过管道流入冷却水箱中，完成一个周期的循环，从而将胶带输送机电机、减速机运行产生的热量迅速带走，防止机器过热损害，起到对机身的保护作用。
对主2#皮带胶带输送机机组进行水冷散热系统分析研究，设计出一套适用的冷却水闭路循环系统，它以足够的冷却箱体，实现了电机、减速机冷却水循环利用。根据机组热量传递原理，计算出冷却箱体的尺寸及外形。冷却闭路循环系统设备主要包括：封闭式固定冷却水箱（6～10 m3容积）、循环水泵（单台功率2 kW，一用一备）、过滤器、散热器、连接胶带输送机电机、减速机管件阀门、电控开关等。改进后的主2#皮带胶带输送机冷却水自动循环系统，主要由循环水泵（2台，一用一备）、封闭式固定冷却水箱、冷却水散热器、连接电机、减速机、冷却水箱、散热器的管件、电控开关等组成如图1所示。
图1 冷却水自动循环系统
①冷却水箱
改造前的冷却系统一直沿用水冷直排方式，由主供水管路引出一根进水管，经过胶带输送机电机、减速机自身携带的冷却设备后直接排至主2#皮带胶带巷水沟内。研究初期重点是将直排式冷却水系统改成循环式冷却水系统，中间增加一个冷却水箱用于储存循环冷却水。经过实践，这种循环设计可以减少水资源的浪费，提升冷却效果。
经过多次改进，将冷却水循环系统分成了两级，一级冷却，从被冷却电机、减速机设备流出的高温水与矿井主供水管路中的冷却水进行交换，对高温水进行一次降温。二级冷却，经过一级冷却设备的循环水流入二级冷却水箱内，水箱里的水在二级冷却循环水泵的作用下不断通过冷却水散热器进行循环散热，使冷却水温度快速下降。为了达到一个较好的冷却效果，二级冷却的散热器采用了暖气片的散热原理，可以达到更好地冷却效果，以保证整套循环设备的正常运行。
考虑到冷却水循环系统中有可能发生循环水流失问题，在冷却水箱上安设了水位观测管，通过水位观测管观测水量的变化，对水量情况及时进行增补。水位观测管上安装有过滤网，可避灾杂质和灰尘落入系统。冷却水箱上还设有透气孔和放水阀，可以随时根据胶带运输机冷却水系统的运行情况、冷却水水箱水量情况，及时给冷却系统进行补水和散热。
②循环水泵
循环水泵是胶带输送机冷却水循环系统的动力来源，采用管道离心泵。该胶带输送机冷却水系统循环水泵由2台2 kW的压力泵组成，一用一备。当冷却水经过胶带输送机电机、减速机自身的冷却箱体后，由循环水泵将冷却水压入冷却水箱，从而实现冷却水循环再利用。
③冷却水过滤器
为了解决胶带输送机矿井用水水质差，容易堵塞腐蚀管路的问题，在新的循环冷却水系统中加入了进水过滤器，并在循环水路中的冷却水箱中增加了带有过滤网的过滤器。对流入冷却水循环系统的一般生产用水进行过滤净化，大大降低了因水质问题造成的系统故障。
④冷却水散热器
冷却水散热器是冷却水循环系统将热能转移的设备，冷却水散热器将热能由内部系统转移到外部系统。冷却水经过胶带输送机电机、减速机自带的冷却箱体后进入冷却水散热器进行降温，然后流入冷却水箱，由循环泵进行抽吸后经过冷却水散热器散热进入电机、减速机。冷却水散热器将冷却水通过散热片的形式将热能传导释放到巷道风流中排出。冷却水散热器，将热能转移到巷道空气中，从而降低循环冷却水本身温度。
⑤冷却水连接管件
冷却水连接管件是将冷却水箱、冷却水散热器和循环水泵连接成一个系统的管路，主要起循环水流动、分配的作用。它的长短、粗细和高低、管材决定了沿程压力损失和管件的压力损失，它的选择与循环水泵的流量、扬程有关，材质宜采用不锈钢钢材。
（2）循环过程
上述循环冷却水系统设备与电机、减速机形成一个冷却水闭路循环系统，通过循环泵抽吸的作用，冷却水在冷却水箱中抽出，经过电机、减速机，通过设备管路散热片进行散热，再次进入冷却水箱，完成一个循环，从而实现冷却水循环利用，最终达到为主2#皮带胶带输送机电机、减速机降温的目的。
当冷却水箱水位较低时，可以通过静压水管、冷却水箱水位观测管进行补水，能保证设备在高负荷运力和炎热天气下的安全稳定运行［2］。
2.3 冷却水耗能计算（直排式）
（1）电动机发热量计算。电动机温度升高的主要原因是运行中的电动机铁芯处在交变磁场中产生铁损，绕组通电后铜损，还有其他杂散损耗及机械摩擦损耗等，这些都会使电动机温度升高［3］。电动机的损耗可以用电机额定功率的10%进行估算。主2#皮带胶带输送机的电动机额定功率400 kW/台，单台损耗近似为40 kW/台。
（2）冷却水水量计算。通过主2#皮带胶带运输机电动机实际测算，根据进出水的温度差为17℃。单台400 kW电动机1小时产生的热量计算如下：
式中：Q为发热量（J）,单台损耗近似为Q=Pt=40 kJ/s×3 600 s=1.44×108J；
Cp为冷却介质的 定压比热（J/kg℃），水为4.2×103J/kg℃；
P为冷却介质的比重（kg/m3），为1.0×103kg/m3；
V为冷却介质体积（m3）,即为所需冷却水量；
ΔT=T2-T1为冷却介质进出温度差（℃），为17℃。
通过公式（1）可知，单台400 kW电动机1小时产生的热量所需冷却水水量的计算如下：
通过公式（2）可得出单台400 kW电动机1小时所需冷却水水量为2 m3。每部胶带运输机运行时间约18小时/天，单台水耗约36 m3/d。静压水通过地面供至井下费用约1.5元/m3，冷却水流水仓提升上井及处理费用约4元/m3，综合单台皮带机冷却费用约198元/天。
3.1 经济分析
从经济上来看，胶带输送机冷却系统单台胶带运输机节约冷却水36 m3/d，单台节约冷却成本198元/天。全年胶带输送机按330天运行、每天运行18小时核算，仅主2#皮带胶带运输机一部皮带，单台胶带运输机机组节约冷却成本约65 340元。目前全矿胶带输送机水冷机组有32台，冷却费用约6 336元/天，造成极大成本负担和资源浪费。井下胶带输送机组全部安装冷却水循环系统后，全年可节约冷却成本约209.1万元。
3.2 效益分析
从效益上看，改进后的主2#皮带胶带输送机冷却水循环系统，它通过增加冷却箱体，实现了电机、减速机冷却水循环利用，减少了冷却水排至水仓、再由排水泵提升上井的废水处理费用和电能消耗，大大提高胶带输送机冷却水系统的使用效率，不仅节省了大量水资源，而且还解决了工作现场潮湿脏乱的问题，同时改善了胶带输送机冷却系统设备冷却效果，降低了设备故障率，实现了节能降耗。
通过技术改进，既改善了胶带输送机电机、减速机冷却系统冷却效果，实现了冷却水循环利用，又取得了良好的经济效益，同时还节约了电能消耗，减少了废水的处理费用，为矿井的安全生产、稳定运行提供了强有力保障。
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