田錦繡

(山西潞安化工集團慈林山煤業(yè)有限公司 李村煤礦，山西 長治 046600)

能耗雙控是實現(xiàn)雙碳承諾的重要手段之一，是實現(xiàn)國家高質(zhì)量發(fā)展，確保能源安全，倒逼產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的重要方式之一。國家對于能耗雙控工作非常重視，對各省區(qū)市的能耗強度降低實行基本目標和激勵目標雙目標管理，對企業(yè)來說，完成全年能耗“雙控”目標任務(wù)形勢嚴峻。如何節(jié)能降耗成為企業(yè)關(guān)注的焦點之一。

2020年，李村煤礦引進了直冷式深焓取熱乏風熱泵供熱技術(shù)提取礦井乏風的余熱資源，解決風井場地建筑采暖和井口防凍的供熱需求。

1 工程技術(shù)方案

1.1 乏風熱泵工作原理

該技術(shù)在第二代直蒸式乏風熱泵技術(shù)的基礎(chǔ)上更新?lián)Q代，在第二代技術(shù)的基礎(chǔ)上解決了深焓取熱過程的結(jié)霜問題，實現(xiàn)了連續(xù)滾動式除霜，從而實現(xiàn)了大焓差取熱，稱為“直冷式深焓取熱乏風熱泵技術(shù)”，如圖1所示。

圖1 直冷式乏風熱泵技術(shù)原理示意

直冷式乏風熱泵機組的特點：

1) 獨特的模塊化多功能乏風取熱機組，換熱效率高，取熱焓差大；同時具有耐沖刷抗腐蝕功能；

2) 采用特殊工藝制作的高科技超親水翅片表層，大大降低了取熱機組表層積塵積粘性物質(zhì)的特性；

3) 采用針對煤礦換熱器表層積塵積粘性物質(zhì)特性專門開發(fā)的清洗劑，由取熱機組前后壓差控制，通過取熱機組的自動清洗裝置周期性清洗乏風取熱機組，可保持取熱機組長期如新；

4) 回風主風機切換時，可通過調(diào)節(jié)取熱機組風閥以確保通過每個取熱機組風量的均勻；

5) 模塊化乏風取熱機組設(shè)計，取熱焓差可選，系列齊；

6) 乏風取熱機組模塊化設(shè)計，安裝方便，排水快速，維護簡便；

7) 常閉型自動旁通風門設(shè)計，既解決煤礦事故反風運行時換熱器阻力影響問題，也解決熱泵供熱系統(tǒng)不使用時回風主機功耗浪費問題。

1.2 乏風余熱利用情況

李村煤礦礦井回風量大，風量和風溫穩(wěn)定，礦井內(nèi)乏風是良好的余熱資源，礦井乏風風量為550 m3/s，通過測量，乏風溫度在10 ℃左右。

1.3 熱負荷計算

1) 井筒防凍熱負荷計算。堯神溝風井場地井筒進風量為505 m3/s，根據(jù)該井筒進風量進行熱負荷計算，所需熱負荷計算如下：

井筒防凍熱負荷：

Q=1.1×G×ρ×Cp×(ΔTh-ΔTw)

式中：Q為井筒防凍熱負荷，kW；1.1為富裕系數(shù)(根據(jù)GB/T50466確定)；G為礦井進風量，取505 m3/s；ρ為空氣密度，取1.284 kg/m3；(1個標準大氣壓、2 ℃時干空氣的密度)；Cp為空氣定壓比熱容，取1.01 kJ/(kg·K)；ΔTh為冷、熱空氣混合后的溫度，取2 ℃；ΔTw為極端最低溫度平均值，取-23.3 ℃(根據(jù)《煤炭工業(yè)礦井設(shè)計規(guī)范》GB50215-2015第15.5.2條規(guī)定：井筒空氣加熱的室外計算溫度取歷年的極端最低溫度的平均值)。

相應(yīng)地空氣加熱室的空氣加熱熱負荷為：

Q=1.1×505×1.284×1.01×(2+23.3)=18 226 kW

2) 建筑物采暖熱負荷。建筑采暖負荷采用體積熱指標法進行計算：

Q=qv×V×(tn-tw)

式中：Q為建筑采暖耗熱量，W；qv為建筑物體積耗熱指標，W/m3；V為建筑物體積，m3；tn為室內(nèi)設(shè)計溫度，℃；tw為室外采暖計算溫度，℃。建筑物采暖負荷統(tǒng)計，見表1。

表1 建筑物采暖熱負荷計算tw=-13 ℃

3) 供熱負荷按10%富余量統(tǒng)計，堯神溝風井總需熱負荷見表2.

表2 總設(shè)計供熱負荷

1.4 方案設(shè)計

本項目供熱熱源采用乏風熱泵+電輔助加熱。

1.4.1 熱源設(shè)計

1) 乏風熱泵機組選型。乏風為550 m3/s，根據(jù)計算乏風由10 ℃/85%降至0 ℃/95%，取熱量為11 700 kW，乏風熱泵設(shè)計工況下COP=4.0，熱泵配電功率為3 900 kW，總供熱能力為15 600 kW.

選配6臺直冷式乏風熱泵機組，型號為SMEET-FS-R-2600Ⅱ，單臺制熱量為2 600 kW，配電功率為650 kW，供回水溫度為40/30 ℃，單臺水流量為224 m3/h.總供熱能力為15 600 kW，熱泵總配電功率為3 900 kW.

主機設(shè)備選配見表3.

表3 乏風熱泵機組參數(shù)

2) 乏風取熱機組選型。選配30臺SMEET-FSQ-390Ⅱ型乏風取熱機組(表4)，單臺取熱量為390 kW，單臺通風量為18.3 m3/s.

1.4.2 輔助加熱設(shè)備選型

電輔助加熱考慮集中布置在井口，內(nèi)置于井口空氣加熱機組內(nèi)?？傂锜嶝摵蔀?0 731 kW，熱泵總供熱能力為15 600 kW，則需電加熱負荷為5 391 kW.

井筒防凍加熱負荷為18 226 kW，本方案擬采用30臺SMEET型煤礦專用井口加熱機組，單機供熱能力為650 kW，總供熱能力為19 500 kW；其性能參數(shù)見表5.

表5 井口加熱機組性能

2 節(jié)能效益

3.1 采用乏風熱泵+電輔助加熱運行能耗分析

1) 供熱量。井口供熱平均負荷系數(shù)約為0.3，則供熱量：

18 226×0.3×24×138÷10 000=1 810萬kW·h

根據(jù)室外氣象參數(shù)模型，長治地區(qū)采暖溫度(-13 ℃)以下的小時數(shù)為192 h，則電輔助加熱供熱量：

180×30×192÷10 000=104萬kW·h

則井口熱泵供熱量：

1 810-104=1 706萬kW·h

建筑采暖供熱平均熱負荷系數(shù)約為0.65，則供熱量：

1 565×0.65×24×138÷10 000=337萬kW·h

總供熱量：

1 706+337=2 043萬kW·h

2) 能耗分析。根據(jù)熱泵機組運行規(guī)律，采暖季熱泵機組運行能效分布及時間占比，見表6.

表6 乏風熱泵機組能效及運行時間占比

采暖季綜合能效COP≈5.0，則可以得出乏風熱泵全年耗電量約為：

2 043÷5.0=408.6萬kW·h

水泵全年耗電量為：

(75+110)×2×24×138×0.8÷10 000=98萬kW·h

空氣加熱機組全年耗電量為：

4.4×30×24×138×0.8÷10 000=35.0萬kW·h

供熱系統(tǒng)總耗電量為：

408.6+98+104+35=646萬kW·h

通過上述計算分析可知，采用采用乏風熱泵+電輔助加熱方式供熱，年耗耗量約為646萬kW·h，折合標準煤當量值為794 tce.

3.2 采用傳統(tǒng)天然氣鍋爐供熱運行能耗分析

原有供熱方式采用2臺6 t、3臺8 t天然氣鍋爐，燃料消耗量主要為天然氣、電力。

1) 天然氣消耗量。年消耗天然氣折標準煤量計算，見表7.

表7 年消耗天然氣折標準煤量計算

2) 電力消耗量。1臺6 t天然氣鍋爐配置的循環(huán)泵為18.5 kW，風機為9 kW；1臺8 t天然氣鍋爐配置的循環(huán)泵為21.5 kW，風機為9 kW.鍋爐運行年消耗電量折標準煤估算,見表8.

則2臺6 t、3臺8 t天然氣鍋爐1小時耗電量計算如下：

(18.5×2+9×2+21.5×3+9×3)×0.6=88 kW·h

表8 鍋爐運行年消耗電量折標準煤估算

合計，采用傳統(tǒng)天然氣鍋爐系統(tǒng)運行年消耗標準煤量=5 516+16=5 532 tce.

3 節(jié)能效益

熱泵系統(tǒng)運行年節(jié)能量=天然氣供熱系統(tǒng)年消耗標準煤量-熱泵系統(tǒng)運行年消耗標準煤量=5 532-794=4 738 tce.

4 結(jié) 語

采用直冷式深焓取熱乏風熱泵供熱技術(shù)提取礦井乏風的余熱資源，解決風井場地建筑采暖和井口防凍的供熱需求,降低了能源消耗量4 738 tce，減少了大氣污染。