煤礦多熱源余熱利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

溫小萍，胡 強(qiáng)，馬尚禎

（1.河南理工大學(xué)，河南 焦作454000；2.河南能源化工集團(tuán)鶴煤公司 陜西富源煤業(yè)有限公司，陜西 延安727502）

1 概述

隨著國(guó)家環(huán)保政策實(shí)施力度加大，燃煤鍋爐已經(jīng)禁止使用，在此背景下，煤礦供熱系統(tǒng)改造勢(shì)在必行[1]。另一方面，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步和發(fā)展，我國(guó)的煤礦企業(yè)的發(fā)展也取得了一定的進(jìn)步[2]。作為當(dāng)今世界第一產(chǎn)煤大國(guó)，我國(guó)煤炭企業(yè)近年來面臨著巨大的挑戰(zhàn)，尤其受到國(guó)內(nèi)投入過快、產(chǎn)能過剩及煤炭供應(yīng)繼續(xù)收縮等因素的影響，煤炭生產(chǎn)企業(yè)盈利能力下降。同時(shí)，依據(jù)我國(guó)《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》《工業(yè)領(lǐng)域煤炭清潔高效利用行動(dòng)計(jì)劃》等文件精神，節(jié)能減排已經(jīng)納入中國(guó)的法律當(dāng)中，目前是世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一項(xiàng)長(zhǎng)期的戰(zhàn)略性政策，也是促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的戰(zhàn)略方針[3-4]。

煤礦現(xiàn)在基本上已經(jīng)淘汰10 噸及以下燃煤鍋爐，以及禁止新建20 噸以下的燃煤鍋爐。全面整治燃煤小鍋爐是我國(guó)大氣污染防治、煤炭清潔高效利用的重要舉措。在面臨“煤改電、煤改氣”的大背景下，煤炭企業(yè)不僅要尋求“開源”，更需要考慮“節(jié)流”，加強(qiáng)對(duì)能源高效利用和節(jié)約控制顯得尤為重要。為了深入貫徹國(guó)家政府節(jié)能減排相關(guān)政策，積極響應(yīng)集團(tuán)公司節(jié)能提效的號(hào)召。煤礦在保障生產(chǎn)安全和產(chǎn)能前提下，經(jīng)多方調(diào)研和研討，擬通過深入挖掘生產(chǎn)技術(shù)潛力，申請(qǐng)并實(shí)施煤礦余熱利用改造項(xiàng)目，以進(jìn)一步減少生產(chǎn)及礦工生活過程中的能源消耗，在促進(jìn)礦井安全生產(chǎn)、節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境等方面具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[5]。

2 多熱源余熱利用系統(tǒng)方案

2.1 技術(shù)比選

礦區(qū)余熱資源屬于低溫余熱，高效利用上述低溫余熱，提升其熱能品質(zhì)并加以有效利用是本項(xiàng)目的關(guān)鍵所在。熱泵是一種以消耗少量電能為代價(jià)，能將大量不能直接利用的低溫?zé)崮茏優(yōu)橛杏玫母邷責(zé)崮艿难b置。在諸多低溫余熱裝置中有節(jié)能效率高、設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)，同時(shí)在運(yùn)用方面也是最為廣泛。通常情況下，熱泵機(jī)組的能效比在4-6，也就是說輸入1kW 電能可以得到4-6kW 的熱能或冷能，與燃煤鍋爐相比，系統(tǒng)在節(jié)能方面可達(dá)到40%以上。太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)是利用轉(zhuǎn)換技術(shù)將光能轉(zhuǎn)換為熱能，再制備熱水進(jìn)行供熱。太陽(yáng)能具有可以解決一次性能源短缺問題的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具有可以保護(hù)環(huán)境的節(jié)能特點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于我們的生活中。但是太陽(yáng)能也存在一些缺點(diǎn)，如具有能源分散，氣候狀況不穩(wěn)定等因素，因此設(shè)計(jì)多熱源余熱利用系統(tǒng)時(shí)要充分的考慮到可以吸收更多的太陽(yáng)能，最大程度的儲(chǔ)存能量，以及對(duì)常規(guī)性能源輔助加熱等一系列功能。在煤礦應(yīng)用時(shí)，采用低溫廢熱回收熱泵供熱、太陽(yáng)能集熱技術(shù)可以替代燃煤鍋爐，可以實(shí)現(xiàn)供熱無污染物排放，清潔高效節(jié)能。

2.2 多熱源余熱利用系統(tǒng)原理

礦區(qū)余熱綜合利用項(xiàng)目的研究與應(yīng)用是一次煤炭能源企業(yè)打破傳統(tǒng)思維模式，自我革新解放思想過程[6]。為實(shí)現(xiàn)良好的熱水供應(yīng)效果，結(jié)合瓦斯泵站、空壓機(jī)房的實(shí)際運(yùn)行情況和當(dāng)?shù)厝照諘r(shí)長(zhǎng)，可采用一套空氣源熱泵、一套水源熱泵和一套太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)。其中，水源熱泵和太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)供水管道沿原有架空管線布置，后續(xù)布置進(jìn)管溝的方案，可以避免土建工程，且熱水管道在管溝中的熱損失較少，可以有效節(jié)約輸送過程中的熱能消耗。空壓機(jī)房排出的風(fēng)流溫度為42℃，風(fēng)量為22800m3/h，利用空氣源熱泵回收該處風(fēng)流中的熱量；瓦斯泵站的循環(huán)水出水溫度為36℃，水量為18m3/h，利用水源熱泵提取循環(huán)水中的熱量；瓦斯泵站附近地勢(shì)較高（標(biāo)高+1166m），周圍無建筑物遮擋，可以獲得最為豐富的太陽(yáng)能。此外，從瓦斯泵站循環(huán)冷卻水中取熱的同時(shí)，將極大程度降低瓦斯泵站回流的冷卻水溫度，有利于瓦斯泵站機(jī)組的冷卻降溫。

2.3 多熱源余熱利用系統(tǒng)工藝流程

在瓦斯抽采泵站旁邊設(shè)置水源熱泵機(jī)房（標(biāo)高+1148m）和太陽(yáng)能集熱站（標(biāo)高+1166m），集熱面積200m2。冬季時(shí)，自來水補(bǔ)水先經(jīng)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)預(yù)熱，后送入高位蓄熱水池，由水源熱泵進(jìn)行二次加熱至55℃；夏季時(shí)，自來水先由太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)加熱至55℃，后送入高位蓄熱水池，熱水再經(jīng)保溫管道輸送至用水區(qū)蓄水箱和水池。為減少輸送過程的熱量損失，供熱水管道做保溫處理。其中在水源熱泵側(cè)采用混水技術(shù)，在不影響瓦斯泵站原有冷卻水系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)上，將原泵站冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行分流取熱，之后再將低溫的冷水與冷卻塔處理后的水混合，進(jìn)一步降低進(jìn)入泵站的水溫，保證生產(chǎn)作業(yè)穩(wěn)定性的同時(shí)，提高了機(jī)組的冷卻效率。

在空壓機(jī)房旁設(shè)置空氣源熱泵機(jī)組，若空壓機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)，自來水經(jīng)空氣源熱泵制出55℃熱水，然后經(jīng)由保溫管道輸送至用水區(qū)蓄水箱。為減少輸送過程的熱量損失，熱水的供水管道做保溫處理。另一方面控制系統(tǒng)根據(jù)用戶用水特點(diǎn)，在用戶側(cè)原有40m3蓄水箱基礎(chǔ)上，可自動(dòng)調(diào)節(jié)并供應(yīng)40m3增補(bǔ)熱水，保證熱水供應(yīng)量滿足每班工人最大用水需求。此外，設(shè)置有手動(dòng)啟/停單個(gè)熱源取熱設(shè)備功能，并可根據(jù)冬夏季用水溫度需求，對(duì)空氣源、水源熱泵進(jìn)行獨(dú)立溫度調(diào)節(jié)。

2.4 多熱源余熱利用系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

（1）系統(tǒng)取熱以水源熱泵和空氣源熱泵為主，設(shè)計(jì)時(shí)考慮了太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)取熱的不穩(wěn)定性，要求水源熱泵和空氣源熱泵能滿足用水量需求，其中水源熱泵機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行，維持進(jìn)入瓦斯泵站的循環(huán)冷卻水溫度恒定（低于14℃），有效降低了循環(huán)冷卻水的溫度；（2）空氣源熱泵可匹配空壓機(jī)工作時(shí)段自動(dòng)啟動(dòng)/停機(jī)，也可根據(jù)用戶側(cè)水箱低水位反饋信號(hào)開機(jī)運(yùn)行，提取周圍空氣中的熱量制取55℃熱水；（3）太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)作為補(bǔ)充熱源，在用水高峰時(shí)及時(shí)提供熱水補(bǔ)償，在保證清潔取熱的同時(shí)滿足用水峰值的流量，同時(shí)在冬季還可對(duì)進(jìn)入高位蓄水池的自來水進(jìn)行預(yù)熱處理；（4）兩個(gè)高位蓄熱水池具有較大容積，可在對(duì)用戶側(cè)蓄水箱進(jìn)行熱水補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)直供淋浴用水。

整個(gè)系統(tǒng)的工作原理如圖1 所示。

3 多熱源余熱利用控制系統(tǒng)

3.1 水源熱泵系統(tǒng)控制原則

水源熱泵優(yōu)先運(yùn)行，其在管路布置及控制邏輯上必須與冷卻塔必須實(shí)現(xiàn)三種模式：

（1）正常模式。在一般工況下，水源主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，來自真空泵的熱水一般情況下到主機(jī)進(jìn)行熱量提取。

（2）冷卻塔和水源主機(jī)串聯(lián)模式。在一些極端工況下，熱量無法被單一冷卻時(shí)。需要切換到冷卻塔和主機(jī)串聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)模式。來自瓦斯泵的熱水經(jīng)過冷卻塔后再經(jīng)過主機(jī)。

（3）故障模式。主機(jī)維修、檢修或維保期間，能無縫切換到冷卻塔冷卻，確保瓦斯泵的運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.2 太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)控制原則

（1）在太陽(yáng)能集熱器設(shè)置溫度傳感器，由其控制電磁閥。當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度后電磁閥打開將水補(bǔ)到中轉(zhuǎn)水箱。水箱水溫達(dá)到一定水位及溫度后，泵到洗浴水箱。

（2）在陽(yáng)光不足或氣溫過低時(shí)，切換太陽(yáng)能系統(tǒng)為預(yù)熱水溫裝置，送至高位蓄熱水池，由水源熱泵二次加熱。

（3）設(shè)定溫度傳感器，考慮使用瓦斯泵的來水對(duì)自來水補(bǔ)水進(jìn)行預(yù)熱。

（4）整個(gè)系統(tǒng)的補(bǔ)水，優(yōu)先考慮由太陽(yáng)能及預(yù)熱后的自來水進(jìn)行補(bǔ)充。

3.3 空氣源熱泵的控制原則

（1）根據(jù)水源熱泵及太陽(yáng)的運(yùn)行情況預(yù)運(yùn)算，如果預(yù)計(jì)不能滿足要求，則提前開啟空氣源熱泵。

（2）根據(jù)用戶側(cè)蓄水箱低液位信號(hào)反饋，開啟空氣源熱泵制取熱水。

圖1 煤礦余熱利用系統(tǒng)工作原理

4 多熱源余熱利用系統(tǒng)設(shè)備選型

余熱利用系統(tǒng)主要由空氣源熱泵機(jī)組、水源熱泵機(jī)組、太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)、熱水供回水系統(tǒng)組成。

4.1 熱泵機(jī)組和太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)選型

根據(jù)需熱量及熱泵和太陽(yáng)能機(jī)組調(diào)研結(jié)果[7-9]，結(jié)合煤礦實(shí)際建筑分布情況，采用1 臺(tái)空氣源熱泵機(jī)組，1 臺(tái)水源熱泵機(jī)組和1 套200m2太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)。水源熱泵系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)可將高位蓄熱水池的水溫維持在55℃，空氣源熱泵可將自來水直接加熱到55℃；太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)可將10℃來水加熱至55℃，冬季每天產(chǎn)生10t 熱水，直接供給高位蓄熱水池。因設(shè)計(jì)方案在水源側(cè)采用了混水技術(shù)，在確保蒸發(fā)器流量的前提下，可提取更多熱量，理論取熱最大功率為648kW。

4.2 熱水供水系統(tǒng)

水源熱泵和太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)制出的熱水開式直供用戶側(cè)，系統(tǒng)由電磁閥、管件、水泵、高位蓄熱水池及管道組成。供水系統(tǒng)流程如下：自來水補(bǔ)水→太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)預(yù)熱→高位蓄熱水池→水源熱泵再熱→水泵→供水管路→用戶側(cè)蓄水箱/水池。

空氣源熱泵采用開式直供方式，由電磁閥、管件、水泵及管道組成，供水系統(tǒng)流程如下：自來水補(bǔ)水→空氣源熱泵加熱→水泵→供水管路→用戶側(cè)蓄水箱/水池。

開式循環(huán)具有換熱損失少、及時(shí)補(bǔ)償用水需求、節(jié)約管材和管件等優(yōu)點(diǎn)，具體如下：（1）開式系統(tǒng)沒有末端換熱器，避免了換熱時(shí)的熱量損失；（2）開式系統(tǒng)可及時(shí)保證用戶側(cè)需求，隨時(shí)補(bǔ)償；（3）開式系統(tǒng)采用單程供水方式，可以減少管路敷設(shè)用量，閥門、水泵等管件需求量少。

水管路分別由DN150、DN65 以及DN50 供水管組成，其中DN150、DN65 為水源熱泵循環(huán)熱水管以及側(cè)源旁通管道，DN50 為高位蓄熱水池供水管，DN32 為空氣源熱泵供水管。管材以國(guó)標(biāo)鍍鋅管為主，外置聚氨酯發(fā)泡保溫層厚度≥50mm。

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

每噸10℃的水加熱到55℃，需消耗熱量：

同時(shí)考慮鍋爐熱效率為85%，則Q=18.9×104÷0.85=22.2×104KJ。每立方天然氣熱值為36MJ，所以每噸熱水耗氣量：Q=22.2×104KJ/36×103KJ=6.17m3。該余熱利用系統(tǒng)每小時(shí)制取10+2+0.4=12.4 噸熱水，則可節(jié)約燃?xì)猓?2.4×6.17=76.51m3，全年節(jié)約燃?xì)猓?6.51×24×365=670227.6m3，按照每立方燃?xì)鈨r(jià)格2.8 元計(jì)算，燃?xì)赓M(fèi)：2.8×670227.6=187.66 萬元。

此外，進(jìn)入瓦斯泵循環(huán)冷卻水溫度由原來的26℃（夏季30℃）降低到15℃以下，對(duì)于瓦斯泵站機(jī)組運(yùn)行效率可以提升7%左右。現(xiàn)有瓦斯泵實(shí)際運(yùn)行情況為1 臺(tái)630kW和1 臺(tái)355kW 同時(shí)運(yùn)行，每小時(shí)可節(jié)約電量（630+355）×0.07=68.95kW，每度電按0.8 元來計(jì)算，可計(jì)算出每年節(jié)約的電費(fèi)為68.95×24×365×0.8=48.32 萬元。

水源熱泵和空氣源熱泵機(jī)組總功率為128.4+24=152.4kW，年耗電量為：128.4×24×365+24×20×365=1124784+175200=1299984kW·h，每度電按0.8 元計(jì)算，可計(jì)算出每年電費(fèi)為1299984×0.8=103.99 萬元。

因此，煤礦余熱利用改造后每年可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益如下：

6 結(jié)論

煤礦為提高低溫余熱的利用率采用多熱源余熱利用系統(tǒng)進(jìn)行回收利用。在國(guó)家“節(jié)能減排政策”及建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的大背景下，采用熱泵技術(shù)充分利用煤礦余熱資源部分甚至全部取代礦區(qū)燃煤小鍋爐是實(shí)現(xiàn)煤炭清潔高效利用的明智之舉，也是煤礦實(shí)現(xiàn)“采煤不燒煤”、謀求綠色低碳轉(zhuǎn)型升級(jí)的主要方向。