柏琳

（煤炭工業(yè)合肥設(shè)計研究院安徽合肥230041）

淮南某礦井降溫工程制冷機(jī)組冷凝熱利用研究

柏琳

（煤炭工業(yè)合肥設(shè)計研究院安徽合肥230041）

對淮南某煤礦礦井降溫工程制冷機(jī)組的冷凝熱回收利用進(jìn)行研究，給出了可回收利用的規(guī)模及利用方式，對冷凝熱回收利用的節(jié)能效果進(jìn)行了定量計算。

礦井降溫；冷凝熱；回收利用；節(jié)能

引言

安徽省兩淮礦區(qū)是國家煤炭工業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃重點(diǎn)建設(shè)的14個大型煤炭基地之一。由于緊鄰華東能源消費(fèi)中心，該區(qū)內(nèi)煤礦開采強(qiáng)度大，開采歷史長，部分煤礦采深已接近千米左右，地?zé)釣?zāi)害嚴(yán)重。為了降低熱害的影響，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，部分煤礦已建設(shè)了降溫工程，利用制冷機(jī)組制取冷水送入井下經(jīng)空冷器為礦井掘進(jìn)頭和采煤工作面降溫。礦井降溫制冷規(guī)模較大，普遍的規(guī)模在12～18MW之間，部分礦井甚至達(dá)到21MW。

1　礦井降溫工程概況

淮南某礦井設(shè)計生產(chǎn)能力400萬t/年，一水平標(biāo)高為-962m，開采水平深、地溫高、機(jī)電設(shè)備散熱量大，熱害程度嚴(yán)重。為滿足礦井正常生產(chǎn)時的降溫要求，礦井配套建設(shè)了18MW制冷規(guī)模的降溫工程，分兩期建設(shè)，前期建設(shè)12MW。

制冷系統(tǒng)設(shè)計供回水溫度為2.5℃/18℃，設(shè)計由溴化鋰吸收式冷水機(jī)組+離心式冷水機(jī)組或者離心式冷水機(jī)組+離心式冷水機(jī)組串聯(lián)的兩級制冷裝置實(shí)現(xiàn)。

12MW制冷規(guī)模由三個制冷單元組成，互為備用。第一制冷單元由蒸汽溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組（額定制冷量5035kW）+離心式冷水機(jī)組（額定制冷量2517kW）組成。第二制冷單元由離心式冷水機(jī)組（額定制冷量4260kW）+離心式冷水機(jī)組（額定制冷量2517kW）組成。

降溫系統(tǒng)全年運(yùn)行，兩個制冷單元運(yùn)行負(fù)荷均為6000kW，礦井投產(chǎn)前期夏季總制冷量為12000kW，冬季制冷量為2517W。

2　冷凝熱利用量分析

常規(guī)制冷系統(tǒng)主要由制冷劑循環(huán)、冷卻水循環(huán)、冷凍水循環(huán)組成。

對于吸收式制冷機(jī)，氣態(tài)的制冷劑在吸收器內(nèi)被吸收劑吸收后，經(jīng)溶液泵送入發(fā)生器，在發(fā)生器中吸收劑被加熱分離出制冷劑蒸氣，高壓的氣態(tài)制冷劑進(jìn)入冷凝器中被冷卻水冷卻，變成高壓液體；通過節(jié)流閥，壓力降低，高壓制冷劑變成低壓液體；其后制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)定壓（低壓）下吸收大量蒸發(fā)器里冷凍水的熱量，蒸發(fā)變成低壓的氣態(tài)制冷劑；氣態(tài)制冷劑再至吸收器中被吸收劑吸收，完成循環(huán)。

對于壓縮式制冷機(jī)，氣態(tài)的制冷劑在壓縮機(jī)內(nèi)被壓縮，溫度升高、壓力增大；通過排氣管，高壓的氣態(tài)制冷劑進(jìn)入冷凝器中被冷卻水冷卻，變成高壓液體；通過節(jié)流閥，壓力降低，高壓制冷劑變成低壓液體；其后制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)定壓（低壓）下吸收大量蒸發(fā)器里冷凍水的熱量，蒸發(fā)變成低壓的氣態(tài)制冷劑；氣態(tài)制冷劑通過吸氣管路再回到壓縮機(jī)內(nèi)，完成循環(huán)。

在冷卻水循環(huán)中，冷卻水在冷凝器中吸收了高溫高壓制冷劑釋放的冷凝熱后，由泵送到冷卻塔的上部噴下，與逆流（上升）的空氣進(jìn)行熱濕交換，向大氣環(huán)境排放大量的冷凝熱，通常冷凝熱可達(dá)制冷量的1.15～1.3倍。

根據(jù)該礦井降溫工程制冷機(jī)組的制冷量，其可利用的冷凝熱統(tǒng)計見表1。由表可見，礦井投產(chǎn)前期，夏季降溫需運(yùn)行第一和第二制冷單元，井下降溫系統(tǒng)的冷凝熱為19664kW，冬季運(yùn)行一臺二級電制冷，冷凝熱為3039kW。

表1　制冷機(jī)組冷凝熱統(tǒng)計表（單位：kW）

注：吸收式溴化鋰制冷機(jī)組消耗0.4MPa的蒸汽5.39t/h，凝結(jié)水溫度90℃。

3　礦井熱負(fù)荷

該礦井用熱負(fù)荷包括工業(yè)廣場地面生產(chǎn)、輔助及生活福利建筑物的采暖，井筒防凍及浴室、洗衣房供熱等，總計熱負(fù)荷達(dá)到15MW左右，其中浴室洗浴熱負(fù)荷2450kW。

采暖熱媒為110～70℃的高溫水。井筒防凍、浴室及洗衣房供熱熱媒為0.4MPa的飽和蒸汽。該礦目前共設(shè)有3臺SZL10-1.25-AⅡ型蒸汽鍋爐，冬季3臺運(yùn)行，夏季1臺蒸汽鍋爐運(yùn)行。建筑物采暖用110℃的熱水由1套MEJQN-7MW模塊換熱機(jī)組供給。礦井工廣室外供熱管網(wǎng)分采暖、井筒防凍供熱以及浴室、洗衣房與食堂供熱4個獨(dú)立系統(tǒng)，呈樹枝狀布置。井筒防凍和浴室、洗衣房供熱分別采用專管供給，其井筒防凍供熱的凝結(jié)水自流至鍋爐房凝結(jié)水箱。

4　利用冷凝熱供熱方案研究和實(shí)施

目前制冷機(jī)組冷凝熱回收的可行方式主要有以下兩種：①排氣熱回收，以壓縮機(jī)出口高溫氣態(tài)冷媒作為熱源；②冷卻水熱回收，以出冷凝器的冷卻水作為熱源。

排氣熱回收在壓縮機(jī)和冷凝器之間加一個熱回收器（熱回收冷凝器），從壓縮機(jī)出口的58～90℃的高溫氣態(tài)冷媒被生活用水直接冷卻，而熱回收器出口的制冷劑的狀態(tài)是氣液混合物或者氣態(tài)，剩余廢熱仍進(jìn)入制冷機(jī)的冷凝器由冷卻水吸收并經(jīng)冷卻塔排放。該技術(shù)可根據(jù)要求直接回收制冷機(jī)組的蒸汽顯熱或顯熱加部分潛熱來加熱生活用水到指定溫度。

冷卻水熱回收在原有的冷卻水管路中增加一路分支，并把該分支接入熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器，以利用熱泵產(chǎn)生溫度較高的熱水。由于制冷機(jī)組的冷卻水出水溫度較低，一般在30～40℃左右，供回水溫差4～7℃，屬于低品位熱能，想要充分回收冷凝熱必須利用高溫水源熱泵技術(shù)。

相比排氣熱回收技術(shù)，冷卻水熱回收技術(shù)無需對制冷機(jī)組內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，只改動其冷卻水系統(tǒng)，對工程項(xiàng)目的適應(yīng)性較強(qiáng)，且對冷凝熱回收比例調(diào)節(jié)較為靈活，必要時可回收100%的冷凝熱。因此在工程實(shí)施中，該礦井制冷機(jī)組冷凝熱的利用采用冷卻水熱回收技術(shù)。

該礦井井下降溫冷負(fù)荷隨季節(jié)變化較大，冬季負(fù)荷小，冷凝熱少，無法同時滿足洗浴用水和民用建筑采暖負(fù)荷。洗浴用水對水溫要求較低，熱泵機(jī)組出水溫度低有利于提高機(jī)組的能效比，節(jié)能效果好。因此從供熱可靠性方面考慮，該礦井冷凝熱利用僅考慮四季利用冷凝熱供浴室洗浴用熱水。

在該礦井的冷凝熱回收供熱方案中，采用2臺制熱量為1315kW的水源熱泵機(jī)組。熱源側(cè)利用井下降溫制冷機(jī)組18～ 38℃的冷凝器出水。在機(jī)房內(nèi)設(shè)2臺150m3的不銹鋼保溫?zé)崴浜?臺熱水循環(huán)泵（2用1備）。熱水在熱水箱與水源熱泵機(jī)組之間循環(huán)，直至水箱內(nèi)水溫度達(dá)到45℃，再啟動熱水輸送泵將熱水箱內(nèi)熱水送至浴室。

5　節(jié)能效果分析

按照洗浴熱負(fù)荷2450kW計算，一個班次持續(xù)加熱5h，總計耗熱量為44100000kJ。這部分熱量若采用燃煤蒸汽鍋爐提供，鍋爐房效率取70%，標(biāo)煤耗量約為2152kg。

利用回收的制冷機(jī)組冷凝熱經(jīng)水源熱泵機(jī)組供熱，僅熱泵機(jī)組、循環(huán)水泵需要消耗電功率。冷凝熱回收方案中，兩臺水源熱泵機(jī)組制熱量1315kW，輸入功率238kW，兩臺熱水循環(huán)泵電機(jī)功率18.5kW，一臺熱水輸送泵電機(jī)功率45kW，總電功率為558kW，設(shè)計運(yùn)行5h滿足供熱要求，則消耗電能2790kWh。每度電按2013年中電聯(lián)公布的全國供電標(biāo)準(zhǔn)煤321g/kWh計，共消耗標(biāo)煤896kg，與燃煤鍋爐相比，每個班次可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1256kg。

6　結(jié)語

制冷機(jī)組的廣泛應(yīng)用促進(jìn)了生產(chǎn)、生活條件的改善。但是在獲得冷量的同時，大量的冷凝熱直接排入大氣，白白散失掉，造成較大的能源浪費(fèi)，這些熱量的散發(fā)又使周圍環(huán)境溫度升高，造成嚴(yán)重的環(huán)境熱污染。若將制冷機(jī)放出的冷凝熱予以回收用來加熱生活熱水和生產(chǎn)工藝熱水，不但可以減少冷凝熱對環(huán)境造成的污染，而且還是一種變廢為寶的節(jié)能方法。

[1]劉存玉，岳豐田，趙和凡，魏京勝，高濤，吳學(xué)慧.多功能制冷機(jī)組在礦井降溫與余熱回收中的應(yīng)用[J].煤礦安全，2013，44（6）：129～132.

[3]朱德斌，胡益雄，唐偉偉.冷凝熱回收熱水系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2013，32（5）：50～52.

[3]于連濤，林宇清.冷凝熱回收型制冷機(jī)組在住宅類建筑中的適用性研究[J].制冷與空調(diào)，2011，11（6）：82～85.

TD727

A

1673-0038（2015）14-0108-02

2015-3-18

柏琳（1980-），男，工程師，本科，主要從事熱能動力設(shè)計工作。