毛紅社，趙淵龍

(煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司，山西 太原 030001)

1 概述

根據(jù)國家《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》、山西省《山西省大氣污染防治2018年行動計(jì)劃》內(nèi)容，臨汾市同富新礦井被列為“禁煤區(qū)”，“禁煤區(qū)”范圍內(nèi)除煤電、集中供熱和原料用煤企業(yè)外，禁止儲存、銷售、燃用煤炭。同富新礦井原有的燃煤鍋爐被拆除，沒有了熱源，如何給礦井井筒防凍，保證冬季的安全生產(chǎn)，成了礦企急需解決的難題。我們在給同富新礦進(jìn)行清潔能源改造時，針對礦井井筒保溫，設(shè)計(jì)選用井口防凍專用加熱機(jī)組利用新能源熱泵系統(tǒng)解決井筒防凍問題，經(jīng)一年的使用，實(shí)踐證明取得了很好的效益，現(xiàn)介紹如下。

2 井筒防凍傳統(tǒng)做法

礦井井筒防凍的傳統(tǒng)做法見圖1。

該做法的特點(diǎn)是利用高溫?zé)崦綄⑹彝饪諝饧訜岬?0 ℃～70 ℃，送入井筒或井口房內(nèi)，與室外被吸入的冷空氣混合到2 ℃后送入井下。

礦區(qū)距離城市供暖管道較遠(yuǎn)，沒有集中供熱條件。其他可利用的燃?xì)?、?水)熱能源均不具備實(shí)施條件。燃煤鍋爐取締后，目前只能采取以電為主的供暖方式。

空氣源熱泵技術(shù)比具有相同供熱能力的電鍋爐節(jié)約電能，目前基本成了能源替代方案的唯一選擇。

3 井口防凍專用機(jī)組運(yùn)行原理

該礦井井筒防凍形式采用井口防凍專用機(jī)組，依據(jù)模塊化設(shè)計(jì)理念，將12臺渦旋式空氣源熱泵主要部件壓縮機(jī)、蒸發(fā)器拼接成制熱段，將冷凝器、離心風(fēng)機(jī)拼接為加熱/風(fēng)機(jī)段，兩個功能段組合在一起，形成一臺獨(dú)立機(jī)組。機(jī)組構(gòu)成見圖2。

機(jī)組制熱段采用通常的空氣源熱泵機(jī)組，采用渦旋壓縮機(jī)；加熱/風(fēng)機(jī)段采用柜式空調(diào)箱的形式，不同之處在于其冷凝器6，針對井筒防凍做了特殊設(shè)計(jì)，高溫高壓的制冷劑R134a流入冷凝器6，經(jīng)室外冷空氣冷卻為液體后再進(jìn)入4,2循環(huán)工作。經(jīng)5吸入的室外空氣經(jīng)6加熱后，由大風(fēng)量離心風(fēng)機(jī)7經(jīng)風(fēng)道送入井筒。

該機(jī)組直接將室外冷空氣加熱到井筒防凍需要的2 ℃，根據(jù)礦井通風(fēng)所需進(jìn)風(fēng)量，多臺井口防凍專用機(jī)組模塊化組合，按1∶1風(fēng)量，全新風(fēng)送入井筒內(nèi)，以供冬季井筒防凍，達(dá)到井筒防凍的要求。工作方式見原理圖3。

4 井口防凍專用機(jī)組與普通空氣源熱泵井筒防凍技術(shù)區(qū)別

普通空氣源熱泵流程是：熱泵加熱水，水加熱空氣；井口防凍專用機(jī)組的流程是熱泵加熱空氣。

井口防凍專用機(jī)組與普通空氣源熱泵井筒防凍區(qū)別如表1所示。

表1 井口防凍專用機(jī)組與普通空氣源熱泵井筒防凍區(qū)別

5 井口防凍專用機(jī)組特點(diǎn)

由表1可以發(fā)現(xiàn)，井口防凍專用機(jī)組與普通空氣源熱泵井筒防凍形式相比，具有以下特點(diǎn)：

1)摒棄常規(guī)空氣源熱泵技術(shù)加熱方式，直接將井筒通風(fēng)所需的全部冷風(fēng)加熱至2 ℃后送入井筒內(nèi)，降低了被加熱介質(zhì)(冷凝)的溫度。

逆卡諾循環(huán)原理見圖4。

圖4中，T1為高溫?zé)嵩礈囟?；T2為低溫?zé)嵩礈囟龋籷1為吸熱量；q2為放熱量；w0為熱泵做功，T1的降低，使得w0減小。熱泵的能效值計(jì)算公式：h=T1/(T1-T2)。

(T1-T2)差值越小，h值越大，熱泵能效越高。因而該機(jī)組即使在極端最低溫度情況下(-25 ℃及以下)此時井口防凍專用機(jī)組能效比COP值仍然較高，可達(dá)3.0以上。

2)全新風(fēng)送風(fēng)，在降低送風(fēng)溫度的同時，全新風(fēng)送風(fēng)避免了混風(fēng)不均勻?qū)е碌木卜纼鲂Ч涣棘F(xiàn)象。在煤炭系統(tǒng)，如此大風(fēng)量，按礦井通風(fēng)量進(jìn)行1∶1的送風(fēng)方式還是第一次，這種送風(fēng)方式帶來的益處與不足還需要更多工程的檢驗(yàn)。

3)本加熱系統(tǒng)無水系統(tǒng)，使用井口防凍專用機(jī)組直接加熱室外冷風(fēng)至2 ℃后送入井筒內(nèi)，減少了普通空氣源熱泵井筒防凍加熱方式中水系統(tǒng)的換熱及管路熱損失，加熱效率更高，加熱系統(tǒng)更加簡單，減少循環(huán)泵等裝置。

4)與傳統(tǒng)燃煤鍋爐相比，本加熱系統(tǒng)自動化程度高，可根據(jù)室外溫度情況自動調(diào)整主機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)采用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可在手機(jī)端/IPD/PC端等對主機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、實(shí)時操作等功能，可實(shí)現(xiàn)無人值守。

5)井口防凍專用機(jī)組均為單元模塊化設(shè)計(jì)，每個機(jī)組只負(fù)責(zé)加熱部分冷風(fēng)。多個機(jī)組加熱后的暖風(fēng)經(jīng)機(jī)組自帶的風(fēng)機(jī)加壓后匯入總風(fēng)道內(nèi)送至井筒。井口防凍專用機(jī)組可根據(jù)井筒防凍負(fù)荷任意組合安裝，大大縮短了系統(tǒng)的施工周期，更好地適應(yīng)了礦井不同建設(shè)時期對井筒保溫的需要[1-2]。

6 工程實(shí)踐

臨汾地區(qū)同富新礦井采用井口防凍專用機(jī)組于2018年7月開始設(shè)計(jì)，2018年10月開始安裝，2018年12月竣工運(yùn)行，現(xiàn)場完成情況如圖5所示。井口防凍專用機(jī)組布置情況如圖6所示。

井口防凍專用機(jī)組經(jīng)一個采暖期運(yùn)行，效果良好。

該礦歷年極端最低溫度平均值為-22.3 ℃。主井進(jìn)風(fēng)量800 m3/min，副井進(jìn)風(fēng)量4 600 m3/min，井口防凍專用機(jī)組ADE300H-DX120AS-AF單機(jī)在-12 ℃工況下制熱量330 kW，送風(fēng)量500 m3/min，耗電量77.1 kW。計(jì)算熱負(fù)荷及設(shè)備選型見表2，共使用井口防凍專用機(jī)組11臺。

表2 井口防凍專用機(jī)組配置表

由于同富新礦井主斜井、副斜井在一個場地內(nèi)相鄰，所有11臺井口防凍專用機(jī)組集中一起布置在工業(yè)廣場上，送入副井井筒的最大風(fēng)道斷面3 m×3 m。采暖期井口防凍專用機(jī)組耗電量見表3。

表3 采暖期井口防凍專用機(jī)組耗電量統(tǒng)計(jì)

采暖期合計(jì)用電量875 650 kW·h。折合單位風(fēng)量耗電量為875 656/(800+4 600)=162.16 (kW·h)/m3。

7 節(jié)能效益分析

7.1 與單純電加熱機(jī)組比較

同富新礦井筒防凍熱負(fù)荷3 117 kW，與同富新礦井相距不遠(yuǎn)的DR礦其氣象參數(shù)相同，井筒防凍熱負(fù)荷為3 214 kW，二者相差3.1%。DR礦采用單臺功率500 kW的電加熱機(jī)組，加熱冷空氣送入井筒內(nèi)，配置如表4所示，其耗電量統(tǒng)計(jì)見表5。

表4 某礦電加熱機(jī)組配置表

該礦同樣經(jīng)一個采暖期運(yùn)行，運(yùn)行時間一致，使用效果良好。

表5 DR礦電加熱機(jī)組耗電量統(tǒng)計(jì)

采暖期合計(jì)用電量2 652 804 kW·h。折合單位風(fēng)量耗電量為2 652 804/(2 358+3 207)=476.69 (kW·h)/m3。

二礦井筒防凍耗電量比值162.16/476.69=0.34?？梢娡恍碌V井采用井口防凍專用機(jī)組用于井筒防凍，能耗僅為電加熱機(jī)組能耗的34%，取得了明顯的節(jié)能效果。

7.2 與熱水型空氣源熱泵機(jī)組比較

同樣與同富新礦井相距不遠(yuǎn)的XY礦其氣象參數(shù)相同，井筒防凍熱負(fù)荷為2 312 kW。DP礦采用空氣源熱泵機(jī)組，單機(jī)制熱量150 kW，共16臺(見表6)，制備熱水通過空氣加熱機(jī)組加熱冷空氣送入井筒內(nèi)。該礦同樣經(jīng)一個采暖期運(yùn)行，使用效果良好。

表6 XY礦電加熱機(jī)組配置表

采暖期合計(jì)用電量1 176 471 kW·h。折合單位風(fēng)量耗電量為1 176 471/4 000=294.12 (kW·h)/m3。

二礦井筒防凍耗電量比值162.16/294.12=55%。由此可見同富新礦井采用井口防凍專用機(jī)組用于井筒防凍，為熱水型空氣源熱泵機(jī)組能耗的55%，取得了明顯的節(jié)能效果。

8 結(jié)語

井口防凍專用機(jī)組用于井筒防凍，是新時代環(huán)保政策下催生出的產(chǎn)物，作為新產(chǎn)品，使用中還有不甚理想之處，還要經(jīng)更多的實(shí)踐檢驗(yàn)和專家們的鑒定，對于轉(zhuǎn)型升級中的煤炭行業(yè)來說，希望這一產(chǎn)品的推廣應(yīng)用，為煤炭行業(yè)的發(fā)展起到升級助推的作用。