跨临界二氧化碳矿井地下制冷控制系统及控制方法

本发明涉及矿井制冷，尤其涉及一种跨临界二氧化碳矿井地下制冷控制系统及控制方法。

背景技术：

1、随着经济的快速发展，对煤炭的需求持续增长，矿井开采逐渐向深部延伸。在深部开采过程中，地层温度及工作面温度呈现激增趋势，煤矿井下高温危害问题在工人健康工作、劳动生产率以及生产安全等方面的影响日益突出。许多热害矿井采掘面温度一般都超过26℃，井下一线工人长期处在高温、高湿环境中作业，这使得作业人员体能下降，易产生高温中暑、热晕、中枢神经系统失调等职业病症，无法健康高效地工作。同时，机电设备在高湿高温的地点运行时，其故障率也大大提升。因此，矿井高温既是当前亟待解决的问题，也是将来煤矿深部开采的最大制约因素之一，矿井热环境控制研究迫在眉睫。

2、现有技术中，以二氧化碳更高的制冷效率、较高的传热系数、自然储备丰富、密度高、比热和容积制冷量大、潜热和热导率高、并且无回收与后续处理问题等优势，逐渐采用二氧化碳作为制冷剂。然而，二氧化碳的相性容易变化，且对温度和压力控制较为敏感，导致二氧化碳存在不稳定性，对二氧化碳的运输和制冷控制造成较大影响。因此，如何解决二氧化碳的不稳定性并进行矿井制冷控制是目前亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明提供一种跨临界二氧化碳矿井地下制冷控制系统及控制方法，用以解决现有技术中因二氧化碳的不稳定性导致矿井制冷控制难度较大的缺陷，确保处于各组件中的二氧化碳均处于稳定状态，提高控制系统的安全性和稳定性。

2、本发明提供一种跨临界二氧化碳矿井地下制冷控制系统，包括：地上控制组件和地下控制组件，其中：

3、所述地上控制组件连接所述地下控制组件，所述地上控制组件用于调控超临界状态的液态二氧化碳的压力，并向所述地下控制组件输送所述液态二氧化碳，并接收所述地下控制组件输送的气态二氧化碳；

4、所述地下控制组件包括地下处理器，以及与所述地下处理器通信连接的下液输送组件、耦合组件、运输组件、换热组件和上气回收组件，所述下液输送组件、耦合组件、运输组件、换热组件和上气回收组件依次串联连接，且所述下液输送组件和所述上气回收组件均连接所述地上控制组件；

5、所述地下处理器用于基于液态二氧化碳的下液检测温度数据调控所述下液输送组件、基于液态二氧化碳的下液检测压力数据调控耦合组件、基于液态二氧化碳对应的运输检测温度数据调控所述运输组件、基于液态二氧化碳对应的工作温度数据调控换热组件，以及控制所述上气回收组件将制冷后的所述气态二氧化碳输送至所述地上控制组件。

6、根据本发明提供的跨临界二氧化碳矿井地下制冷控制系统，所述耦合组件包括第一三向阀、多功能耦合器和第一气液分离器，其中：

7、所述第一三向阀设置于所述下液输送组件的下液管道的出口处，且所述第一三向阀分别连接采空区、所述多功能耦合器和所述地下处理器；

8、所述多功能耦合器分别连接所述第一气液分离器、所述采空区和所述地下处理器，所述多功能耦合器用于对所述液态二氧化碳进行动能回收和喷射处理，得到第一混合二氧化碳；

9、所述第一气液分离器还连接所述运输组件，用于将所述第一混合二氧化碳进行气液分离，将分离后的液态二氧化碳传输至所述运输组件，将分离后的气态二氧化碳传输至所述多功能耦合器。

10、根据本发明提供的跨临界二氧化碳矿井地下制冷控制系统，所述下液输送组件包括下液管道、第一光缆、第一压力传感器和第一温度传感器，其中：

11、所述下液管道连接所述地上控制组件，所述下液管道用于传输处于超临界状态的液态二氧化碳；

12、所述第一光缆铺设于所述下液管道上，且所述第一光缆连接所述地下处理器，所述第一光缆用于对所述下液管道进行分布式温度传感，并于所述地下处理器进行数据传输；

13、所述第一压力传感器和第二温度传感器均连接所述地下处理器，且均设置于所述下液管道的出口处，所述第一压力传感器用于检测到达矿井地下空间的液态二氧化碳的压力，所述第一温度传感器用于检测到达矿井地下空间的液态二氧化碳的温度。

14、根据本发明提供的跨临界二氧化碳矿井地下制冷控制系统，所述运输组件包括隔断式运输管道、第二温度传感器、第二压力传感器、第二气液分离器和第一电磁阀，其中：

15、所述隔断式运输管道的入口连接所述耦合组件中第一气液分离器的出液口，且所述隔断式运输管道的出口连接所述第二气液分离器；

16、所述第二温度传感器和所述第二压力传感器均连接所述地下处理器，且均设置于所述隔断式运输管道的出口处，所述第二温度传感器用于检测到达所述矿井地下工作空间的第二混合二氧化碳的温度，所述第二压力传感器用于检测到达所述矿井地下工作空间的所述第二混合二氧化碳的压力；

17、所述第二气液分离器连接第一电磁阀和所述上气回收组件，所述第二气液分离器用于对所述第二混合二氧化碳进行气液分离，将分离得到的液态二氧化碳通过所述第一电磁阀运输至所述换热组件，将分离得到的气态二氧化碳传输至所述上气回收组件，并接收所述上气回收组件回收的液态二氧化碳；

18、所述第一电磁阀连接所述地下处理器、所述上气回收组件和换热组件，所述第一电磁阀用于接收所述地下处理器的控制指令，基于所述控制指令将分离得到的液态二氧化碳和所述上气回收组件回收的液态二氧化碳运输至换热组件。

19、根据本发明提供的跨临界二氧化碳矿井地下制冷控制系统，所述换热组件包括第三温度传感器、风机、空冷器、风速传感器、第四温度传感器和第五温度传感器，其中：

20、所述第三温度传感器连接所述运输组件中的第一电磁阀、地下处理器和空冷器，所述第三温度传感器用于检测接收的换热前液态二氧化碳的温度；

21、所述风机连接所述地下处理器，且所述风机的鼓风出风口与所述空冷器的入风口处于同一轴线上，所述风机用于向所述空冷器送风；

22、所述空冷器连接所述第五温度传感器，所述空冷器用于利用接收的液态二氧化碳对所述风机的鼓风进行制冷，并送入所述矿井地下工作空间；所述第五温度传感器连接所述地下处理器，且所述第五温度传感器用于检测换热后得到的第三混合二氧化碳的温度；

23、所述风速传感器和所述第四温度传感器均连接所述地下处理器，且均设置于所述空冷器的出风口。

24、根据本发明提供的跨临界二氧化碳矿井地下制冷控制系统，所述上气回收组件包括第三气液分离器、第二三向阀、第二电磁阀、第三压力传感器、安全阀、上气管道和第二光缆，其中：

25、所述第三气液分离器连接所述换热组件中的空冷器、所述第二三向阀和第二电磁阀，所述第三气液分离器用于对所述换热后得到的第三混合二氧化碳进行气液分离，将分离得到的液态二氧化碳通过所述第二电磁阀运输至所述空冷器，将分离得到的气态二氧化碳运输至第二三向阀；

26、所述第二三向阀连接所述地下处理器、所述采空区和所述上气管道；

27、所述第三压力传感器、所述第二光缆和所述安全阀均设置于所述上气管道上，所述第二光缆连接所述地下处理器，所述第二光缆用于对所述上气管道进行分布式温度传感器，并与所述地下处理器进行数据传输；所述第三压力传感器用于检测所述上气管道内气态二氧化碳的压力；

28、所述上气管道连接所述地上控制组件，所述上气管道用于将所述气态二氧化碳运输至所述地上控制组件。

29、根据本发明提供的跨临界二氧化碳矿井地下制冷控制系统，所述地上控制组件包括储液罐、地上控制中心和均连接所述地上控制中心的压缩机组、换热器、第三电磁阀、第四压力传感器、第六温度传感器和第四电磁阀，其中：

30、所述压缩机组连接所述上气管道和所述换热器，所述换热器还连接所述第三电磁阀和所述第四电磁阀，所述第三电磁阀还连接所述下液输送组件中的下液管道，所述第四压力传感器和所述第六温度传感器设置于所述换热器的出口处，所述第四电磁阀连接所述储液罐。

31、本发明还提供一种跨临界二氧化碳矿井地下制冷控制方法，应用于如上述任一项所述的跨临界二氧化碳矿井地下制冷控制系统，所述方法包括：

32、获取液态二氧化碳的地上检测数据，基于所述地上检测数据调控地上控制组件，得到处于地上最佳状态的所述液态二氧化碳；

33、将所述处于地上最佳状态的所述液态二氧化碳输送至矿井地下空间，基于所述液态二氧化碳对应的下液检测温度数据调控下液输送组件，得到处于第一最佳温度状态的液态二氧化碳；

34、基于所述处于第一最佳温度状态的液态二氧化碳对应的下液检测压力数据，调控耦合组件，并对所述处于第一最佳温度状态的液态二氧化碳进行动能回收和喷射处理，得到处于第一最佳压力状态的液态二氧化碳；

35、对所述处于第一最佳压力状态的液态二氧化碳进行运输，并基于所述处于第一最佳压力状态的液态二氧化碳对应的运输检测温度数据调控运输组件，得到处于第二最佳温度状态的液态二氧化碳；

36、利用所述处于第二最佳温度状态的液态二氧化碳对应的工作温度数据，调控换热组件，对矿井地下工作空间进行换热制冷，得到换热后的第三混合二氧化碳；

37、将所述第三混合二氧化碳中的气态二氧化碳输送至所述地上控制组件，并将所述第三混合二氧化碳中的液态二氧化碳回收至所述换热组件。

38、根据本发明提供的跨临界二氧化碳矿井地下制冷控制方法，所述基于所述处于第一最佳温度状态的液态二氧化碳对应的下液检测压力数据，调控耦合组件，并对所述处于第一最佳温度状态的液态二氧化碳进行动能回收和喷射处理，得到处于第一最佳压力状态的液态二氧化碳，包括：

39、获取所述处于第一最佳温度状态的液态二氧化碳对应的下液检测压力数据；

40、在所述下液检测压力数据小于预设耦合压力阈值的情况下，将所述处于第一最佳温度状态的液态二氧化碳进行动能回收和喷射处理，得到所述处于第一最佳压力状态的液态二氧化碳；

41、在所述下液检测压力数据大于或等于所述预设耦合压力阈值的情况下，控制所述耦合组件中的第一三向阀开启，以向采空区泄压，直至所述下液检测压力数据小于预设耦合压力阈值的情况下关闭所述第一三向阀，并将泄压后的液态二氧化碳进行动能回收和喷射处理，得到所述处于第一最佳压力状态的液态二氧化碳。

42、根据本发明提供的跨临界二氧化碳矿井地下制冷控制方法，所述工作温度数据包括换热前温度数据和换热后温度数据；

43、所述利用所述处于第二最佳温度状态的液态二氧化碳对应的工作温度数据，调控换热组件，对矿井地下工作空间进行换热制冷，得到换热后的第三混合二氧化碳，包括：

44、获取换热组件中风机的功率、风速传感器检测的风速数据和第四温度传感器检测的冷风温度数据；

45、基于所述风机的功率和所述风速数据，确定所述风机处于最佳运行状态；

46、在所述冷风温度数据小于预设冷风温度阈值的情况下，利用所述处于第二最佳温度状态的液态二氧化碳对矿井地下工作空间进行换热制冷，得到换热后的第三混合二氧化碳；

47、在所述冷风温度数据大于或等于所述预设冷风温度阈值的情况下，基于所述换热前温度数据和所述换热后温度数据，确定换热温度改变量；在所述换热温度改变量大于或等于温度改变量阈值的情况下，基于所述冷风温度数据与所述预设冷风温度阈值的差值调控第一电磁阀的开度，对矿井地下工作空间进行换热制冷，得到换热后的第三混合二氧化碳；在所述换热温度改变量小于所述温度改变量阈值的情况下，检修所述换热组件中的空冷器，并基于检修后的空冷器对矿井地下工作空间进行换热制冷，得到换热后的第三混合二氧化碳。

48、本发明提供的跨临界二氧化碳矿井地下制冷控制系统及控制方法，通过地上控制组件向下液输送组件输送超临界状态的液态二氧化碳，下液输送组件、耦合组件、运输组件、换热组件和上气回收组件依次串联连接，以对矿井地下工作空间进行制冷，地下处理器通过分别检测下液输送组件、耦合组件、运输组件和换热组件中液态二氧化碳的温度和压力，对各组件进行分级调控，使各组件均处于最佳运行状态，确保处于各组件中的二氧化碳均处于稳定状态，提高二氧化碳的制冷效率，实现整个控制系统的最优运行，提高控制系统的安全性和稳定性。同时，上气回收组件连接地上控制组件，将气态二氧化碳上传至地上控制组件，实现二氧化碳的循环使用，提高二氧化碳的利用率。