煤礦礦井水余熱利用系統(tǒng)電力節(jié)能措施

韓杰艦　姜超（濟(jì)南國(guó)海能源科技有限公司，山東濟(jì)南5004）

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煤礦礦井水余熱利用系統(tǒng)電力節(jié)能措施

韓杰艦1姜超2
（濟(jì)南國(guó)海能源科技有限公司，山東濟(jì)南250104）

摘要煤礦礦井水余熱利用系統(tǒng)設(shè)備的耗電量極大，尤其是水源熱泵機(jī)組，其占整個(gè)用電量的50%以上。針對(duì)這一問(wèn)題，它綜述了常見(jiàn)電力節(jié)能措施，在保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提下，提出系統(tǒng)、全面的電力節(jié)能措施，并對(duì)各項(xiàng)措施原理和功能加以說(shuō)明。

關(guān)鍵字電力節(jié)能；水源熱泵機(jī)組；電機(jī)節(jié)能；方法措施

0　引言

我國(guó)制造技術(shù)工藝同世界先進(jìn)水平相比有一定差距；所以電機(jī)傳動(dòng)調(diào)速及系統(tǒng)控制技術(shù)比較落后。我國(guó)在提高電機(jī)系統(tǒng)效率，加強(qiáng)系統(tǒng)節(jié)能管理方面有著巨大的潛力。若我國(guó)電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行效率提高到國(guó)際先進(jìn)水平，則每年可節(jié)約用電約1500億千瓦時(shí)［1］。目前，工業(yè)領(lǐng)域涉及的電力節(jié)能多是局部的、常規(guī)性的措施，本文針對(duì)煤炭礦井水余熱利用水源熱泵系統(tǒng)提出完整、全面的電力節(jié)能方法。

1　項(xiàng)目案例

煤礦礦井水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)電耗特點(diǎn)：主要是純感性負(fù)載，系統(tǒng)中負(fù)載包括水源熱泵的壓縮機(jī)和水泵的電動(dòng)機(jī)，它們消耗有功功率同時(shí)還會(huì)傳輸無(wú)功功率。雖然宏觀上無(wú)功功率不消耗電能，但它影響有功功率的輸出，限制配電系統(tǒng)的輸出能力。

圖1　礦井水余熱利用水源熱泵系統(tǒng)工藝流程

水源熱泵通過(guò)輸入少量高品位能源（電能），實(shí)現(xiàn)低溫位熱能向高溫位轉(zhuǎn)移。水源熱泵機(jī)組利用的礦井水水體溫度12℃～22℃，汲取5℃左右的熱量轉(zhuǎn)換為熱水溫度，再輔助以壓縮機(jī)做功，使得熱泵循環(huán)水溫度達(dá)到供暖溫度45℃～50℃。夜間利用機(jī)組進(jìn)行空調(diào)供熱，同時(shí)進(jìn)行蓄熱儲(chǔ)能；白天機(jī)組停用，僅使用蓄熱水池?zé)崴h(huán)供暖（見(jiàn)圖1）。

礦井水經(jīng)過(guò)除砂器除去泥沙，避免堵塞蒸發(fā)器。板式換熱器用來(lái)隔離蓄熱水與供暖水，保持水池低損耗。系統(tǒng)設(shè)置7只電動(dòng)閥，用于蓄熱/供暖水路切換。水蓄熱控制靈活，可以實(shí)現(xiàn)多種模式運(yùn)行（見(jiàn)表1）。

表1　系統(tǒng)主要設(shè)備

2　電力節(jié)能措施

2.1優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)節(jié)能措施

利用現(xiàn)場(chǎng)管路或溝渠高差，盡量采用自流管道，零耗電。減少不必要的彎頭，減小水循環(huán)阻力，從而降低電耗。該節(jié)能措施多用于單循環(huán)工藝系統(tǒng)，例如，煤礦洗浴用水系統(tǒng)中，儲(chǔ)熱水箱應(yīng)盡量置于高地勢(shì)，借用高差自流進(jìn)入浴池，如此節(jié)約了洗浴供水泵部分耗電。

2.2高效電機(jī)節(jié)能措施

高效率電機(jī)（圖2）在設(shè)計(jì)、材料和制作工藝上采取改進(jìn)措施，采用優(yōu)質(zhì)導(dǎo)磁材料等措施降低損耗，效率可提高2%～8%，平均提高4%，采用合理的定轉(zhuǎn)子槽數(shù)、風(fēng)扇參數(shù)和正弦繞組［2］。

圖2　高效電機(jī)

高效電機(jī)節(jié)能率與其運(yùn)行模式、控制方式和運(yùn)行工況有關(guān)，如果高效電機(jī)使用不當(dāng)，不僅增加了設(shè)備投資，反而無(wú)法體現(xiàn)高效電機(jī)的節(jié)能效果。因此，高效電機(jī)在使用前，應(yīng)考慮其運(yùn)行模式、負(fù)載特性，通過(guò)科學(xué)的判斷和綜合評(píng)估后才能評(píng)判是否節(jié)能。

在夏季，礦井水余熱利用水源熱泵系統(tǒng)可以通過(guò)增加適當(dāng)?shù)娘L(fēng)冷機(jī)組，實(shí)現(xiàn)制冷的目的（本應(yīng)用案例未展現(xiàn)）。風(fēng)冷機(jī)組的原理是通過(guò)擴(kuò)大水流通截面以及降低流速，并通過(guò)風(fēng)向逆流降低冷卻循環(huán)水溫度。風(fēng)冷機(jī)組是常開(kāi)的、定速的，因而，此處亦可選用高效電機(jī)，作為節(jié)能的可行措施。冬季，礦井水作為熱泵機(jī)組冷凝器熱源水，且以定流量、定揚(yáng)程循環(huán)，因而，熱源水循環(huán)泵選用高效電機(jī)能達(dá)到節(jié)能目的。

2.3無(wú)功補(bǔ)償節(jié)能措施

無(wú)功補(bǔ)償?shù)木唧w方式：在同一電路中并聯(lián)末端感性負(fù)荷與具有容性功率負(fù)荷的裝置，使得能量（容性和感性）在兩種負(fù)荷間互相補(bǔ)償。常用的電力節(jié)能無(wú)功補(bǔ)償方式分3種：集中補(bǔ)償、分組補(bǔ)償、就地補(bǔ)償。［3］

增設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置、能降低功率消耗、提高功率因數(shù)，還具有充分提高設(shè)備輸送功率的優(yōu)點(diǎn)。計(jì)算無(wú)功補(bǔ)償容量時(shí)，注意兩點(diǎn)：在輕載時(shí)要避免過(guò)補(bǔ)償，無(wú)功補(bǔ)償過(guò)大造成功率損耗增大，是不合理的；每千伏補(bǔ)償容量減少損耗的作用越小，功率因數(shù)越高。合理補(bǔ)償就是提高功率因數(shù)到0.95。

同樣以礦井水余熱利用水源熱泵系統(tǒng)為例，總耗電功率為778 kW（常用），具有耗電設(shè)備地理區(qū)域集中，運(yùn)行時(shí)間一致的特點(diǎn)，因而，項(xiàng)目實(shí)行集中補(bǔ)償，即在變壓器低壓側(cè)并聯(lián)240 kvar自動(dòng)調(diào)諧補(bǔ)償裝置，功率因數(shù)達(dá)到0.95。

2.4變頻器節(jié)能措施

變頻器節(jié)能主要常見(jiàn)于風(fēng)機(jī)和水泵。在前期工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備選型時(shí)，往往預(yù)留一定的功率富余量。當(dāng)電機(jī)在工頻低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，除滿(mǎn)足動(dòng)力驅(qū)動(dòng)要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能浪費(fèi)。傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)和泵類(lèi)設(shè)備節(jié)能的做法是減少對(duì)外做功，即在風(fēng)機(jī)和泵類(lèi)設(shè)備出口管道設(shè)置閥門(mén)，通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度，減少送風(fēng)量或水流量。這種節(jié)能措施見(jiàn)效甚微，因?yàn)殡姍C(jī)本身輸入功率大，仍在耗散較大能量，且多數(shù)能量耗散在閥門(mén)擋瓣阻力上。使用變頻器可以根據(jù)負(fù)載需要，按需輸出，利用改變頻率的方式降低輸出功率。

特別作為礦井水余熱利用水源熱泵系統(tǒng)重要設(shè)備——水源熱泵機(jī)組，其耗電量占整個(gè)系統(tǒng)總耗電量一半以上，因而針對(duì)水源熱泵機(jī)組降低電耗就顯得格外重要。水源熱泵機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備主要是壓縮機(jī)，分離心式和螺桿式。目前均有專(zhuān)門(mén)的變頻器與之匹配，圖3是水源熱泵機(jī)組壓縮機(jī)采用變頻和定頻2種方式的工作狀態(tài)對(duì)比。可以看出變頻水源熱泵機(jī)組具有節(jié)能、溫控精度高、調(diào)溫速度快、保持室溫恒定、安全可靠、壓縮機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)流暢的優(yōu)點(diǎn)。煤礦礦井水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)電力節(jié)能應(yīng)關(guān)注水源熱泵電力節(jié)能，盡量采用變頻措施控制壓縮機(jī)據(jù)供暖負(fù)荷變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)出力。

圖3　熱泵機(jī)組變頻與定頻壓縮機(jī)工作狀態(tài)對(duì)比

作為電子電路，變頻器本身也要耗電（約額定功率的3%～5%）。1臺(tái)1.5匹的空調(diào)自身耗電算下來(lái)也有20 W～30 W，相當(dāng)于一盞長(zhǎng)明燈。變頻器在工頻下運(yùn)行，具有節(jié)電功能的前提條件是風(fēng)機(jī)/泵類(lèi)大功率設(shè)備負(fù)載，并且，變頻裝置具有節(jié)電功能。

2.5儲(chǔ)能方式節(jié)能措施

本文采用的項(xiàng)目案例，夜間利用機(jī)組進(jìn)行空調(diào)供熱，同時(shí)進(jìn)行蓄熱儲(chǔ)能；白天機(jī)組停用，僅使用蓄熱水池?zé)崴h(huán)供暖。此案例充分利用夜間電價(jià)低谷期進(jìn)行蓄熱，白天用電高峰期進(jìn)放熱，即將白天的電力負(fù)荷轉(zhuǎn)移到夜晚，實(shí)現(xiàn)電力負(fù)荷的消峰填谷，充分利用峰谷電價(jià)差，在夜間低谷期開(kāi)機(jī)儲(chǔ)蓄冷（熱）量替換白天用電高峰期間空調(diào)冷（熱）量。機(jī)組運(yùn)行時(shí)，制熱量較大，能夠長(zhǎng)期運(yùn)行在高效率狀態(tài)。水蓄熱控制靈活，可以實(shí)現(xiàn)多種模式運(yùn)行。

2.6維護(hù)保養(yǎng)節(jié)能措施

系統(tǒng)投入運(yùn)行后，若不注意細(xì)微的損耗，常年運(yùn)行也是一種電力能源的浪費(fèi)。常見(jiàn)的維護(hù)保養(yǎng)節(jié)能措施有個(gè)人總結(jié)以下幾點(diǎn)：電機(jī)的軸承要潤(rùn)滑，阻力小功耗就小；散熱性能要良好，注意電機(jī)葉片和電機(jī)外殼的清潔和保養(yǎng)。注重精細(xì)化管理，科學(xué)節(jié)電節(jié)能，充分發(fā)揮人員運(yùn)行節(jié)能作用。

3　結(jié)語(yǔ)

結(jié)合礦井水余熱利用水源熱泵系統(tǒng)，匯總了六種電力節(jié)能措施，應(yīng)根據(jù)具體場(chǎng)合選擇恰當(dāng)合理的節(jié)能措施。在運(yùn)行冬夏一周期且達(dá)到相同供暖和制冷效果下，經(jīng)測(cè)算，采用上述節(jié)能措施后，系統(tǒng)整體節(jié)電率約13%，是值得推薦的措施方法。

參考文獻(xiàn)

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［2］張光蓉.超導(dǎo)磁場(chǎng)繞組旋轉(zhuǎn)電機(jī)進(jìn)展?fàn)顩r［J］.東方電機(jī)，2010（06）：69-68.

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Electricity Energy Saving Measure of Mine Water Waste Heat Utilization System

Han Jiejian1Jiang Chao2
（Jinan Gohigh Energy technology co.，LTD.，Jinan Shandong，250104）

Abstract：The power consumption of the equipment of mine water waste heat utilization system is large，especially the water source heat pump units，they account for more than 50%of the electricity consumption. In view of this problem，the common electricity energy saving measures are summarized，on the premise of ensuring the normal operation of the system，the systematic and comprehensive electricity energy saving measures are put forward，and the measure principle and function are explained.

Key words：electricity energy saving；water source heat pump unit；motor energy saving；method and measure

中圖分類(lèi)號(hào)F426.21

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼B

文章編號(hào)1000-4866（2016）03-0044-03

作者簡(jiǎn)介

韓杰艦，男，1986年出生，濟(jì)南國(guó)海能源科技有限公司，長(zhǎng)期從事煤礦相關(guān)電氣設(shè)計(jì)工作.

姜超，女，濟(jì)南國(guó)海能源科技有限公司，電氣助理工程師.

收稿日期：2016-05-11