溫小萍,胡 強,馬尚禎
(1.河南理工大學(xué),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)
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(dāng)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(dāng)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]。
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?zé)崮茏優(yōu)橛杏玫母邷責(zé)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。
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(dāng)?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(fēng)流溫度為42℃,風(fēng)量為22800m3/h,利用空氣源熱泵回收該處風(fēng)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。
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(yù)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)。
(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(yù)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。
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)。
(1)在太陽能集熱器設(shè)置溫度傳感器,由其控制電磁閥。當(dāng)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(yù)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(yù)熱。
(4)整個系統(tǒng)的補水,優(yōu)先考慮由太陽能及預(yù)熱后的自來水進行補充。
(1)根據(jù)水源熱泵及太陽的運行情況預(yù)運算,如果預(yù)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
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。
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。
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(yù)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。
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?,F(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:
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。