黃智強 王建凱 丁財豐

（北京中科華譽熱泵設(shè)備制造有限公司，北京 102488）

0 引言

熱泵技術(shù)作為一種高效、節(jié)能、環(huán)保的新型能源利用方式，近年來在國內(nèi)外得到了廣泛的推廣應(yīng)用。礦井排水作為煤炭開采過程中的伴生資源，一年四季源源不斷，量大溫度高，而且一年四季基本恒定，蘊藏著十分豐富的低溫?zé)崮芎屠淞?。這種資源得天獨厚，是熱泵系統(tǒng)非常理想的低溫?zé)嵩春屠湓?。采用熱泵技術(shù)回收礦井排水的低溫廢熱資源，用于工業(yè)廣場的建筑采暖、井口防凍以及洗浴熱水等熱能需求，具有重大的經(jīng)濟效益、社會效益和推廣價值。目前，礦井排風(fēng)和排水熱能綜合利用熱泵技術(shù)已成為重要的研究和應(yīng)用方向[1-2]。

目前研究的重點主要集中在水溫比較低的場所，對于某些水溫較高的礦區(qū)，需要專門的流程，并為之研發(fā)特定的設(shè)備。該文將以山西某煤礦較高溫度排水廢熱資源回收利用為研究對象，提出和研發(fā)礦井排水余熱雙級循環(huán)利用熱泵系統(tǒng)，解決工業(yè)廣場的建筑采暖、井口防凍及洗浴熱水所需熱能，實現(xiàn)了完全替代燃煤鍋爐，節(jié)省燃煤消耗，降低運行成本，達到節(jié)能減排的目的。

1 礦井排水余熱雙級循環(huán)利用熱泵系統(tǒng)設(shè)計與研發(fā)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計

萬峰礦井排水水量為350 m3/h～410 m3/h，水溫32℃，蘊藏?zé)崮苁重S富，具有重要的回收利用價值。

圖1 為萬峰煤礦水源熱泵項目系統(tǒng)原理圖，該項目配置了HE1460B 型全封閉蝸旋式熱泵機組6 臺，HE640B 型全封閉蝸旋式熱泵機組2 臺，總制熱量11 500 kW。運行1 臺HE640B 機組為全年的洗浴熱水供應(yīng)提供熱能（標為系統(tǒng)1，1#機組），另外1 臺HE640B 機組用于洗澡或供暖的調(diào)峰備用機組（標為系統(tǒng)1，2#機組），系統(tǒng)1 中1#和2#機組水路串聯(lián)運行6 臺HE1460B（標為系統(tǒng)2，每臺機組分別標號1#、2#、3#、4#、5#、6#），為工業(yè)廣場建筑采暖，井口防凍及洗浴熱水所需熱能。1#和2#機組熱源側(cè)管路串聯(lián)，3#和4#機組熱源側(cè)管路串聯(lián)，5#和6#機組熱源側(cè)管路串聯(lián)。

圖1 萬峰礦水源熱泵項目系統(tǒng)原理圖

1.2 關(guān)鍵技術(shù)問題

為了研發(fā)該礦井排水余熱雙級循環(huán)利用技術(shù)，須解決高溫水源水蒸發(fā)換熱技術(shù)、大功率渦旋熱泵機組集成技術(shù)、高溫水雙級循環(huán)利用技術(shù)。然后進行工業(yè)實施與試驗，最終完成礦井排水余熱雙級循環(huán)利用熱泵系統(tǒng)研發(fā)。

1.2.1 高溫水源水雙級循環(huán)技術(shù)

根據(jù)礦井涌水排水水溫較高，流量較小的特點，通過雙級循環(huán)利用的方式實現(xiàn)7℃以上全部涌水排水熱量的回收，為使用側(cè)提供了50℃左右的熱源。由于礦井排水時間不是24 h 連續(xù)排水，而水源熱泵機組提取熱量時要求水源連續(xù)穩(wěn)定，煤礦一般有礦井水及深井水處理系統(tǒng)，筆者利用礦井水及深井水處理系統(tǒng)前端蓄水池做緩沖水池，水池做保溫處理，既解決了礦井水及深井水熱量散失問題，又解決了礦井水及深井水排水不連續(xù)問題。礦井水提取熱能原理圖如圖2所示。

1.2.2 大功率熱泵機組集成技術(shù)

針對渦旋式壓縮機采用了非平衡式并聯(lián)形式[3]，三壓縮機并聯(lián)匹配增加機組裝機容量，提高了換熱效率。多個壓縮機逐個啟動，逐個卸載，緩解對電氣系統(tǒng)的沖擊。并聯(lián)渦旋壓縮機具有如下優(yōu)勢。在部分負荷運行時，螺桿壓縮電機處于較低負載，電機效率低，圖3 給出了電箱三相電機效率隨負荷變化的曲線。而并聯(lián)渦旋壓縮機采用臺數(shù)控制，仍在運行的渦旋壓縮機處于滿負荷運行，電機效率高。壓縮機的電機功耗由2 個部分組成。1）用于壓縮氣體（即理論壓縮功），大約占電機功耗的90%，這部分功耗和氣體流量成正比。2）用于克服摩擦力并維持轉(zhuǎn)動，這部分是固定功耗。因此，即使壓縮機不壓縮氣體（全卸載），電機負載仍然存在。因此典型螺桿機卸載后能效曲線如圖4 所示。

相對于非并聯(lián)渦旋壓縮機技術(shù)，并聯(lián)渦旋壓縮機具有換熱器利用效率更高的優(yōu)點。以雙機并聯(lián)系統(tǒng)與雙機獨立系統(tǒng)為例，滿負荷時，2 個系統(tǒng)利用的換熱器面積均為100%。當負荷降低到50%時，雙機獨立系統(tǒng)由于1 個壓縮機已經(jīng)關(guān)閉，只有1 個壓縮機運行，此時能利用的換熱器面積為50%。而雙機并聯(lián)系統(tǒng)仍能利用100%的換熱器面積。

在實際運行中，當要求熱水溫度和水源溫度不變時，三機并聯(lián)系統(tǒng)和3 個單機獨立系統(tǒng)的能效情況如圖5 所示。

圖2 礦井水提取熱能原理圖

圖3 三相電機效率隨負荷變化的曲線

圖4 典型螺桿機卸載后能效曲線

圖5 三機并聯(lián)系統(tǒng)和3 個單機獨立系統(tǒng)的能效情況

1.2.3 高溫?zé)岜眉夹g(shù)

從熱力學(xué)原理可知，對于熱泵吸熱溫度（蒸發(fā)溫度）越高，單位功耗越低，系統(tǒng)運行越節(jié)能。常規(guī)熱泵的蒸發(fā)溫度主要是受電機功率，冷凝溫度，吸氣過熱度和油潤滑能力（黏度）的限制，最大能有效利用的熱源溫度為23℃。該項目通過對蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將壓縮機的蒸發(fā)溫度限制提高到28℃，實現(xiàn)了熱源的高效利用。高溫水源熱泵和常規(guī)熱泵的適用范圍如圖6 所示。

圖6 高溫水源熱泵技術(shù)適用范圍

通過下列技術(shù)手段，實現(xiàn)了高溫水源熱泵技術(shù)[4]。

1.2.3.1 高效冷凝換熱器的設(shè)計

常規(guī)熱泵設(shè)備冷凝傳熱端溫差一般為5℃，華譽公司在換熱流程上進行了優(yōu)化，并采用最新型的高效換熱管技術(shù)，并增大冷凝傳熱面積，將端溫差控制在2℃。降低3℃冷凝溫度，電機功率可以降低10%，電機安全容量得到有效保證。

1.2.3.2 低吸氣過熱度波動的蒸發(fā)器設(shè)計

制冷劑在蒸發(fā)器中蒸發(fā)時，會由于換熱器結(jié)構(gòu)及制冷劑節(jié)流等原因形成過熱度波動現(xiàn)象，一般波動值在7 k 左右。為了避免回液，常規(guī)換熱器在設(shè)計時預(yù)留10 k 的余量。吸氣過熱度越大，吸氣溫度越高，電機冷卻效果將惡化。華譽熱泵在蒸發(fā)器中設(shè)置了氣液分離的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了最終出口吸氣過熱度波動在3 k。

1.2.3.3 采用自適應(yīng)的噴液降溫裝置

壓縮機冷凝溫度越高，電機功率將變大，電機冷卻需要供液量越大。華譽熱泵采用冷凝壓力控制的自適應(yīng)噴液裝置，當冷凝溫度升高時，噴液量增大，當冷凝溫度降低時，噴液量減少，避免了過量回液或噴液不足。

2 運行結(jié)果與技術(shù)經(jīng)濟評估

通過對礦井高溫排水回收利用熱泵技術(shù)的研究和產(chǎn)品開發(fā)，解決高溫水不能直接進熱泵蒸發(fā)器換熱的難題，滿足一級換熱進水溫度32℃、出水溫度22℃、二級換熱進水溫度21℃、出水溫度11℃的技術(shù)要求。高溫水源大溫差高效回收利用熱泵技術(shù)以及大功率熱泵機組集成技術(shù)的成功研發(fā)，為熱泵系統(tǒng)在煤炭行業(yè)的推廣奠定技術(shù)基礎(chǔ)。萬峰煤礦實現(xiàn)鍋爐供暖系統(tǒng)的替代后，考慮到礦區(qū)負荷種類多，負荷變化大的特點，通過對負荷的分類管理和動態(tài)控制系統(tǒng)的研究開發(fā)，滿足不同負荷的熱能需求。

從4 個方面進行技術(shù)經(jīng)濟評估。1）冬季供暖室內(nèi)溫度可達20℃～22℃或以上。2）職工浴室熱水溫度40℃～45℃。3）井筒防凍達到進風(fēng)混合后溫度4℃以上。4）該項目實施后每年可節(jié)約燃煤約10 459 t，減少CO2排放27 000 t，減少SO2排放200 t，每年節(jié)約運行費約590 萬元。具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

3 結(jié)論

實現(xiàn)了工業(yè)廣場建筑采暖、井口防凍及洗浴熱水熱負荷，完全替代了原有22 t 燃煤鍋爐，實現(xiàn)了礦區(qū)無鍋爐化運行。解決了高溫?zé)崴?3℃以上）不能直接進入機組進行熱量提取的問題。解決了排水流量較小的情況下廢熱資源利用率低，熱泵機組效率低的問題。改進了井口進風(fēng)方式，冷熱風(fēng)極速融合，保證了井口入風(fēng)的適宜性，有效地減少了能耗。解決井口防凍、洗澡用水、供熱供冷一體化，利用礦井排水實現(xiàn)了礦井的無鍋爐化運行。