小紀汗煤礦風井場地乏風余熱利用系統的應用研究

葛凱

摘? 要：該文針對小紀汗煤礦乏風余熱回收系統應用過程中存在的問題進行了總結分析，小紀汗煤礦風井場地余熱資源豐富，風井出風溫度為17℃，相對濕度為85%。煤礦乏風穩定可靠，其余熱資源是乏風熱泵非常理想的低溫熱源。采用直蒸式乏風熱泵綜合能效高，乏風熱泵供熱能力5426kW，余461kW。完全可以滿足井筒保溫及采暖用熱要求。

關鍵詞：乏風? 余熱? 熱泵

小紀汗煤礦采用中央分區式，通風方法為抽出式，由主、副斜井和中央進風立井進風，中央回風立井、小蘇計回風立井回風，實現兩個綜采面兩個回風立井回風。根據各用風地點風量計算結果分析，礦井配風量為235m3/s，其中主斜井進風量為35m3/s，副斜井進風量為70m3/s，中央進風立井進風量130m3/s，中央回風立井回風135m3/s，小蘇計回風立井回風100m3/s。出風溫度為17℃，相對濕度為85%。煤礦乏風穩定可靠，其余熱資源是乏風熱泵非常理想的低溫熱源。

1? 供熱負荷計算

1.1 建筑采暖供熱負荷計算

1.1.1 負荷計算模型

根據傳熱學原理與設計規范，采用如下公式計算建筑物采暖熱負荷：

式中：Qs為建筑物采暖設計計算熱負荷（kW）;

V為建筑物體積（m3）;

K為單位體積傳熱系數（w/（m3·℃））;

tn為建筑物室內設計計算溫度（℃）;

tw為建筑物室外空氣設計計算溫度（-15℃）。

1.1.2 小紀汗煤礦建筑采暖負荷

通風機房115kW，空壓機站53kW，熱泵機房47kW，風井場建筑采暖負荷215kW。

1.2 進風井口防凍加熱負荷計算

風井場地立井進風量為130m3/s。冬季在采暖不保證期內（室外-5℃以下的時間），根據《煤炭工業礦井設計規范》（GB 50215-2015）的要求，進風井口溫度要求防凍，其進風混合溫度要求2℃，煤礦進風井口加熱負荷按下式計算：

式中：Q為進風井口防凍加熱負荷（kW）;

L為井口進風量（m3/s）;

ρ為空氣2℃時的密度（1.15kg/m3）;

Cp為空氣2℃時的定壓比熱（1.01kJ/（kg℃））;

Tj為進風井口設計溫度（2℃）;

Twp為當地冬季極端平均最低溫度（-24℃）。

根據上述計算式，可分別計算出各井加熱負荷：

2? 余熱資源及其供熱能力分析

2.1 余熱資源情況

風井場地礦井回風（乏風）余熱量及供熱能力計算具體如下。

小紀汗煤礦回風量約135m3/s，溫度按17℃，相對濕度85%;經過綜合取熱裝置后，設計排風溫度5℃，相對濕度95%計算其余熱量，具體如下。

式中：Qf為礦井回風余熱量（kW）;

L為設計回風量（135m3/s）;

ρ為回風密度（2℃/50%時1.066kg/m3）;

Hi為回風進入綜合取熱器焓值（17℃/85%時47.00kJ/kg）;

Ho為回風經綜合取熱器后焓值（設計5℃/95%時19.80kJ/kg）。

根據上式可以得出：

回風余熱量：Qf=135×1.066×（47.00-19.80）=3914（kW）。

乏風熱泵供熱能力：Qg=Qf×COP/（COP-1）=3914×3.59/（3.59-1）=5426（kW）。

乏風熱泵功耗：1512kW。

小紀汗煤礦風井場余熱供熱能力為：5426kW。

2.2 小紀汗煤礦余熱量

小紀汗煤礦風井場乏風風量為135m3/s，溫度為17℃，相當濕度85%，乏風可取熱量3914kW，乏風熱泵供熱能力5426kW。

2.3 小紀汗煤礦熱泵能效分析

小紀汗煤礦風井場乏風熱泵機組，設計制熱能效COP分別達到3.59。

3? 乏風供熱系統設計方案

風井場利用乏風余熱，采用高效傳熱和乏風熱泵供熱技術，滿足風井場冬季建筑采暖與井口防凍加熱需求，實現完全代替風井場燃煤鍋爐目標。

3.1 系統設計方案

根據前面分析計算，風井場地建筑與井口供熱負荷為4965kW（熱網損失系數1.05），其中井口加熱4514kW，建筑215kW。風井場回風余熱資源十分豐富，可采用SMMET系列煤礦專用“深焓取熱直蒸式乏風熱泵”供熱技術滿足建筑采暖與井口防凍供熱需求，具體方案如下。

3.1.1 井口加熱及建筑采暖

風井場回風擴散塔上方新建一座乏風取熱室，將SMEET專用乏風取熱箱布置在取熱室東南兩面墻上，讓礦井回風通過取熱箱，低溫熱力工質在取熱箱中換熱器內蒸發吸取乏風余熱后，經工質管道送至熱泵機房內壓縮冷凝機組內壓縮機吸氣口，通過壓縮機做功提升熱品位送至冷凝器內，熱力工質在冷凝器內散熱制備熱水，通過循環水泵送至井口加熱機組與建筑末端采暖設備。

壓風機房可以采用導風筒側壁開洞的方式，將熱風送入壓風機房，實現壓風機房采暖目的。井口房及其他建筑采用末端加熱設備，實現井口防凍與建筑采暖。

3.1.2 洗浴熱水預留

在乏風熱泵機房供熱形成的主管網，預留兩個接口（DN150），為后期洗浴熱水預留供回水接口，二期只需增加洗浴板式換熱器、循環水泵及蓄熱水箱。

3.1.3 水源、水量及水質情況

乏風余熱利用項目采用乏風熱泵加熱高溫熱水通過水泵供至各建筑末端，系統循環為閉式循環，循環水量容積約30m3，循環水為處理后的軟化水，一次性補水滿后，系統會根據閉式循環管網的壓力，壓力損失即補水，無損失不補水;系統耗水量每小時約為1%～2%。

3.2 主要設備選配

3.2.1 乏風熱泵主機設備選配

根據供熱負荷及外管工程情況，該項目選配SMMET煤礦專用“深焓取熱直蒸式乏風熱泵”機組4臺，單臺制熱能力為1350kW，

采用一臺熱泵壓縮冷凝機組“一配五”原則，選配乏風取熱箱數量，共計20臺，單臺取熱量為175kW。

3.2.2 井口加熱機組選配

為防止冬季井筒及提升設備結冰，保證礦井安全生產，根據《煤炭工業礦井設計規范》（GB 50215-2015），對該風井工業場的進風井采取防凍措施。

井口防凍按該地區冬季極端平均溫度-24℃，進風加熱負荷為4514kW，采用SMEET煤礦專用防凍型高效熱水盤管加熱機組，在進風井口旁分別設置空氣加熱專用機組，以確保井筒防凍，保證供熱效果。同時為防止停止供熱時，井口加熱器凍壞，在熱泵機組與井口加熱器之間的循環采用防凍液循環系統。

為了確保井筒內的溫度滿足生產要求，便于運行管理，節約能源，進風井空氣加熱設計選用SMEET煤礦專用防凍型空氣加熱設備共計10臺，單臺供熱量500kW，加熱系統總供熱能力為5000kW。

4? 結語

小紀汗風井場地余熱資源豐富，乏風穩定，且富余量多，采用直蒸式乏風熱泵綜合能效高，乏風熱泵供熱能力5426kW，余461kW。完全可以滿足井筒保溫及采暖用熱要求。

參考文獻

[1] 柳延超.熱泵與礦井回風余熱回收裝置耦合系統的研究[D].河北工程大學，2012.

[2] 孫冠男.礦井總回風熱能回收綜合利用研究[D].遼寧工程技術大學，2011.