空氣源熱泵在煤礦供熱改造中的應(yīng)用

煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司 邵鵬華

0 引言

2018年是2010年以來(lái)全球一次能源消費(fèi)增長(zhǎng)率最快的一年[1]，同年，國(guó)家和地方政府出臺(tái)了一系列環(huán)保政策，要求逐年淘汰小型燃煤鍋爐。

近年來(lái)，空氣源熱泵供熱發(fā)展較為迅速，尤其在寒冷地區(qū)和嚴(yán)寒地區(qū)。在-20 ℃的條件下，噴氣增焓式熱泵COP能達(dá)到2.15左右[2]。在低溫工況下，雙級(jí)壓縮系統(tǒng)的壓縮比更小，制熱量更大，即使在-30 ℃的低溫條件下系統(tǒng)COP仍能保持在2.1左右[3]。

煤礦的供熱需求主要分為三部分：1) 建筑物供暖；2) 井筒防凍；3) 洗浴熱水。采用空氣源熱泵機(jī)組取代煤礦的燃煤鍋爐是一種較為節(jié)能的措施。本文結(jié)合案例介紹空氣源熱泵在煤礦供熱改造中的應(yīng)用。

1 項(xiàng)目案例

1.1 項(xiàng)目背景

某煤礦位于山西省臨汾市鄉(xiāng)寧縣，年生產(chǎn)能力為300萬(wàn)t，并配套有同規(guī)模的洗煤廠。鍋爐房現(xiàn)有2臺(tái)10 t和1臺(tái)4 t的燃煤蒸汽鍋爐，主要為礦井和洗煤廠建筑物供暖、職工洗浴、井筒防凍提供熱源。建筑物供暖熱媒為供/回水溫度110 ℃/70 ℃的高溫?zé)崴丛『途卜纼鰺崦綖?.3 MPa的飽和蒸汽。

1.2 環(huán)保政策

根據(jù)《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃的通知》(國(guó)發(fā)〔2018〕22號(hào)文)、山西省人民政府《關(guān)于印發(fā)山西省大氣污染防治2018年行動(dòng)計(jì)劃的通知》(晉政發(fā)〔2018〕30號(hào)文)、鄉(xiāng)寧縣人民政府辦公室文件《關(guān)于印發(fā)鄉(xiāng)寧縣2018年工業(yè)企業(yè)環(huán)保專項(xiàng)整治實(shí)施方案的通知》(〔2018〕73號(hào)文)，要求燃煤鍋爐按規(guī)模逐年淘汰，其中鄉(xiāng)寧縣政府要求工業(yè)企業(yè)10 t及以下的燃煤鍋爐在2018年10月1日之前全部淘汰，改造的技術(shù)路線為“宜醇則醇、宜電則電、宜氣則氣”。

1.3 可利用的余熱資源分析

該煤礦屬于低瓦斯礦井，且工業(yè)場(chǎng)地內(nèi)無(wú)回風(fēng)井，無(wú)法利用瓦斯和乏風(fēng)的余熱；同時(shí)，工業(yè)場(chǎng)地內(nèi)無(wú)空壓機(jī)房，礦井水、生活水中能提取的低溫余熱資源有限。因此，可利用的低溫?zé)嵩磧H剩下空氣。

該工程考慮采用電鍋爐、空氣源熱泵、燃?xì)忮仩t作為替代熱源。

1.4 方案比選

當(dāng)?shù)囟竟┡彝庥?jì)算溫度為 -10 ℃[4]，冬季極端最低氣溫平均值為-19 ℃，年供暖天數(shù)為121 d。熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果為：建筑物供暖8 163.19 kW、井筒防凍5 226.14 kW、洗浴1 385.00 kW，合計(jì)14 774.33 kW。

根據(jù)熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，可供選擇的方案有以下幾種。

方案1：空氣源熱泵+電鍋爐輔助。

在選煤廠采用能效比高、出水溫度高的螺桿式雙級(jí)壓縮超低溫空氣源熱泵機(jī)組，主要應(yīng)用于A1、A2、B1和J1區(qū)，末端采用高效散熱器，保證空氣源熱泵機(jī)組在極端天氣情況下出水溫度≥60 ℃；在行政福利區(qū)采用渦旋式超低溫空氣源熱泵機(jī)組，末端選用風(fēng)機(jī)盤管，滿足部分建筑物夏季需要供冷的要求，主要應(yīng)用于B2、B3、Y1、Y2、J2、J3區(qū)。

共設(shè)置4個(gè)能源站，其中1#能源站設(shè)置在介質(zhì)庫(kù)旁，負(fù)責(zé)A1和J1供熱區(qū)域；2#能源站設(shè)置在鍋爐房旁，負(fù)責(zé)A2和B1供熱區(qū)域；3#能源站設(shè)置在聯(lián)合建筑旁，負(fù)責(zé)B2、J2和Y1供熱區(qū)域；4#能源站設(shè)置在礦井水處理站旁，負(fù)責(zé)B3、J3和Y2供熱區(qū)域。能源站主要設(shè)備見表1，分區(qū)示意圖見圖1。

表1 能源站主要設(shè)備

圖1 能源站分區(qū)圖

方案2：燃?xì)忮仩t。

利用工業(yè)場(chǎng)地原有鍋爐房進(jìn)行改造。拆除工業(yè)場(chǎng)地3臺(tái)燃煤鍋爐，安裝3臺(tái)燃?xì)庹羝仩t——2臺(tái)WNS10-1.25-Q型和1臺(tái)WNS4-1.25-Q型，滿足工業(yè)場(chǎng)地建筑物供暖，主斜井、副斜井、進(jìn)風(fēng)斜井井筒防凍及浴室用熱。

該礦區(qū)周邊有4.0 MPa長(zhǎng)輸天然氣管網(wǎng)，距離礦區(qū)最近的閥站直線距離約10 km，天然氣管線從最近的閥站接入，鋪設(shè)一根DN200的無(wú)縫鋼管，在鍋爐房?jī)?nèi)設(shè)置調(diào)壓站，接入燃?xì)忮仩t使用。

方案3：電蓄熱鍋爐。

井筒防凍采用2臺(tái)4 MW電極式蒸汽鍋爐供熱，利用原有空氣加熱室的加熱機(jī)組和廠區(qū)管網(wǎng)；建筑物供暖采用2臺(tái)10 MW電極式熱水鍋爐供熱，設(shè)2個(gè)容積1 000 m3的蓄熱水箱，供/回水溫度為90 ℃/50 ℃。由于電極式熱水鍋爐直供運(yùn)行費(fèi)用高，因此，按谷電蓄熱、平電運(yùn)行的模式，利用原有管網(wǎng)和末端。

3種方案的初投資、運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比見表2。

表2 初投資、運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比 萬(wàn)元

由表2可見：1) 工業(yè)場(chǎng)地供暖方案中方案2(燃?xì)忮仩t)室外管網(wǎng)和末端利舊，初投資最低，且電力負(fù)荷無(wú)需增容。但冬季用氣量無(wú)法保證，極有可能導(dǎo)致供熱系統(tǒng)癱瘓，從而導(dǎo)致井筒結(jié)冰、管道凍裂，礦井無(wú)法正常生產(chǎn)。同時(shí)，天然氣費(fèi)用較高，每年運(yùn)行費(fèi)用比方案1高594.14萬(wàn)元。因此，天然氣清潔能源供熱存在很大的風(fēng)險(xiǎn)。2) 方案1(空氣源熱泵+電鍋爐輔助)、方案3(電蓄熱鍋爐)相比，方案1電力增容量小，故初投資較低，同時(shí)方案1的運(yùn)行費(fèi)用也較低，比燃煤鍋爐房還低3.36萬(wàn)元。

根據(jù)上述綜合比較，推薦采用方案1(空氣源熱泵+電鍋爐輔助)。

1.5 方案設(shè)計(jì)

1.5.1 原設(shè)計(jì)方案

原設(shè)計(jì)熱水供/回水溫度為110 ℃/70 ℃。生產(chǎn)系統(tǒng)建筑物末端采用鋼制高頻肋片管散熱器；工業(yè)建筑和行政福利建筑物末端采用灰鑄鐵新藝666型散熱器；井筒防凍末端采用蒸汽-空氣加熱機(jī)組；洗浴熱水采用0.3 MPa蒸汽直接加熱。

1.5.2 工藝流程

該工程的所有熱源均采用空氣源熱泵機(jī)組+電鍋爐輔助。空氣源熱泵機(jī)組為超低溫空氣源熱泵機(jī)組，設(shè)計(jì)供/回水溫度為60 ℃/55 ℃(50 ℃/45 ℃)，中間設(shè)置均壓罐[5]，由循環(huán)水泵驅(qū)動(dòng)構(gòu)成一次網(wǎng)系統(tǒng)，同時(shí)由均壓罐和末端形成另外一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)，由循環(huán)水泵驅(qū)動(dòng)構(gòu)成二次網(wǎng)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)供/回水溫度為60 ℃/50 ℃(50 ℃/40 ℃)。系統(tǒng)流程見圖2。

圖2 系統(tǒng)流程示意圖

1.5.3 選型原則

1) 根據(jù)工業(yè)場(chǎng)地建筑物分布和空地位置，空氣源熱泵系統(tǒng)分10個(gè)子系統(tǒng)，洗煤廠2個(gè)區(qū)(分別為A1和A2)，礦井3個(gè)區(qū)(分別為B1、B2、B3)，洗浴2個(gè)區(qū)(分別為Y1和Y2)，3個(gè)井筒防凍(分別為J1、J2、J3)。詳細(xì)分區(qū)見表3。

2) 建筑物熱負(fù)荷根據(jù)供暖室外計(jì)算溫度-10 ℃計(jì)算，井筒防凍熱負(fù)荷根據(jù)冬季極端最低氣溫平均值-19 ℃計(jì)算。

3) A1、A2和B1區(qū)建筑物供暖和J1區(qū)井筒防凍熱泵機(jī)組按負(fù)荷平衡點(diǎn)溫度-10 ℃[6]、出水溫度60 ℃的制熱量選型；B2、B3區(qū)建筑物供暖和J2、J3區(qū)井筒防凍的熱泵機(jī)組按負(fù)荷平衡點(diǎn)溫度-10 ℃、出水溫度45 ℃的制熱量選型。冬季極端最低氣溫時(shí)不足的制熱量由電鍋爐補(bǔ)充。

表3 工業(yè)場(chǎng)地主要建筑物分區(qū)

4) 洗浴熱泵熱水機(jī)組按負(fù)荷平衡點(diǎn)溫度-10 ℃、出水溫度45 ℃的制熱量選型，冬季極端最低氣溫時(shí)不足的制熱量由電鍋爐補(bǔ)充。

5) A1、A2、B1和J1區(qū)采用螺桿式雙級(jí)壓縮超低溫空氣源熱泵機(jī)組，剩余的區(qū)域均采用渦旋式超低溫空氣源熱泵機(jī)組。

根據(jù)行業(yè)及中煙信息化實(shí)施規(guī)劃，信息化建設(shè)應(yīng)逐步由“業(yè)務(wù)支撐”向“信息服務(wù)”轉(zhuǎn)型，目前部分卷煙工廠的信息化建設(shè)程度只能夠滿足業(yè)務(wù)支撐的要求，離向信息服務(wù)轉(zhuǎn)型的目標(biāo)還有很大距離。針對(duì)目前卷煙工廠系統(tǒng)較為分散、人工參與度高，各類數(shù)據(jù)在企業(yè)內(nèi)部會(huì)經(jīng)過(guò)多次流轉(zhuǎn)，并經(jīng)過(guò)多個(gè)環(huán)節(jié)的重復(fù)統(tǒng)計(jì)、多個(gè)系統(tǒng)的重復(fù)錄入的現(xiàn)狀，在企業(yè)內(nèi)部打造一個(gè)具有強(qiáng)大支撐能力和擴(kuò)展能力的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，通過(guò)數(shù)據(jù)的深度整合和挖掘建設(shè)一個(gè)企業(yè)決策分析系統(tǒng)[1]，為企業(yè)各級(jí)管理人員提供全方位、立體化的數(shù)據(jù)分析，支持各級(jí)管理人員在企業(yè)決策中更加高效、更加科學(xué)，意義尤其重大。

6) 當(dāng)空氣源熱泵冬季除霜時(shí)，考慮每小時(shí)融霜一次，機(jī)組融霜修正系數(shù)取0.9[7]。

1.5.4 能源站布置

工業(yè)場(chǎng)地布置4個(gè)能源站，共布置16臺(tái)螺桿式空氣源熱泵機(jī)組和135臺(tái)渦旋式空氣源熱泵機(jī)組，詳見方案1。

1.5.5 末端選擇

1) 原設(shè)計(jì)情況。

洗煤廠末端散熱器采用鋼制高頻肋片管散熱器，散熱器型號(hào)為SCG6-20/300-1.0，散熱量Q=9.805 1Δt1.288 6(Δt為供回水平均溫度和室內(nèi)供暖設(shè)計(jì)溫度之差)，原設(shè)計(jì)供/回水溫度為110 ℃/70 ℃，當(dāng)Δt=72 ℃時(shí)的散熱量為2 425.5 W。礦井建筑物采用灰鑄鐵新藝666型散熱器，散熱量Q=0.644 4Δt1.288，原設(shè)計(jì)供/回水溫度為110 ℃/70 ℃，Δt=72 ℃時(shí)的散熱量為159 W。3個(gè)井筒防凍末端采用蒸汽-空氣加熱機(jī)組，介質(zhì)為0.3 MPa蒸汽。

2) 現(xiàn)設(shè)計(jì)情況。

若采用低溫供暖，供/回水溫度按60 ℃/50 ℃設(shè)計(jì)，則Δt=37 ℃時(shí)的鋼制高頻肋片管散熱器散熱量為1 028 W，灰鑄鐵新藝666型散熱器的散熱量為67.4 W，無(wú)法滿足供暖需求。

洗煤廠廠房?jī)?nèi)粉塵較大，若采用風(fēng)機(jī)盤管作為末端，過(guò)濾器容易堵，清洗工作量大、廠房?jī)?nèi)工作環(huán)境差，因此本次設(shè)計(jì)末端按如下原則選型：① 洗煤廠廠房末端更換為銅鋁合金高效散熱器；② 礦井工業(yè)廠房區(qū)域的末端不變，層高較低的廠房增加一些風(fēng)機(jī)盤管，高大空間的廠房則新增高大空間射流機(jī)組；③ 將行政福利建筑散熱器末端全部更換為風(fēng)機(jī)盤管。

拆除空氣加熱室現(xiàn)有的蒸汽-空氣加熱機(jī)組，更換為低溫水-空氣加熱機(jī)組，送風(fēng)機(jī)選用防爆型，循環(huán)介質(zhì)采用乙二醇溶液，-20 ℃溫度下不結(jié)冰，防凍液直接加熱冷空氣，把冷空氣加熱到20 ℃后送到井筒，與室外冷空氣混合到2 ℃，送至井下。

1.5.6 室外管網(wǎng)

由于原建筑物供暖設(shè)計(jì)供回水溫差為40 ℃，現(xiàn)設(shè)計(jì)供回水溫差為10 ℃，因此主管道比摩阻較大。由于該項(xiàng)目采用分布式能源站，可以利用原有管溝和管網(wǎng)，靠近鍋爐房的2個(gè)能源站利用原有管網(wǎng)就基本可以滿足設(shè)計(jì)要求。為了節(jié)約投資，縮短工期，對(duì)剩余的比摩阻大于150 Pa/m的管網(wǎng)進(jìn)行了更換，其余的利用原有管網(wǎng)。

2 創(chuàng)新點(diǎn)

1) 首次在山西大型煤礦全部采用空氣源熱泵機(jī)組替代燃煤鍋爐。

2) 高大廠房建筑物供暖選用超低溫螺桿雙級(jí)壓縮空氣源熱泵機(jī)組，提高供水溫度，保證供熱效果。

3) 行政福利建筑選用超低溫渦旋式空氣源熱泵機(jī)組，降低噪聲。

4) 井筒防凍的熱泵機(jī)組按室外供暖設(shè)計(jì)溫度進(jìn)行選型，不足部分由電鍋爐補(bǔ)充，降低初投資。

5) 充分利用原有管網(wǎng)和末端，盡量減少安裝工程量。

6) PLC全過(guò)程控制，基本實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，可大大提高工作效率。

3 存在的問(wèn)題及建議

3.1 存在的問(wèn)題

該項(xiàng)目于2018年8月立項(xiàng)，改造時(shí)已接近9月中旬，為了不影響當(dāng)年的供暖，只將燃煤鍋爐拆除更換為空氣源熱泵，室外管網(wǎng)和末端均未進(jìn)行改造。從當(dāng)年的運(yùn)行情況來(lái)看，存在如下問(wèn)題：

1) 洗煤廠高大廠房供熱效果較差，最冷時(shí)候有結(jié)冰的情況；礦井的工業(yè)建筑物室內(nèi)溫度稍低，比原系統(tǒng)低3～5 ℃；行政福利建筑中的節(jié)能建筑供暖效果較好，室內(nèi)溫度達(dá)到20 ℃以上，不節(jié)能建筑室內(nèi)溫度約為16～18 ℃。

2) 室外管網(wǎng)布置在綜合管溝內(nèi)，更換難度大，應(yīng)盡量利用原有管網(wǎng)或更換為架空管道。

3) 1#、2#能源站的螺桿式空氣源熱泵機(jī)組噪聲較大，1#能源站中3臺(tái)螺桿式空氣源熱泵機(jī)組為主斜井井筒防凍提供熱源，無(wú)備用，任何機(jī)組出現(xiàn)故障都容易造成井筒結(jié)冰。

3.2 建議

1) 對(duì)于噪聲有要求的建筑物優(yōu)先選用渦旋式空氣源熱泵機(jī)組，對(duì)供水溫度有要求的優(yōu)先選用螺桿式空氣源熱泵機(jī)組。

2) 對(duì)于用于井筒防凍的機(jī)組盡量選用渦旋式機(jī)組，若采用螺桿機(jī)組則需考慮故障情況下的解決方案。

3) 末端和管網(wǎng)是否需要更換應(yīng)根據(jù)原設(shè)計(jì)供回水溫度、實(shí)際運(yùn)行工況、圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式等參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)核算，有些建筑物利用原有末端可能會(huì)滿足要求。

4) 盡量利用原有管網(wǎng)，不滿足要求時(shí)可以通過(guò)改變能源站位置或增加循環(huán)泵揚(yáng)程等方案解決。