淮南某礦井降溫工程制冷機組冷凝熱利用研究

柏琳

（煤炭工業合肥設計研究院安徽合肥230041）

淮南某礦井降溫工程制冷機組冷凝熱利用研究

柏琳

（煤炭工業合肥設計研究院安徽合肥230041）

對淮南某煤礦礦井降溫工程制冷機組的冷凝熱回收利用進行研究，給出了可回收利用的規模及利用方式，對冷凝熱回收利用的節能效果進行了定量計算。

礦井降溫；冷凝熱；回收利用；節能

引言

安徽省兩淮礦區是國家煤炭工業發展“十二五”規劃重點建設的14個大型煤炭基地之一。由于緊鄰華東能源消費中心，該區內煤礦開采強度大，開采歷史長，部分煤礦采深已接近千米左右，地熱災害嚴重。為了降低熱害的影響，實現安全生產，部分煤礦已建設了降溫工程，利用制冷機組制取冷水送入井下經空冷器為礦井掘進頭和采煤工作面降溫。礦井降溫制冷規模較大，普遍的規模在12～18MW之間，部分礦井甚至達到21MW。

1　礦井降溫工程概況

淮南某礦井設計生產能力400萬t/年，一水平標高為-962m，開采水平深、地溫高、機電設備散熱量大，熱害程度嚴重。為滿足礦井正常生產時的降溫要求，礦井配套建設了18MW制冷規模的降溫工程，分兩期建設，前期建設12MW。

制冷系統設計供回水溫度為2.5℃/18℃，設計由溴化鋰吸收式冷水機組+離心式冷水機組或者離心式冷水機組+離心式冷水機組串聯的兩級制冷裝置實現。

12MW制冷規模由三個制冷單元組成，互為備用。第一制冷單元由蒸汽溴化鋰冷水機組（額定制冷量5035kW）+離心式冷水機組（額定制冷量2517kW）組成。第二制冷單元由離心式冷水機組（額定制冷量4260kW）+離心式冷水機組（額定制冷量2517kW）組成。

降溫系統全年運行，兩個制冷單元運行負荷均為6000kW，礦井投產前期夏季總制冷量為12000kW，冬季制冷量為2517W。

2　冷凝熱利用量分析

常規制冷系統主要由制冷劑循環、冷卻水循環、冷凍水循環組成。

對于吸收式制冷機，氣態的制冷劑在吸收器內被吸收劑吸收后，經溶液泵送入發生器，在發生器中吸收劑被加熱分離出制冷劑蒸氣，高壓的氣態制冷劑進入冷凝器中被冷卻水冷卻，變成高壓液體；通過節流閥，壓力降低，高壓制冷劑變成低壓液體；其后制冷劑在蒸發器內定壓（低壓）下吸收大量蒸發器里冷凍水的熱量，蒸發變成低壓的氣態制冷劑；氣態制冷劑再至吸收器中被吸收劑吸收，完成循環。

對于壓縮式制冷機，氣態的制冷劑在壓縮機內被壓縮，溫度升高、壓力增大；通過排氣管，高壓的氣態制冷劑進入冷凝器中被冷卻水冷卻，變成高壓液體；通過節流閥，壓力降低，高壓制冷劑變成低壓液體；其后制冷劑在蒸發器內定壓（低壓）下吸收大量蒸發器里冷凍水的熱量，蒸發變成低壓的氣態制冷劑；氣態制冷劑通過吸氣管路再回到壓縮機內，完成循環。

在冷卻水循環中，冷卻水在冷凝器中吸收了高溫高壓制冷劑釋放的冷凝熱后，由泵送到冷卻塔的上部噴下，與逆流（上升）的空氣進行熱濕交換，向大氣環境排放大量的冷凝熱，通常冷凝熱可達制冷量的1.15～1.3倍。

根據該礦井降溫工程制冷機組的制冷量，其可利用的冷凝熱統計見表1。由表可見，礦井投產前期，夏季降溫需運行第一和第二制冷單元，井下降溫系統的冷凝熱為19664kW，冬季運行一臺二級電制冷，冷凝熱為3039kW。

表1　制冷機組冷凝熱統計表（單位：kW）

注：吸收式溴化鋰制冷機組消耗0.4MPa的蒸汽5.39t/h，凝結水溫度90℃。

3　礦井熱負荷

該礦井用熱負荷包括工業廣場地面生產、輔助及生活福利建筑物的采暖，井筒防凍及浴室、洗衣房供熱等，總計熱負荷達到15MW左右，其中浴室洗浴熱負荷2450kW。

采暖熱媒為110～70℃的高溫水。井筒防凍、浴室及洗衣房供熱熱媒為0.4MPa的飽和蒸汽。該礦目前共設有3臺SZL10-1.25-AⅡ型蒸汽鍋爐，冬季3臺運行，夏季1臺蒸汽鍋爐運行。建筑物采暖用110℃的熱水由1套MEJQN-7MW模塊換熱機組供給。礦井工廣室外供熱管網分采暖、井筒防凍供熱以及浴室、洗衣房與食堂供熱4個獨立系統，呈樹枝狀布置。井筒防凍和浴室、洗衣房供熱分別采用專管供給，其井筒防凍供熱的凝結水自流至鍋爐房凝結水箱。

4　利用冷凝熱供熱方案研究和實施

目前制冷機組冷凝熱回收的可行方式主要有以下兩種：①排氣熱回收，以壓縮機出口高溫氣態冷媒作為熱源；②冷卻水熱回收，以出冷凝器的冷卻水作為熱源。

排氣熱回收在壓縮機和冷凝器之間加一個熱回收器（熱回收冷凝器），從壓縮機出口的58～90℃的高溫氣態冷媒被生活用水直接冷卻，而熱回收器出口的制冷劑的狀態是氣液混合物或者氣態，剩余廢熱仍進入制冷機的冷凝器由冷卻水吸收并經冷卻塔排放。該技術可根據要求直接回收制冷機組的蒸汽顯熱或顯熱加部分潛熱來加熱生活用水到指定溫度。

冷卻水熱回收在原有的冷卻水管路中增加一路分支，并把該分支接入熱泵系統的蒸發器，以利用熱泵產生溫度較高的熱水。由于制冷機組的冷卻水出水溫度較低，一般在30～40℃左右，供回水溫差4～7℃，屬于低品位熱能，想要充分回收冷凝熱必須利用高溫水源熱泵技術。

相比排氣熱回收技術，冷卻水熱回收技術無需對制冷機組內部結構進行改造，只改動其冷卻水系統，對工程項目的適應性較強，且對冷凝熱回收比例調節較為靈活，必要時可回收100%的冷凝熱。因此在工程實施中，該礦井制冷機組冷凝熱的利用采用冷卻水熱回收技術。

該礦井井下降溫冷負荷隨季節變化較大，冬季負荷小，冷凝熱少，無法同時滿足洗浴用水和民用建筑采暖負荷。洗浴用水對水溫要求較低，熱泵機組出水溫度低有利于提高機組的能效比，節能效果好。因此從供熱可靠性方面考慮，該礦井冷凝熱利用僅考慮四季利用冷凝熱供浴室洗浴用熱水。

在該礦井的冷凝熱回收供熱方案中，采用2臺制熱量為1315kW的水源熱泵機組。熱源側利用井下降溫制冷機組18～ 38℃的冷凝器出水。在機房內設2臺150m3的不銹鋼保溫熱水箱和3臺熱水循環泵（2用1備）。熱水在熱水箱與水源熱泵機組之間循環，直至水箱內水溫度達到45℃，再啟動熱水輸送泵將熱水箱內熱水送至浴室。

5　節能效果分析

按照洗浴熱負荷2450kW計算，一個班次持續加熱5h，總計耗熱量為44100000kJ。這部分熱量若采用燃煤蒸汽鍋爐提供，鍋爐房效率取70%，標煤耗量約為2152kg。

利用回收的制冷機組冷凝熱經水源熱泵機組供熱，僅熱泵機組、循環水泵需要消耗電功率。冷凝熱回收方案中，兩臺水源熱泵機組制熱量1315kW，輸入功率238kW，兩臺熱水循環泵電機功率18.5kW，一臺熱水輸送泵電機功率45kW，總電功率為558kW，設計運行5h滿足供熱要求，則消耗電能2790kWh。每度電按2013年中電聯公布的全國供電標準煤321g/kWh計，共消耗標煤896kg，與燃煤鍋爐相比，每個班次可節約標準煤1256kg。

6　結語

制冷機組的廣泛應用促進了生產、生活條件的改善。但是在獲得冷量的同時，大量的冷凝熱直接排入大氣，白白散失掉，造成較大的能源浪費，這些熱量的散發又使周圍環境溫度升高，造成嚴重的環境熱污染。若將制冷機放出的冷凝熱予以回收用來加熱生活熱水和生產工藝熱水，不但可以減少冷凝熱對環境造成的污染，而且還是一種變廢為寶的節能方法。

[1]劉存玉，岳豐田，趙和凡，魏京勝，高濤，吳學慧.多功能制冷機組在礦井降溫與余熱回收中的應用[J].煤礦安全，2013，44（6）：129～132.

[3]朱德斌，胡益雄，唐偉偉.冷凝熱回收熱水系統的應用研究[J].建筑熱能通風空調，2013，32（5）：50～52.

[3]于連濤，林宇清.冷凝熱回收型制冷機組在住宅類建筑中的適用性研究[J].制冷與空調，2011，11（6）：82～85.

TD727

A

1673-0038（2015）14-0108-02

2015-3-18

柏琳（1980-），男，工程師，本科，主要從事熱能動力設計工作。