豪顿应邀调查和设计一套节能的冷却系统，通过使用硬冰冷却技术来降低回水泵送成本。

介绍

近年来，矿业等工业用户的电力成本稳步上升，现在已经到了冷却深矿的成本威胁到经济生存能力的地步。随着矿山开采深度的增加，岩石温度的升高和工作条件变得更不可持续，现在需要创新的冷却技术。

豪顿的所有解决方案都是量身定制的，以完美地适应各种应用，目的是以最低的成本实现最佳性能。

挑战

姆波能是南非最深的矿之一，地表以下3.5公里处的原始岩石温度高达54.5摄氏度。为了使矿工能够在可接受的温度下工作，环境空气必须冷却到28˚C湿球温度。

到目前为止，一直使用的是冷却空气和/或水，但对姆波能矿来说，冰是他们深层采矿作业的一个很好的选择。使用冰冷却系统（冷却深矿技术中的一种）的理由很充分，因为它可以节省抽水能耗，但到目前为止，它在经济上还没有得到证明。

然而，一旦矿井深度达到1500米至2000米，更倾向于使用冰，因为在地下安装更多的散热机械的能力受限，抽水成本变得非常高。冰冷却比水基系统更节能，每1千克/秒的冰提供相当于5升/秒的冷冻水的冷却能力，节省大约75%-80%的泵送成本。

计划加深姆波能矿，以维持生产水平并延长该矿的寿命，因为目前深度的产量开始下降。该矿目前的制冷装机容量超过100兆瓦(R)。深化工程需要增加40 MW(R)的制冷能力。对于传统的冷水机和真空制冰装置，这将产生巨大的回水泵送成本。

深化工程一期于2009年开始，深度为3.8公里。豪顿项目部应邀调查和设计一套节能的冷却系统，通过使用硬冰冷却技术来降低回水泵送成本。豪顿随后接到订单，根据最终要求的40兆瓦(R)制冷量，为一期工程提供一套标称10兆瓦(R)的制冰装置。根据AngloGold Ashanti的技术规范，我们能够提供包括设计、供应、安装和调试在内的硬冰装置交钥匙工程。

解决方案

经过充分的调查，豪顿证实了使用硬冰技术在回水泵送上将节省巨大的电力和成本。

硬冰优势和能源效率 用制冰机在地表制冰，送到矿井的冰坝中，然后通过空气冷却器将冷融水循环，这比传统的冷冻水制冷系统更节能，因为一公斤冰的潜热容量意味着它可以吸收比一公斤冷水更多的热量。这大大节省了运营成本。一旦冰融化，水仍然需要被泵送回地面，但量要少得多，泵送成本也减少到不到冷冻水制冷系统成本的四分之一。一般来说，硬冰与水的质量流率之比为1:5。

水变成冰的比例也很重要。真空冰的冰质量分数只能达到60%，而硬冰的冰质量分数在93%到98%之间，具体取决于水质。冰质量分数越低就意味着要完成相同的冷却任务需要送到地下越多的冰，从而增加了回水量和泵送成本。一般来说，硬冰与真空冰的质量流率之比为1:1.35。

虽然制冰装置的资本支出比传统的制冷装置稍贵，但较低的运营成本会抵消初期的投资，尤其是更少的水带来的抽水成本降低和更有效的低温地下冷却。

C.O.P. (Coefficient of Performance) 性能系数C.O.P. 在评价冷却系统时，必须考虑整个冷却回路的性能系数。例如，如果仅从制冰量方面比较真空制冰装置和硬冰装置，则真空制冰装置的性能系数要高于硬冰装置。然而，真空制冰的冰质量分数(imf)为60%，而硬冰的冰质量分数为93%至98%。这意味着真空制冰中多余的水必须被泵回地表，对于深度在1000到1500米的范围，性能系数的对比更偏向于使用硬冰。在评估融冰坝冷却能力的总体性能系数时，还应考虑每1000米能量损失9.79 kJ/kg的焦耳-汤普森(自压缩)效应。

优势：硬冰与冷水对比

与传统的冷水机组相比，硬冰系统每年可节省6788千瓦时(或446万美元)的泵送电耗。自压缩效应造成的冷却损失比例在水系统中比在硬冰系统中(在4000米处50%的冷却负荷)要高几个数量级。这清楚地表明，如果以井筒底部可用的冷却作为标准，冰系统在经济上无论对浅热矿还是深矿都具有吸引力。

优势：硬冰与真空冰对比

与真空制冰装置相比，硬冰系统每年可节省581千瓦(或38万美元)的泵送能耗。20年总共可节省760万美元。自压缩效应造成的冷却损失百分比，真空冰为13%，而硬冰为9%。