北方某煤礦風井場地清潔供熱方案研究

吳曹俊，阮 霞

（1.國能朗新明環保科技有限公司，北京 100039；2.國電聯合動力技術有限公司，北京 100039）

1 項目建設背景

煤礦位于陜西省榆林市境內，屬于半濕潤氣候區及半干旱氣候區。隨著礦區規劃建設建筑物增加，出現了燃煤鍋爐效率低、維運成本高、環保排放不達標、環保處理費用高等問題，已經不能滿足經濟運行的需求。目前該礦一號風井場地現有3臺WNS7-1.0/95/70-Q型燃氣熱水鍋爐，可滿足風井場地建筑供暖和井筒保溫的負荷需求。燃氣鍋爐供熱的運行費用成本高[1]，本方案將結合風井場地的現有余熱資源條件重新規劃供熱熱源，降低運行費用的同時契合國家節能環保規劃趨勢。礦井乏風余熱一號風井場地回風量為24 000 m3/min，出風干球溫度為12℃，相對濕度為80%。礦井乏風余熱穩定可靠，是乏風熱泵機組非常理想的低溫熱源，可作為供熱熱源使用。空壓機余熱一號風井場地空壓機房現有9臺軸功率為350 kW的螺桿式風冷空壓機，運行數量為6臺，通過增加空壓機余熱回收機組，可實現的余熱量為1 500 kW。

2 規劃方案

2.1 邊界條件

在項目實施前，建議業主在新建建筑物位置完成地基基礎勘察，完成并做好“三通一平”工作（利用舊建筑拆除原建筑內設備并外運），提供項目電源（將高壓電引入清潔供熱系統高壓配電室高壓柜并做高壓試驗）、水源，完成平場及相關道路的硬化等。

工程范圍：在一號風井場地改造乏風熱泵機房、新建乏風取熱平臺、改造進風井的井口空氣加熱室；余熱利用系統的機電設備采購及安裝、高低壓配電系統、PLC控制系統，乏風利用凝結水工程、井口供熱外管網系統等[2]，不含原建筑采暖末端及供暖管網改造。

2.2 余熱資源分析

通過現場收集資料，分析得出具有開發利用價值的余熱資源情況，如表1所示。

表1 可利用余熱資源情況表

2.3 防凍負荷計算

根據中國《煤炭工業礦井設計規范》要求，進風井冬季要求防凍，進風混合溫度要大于等于2℃，極端溫度最低值按照﹣29℃進行計算，煤礦進風井加熱負荷按下式計算[3]：

式（1）中：Q為進風口防凍加熱負荷，kW；L為井口進風量，m3/s；ρ為空氣在2℃時的密度，1.284 kg/m3；Cp為空氣2℃時的定壓比熱，1.01 kJ/（kg·℃）；tj為進風口設計溫度，2℃；twp為當地冬季極端平均最低溫度，﹣29℃。

一號風井場地進風井井口防凍負荷Q=13 000/60×1.284×1.01×（2+29）×1.1=9 581.63 kW。負荷匯總表如表2所示。

表2 負荷匯總表

通過一系列計算得出：一號風井場地乏風余熱供熱能力為10 463.05 kW，大于風井場地井口防凍負荷（10 060.72 kW），滿足負荷需求；一號風井場地空壓機余熱供熱能力為1 500 kW，大于風井場地建筑采暖負荷（1 385.15 kW），滿足負荷需求。

2.4 規劃方案

2.4.1 實施規劃

本方案利用現有余熱資源解決風井場地供熱負荷。采用空壓機余熱回收技術解決風井場地建筑采暖，采用直熱直冷式深焓取熱乏風熱泵技術解決風井場地的進風井井口防凍問題[4]。供熱負荷根據礦方提供的數據，一號風井場地進風井進風量為13 000 m3/min，根據GB 50215—2015《煤炭工業礦井設計規范》的要求，進風井冬季要防凍，其進風混合溫度要求大于等于2℃，環境溫度最低值按照礦方要求按﹣29℃進行計算，則風井場地進風井口防凍負荷為9 581.63 kW，考慮1.05管網損失系數，風井場地的井口防凍負荷為10 060.72 kW；風井場地建筑采暖負荷為1 319.19 kW；考慮1.05管網損失系數，風井場地的建筑采暖負荷為1 385.15 kW。由此可知，煤礦一號風井場地整體用熱量為11 445.86 kW。

2.4.2 熱源規劃

根據供熱負荷及余熱資源計算，本方案擬采用風井場地的空壓機余熱解決風井場地建筑采暖問題，采用風井場地的乏風余熱解決風井場地進風井的井口防凍問題。

熱源配置（風井場地井口防凍）：設計采用5臺SMEET-FS-R-2050型直冷式乏風熱泵機組供給風井場地井口防凍，單機名義制熱量2 050 kW，設計供回水溫度為45/35℃。該機組布置在風井場地鍋爐房內。

熱源配置（風井場地建筑采暖）：現有9臺軸功率為350 kW的螺桿式風冷空壓機，按照一對一改造模式增加9臺SMEET-KY-250/350型空壓機余熱回收機組，單機余熱回收量為250 kW，運行數量為6臺，作為風井場地建筑采暖熱源。該機組布置在風井場地空壓機房內。

2.4.3 輔助設備規劃

在乏風擴散塔上方新建一座乏風取熱平臺，其內布置36臺SMEET-FSQ-210型乏風取熱箱，單機取熱能力為210 kW，讓礦井乏風通過取熱箱，低溫防凍工質在取熱箱內吸取乏風余熱后，經工質管道送至熱泵機房內的熱泵機組蒸發器側，制冷劑通過熱泵壓縮機做功提升熱品位送至冷凝器內，由冷凝器制備熱水，冷凝器制備的熱水通過循環水泵送至井口加熱機組或采暖末端，通過井口加熱機組輸送熱風至井筒，提高井筒混風溫度，解決井筒防凍需求。對原有燃煤鍋爐房進行改造，作為乏風熱泵機房，其內布置乏風熱泵機組、循環水泵、補水系統及配套配電系統。對風井場地原有井口加熱室進行改造，拆除原有井口加熱機組，重新設計10臺型號為SMEET-FJ-1000的井口加熱機組，單機制熱能力1 000 kW，供熱熱風量80 000 m3/h。初步設計采用室外架空管架敷設取熱平臺至乏風熱泵機房以及乏風熱泵機房到井口房的管路，風井場地空壓機余熱供熱管路與原有建筑物采暖供回水總管對接。

3 工藝系統設備的控制

3.1 系統的設計原則

以對熱泵系統的狀態監視及安全自動運行為目的，遵循“實用、可靠、經濟”原則[5]，并應滿足煤礦現代化管理的需求。

系統的可靠性原則：在滿足工藝要求的基礎上能長期穩定運行，并具有抗各種干擾的能力，滿足電磁兼容性和安全性的要求；所提供的系統軟件穩定可靠；所提供的設備符合工業標準。

系統的易維護性原則：系統易于維護，操作簡便，接線方便可靠。

系統的開放性原則：控制系統采用開放的網絡體系結構，符合ISO的有關通信標準，能和第三方設備自帶PLC進行通訊。

系統的可擴展性原則：系統具有靈活的擴展能力，以保證在擴建或改造時，滿足對控制系統的擴容要求。系統的硬件點數滿足20%的余量要求，系統軟件和應用軟件具有靈活的擴展能力。

3.2 控制系統方案

控制室采用計算機進行工藝過程參數及工藝設備運行狀態的顯示、報警、處理，采用PLC進行數據采集、聯鎖、回路調節。流程畫面可以直觀顯示工藝設備的運行狀態、工藝過程參數，操作簡單。趨勢曲線可以自動建立數據庫，對于重要的工藝參數自動生成趨勢曲線，并可通過趨勢曲線控件查閱歷史數據庫任意時間段的數據。報表的功能為記錄各參數整點運行數據，每天自動形成日報表并自動存儲，可隨時查閱代替人工抄錄，提供真實有效的運行數據。報警功能為人工設定工藝參數的報警值及危險值，出現異常實時聲光報警。聯網功能可以提供以太網接口，方便與礦調度室連網，用戶可以通過網絡訪問現場計算機，實現數據信息共享。用戶權限為一般用戶只能查看普通操作，責任用戶只有輸入用戶名和密碼登錄后，才能進行相關的操作。

3.3 系統組成

控制系統主要由系統主站、系統分站、操作員站、控制系統網絡等組成，以實現對工藝生產過程參數的自動采集及控制；熱泵機房設置系統主站，乏風取熱平臺距離熱泵機房較遠，設置遠程分站；熱泵機房值班室設置一臺操作員站，操作人員以液晶顯示器作為主要監視和控制手段，進行實時監控、集中啟停操作、異常工況處理；控制系統采用2層網絡，其中系統主站與分站之間采用PROFIBUS-DP現場總線網絡，距離較長時采用光纖傳輸；系統主站與操作員站之間采用工業以太網。

3.4 檢測及控制項目

循環泵的手動和自動控制：手動模式下遠程手動啟停循環水泵；自動模式下循環水泵與機組聯鎖運行，同時檢測循環泵的運行電流。

補水泵的手動和自動控制：自動模式下根據壓力自動控制補水泵的啟停。

沖洗泵的手動和自動控制：自動模式下定時對井口換熱器進行自動沖洗。

熱泵機組的手動和自動控制：手動模式下可遠程手動啟停熱泵機組；自動模式下根據熱負荷需求自動控制機組運行臺數，實現對熱泵機組的節能運行控制[6]。

余熱回收機組的手動和自動控制：手動模式下可遠程手動啟停機組；自動模式下根據熱負荷需求自動控制機組運行臺數，實現對機組的節能運行控制。

4 經濟效益分析

4.1 投資估算

投資范圍為礦井余熱利用工程的設備及工器具購置、土建工程、安裝工程和工程建設其他費用的投資，不含原建筑物內設備拆除、外運及高壓電纜。建設項目投資總造價估算為5 217.73萬元，其中設備購置費為3 139.20萬元，安裝工程總投資為899.71萬元，土建工程總投資為1 058.82萬元，其他費用合計為120.00萬元。

4.2 運行費用分析

根據計算，乏風由12℃降至2℃時，其取熱量為6 570.50 kW，考慮一定負荷系數，此時可通過直熱式供熱方式供給，進風井井口防凍的熱量為5 713.48 kW，礦井回風中蘊含的熱量可在環境溫度不低于﹣16℃時對進風井的井口進行防凍處理，在此情況下采用“直熱式”供熱方式，只運行循環水泵，不開啟熱泵機一號風井場地清潔供熱方案26組，達到節約運行費用的目的。技術經濟指標如表3所示。

表3 技術經濟指標表

5 結論

回收礦井的乏風余熱和空壓機余熱，采用礦井余熱熱能利用系統供熱新技術，滿足井口防凍、建筑采暖的供熱需求，替代傳統供熱方式。余熱綜合利用方式契合國家節能環保政策。相比燃氣鍋爐，采用余熱供熱后，年節省能源費用1 247.42萬元，經濟效益顯著。將余熱技術應用于煤礦行業的井口保溫、建筑采暖，有成熟的技術基礎。利用電能驅動的熱泵進行乏風的余熱利用，屬于清潔能源，在國家發改委《國家重點節能低碳技術推廣目錄》推廣范圍內，相比利用化石能源，更符合國家長期的環保減排政策，具有長遠發展的潛力。采用熱泵供熱技術機電一體化集中控制，系統的負荷自動調節能力強。熱泵供熱運行自動化程度高，僅少量人員巡視運營即可，維護簡單。熱泵余熱利用項目在運行過程中不產生任何污染物，不存在環保排放指標方面的壓力。