井口防凍專用機組在煤炭礦井井筒防凍中的使用

毛紅社，趙淵龍

(煤炭工業太原設計研究院集團有限公司，山西 太原 030001)

1 概述

根據國家《“十三五”節能減排綜合工作方案》、山西省《山西省大氣污染防治2018年行動計劃》內容，臨汾市同富新礦井被列為“禁煤區”，“禁煤區”范圍內除煤電、集中供熱和原料用煤企業外，禁止儲存、銷售、燃用煤炭。同富新礦井原有的燃煤鍋爐被拆除，沒有了熱源，如何給礦井井筒防凍，保證冬季的安全生產，成了礦企急需解決的難題。我們在給同富新礦進行清潔能源改造時，針對礦井井筒保溫，設計選用井口防凍專用加熱機組利用新能源熱泵系統解決井筒防凍問題，經一年的使用，實踐證明取得了很好的效益，現介紹如下。

2 井筒防凍傳統做法

礦井井筒防凍的傳統做法見圖1。

該做法的特點是利用高溫熱媒將室外空氣加熱到40 ℃～70 ℃，送入井筒或井口房內，與室外被吸入的冷空氣混合到2 ℃后送入井下。

礦區距離城市供暖管道較遠，沒有集中供熱條件。其他可利用的燃氣、地(水)熱能源均不具備實施條件。燃煤鍋爐取締后，目前只能采取以電為主的供暖方式。

空氣源熱泵技術比具有相同供熱能力的電鍋爐節約電能，目前基本成了能源替代方案的唯一選擇。

3 井口防凍專用機組運行原理

該礦井井筒防凍形式采用井口防凍專用機組，依據模塊化設計理念，將12臺渦旋式空氣源熱泵主要部件壓縮機、蒸發器拼接成制熱段，將冷凝器、離心風機拼接為加熱/風機段，兩個功能段組合在一起，形成一臺獨立機組。機組構成見圖2。

機組制熱段采用通常的空氣源熱泵機組，采用渦旋壓縮機；加熱/風機段采用柜式空調箱的形式，不同之處在于其冷凝器6，針對井筒防凍做了特殊設計，高溫高壓的制冷劑R134a流入冷凝器6，經室外冷空氣冷卻為液體后再進入4,2循環工作。經5吸入的室外空氣經6加熱后，由大風量離心風機7經風道送入井筒。

該機組直接將室外冷空氣加熱到井筒防凍需要的2 ℃，根據礦井通風所需進風量，多臺井口防凍專用機組模塊化組合，按1∶1風量，全新風送入井筒內，以供冬季井筒防凍，達到井筒防凍的要求。工作方式見原理圖3。

4 井口防凍專用機組與普通空氣源熱泵井筒防凍技術區別

普通空氣源熱泵流程是：熱泵加熱水，水加熱空氣；井口防凍專用機組的流程是熱泵加熱空氣。

井口防凍專用機組與普通空氣源熱泵井筒防凍區別如表1所示。

表1 井口防凍專用機組與普通空氣源熱泵井筒防凍區別

5 井口防凍專用機組特點

由表1可以發現，井口防凍專用機組與普通空氣源熱泵井筒防凍形式相比，具有以下特點：

1)摒棄常規空氣源熱泵技術加熱方式，直接將井筒通風所需的全部冷風加熱至2 ℃后送入井筒內，降低了被加熱介質(冷凝)的溫度。

逆卡諾循環原理見圖4。

圖4中，T1為高溫熱源溫度；T2為低溫熱源溫度；q1為吸熱量；q2為放熱量；w0為熱泵做功，T1的降低，使得w0減小。熱泵的能效值計算公式：h=T1/(T1-T2)。

(T1-T2)差值越小，h值越大，熱泵能效越高。因而該機組即使在極端最低溫度情況下(-25 ℃及以下)此時井口防凍專用機組能效比COP值仍然較高，可達3.0以上。

2)全新風送風，在降低送風溫度的同時，全新風送風避免了混風不均勻導致的井筒防凍效果不良現象。在煤炭系統，如此大風量，按礦井通風量進行1∶1的送風方式還是第一次，這種送風方式帶來的益處與不足還需要更多工程的檢驗。

3)本加熱系統無水系統，使用井口防凍專用機組直接加熱室外冷風至2 ℃后送入井筒內，減少了普通空氣源熱泵井筒防凍加熱方式中水系統的換熱及管路熱損失，加熱效率更高，加熱系統更加簡單，減少循環泵等裝置。

4)與傳統燃煤鍋爐相比，本加熱系統自動化程度高，可根據室外溫度情況自動調整主機運行狀態，達到最佳的經濟運行狀態。系統采用先進的物聯網技術，可在手機端/IPD/PC端等對主機進行遠程監控、實時操作等功能，可實現無人值守。

5)井口防凍專用機組均為單元模塊化設計，每個機組只負責加熱部分冷風。多個機組加熱后的暖風經機組自帶的風機加壓后匯入總風道內送至井筒。井口防凍專用機組可根據井筒防凍負荷任意組合安裝，大大縮短了系統的施工周期，更好地適應了礦井不同建設時期對井筒保溫的需要[1-2]。

6 工程實踐

臨汾地區同富新礦井采用井口防凍專用機組于2018年7月開始設計，2018年10月開始安裝，2018年12月竣工運行，現場完成情況如圖5所示。井口防凍專用機組布置情況如圖6所示。

井口防凍專用機組經一個采暖期運行，效果良好。

該礦歷年極端最低溫度平均值為-22.3 ℃。主井進風量800 m3/min，副井進風量4 600 m3/min，井口防凍專用機組ADE300H-DX120AS-AF單機在-12 ℃工況下制熱量330 kW，送風量500 m3/min，耗電量77.1 kW。計算熱負荷及設備選型見表2，共使用井口防凍專用機組11臺。

表2 井口防凍專用機組配置表

由于同富新礦井主斜井、副斜井在一個場地內相鄰，所有11臺井口防凍專用機組集中一起布置在工業廣場上，送入副井井筒的最大風道斷面3 m×3 m。采暖期井口防凍專用機組耗電量見表3。

表3 采暖期井口防凍專用機組耗電量統計

采暖期合計用電量875 650 kW·h。折合單位風量耗電量為875 656/(800+4 600)=162.16 (kW·h)/m3。

7 節能效益分析

7.1 與單純電加熱機組比較

同富新礦井筒防凍熱負荷3 117 kW，與同富新礦井相距不遠的DR礦其氣象參數相同，井筒防凍熱負荷為3 214 kW，二者相差3.1%。DR礦采用單臺功率500 kW的電加熱機組，加熱冷空氣送入井筒內，配置如表4所示，其耗電量統計見表5。

表4 某礦電加熱機組配置表

該礦同樣經一個采暖期運行，運行時間一致，使用效果良好。

表5 DR礦電加熱機組耗電量統計

采暖期合計用電量2 652 804 kW·h。折合單位風量耗電量為2 652 804/(2 358+3 207)=476.69 (kW·h)/m3。

二礦井筒防凍耗電量比值162.16/476.69=0.34。可見同富新礦井采用井口防凍專用機組用于井筒防凍，能耗僅為電加熱機組能耗的34%，取得了明顯的節能效果。

7.2 與熱水型空氣源熱泵機組比較

同樣與同富新礦井相距不遠的XY礦其氣象參數相同，井筒防凍熱負荷為2 312 kW。DP礦采用空氣源熱泵機組，單機制熱量150 kW，共16臺(見表6)，制備熱水通過空氣加熱機組加熱冷空氣送入井筒內。該礦同樣經一個采暖期運行，使用效果良好。

表6 XY礦電加熱機組配置表

采暖期合計用電量1 176 471 kW·h。折合單位風量耗電量為1 176 471/4 000=294.12 (kW·h)/m3。

二礦井筒防凍耗電量比值162.16/294.12=55%。由此可見同富新礦井采用井口防凍專用機組用于井筒防凍，為熱水型空氣源熱泵機組能耗的55%，取得了明顯的節能效果。

8 結語

井口防凍專用機組用于井筒防凍，是新時代環保政策下催生出的產物，作為新產品，使用中還有不甚理想之處，還要經更多的實踐檢驗和專家們的鑒定，對于轉型升級中的煤炭行業來說，希望這一產品的推廣應用，為煤炭行業的發展起到升級助推的作用。