溫小萍，胡 強，馬尚禎

（1.河南理工大學，河南 焦作454000；2.河南能源化工集團鶴煤公司 陜西富源煤業(yè)有限公司，陜西 延安727502）

1 概述

隨著國家環(huán)保政策實施力度加大，燃煤鍋爐已經(jīng)禁止使用，在此背景下，煤礦供熱系統(tǒng)改造勢在必行[1]。另一方面，隨著我國社會經(jīng)濟的進步和發(fā)展，我國的煤礦企業(yè)的發(fā)展也取得了一定的進步[2]。作為當今世界第一產(chǎn)煤大國，我國煤炭企業(yè)近年來面臨著巨大的挑戰(zhàn)，尤其受到國內(nèi)投入過快、產(chǎn)能過剩及煤炭供應(yīng)繼續(xù)收縮等因素的影響，煤炭生產(chǎn)企業(yè)盈利能力下降。同時，依據(jù)我國《大氣污染防治行動計劃》《工業(yè)領(lǐng)域煤炭清潔高效利用行動計劃》等文件精神，節(jié)能減排已經(jīng)納入中國的法律當中，目前是世界經(jīng)濟發(fā)展的一項長期的戰(zhàn)略性政策，也是促進經(jīng)濟增長的戰(zhàn)略方針[3-4]。

煤礦現(xiàn)在基本上已經(jīng)淘汰10 噸及以下燃煤鍋爐，以及禁止新建20 噸以下的燃煤鍋爐。全面整治燃煤小鍋爐是我國大氣污染防治、煤炭清潔高效利用的重要舉措。在面臨“煤改電、煤改氣”的大背景下，煤炭企業(yè)不僅要尋求“開源”，更需要考慮“節(jié)流”，加強對能源高效利用和節(jié)約控制顯得尤為重要。為了深入貫徹國家政府節(jié)能減排相關(guān)政策，積極響應(yīng)集團公司節(jié)能提效的號召。煤礦在保障生產(chǎn)安全和產(chǎn)能前提下，經(jīng)多方調(diào)研和研討，擬通過深入挖掘生產(chǎn)技術(shù)潛力，申請并實施煤礦余熱利用改造項目，以進一步減少生產(chǎn)及礦工生活過程中的能源消耗，在促進礦井安全生產(chǎn)、節(jié)約能源、保護環(huán)境等方面具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益[5]。

2 多熱源余熱利用系統(tǒng)方案

2.1 技術(shù)比選

礦區(qū)余熱資源屬于低溫余熱，高效利用上述低溫余熱，提升其熱能品質(zhì)并加以有效利用是本項目的關(guān)鍵所在。熱泵是一種以消耗少量電能為代價，能將大量不能直接利用的低溫熱能變?yōu)橛杏玫母邷責崮艿难b置。在諸多低溫余熱裝置中有節(jié)能效率高、設(shè)備運行穩(wěn)定等特點，同時在運用方面也是最為廣泛。通常情況下，熱泵機組的能效比在4-6，也就是說輸入1kW 電能可以得到4-6kW 的熱能或冷能，與燃煤鍋爐相比，系統(tǒng)在節(jié)能方面可達到40%以上。太陽能集熱系統(tǒng)是利用轉(zhuǎn)換技術(shù)將光能轉(zhuǎn)換為熱能，再制備熱水進行供熱。太陽能具有可以解決一次性能源短缺問題的優(yōu)點，同時又具有可以保護環(huán)境的節(jié)能特點，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于我們的生活中。但是太陽能也存在一些缺點，如具有能源分散，氣候狀況不穩(wěn)定等因素，因此設(shè)計多熱源余熱利用系統(tǒng)時要充分的考慮到可以吸收更多的太陽能，最大程度的儲存能量，以及對常規(guī)性能源輔助加熱等一系列功能。在煤礦應(yīng)用時，采用低溫廢熱回收熱泵供熱、太陽能集熱技術(shù)可以替代燃煤鍋爐，可以實現(xiàn)供熱無污染物排放，清潔高效節(jié)能。

2.2 多熱源余熱利用系統(tǒng)原理

礦區(qū)余熱綜合利用項目的研究與應(yīng)用是一次煤炭能源企業(yè)打破傳統(tǒng)思維模式，自我革新解放思想過程[6]。為實現(xiàn)良好的熱水供應(yīng)效果，結(jié)合瓦斯泵站、空壓機房的實際運行情況和當?shù)厝照諘r長，可采用一套空氣源熱泵、一套水源熱泵和一套太陽能集熱系統(tǒng)。其中，水源熱泵和太陽能集熱系統(tǒng)供水管道沿原有架空管線布置，后續(xù)布置進管溝的方案，可以避免土建工程，且熱水管道在管溝中的熱損失較少，可以有效節(jié)約輸送過程中的熱能消耗?？諌簷C房排出的風流溫度為42℃，風量為22800m3/h，利用空氣源熱泵回收該處風流中的熱量；瓦斯泵站的循環(huán)水出水溫度為36℃，水量為18m3/h，利用水源熱泵提取循環(huán)水中的熱量；瓦斯泵站附近地勢較高（標高+1166m），周圍無建筑物遮擋，可以獲得最為豐富的太陽能。此外，從瓦斯泵站循環(huán)冷卻水中取熱的同時，將極大程度降低瓦斯泵站回流的冷卻水溫度，有利于瓦斯泵站機組的冷卻降溫。

2.3 多熱源余熱利用系統(tǒng)工藝流程

在瓦斯抽采泵站旁邊設(shè)置水源熱泵機房（標高+1148m）和太陽能集熱站（標高+1166m），集熱面積200m2。冬季時，自來水補水先經(jīng)太陽能集熱系統(tǒng)預熱，后送入高位蓄熱水池，由水源熱泵進行二次加熱至55℃；夏季時，自來水先由太陽能集熱系統(tǒng)加熱至55℃，后送入高位蓄熱水池，熱水再經(jīng)保溫管道輸送至用水區(qū)蓄水箱和水池。為減少輸送過程的熱量損失，供熱水管道做保溫處理。其中在水源熱泵側(cè)采用混水技術(shù)，在不影響瓦斯泵站原有冷卻水系統(tǒng)正常運行的基礎(chǔ)上，將原泵站冷卻水系統(tǒng)進行分流取熱，之后再將低溫的冷水與冷卻塔處理后的水混合，進一步降低進入泵站的水溫，保證生產(chǎn)作業(yè)穩(wěn)定性的同時，提高了機組的冷卻效率。

在空壓機房旁設(shè)置空氣源熱泵機組，若空壓機處于運行狀態(tài)，自來水經(jīng)空氣源熱泵制出55℃熱水，然后經(jīng)由保溫管道輸送至用水區(qū)蓄水箱。為減少輸送過程的熱量損失，熱水的供水管道做保溫處理。另一方面控制系統(tǒng)根據(jù)用戶用水特點，在用戶側(cè)原有40m3蓄水箱基礎(chǔ)上，可自動調(diào)節(jié)并供應(yīng)40m3增補熱水，保證熱水供應(yīng)量滿足每班工人最大用水需求。此外，設(shè)置有手動啟/停單個熱源取熱設(shè)備功能，并可根據(jù)冬夏季用水溫度需求，對空氣源、水源熱泵進行獨立溫度調(diào)節(jié)。

2.4 多熱源余熱利用系統(tǒng)的優(yōu)點

（1）系統(tǒng)取熱以水源熱泵和空氣源熱泵為主，設(shè)計時考慮了太陽能集熱系統(tǒng)取熱的不穩(wěn)定性，要求水源熱泵和空氣源熱泵能滿足用水量需求，其中水源熱泵機組長期運行，維持進入瓦斯泵站的循環(huán)冷卻水溫度恒定（低于14℃），有效降低了循環(huán)冷卻水的溫度；（2）空氣源熱泵可匹配空壓機工作時段自動啟動/停機，也可根據(jù)用戶側(cè)水箱低水位反饋信號開機運行，提取周圍空氣中的熱量制取55℃熱水；（3）太陽能集熱系統(tǒng)作為補充熱源，在用水高峰時及時提供熱水補償，在保證清潔取熱的同時滿足用水峰值的流量，同時在冬季還可對進入高位蓄水池的自來水進行預熱處理；（4）兩個高位蓄熱水池具有較大容積，可在對用戶側(cè)蓄水箱進行熱水補償?shù)耐瑫r直供淋浴用水。

整個系統(tǒng)的工作原理如圖1 所示。

3 多熱源余熱利用控制系統(tǒng)

3.1 水源熱泵系統(tǒng)控制原則

水源熱泵優(yōu)先運行，其在管路布置及控制邏輯上必須與冷卻塔必須實現(xiàn)三種模式：

（1）正常模式。在一般工況下，水源主機運轉(zhuǎn)，來自真空泵的熱水一般情況下到主機進行熱量提取。

（2）冷卻塔和水源主機串聯(lián)模式。在一些極端工況下，熱量無法被單一冷卻時。需要切換到冷卻塔和主機串聯(lián)運轉(zhuǎn)模式。來自瓦斯泵的熱水經(jīng)過冷卻塔后再經(jīng)過主機。

（3）故障模式。主機維修、檢修或維保期間，能無縫切換到冷卻塔冷卻，確保瓦斯泵的運轉(zhuǎn)。

3.2 太陽能集熱系統(tǒng)控制原則

（1）在太陽能集熱器設(shè)置溫度傳感器，由其控制電磁閥。當溫度達到設(shè)定溫度后電磁閥打開將水補到中轉(zhuǎn)水箱。水箱水溫達到一定水位及溫度后，泵到洗浴水箱。

（2）在陽光不足或氣溫過低時，切換太陽能系統(tǒng)為預熱水溫裝置，送至高位蓄熱水池，由水源熱泵二次加熱。

（3）設(shè)定溫度傳感器，考慮使用瓦斯泵的來水對自來水補水進行預熱。

（4）整個系統(tǒng)的補水，優(yōu)先考慮由太陽能及預熱后的自來水進行補充。

3.3 空氣源熱泵的控制原則

（1）根據(jù)水源熱泵及太陽的運行情況預運算，如果預計不能滿足要求，則提前開啟空氣源熱泵。

（2）根據(jù)用戶側(cè)蓄水箱低液位信號反饋，開啟空氣源熱泵制取熱水。

圖1 煤礦余熱利用系統(tǒng)工作原理

4 多熱源余熱利用系統(tǒng)設(shè)備選型

余熱利用系統(tǒng)主要由空氣源熱泵機組、水源熱泵機組、太陽能集熱系統(tǒng)、熱水供回水系統(tǒng)組成。

4.1 熱泵機組和太陽能集熱系統(tǒng)選型

根據(jù)需熱量及熱泵和太陽能機組調(diào)研結(jié)果[7-9]，結(jié)合煤礦實際建筑分布情況，采用1 臺空氣源熱泵機組，1 臺水源熱泵機組和1 套200m2太陽能集熱系統(tǒng)。水源熱泵系統(tǒng)穩(wěn)定運行時可將高位蓄熱水池的水溫維持在55℃，空氣源熱泵可將自來水直接加熱到55℃；太陽能集熱系統(tǒng)可將10℃來水加熱至55℃，冬季每天產(chǎn)生10t 熱水，直接供給高位蓄熱水池。因設(shè)計方案在水源側(cè)采用了混水技術(shù)，在確保蒸發(fā)器流量的前提下，可提取更多熱量，理論取熱最大功率為648kW。

4.2 熱水供水系統(tǒng)

水源熱泵和太陽能集熱系統(tǒng)制出的熱水開式直供用戶側(cè)，系統(tǒng)由電磁閥、管件、水泵、高位蓄熱水池及管道組成。供水系統(tǒng)流程如下：自來水補水→太陽能集熱系統(tǒng)預熱→高位蓄熱水池→水源熱泵再熱→水泵→供水管路→用戶側(cè)蓄水箱/水池。

空氣源熱泵采用開式直供方式，由電磁閥、管件、水泵及管道組成，供水系統(tǒng)流程如下：自來水補水→空氣源熱泵加熱→水泵→供水管路→用戶側(cè)蓄水箱/水池。

開式循環(huán)具有換熱損失少、及時補償用水需求、節(jié)約管材和管件等優(yōu)點，具體如下：（1）開式系統(tǒng)沒有末端換熱器，避免了換熱時的熱量損失；（2）開式系統(tǒng)可及時保證用戶側(cè)需求，隨時補償；（3）開式系統(tǒng)采用單程供水方式，可以減少管路敷設(shè)用量，閥門、水泵等管件需求量少。

水管路分別由DN150、DN65 以及DN50 供水管組成，其中DN150、DN65 為水源熱泵循環(huán)熱水管以及側(cè)源旁通管道，DN50 為高位蓄熱水池供水管，DN32 為空氣源熱泵供水管。管材以國標鍍鋅管為主，外置聚氨酯發(fā)泡保溫層厚度≥50mm。

5 經(jīng)濟效益分析

每噸10℃的水加熱到55℃，需消耗熱量：

同時考慮鍋爐熱效率為85%，則Q=18.9×104÷0.85=22.2×104KJ。每立方天然氣熱值為36MJ，所以每噸熱水耗氣量：Q=22.2×104KJ/36×103KJ=6.17m3。該余熱利用系統(tǒng)每小時制取10+2+0.4=12.4 噸熱水，則可節(jié)約燃氣：12.4×6.17=76.51m3，全年節(jié)約燃氣：76.51×24×365=670227.6m3，按照每立方燃氣價格2.8 元計算，燃氣費：2.8×670227.6=187.66 萬元。

此外，進入瓦斯泵循環(huán)冷卻水溫度由原來的26℃（夏季30℃）降低到15℃以下，對于瓦斯泵站機組運行效率可以提升7%左右。現(xiàn)有瓦斯泵實際運行情況為1 臺630kW和1 臺355kW 同時運行，每小時可節(jié)約電量（630+355）×0.07=68.95kW，每度電按0.8 元來計算，可計算出每年節(jié)約的電費為68.95×24×365×0.8=48.32 萬元。

水源熱泵和空氣源熱泵機組總功率為128.4+24=152.4kW，年耗電量為：128.4×24×365+24×20×365=1124784+175200=1299984kW·h，每度電按0.8 元計算，可計算出每年電費為1299984×0.8=103.99 萬元。

因此，煤礦余熱利用改造后每年可產(chǎn)生經(jīng)濟效益如下：

6 結(jié)論

煤礦為提高低溫余熱的利用率采用多熱源余熱利用系統(tǒng)進行回收利用。在國家“節(jié)能減排政策”及建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的大背景下，采用熱泵技術(shù)充分利用煤礦余熱資源部分甚至全部取代礦區(qū)燃煤小鍋爐是實現(xiàn)煤炭清潔高效利用的明智之舉，也是煤礦實現(xiàn)“采煤不燒煤”、謀求綠色低碳轉(zhuǎn)型升級的主要方向。