黃 棟，王鵬科，譚 樂(lè)，李 斌

(1.陜西省煤炭科學(xué)研究所，陜西 西安 710001；2.陜西省何家塔煤礦，陜西 榆林 719000；3.延安市煤礦安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控中心，陜西 延安 716000；4.延安能源化工(集團(tuán))有限責(zé)任公司，陜西 延安 716000)

0 引言

根據(jù)國(guó)家目前及以后嚴(yán)格的環(huán)保政策要求，煤炭生產(chǎn)企業(yè)、城鄉(xiāng)居民供暖將按照“宜煤則煤、宜電則電、宜氣則氣”的原則發(fā)展。陜北地區(qū)冬季大氣最低溫度達(dá)到-28 ℃，煤礦每年冬季供暖期最長(zhǎng)為180 d。榆林某煤礦目前計(jì)劃改造地面建筑供暖設(shè)施及主井井口供暖方式，該礦年產(chǎn)120萬(wàn)t，地面建筑設(shè)施需供暖的面積近10萬(wàn)m2。其中，居住、辦公建筑供暖需達(dá)到22 ℃以上，面積約3萬(wàn)m2；機(jī)修車(chē)間、棧橋、裝車(chē)站、污水處理廠等井上非居住建筑需要供暖到7 ℃以上，礦井主井口需供暖2 ℃以上且無(wú)結(jié)冰現(xiàn)象[1-4]。該礦為有效利用副井乏風(fēng)余熱，擬通過(guò)雙級(jí)螺桿壓縮式熱泵機(jī)組和超低溫空氣源熱泵聯(lián)合的方式供暖，具體為，先回收副井井口乏風(fēng)熱量并通過(guò)換熱器進(jìn)行換熱[5-7]，再以雙級(jí)螺桿壓縮式熱泵機(jī)組將所換熱量用來(lái)制取熱水[8-10]，以期滿足全礦的居住、辦公供暖需求。

1 乏風(fēng)余熱及各供暖方式對(duì)比

1.1 乏風(fēng)余熱

該煤礦副井乏風(fēng)量為5 800 m3/min，出風(fēng)溫度15 ℃，濕度75%，使用雙極螺桿壓縮式熱泵機(jī)組后，乏風(fēng)排風(fēng)溫度為5 ℃，濕度為100%。其中熱泵機(jī)組中進(jìn)介質(zhì)的溫度為-2 ℃，出介質(zhì)溫度為3 ℃。根據(jù)相關(guān)參數(shù)可得，乏風(fēng)在溫度為15 ℃，濕度為75%時(shí)，空氣密度1.214 kg/m3，焓值為35.3 kJ/kg；在溫度為5 ℃，濕度為100%時(shí)，乏風(fēng)焓值為18.6 kJ/kg，故吸收副井乏風(fēng)的熱量Q=5 800×1.214×(35.3-18.6)=1 960 kW，根據(jù)每平米需熱量為0.05 kW計(jì)算，可滿足39 200 m2的供暖需要，在滿足該礦建筑供暖的需要后，仍有近萬(wàn)平方米的富余。

1.2 各供暖方式對(duì)比

電廠熱源熱電聯(lián)供供暖：若采用6 km以外電廠熱源熱電聯(lián)供供暖，需鋪設(shè)來(lái)回約12 km的管路線，每千米需要征地費(fèi)、工程費(fèi)、管線設(shè)施費(fèi)及其他不可預(yù)見(jiàn)費(fèi)用等共1.2億元左右。另煤礦鋪設(shè)管道還需要進(jìn)行線路勘探、繞開(kāi)采空區(qū)及村莊，如此將會(huì)延長(zhǎng)管線，增加投資。供暖基礎(chǔ)建設(shè)全部建成投運(yùn)預(yù)計(jì)總投資額近2億元左右。該方案建設(shè)基礎(chǔ)工程投資巨大，特別是征地費(fèi)用耗資巨大、戰(zhàn)線長(zhǎng)，后期管理復(fù)雜。

燃?xì)忮仩t供暖：若建設(shè)燃?xì)忮仩t供暖，除了管線建設(shè)費(fèi)用外，接口費(fèi)、兩用一備3臺(tái)燃?xì)忮仩t及礦區(qū)管道集中改造費(fèi)(包括一進(jìn)風(fēng)井口兩套熱風(fēng)機(jī)組建設(shè))等，需要建設(shè)費(fèi)用1.2億左右。雖然建設(shè)投資費(fèi)用相對(duì)電廠熱源供暖基礎(chǔ)建設(shè)投資少，但弊端在于供暖氣源無(wú)法得到保證，結(jié)合我國(guó)天然氣儲(chǔ)量和開(kāi)發(fā)利用不足的現(xiàn)狀，過(guò)度開(kāi)發(fā)擴(kuò)大天然氣供暖，將導(dǎo)致冬季無(wú)法保障生產(chǎn)企業(yè)用氣。

煤粉鍋爐供暖：若該礦建設(shè)煤粉鍋爐供暖，需3臺(tái)20 t煤粉鍋爐，兩用一備。其中，管道集中配套及主井暖風(fēng)的兩套熱風(fēng)機(jī)組等配套設(shè)施約需總投資7 000萬(wàn)元左右。因煤粉鍋爐屬于高壓力鍋爐，需要每年檢測(cè)費(fèi)用高，消煙除塵、脫硫脫硝系統(tǒng)目前很難達(dá)到國(guó)家要求的環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)，且需要上線整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)，管理不到位會(huì)造成環(huán)境污染。且煤粉鍋爐運(yùn)行過(guò)程中需要技術(shù)人員較多，高壓鍋爐運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)較大。

電鍋爐供暖：若建設(shè)電鍋爐供暖，需要6臺(tái)3 000 kW電鍋爐。分區(qū)布置及一個(gè)需要暖風(fēng)的主井口再配套2套熱風(fēng)機(jī)組等費(fèi)用共需要投資4 000萬(wàn)元左右。雖然總投資較小，但電熱鍋爐后期運(yùn)行耗電量巨大，煤礦供暖成本太高。如子長(zhǎng)縣南家咀煤礦(年產(chǎn)120萬(wàn)t)使用電鍋爐，因每年采暖電費(fèi)過(guò)高，現(xiàn)已拆除并更換為雙級(jí)螺桿壓縮機(jī)熱泵機(jī)組和超低溫空氣源熱泵的聯(lián)合供暖方式。

熱泵技術(shù)聯(lián)合供暖：若該煤礦建設(shè)超低溫空氣源熱泵機(jī)組及礦井乏風(fēng)利用雙級(jí)螺桿壓縮式熱泵機(jī)組的聯(lián)合供暖，需要煤礦乏風(fēng)利用熱泵機(jī)組2臺(tái)，-35 ℃超低溫空氣源熱泵多臺(tái)。其中，設(shè)備安裝、基礎(chǔ)配套、供電設(shè)備等總共投資需要5 000萬(wàn)元左右。超低溫空氣源熱泵屬于國(guó)家大力推廣的新技術(shù)節(jié)能環(huán)保的供暖設(shè)備。該礦礦井乏風(fēng)的熱效再利用，將能滿足近10萬(wàn)m2的供暖需求。

2 選擇聯(lián)合供暖方式的原因

通過(guò)5種供暖方式的對(duì)比，該煤礦目前選用超低溫空氣源熱泵機(jī)組及雙級(jí)螺桿壓縮式熱泵機(jī)組聯(lián)合供暖方案比較合理，具體理由如下。

2.1 基礎(chǔ)設(shè)施投資和運(yùn)行安全性

基礎(chǔ)設(shè)施投資：在基礎(chǔ)設(shè)施方面，聯(lián)合供暖方式比電廠熱源供暖基礎(chǔ)建設(shè)節(jié)約1.5億元左右，比燃?xì)忮仩t供暖基礎(chǔ)建設(shè)節(jié)約7 000萬(wàn)元左右，比煤粉鍋爐供暖基礎(chǔ)建設(shè)節(jié)約2 000萬(wàn)元左右。但比電鍋爐基礎(chǔ)建設(shè)投資相對(duì)多，然而電鍋爐后期運(yùn)行電費(fèi)太高，能耗巨大。

運(yùn)行安全性：燃?xì)忮仩t、煤粉鍋爐運(yùn)行安全管理責(zé)任較大。運(yùn)行管理人員較多，鍋爐檢測(cè)維護(hù)工作繁重，消煙除塵，脫硫脫硝設(shè)施、設(shè)備維修幾率大，運(yùn)行中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)停機(jī)、停爐現(xiàn)象。超低溫空氣源熱泵機(jī)組及乏風(fēng)利用雙級(jí)螺桿壓縮式熱泵機(jī)組，常年自動(dòng)化運(yùn)行，穩(wěn)定無(wú)故障，使用安全性高。

2.2 運(yùn)行能耗

運(yùn)行能耗主要在于建筑物供暖和冬季礦井送風(fēng)，現(xiàn)對(duì)超低溫空氣源熱泵機(jī)組(聯(lián)合供暖方式)和間接加熱式電熱中央熱水機(jī)組(電鍋爐)的運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行計(jì)算分析。

建筑物供暖：以滿足1 000 m2的建筑物供暖需求的能耗進(jìn)行對(duì)比分析。冬季供暖天數(shù)為180 d，綜合每天間歇運(yùn)行時(shí)間為12 h，系統(tǒng)的滿負(fù)荷利用率為60%，電費(fèi)為0.7元/(kW·h)，建筑物冬季供暖所需的總熱量為103 680 kW·h。采用超低溫空氣源熱泵機(jī)組時(shí)，綜合冬季室外工況，按照室外溫度為-25 ℃考慮；在此溫度下，超低溫空氣源熱泵機(jī)組出水60 ℃時(shí),機(jī)組的能效比為2.89，即輸入1 kW的電量可產(chǎn)生2.89 kW熱量；可計(jì)算得所需電量為35 878 kW·h，所需的運(yùn)行費(fèi)用為25 114.6元。采用間接加熱式電熱中央熱水機(jī)組(電鍋爐)時(shí)，電能熱效率為90%，即輸入1 kW的電量可產(chǎn)生0.9 kW熱量；可計(jì)算得所需的電量為115 200 kW·h，則所需的運(yùn)行費(fèi)用為80 640元?？梢园l(fā)現(xiàn)，采用超低溫空氣源熱泵機(jī)組，每年節(jié)約電79 322 kW·h，節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用55 525.4元。

冬季礦井送風(fēng)：冬季礦井送風(fēng)天數(shù)為130 d，24 h不間斷運(yùn)行，按照室外溫度-25 ℃、系統(tǒng)的滿負(fù)荷利用率為50%、電費(fèi)0.7元/(kW·h)計(jì)算，礦井送風(fēng)系統(tǒng)所需的總熱量為546 000 kW·h。當(dāng)采用超低溫空氣源熱泵機(jī)組時(shí)，綜合冬季室外工況，超低溫空氣源熱泵機(jī)組出水60 ℃時(shí)，機(jī)組的能效比為2.89，即輸入1 kW的電量可產(chǎn)生2.89 kW熱量；則所需的電量為188 927 kW·h，所需運(yùn)行費(fèi)用為132 248.9元。采用間接加熱式電熱中央熱水機(jī)組(電鍋爐)時(shí)電能熱效率為90%，則所需電量為606 667 kW·h，所需運(yùn)行費(fèi)用為424 667元。綜合可得采用超低溫空氣源熱泵機(jī)組，每年可節(jié)約電能417 740 kW·h，節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用292 418.1元。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 子長(zhǎng)縣扇咀灣煤礦

供暖效果：扇咀灣煤礦設(shè)計(jì)年產(chǎn)45萬(wàn)t，礦井提升矸、混煤90萬(wàn)t以上?；仫L(fēng)井乏風(fēng)風(fēng)量為2 800 m3/min，溫度13 ℃，使用1臺(tái)368 kW雙級(jí)螺桿壓縮式熱泵機(jī)組滿足了地面1.8萬(wàn)m2的居住、辦公等各類(lèi)建筑的供暖需要。使用超低溫空氣源熱泵供應(yīng)暖風(fēng)，使得進(jìn)風(fēng)口溫度高于2 ℃，井口無(wú)結(jié)冰現(xiàn)象；其他如機(jī)修車(chē)間、倉(cāng)庫(kù)、洗煤廠等非居住建筑溫度達(dá)到7 ℃以上。該地區(qū)冬季大氣溫度最低-21 ℃，與乏風(fēng)利用熱效溫度相差近30 ℃左右，有效利用了乏風(fēng)余熱，達(dá)到了節(jié)能供暖效果。

費(fèi)用：對(duì)比扇咀灣煤礦之前采用的4臺(tái)4 t常壓燃煤鍋爐供暖方式，乏風(fēng)利用熱泵機(jī)組供暖單個(gè)采暖季節(jié)約電能費(fèi)用10萬(wàn)元，節(jié)約人工費(fèi)用為18.9萬(wàn)元，節(jié)約維修費(fèi)用2萬(wàn)元，達(dá)到了節(jié)能70%以上的良好效果。經(jīng)過(guò)1 a的使用，礦方職工普遍認(rèn)為供暖熱效高，運(yùn)行平穩(wěn)。

3.2 子長(zhǎng)縣自備煤礦

供暖效果：子長(zhǎng)縣自備煤礦設(shè)計(jì)年產(chǎn)45萬(wàn)t，提升混矸煤90萬(wàn)t。煤礦回風(fēng)井乏風(fēng)風(fēng)量為2 600 m3/min，乏風(fēng)溫度15 ℃。使用1臺(tái)368 kW雙級(jí)螺桿壓縮式熱泵機(jī)組與2臺(tái)100 kW超低溫空氣源熱泵分區(qū)滿足了地面1.5萬(wàn)m2的居住、辦公等各類(lèi)建筑的供暖需要；且進(jìn)風(fēng)口溫度、非居住建筑均滿足供暖要求，有效利用了乏風(fēng)余熱。

費(fèi)用：子長(zhǎng)縣自備煤礦原采用2 t洗浴鍋爐1臺(tái)、采暖7 t鍋爐1臺(tái)、主井口供熱風(fēng)7 t熱風(fēng)爐1臺(tái)、洗煤廠4 t鍋爐1臺(tái)進(jìn)行供暖。改為聯(lián)合供暖方式后，單個(gè)采暖季節(jié)約電能費(fèi)用10萬(wàn)元，節(jié)約人工費(fèi)用21萬(wàn)元，節(jié)約維修費(fèi)用3萬(wàn)元，共計(jì)節(jié)約采暖費(fèi)用近35萬(wàn)元。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上，該煤礦通過(guò)對(duì)子長(zhǎng)縣扇咀灣煤礦、自備煤礦使用熱泵技術(shù)聯(lián)合供暖效果的考察論證，結(jié)合在東部地區(qū)煤礦調(diào)研的情況，認(rèn)為相比目前其他供暖方式，聯(lián)合供暖方式具有供暖節(jié)能高、無(wú)任何污染等優(yōu)勢(shì)，且運(yùn)行安全穩(wěn)定，可自動(dòng)化運(yùn)行實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守運(yùn)行和在線監(jiān)測(cè)。2019年該煤礦啟動(dòng)安裝工程，冬季即可實(shí)現(xiàn)節(jié)能供暖的目標(biāo)。該供暖方式為子長(zhǎng)礦區(qū)乃至整個(gè)西北礦區(qū)冬季供暖環(huán)保節(jié)能節(jié)效做出了樣板，實(shí)現(xiàn)了重大的環(huán)保戰(zhàn)略意義，值得廣大的煤炭企業(yè)重視并推廣。