地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在首鋼杏山鐵礦的應(yīng)用

孟令民

(唐山首鋼馬蘭莊鐵礦有限責(zé)任公司)

地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是一種從地下水資源中提取熱量從而達(dá)到高效、節(jié)能、環(huán)保、再生的供熱(冷)系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成熟的熱泵技術(shù)、暖通空調(diào)技術(shù)及地質(zhì)勘察成井技術(shù)于一體，在相對(duì)穩(wěn)定的水體溫度下高效、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。杏山鐵礦引進(jìn)了意大利克萊門特公司的水源熱泵機(jī)組，利用地采井下外排水為水源，解決了杏山鐵礦生產(chǎn)生活系統(tǒng)冬季供暖和夏季制冷以及職工洗浴問題。該系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保，運(yùn)行和維修方便，取得了良好的效果。

1 水源熱泵的工作原理

水源熱泵的工作原理如圖1所示，系統(tǒng)由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、膨脹閥、各種制冷管道配件和電器控制系統(tǒng)等組成。

在制冷模式時(shí)，高壓高溫的制冷劑氣體從壓縮機(jī)出來后進(jìn)入水/制冷劑的冷凝器，向水中排放熱量而冷卻成高壓液體，并使水溫升高。到熱膨脹閥進(jìn)行節(jié)流膨脹成低壓液體后，進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)成低壓蒸汽，同時(shí)吸收空氣的(水)的熱量。低壓制冷劑蒸汽又進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮成高壓氣體，如此循環(huán)不已。此時(shí)，制冷環(huán)境需要的冷凍水在蒸發(fā)器中獲得。

在供熱模式時(shí)，高壓高溫制冷劑氣體從壓縮機(jī)壓出后進(jìn)入冷凝器，同時(shí)排放熱量而冷卻成高壓液體，到熱膨脹閥進(jìn)行節(jié)流膨脹成低壓液體，進(jìn)入蒸發(fā)器器蒸發(fā)成低壓蒸汽，蒸發(fā)過程中吸收水中的熱量將水冷卻。低壓制冷劑蒸汽又進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮成高壓氣體，如此循環(huán)不已。此時(shí)，供熱環(huán)境需要的熱水在冷凝器中獲得。

2 杏山鐵礦水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)構(gòu)成

杏山鐵礦位于河北省遷安市木廠口鎮(zhèn)白龍港村村西約0.5 km處，其地理坐標(biāo)為東經(jīng)118°31'53″～118°32'56″，北緯39°55'51″～39°56'59″，屬燕山支脈南麓，低山丘陵地貌，年平均溫度10.10℃，極端最高溫度38.9℃，極端最低溫度－28.2℃。杏山地采平均涌水量為447.4 m3/h，且溫度恒定(常年17℃左右)。

圖1 水源熱泵工作原理

杏山鐵礦在極端溫度下需提供熱量總負(fù)荷為7 396.5 kW，其中廠區(qū)采暖需1 151.6 kW，副井井口通風(fēng)需6 244.9 kW，故選擇4臺(tái)1 500 kW水源熱泵用于廠區(qū)供暖和副井井口通風(fēng)，不足部分采用1 500 kW電加熱作為補(bǔ)充，利用舊試驗(yàn)機(jī)組390 kW熱泵，常年供職工洗浴。4臺(tái)1 500 kW熱泵采用串并聯(lián)模式布置，390 kW，熱泵與上述機(jī)組并聯(lián)。水源熱泵流程如圖2所示。

圖2 水源熱泵流程

杏山鐵礦地下開采水源熱泵工程分為井口防凍系統(tǒng);生活辦公建筑供暖、制冷系統(tǒng)和浴室洗浴熱水加熱系統(tǒng)。針對(duì)上述系統(tǒng)定制的監(jiān)控系統(tǒng)，使得管理者和項(xiàng)目維護(hù)人員可以在線實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行情況，處理現(xiàn)場(chǎng)的異常狀況或進(jìn)行工程維護(hù)，使維護(hù)工作變得及時(shí)、高效，并降低了工程維護(hù)成本。

3 自動(dòng)控制系統(tǒng)

自動(dòng)控制系統(tǒng)選用德國西門子品牌6ES7400系列 PLC，帶以太網(wǎng)通訊處理器。過程站選用ET200及配套組件通過使用PROFIBUS總線與主PLC實(shí)現(xiàn)通訊。主機(jī)通過交換機(jī)與上位機(jī)連接(采用光纖連接)，可以在中控進(jìn)行集中控制。實(shí)現(xiàn)了新增4臺(tái)水源熱泵機(jī)組及1臺(tái)舊水源熱泵機(jī)組、組合式空調(diào)機(jī)組、循環(huán)泵系統(tǒng)的集中控制功能，并有5臺(tái)水泵的控制(啟停)及4個(gè)模擬信號(hào)輸入接口，在副井井口設(shè)置鉑熱電阻測(cè)溫裝置，能實(shí)現(xiàn)由井口混合后熱風(fēng)溫度自動(dòng)調(diào)整組合式空調(diào)機(jī)組、電加熱、水源熱泵機(jī)組的運(yùn)行狀況，循環(huán)水泵、組合式空調(diào)機(jī)組、水源熱泵機(jī)組能實(shí)現(xiàn)機(jī)旁控制和集中控制功能。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全流程自動(dòng)控制，正常生產(chǎn)時(shí)采用主控室集中控制，機(jī)旁配操作箱，用于檢修時(shí)現(xiàn)場(chǎng)操作，通過手自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

杏山鐵礦地下開采水源熱泵工程自控系統(tǒng)可分為實(shí)時(shí)應(yīng)用信息系統(tǒng)、硬件設(shè)備2個(gè)部分，其中硬件設(shè)備又可分為監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)采集、機(jī)電設(shè)備啟停控制、壓力/溫度/液位傳感器等。完成各種工藝設(shè)備啟?？刂婆c過程參數(shù)的檢測(cè)、報(bào)警、聯(lián)鎖及PID調(diào)節(jié)回路的連續(xù)控制和邏輯控制。對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)、歷史趨勢(shì)記錄。上位軟件采用Wincc6.2，編程軟件采用STEP7 V5.4。

(1)監(jiān)控中心。機(jī)房?jī)?nèi)配備1臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜，用于存放服務(wù)器、交換機(jī)和UPS電源等設(shè)備。主服務(wù)器負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)的分析、存儲(chǔ)及備份等，方便監(jiān)控人員及相關(guān)人員進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢。電力方面，配備UPS電源，保證在電力中斷的情況下能正常工作4 h。布線:采用專用阻燃/屏蔽通用信號(hào)電纜由副井到熱泵機(jī)房，再由熱泵機(jī)房到控制中心。

(2)設(shè)備運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。通過BS結(jié)構(gòu)的組態(tài)技術(shù)，將熱泵機(jī)房5臺(tái)熱泵機(jī)組、4臺(tái)組合式空調(diào)機(jī)組、5臺(tái)水泵、管路的進(jìn)出水溫度、壓力、閥門開閉狀態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過專用阻燃/屏蔽通用信號(hào)電纜傳輸?shù)街鞣?wù)器上，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀態(tài)及工況、故障報(bào)警、維護(hù)提醒等全方位的運(yùn)行生產(chǎn)信息，保障設(shè)備正常運(yùn)行，將設(shè)備故障阻止在萌芽狀態(tài)，節(jié)約設(shè)備維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。主機(jī)設(shè)備自帶PLC控制系統(tǒng)并通過DP網(wǎng)與主PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，以達(dá)到可以通過中空進(jìn)行控制，各輔機(jī)設(shè)備均納入主PLC控制系統(tǒng)內(nèi)，方便管理操作。

(3)井口防凍實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。通過在副井井口及送風(fēng)處(組合式空調(diào)機(jī)組)安裝溫度傳感器，將井口的實(shí)時(shí)溫度上傳到監(jiān)控中心的上位機(jī)，上位機(jī)經(jīng)過實(shí)時(shí)應(yīng)用信息系統(tǒng)分析溫度數(shù)據(jù)，與室外氣溫變化，調(diào)節(jié)送風(fēng)溫度，保證井口溫度控制在2℃以上，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制應(yīng)用。

(4)歷史查詢智能分析系統(tǒng)。通過對(duì)首鋼礦業(yè)公司杏山鐵礦地下開采水源熱泵工程的熱泵機(jī)組、組合式空調(diào)機(jī)組、水泵、管路的進(jìn)出水溫度、壓力、閥門開閉狀態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集，利用實(shí)時(shí)應(yīng)用信息系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)的智能分析，以科學(xué)的數(shù)據(jù)分析手段對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，評(píng)估設(shè)備運(yùn)行工況，制定出更優(yōu)化的系統(tǒng)運(yùn)行方案。

4 效益分析

按照地下總排水量300 m3/h考慮，390 kW熱泵正常用水為25 m3/h(最低14 m3/h也可使用)，4臺(tái)1 500 kW水源熱泵總用水量為276 m3/h，單臺(tái)用水情況及耗電情況見表1。

表1 單臺(tái)耗水及耗電情況

井口進(jìn)風(fēng)溫度必須保證2℃以上，避免出現(xiàn)井口結(jié)冰形成懸掛冰凌，威脅井下作業(yè)人員安全。室外溫度變化與杏山鐵礦水源熱泵需水量關(guān)系計(jì)算如表2所示。氣溫－11℃以上時(shí)，1～2臺(tái)1 500 kW熱泵供熱;氣溫－11～－15℃時(shí)，3～4臺(tái)1 500 kW熱泵;氣溫－15～－21.9℃時(shí)逐步投入1 500 kW電加熱供熱。

根據(jù)杏山鐵礦實(shí)際情況，水源熱泵共投資1 738.96萬元，較傳統(tǒng)的燃煤鍋爐加太陽能熱水器方式需投入1 631.59萬元高107.37萬元。但每年的運(yùn)行費(fèi)用僅127.95萬元，比傳統(tǒng)的方式少128.78萬元，0.83 a收回多投入的資金。因此由水源熱泵取代熱風(fēng)爐作為副井井口通風(fēng)預(yù)熱熱源，同時(shí)作為其他點(diǎn)位供暖熱源總體效益遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方式。

表2 室外溫度變化與杏山鐵礦水源熱泵需水量關(guān)系計(jì)算

5 結(jié)語

水源熱泵系統(tǒng)可供暖、制冷，還可供生活熱水，一機(jī)多用，一套系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐加空調(diào)的2套裝置或系統(tǒng)。水源熱泵機(jī)組工況穩(wěn)定，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，維護(hù)費(fèi)用低，環(huán)保，自動(dòng)控制程度高，使用壽命長(zhǎng)可達(dá)到15 a以上，在地采礦山的應(yīng)用前景廣闊。

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