煤礦井下水水源熱泵工程在唐家會煤礦的應用

摘要：唐家會煤礦通過研究煤礦廢熱資源綜合利用關鍵技術，開創了煤礦供暖一個新的技術途徑，通過礦井水水源熱泵工程建設，替代傳統鍋爐熱源，實現煤礦無鍋爐化，產煤不燒煤，減少能源消耗和二氧化碳排放，對于改變傳統供熱模式有著重要的變革意義。

關鍵詞：礦井水;熱泵;余熱利用;節能減排;綠色環保

0? ? 引言

唐家會煤礦位于準格爾煤田東孔兌普查區的西南部薛家灣鎮，礦井總體面積為35.11 km2，資源儲量8.05億t，礦井設計能力500萬t/a，后經產能核增提高至900萬t/a。

近年來，隨著國家不斷加大生態環境保護治理力度，加快解決燃煤污染問題，大幅減少、逐步取締燃煤鍋爐已是大勢所趨，這也是唐家會煤礦需要解決的問題。由于井下開采環境的特殊性，礦井常年正常涌水量400 m3/h，涌水量大，在井下水中儲存了豐富的低溫熱源，通過調研，決定建設礦井水水源熱泵工程，合理利用豐富的井下水資源，變害為寶，推動煤礦能源結構調整和綠色生態礦山建設。

1? ? 礦井水水源熱泵工程建設內容

1.1? ? 原理

礦井水水源熱泵機組利用一種液態制冷劑，在蒸發器中吸收低品位熱能后，蒸發成氣態制冷劑，然后通過壓縮機壓縮，變成高溫氣態制冷劑，隨后被送入冷凝器換熱，將制冷劑中的熱量傳遞給循環水，制冷劑在重新冷凝成液態后重新返回到蒸發器中。依此循環，重復吸熱、換熱的過程。

1.2? ? 工程簡介

唐家會煤礦在正常生產過程中由于開采時大量涌水，且地下礦井水水溫較為恒定，一般在17～21 ℃，水溫與地面氣溫有著較大的溫差，通過建設水源熱泵工程，可以對井下水中的熱量進行回收利用。通過計算和實地調研，該工程回收利用的熱量，在冬季可以滿足礦井工廠、地面建筑采暖及職工浴池用水的需求。唐家會礦污水處理站設置在井下，故只能利用處理后的礦井水熱能。

1.3? ? 工程建設方案

本工程將唐家會礦產生的礦井涌水（冬季包括洗浴廢水）排入礦井水池，抽出經過水處理裝置處理后送入熱泵機組進行熱交換，產生的熱量（冷量）用以滿足礦區采暖、空調、衣物烘干、井口防凍的熱（冷）需求。熱泵機組的外循環為礦井水和各類管道供回水，系統設計運行時，按照水源熱泵機組運行標準，設定熱泵機組冷凝器，蒸發器的外循環進出口水溫差為5 ℃，礦井水多次循環以提高提取溫差。

首先，根據唐家會礦現有資料、提出的需求以及當地氣象數據進行初步計算，將計算所得低溫熱源所提供熱量和季節所需冷、熱負荷量進行比較，做出項目可行性預判，并通過季節負荷量選出符合要求的熱泵機組。其次，根據建筑分布、管路設計布置及各用熱單位具體負荷量進行水力計算，進而選出各類水泵泵型，并繪制出熱泵系統原理圖和管路分布圖。再次，通過輔助設備選型和具體工程量進行投資計算，對比熱泵系統運行成本、電耗與原煤礦所采用的鍋爐和分體空調聯合供暖、制冷所需費用、能耗，算出節能量和國家節能補貼，得出一次性項目投資，進而計算出投資回收年限。

該工程于2018年11月下旬開始實施，2018年12月中旬對安裝好的設備進行了調試，并于12月下旬投入試運行。由試運行可知，該工程可以將水的溫度提升至45～50 ℃后，通過增壓機組送入礦井供熱系統，采暖季余熱利用系統負責行政辦公樓東側、生活區、地面污水處理站、礦井維修車間、綜采設備庫等采暖供熱，同時在非采暖季取代燃煤鍋爐為浴池制備洗浴熱水，實現了企業與環境和諧發展的運行方式，達到了節能減排、綠色環保的目標。

建筑采暖熱媒采用50/35 ℃熱水，洗浴采用40～45 ℃熱水，在采暖季需將循環水供應給供暖負荷及浴池，在現有的地面污水處理站較大中水池內設潛水泵，將中水送至熱泵機房，通過采暖用熱泵機組提熱達到排放溫度后返回較小中水池。循環水經過熱泵機組加熱后，給至新敷設的DN400管路，通過室外管道輸送至負荷區。在非采暖季循環水只供給浴池，這時在現有的地面污水處理站較大中水池內設潛水泵，將中水送至熱泵機房，通過采暖用熱泵機組提熱達到排放溫度后返回較小中水池。循環水經過熱泵機組加熱后，送入室外45 m3水箱，經給水泵給至新敷設的DN108管路，通過室外管道輸送至浴池。

2? ? 礦井水水源熱泵工程主要創新點

本工程利用熱泵技術提取礦井水的熱量，通過少量的高位電能輸入，將水的溫度提升至45～50 ℃后通過增壓機組送入礦井供熱系統，填補5 600 kW的供熱缺口，同時在非采暖季取代燃煤鍋爐為浴池制備洗浴熱水。本工程在以下幾個方面有所創新：

（1）該工程投入使用后，能提供礦井全年的職工洗浴用熱水，同時在采暖季可以額外對工廠建筑進行供暖。

（2）改進了水源熱泵機組，機組換熱效率提高10%，減少了水泵的輸送泵耗，增加了水源熱泵機組的抗結垢、抗酸堿腐蝕能力。

（3）本工程開發的控制系統，能夠根據運行環境溫度變化，自動控制該系統的制熱量，同時能針對季節變化及運行工況的變化自動切換和分配。

（4）余熱利用、鍋爐供熱系統自由切換、互為備用。

在熱泵機房室外敷設DN400供熱管道與礦井供熱系統主干管合茬，主要采用直埋局部地溝敷設，在1#閘閥井設置聯絡閘閥。正常運行時，熱泵機組負責1#閘閥井以東的辦公/生活區、地面污水處理站、礦井維修車間/綜采設備庫等采暖供熱，原有燃煤鍋爐供熱系統負責選煤廠、鐵路儲裝運系統、汽車裝車站等重點生產車間及系統采暖供熱。

當熱泵機組或燃煤鍋爐有一處出現故障不能運行時，打開1#閘閥井聯絡閥門，通過正常運行的機組或燃煤鍋爐進行全網供熱，維持管網不凍結的基礎溫度。

3? ? 安全生產效益

運行一年多以來，本工程建成后主要產生了以下安全生產效益：

（1）環保效益：工程投入使用后，能變害為利，符合國家提倡的綠色發展理念。

（2）經濟效益：項目實施后較燃煤鍋爐可大幅降低系統運行成本。唐家會煤礦此次礦井水余熱利用項目，在2018年12月31日到2019年3月20日期間（采暖季）2臺機組同時運行，為全礦供暖，可停運1臺熱水鍋爐，同時在非采暖季可以完全取代蒸汽鍋爐，實現蒸汽鍋爐全部停運，充分利用礦井余熱，滿足全礦將近一半范圍內的供暖。余熱技術與鍋爐的相互配合使用，大大節約了供暖成本，減少了廢棄污染物的排放。2019年3月20日以后，余熱利用技術徹底取代了燃煤鍋爐，為礦工浴室提供45 ℃的洗浴熱水;在冬季，提供45～50 ℃的熱水為全礦供暖，日常運行兩臺污水源熱泵機組。系統主要負責生活、辦公及輔助設施采暖，具體為單身宿舍樓、公寓樓、污水處理站、礦井維修車間、綜采設備庫、110 kV變電所、通風機房等，該部分采暖熱負荷合計5 586 kW。礦井水水源熱泵工程投入后，每年運行費用約230萬元，以往鍋爐每年運行費用約900萬元，年運行費用節約670萬元，投資回收期為1.35年。

（3）社會效益：本工程利用唐家會礦的井下余熱資源，不僅具有巨大的經濟效益和社會效益，而且在煤礦能源結構調整、綠色生態礦山建設中發揮著重要作用，為企業和環境的和諧發展做出了巨大貢獻。

4? ? 結語

本文針對礦井水水源熱泵工程在唐家會礦的應用，從工程系統原理、工程建設簡介及技術經濟分析等方面進行了詳盡闡述，同時一年多以來的運行表明，該工程能將礦井水熱能提取與水源熱泵系統使用相結合，很好地利用了低品位熱能，節約了能源，滿足了礦山用能需求，確實可以節省燃煤，實現污染物零排放。綜上所述，該項目既是環保工程，又是節能工程，經濟效益可觀，具有較高的利用價值。

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收稿日期：2020-04-20

作者簡介：李連星（1985—），男，湖南婁底人，工程師，研究方向：煤礦機電、煤礦信息化管理。