山東黃金礦業（鑫匯）有限公司500噸礦區地源熱泵應用工程

趙承偉

（煙臺德和冶金設計研究有限公司，山東 煙臺 264000）

1 工程簡介

近年來山東黃金集團為響應國家節能減排的號召，創建數字化礦山的管理模式，大力推廣新產品新技術，先后在焦家金礦、玲瓏金礦、歸來莊金礦和昌邑鐵礦等工程中，淘汰高污染高耗能的傳統燃煤供暖，充分利用礦山采掘過程的排水聯合水源熱泵系統為礦區改造和新建供暖空調系統[1,2]。

山東黃金礦業（鑫匯）有限公司積極響應山東黃金集團的要求，因時制宜，因地制宜充分利用礦區內資源進行了集中改造，于2011年進行了一期改造，將200噸礦區利用廢棄平巷和盲井和水源熱泵聯合為礦區內辦公、宿舍和生產車間提供冷熱源，代替原有鍋爐系統，經過兩年運行系統效果非常明顯，因此公司于2013年對500噸礦區進行了改造，該礦區位于山東省平度市灰埠鎮境內大莊子村東側，總建筑面積為10500平米，分辦公區和生產區兩部分，其中辦公區采用風機盤管空調系統，建筑面積為3100平米，包括辦公樓、宿舍食堂等；生產區采用鑄鐵散熱器，總建筑面積為7400平米，包括浮選、壓濾井口和提升機房等，整個空調系統計算冬季供暖熱負荷為1560KW，夏季制冷負荷為600KW。

2 工程設計

2.1 設備選型

根據建設單位提供的井下排水情況，井下排水中氯離子和硫酸根離子超過標準要求（《采暖通風與空氣調節設計規范》條文說明7.3.3要求Cl-＜100mg/L，SO42-＜200mg/L），為了防止水質影響機組正常使用，機組蒸發器和冷凝器采用耐腐蝕的海軍銅（海軍銅是一種鋅錫銅的合金。通常含有70%Cu、29%Zn、1%Sn）材質，供暖末端主要為暖氣片采暖，因此熱泵機組選用兩臺美國開利高溫機組，工質R134a，最高出水溫度達60℃，單機標準工況下制熱量為772KW，制熱輸入功率為212KW，制冷量為654KW，制冷輸入功率為131KW，冬季運行兩臺，夏季運行一臺，以匹配供暖和制冷的要求（詳見工藝流程圖）。

2.2 礦井水連續供水措施

2.2.1 礦井水流量計算

根據礦井水排水情況，礦區每天排水量為1760+2000+280=4600m3，平均小時流量為191m3/h。根據熱泵的工作原理和熱力學第一定律，礦井水冬季提供的熱量為Q冬=（772-212）＊2=1120KW，為降低運行費用，按照礦井水溫降9℃考慮,冬季礦井水最大小時流量為G冬=1120＊4.2＊1000/(3600＊9)=107m3/h ；礦井水夏季轉移的熱量為Q夏=654+131=785KW，按照礦井水溫降6℃考慮，夏季礦井水最大小時流量為G夏=785＊4.2＊1000/(3600＊6)=113m3/h。

正常情況下為保證冬季礦井水的連續供水，可采取的兩種措施：①根據礦井水流量要求，在井下水倉重新安裝潛水泵，并敷設新的供水管道。②根據礦井水流量和供水周期最大間歇時間在地表設置蓄水池采用那種連續供水方式，要根據建設單位實際情況確定，該工程在井下水倉安裝潛水泵并引出水源管道的投資是地面新建水池投資的三倍，并且現有主豎井已經沒有位置重新安裝新的排水管道，因此選擇在地面新建蓄水池的方式保證連續供水[3-5]。根據冬季最大小時用水量107m3/h最大間隔6小時計算，新建水池有效容積為V=107＊6=642m3，在動力站北側新建20m＊9m＊4.5m（長＊寬＊高）的地上水池，公稱容積為810m3。

2.2.2 水池液位自控設計

為保證水池內的液位滿足系統正常運轉的要求，在水池總供水管設置水流開關，在水池回水管設置電動開關閥，電動開關閥第一信號由液位控制，第二信號為水流開關：

表1 鑫匯公司500噸井下排水泵及排水情況

圖1 工藝流程圖

（1）當水池液位最高，井下排水時，水流開關閉合，電動開關閥關閉，礦井水經過機組后直接排走；當井下不排水時，水流開關斷開，電動開關閥開啟，礦井水經過機組后進入水池循環利用；

（2）當水池液位不在最高時，井下排水時，水流開關閉合，電動開關閥開啟，直至液位達到最高，再執行（1）步驟。整個系統礦井水循環泵設置三臺，其中兩臺為手動控制（夏季只開其中一臺，冬季開兩臺），第三臺礦井水循環泵為自動運行（井下排水要滿足礦區內壓濾和其他生產用，為防止水池滿水溢流，第三臺為水池液位控制用，在水池液位為4.2m時，自動啟動，在水池液位為3.5m時，自動關閉）（參見流程圖）。

（3）系統運行后出現的問題及解決辦法。該系統于2013年7月投入運行，在運行一個月后出現機組自動停機，并故障報警，根據故障報警代碼查得原因為壓縮機排氣壓力-油壓超過最大設定值，手動復位重新啟動后，機組滿負荷后仍報同樣故障，根據壓縮機排氣壓力、冷凝器循環水的溫差及壓差，斷定因機組冷凝器換熱效果差造成，開啟另一臺機組卻能正常運轉，懷疑是水質問題造成的機組冷凝器堵塞，根據水質化驗報告及《工業循環冷卻水設計規范》(GB50050—2007)中3.1.8規定,循環冷卻水中懸浮物濃度不宜大于20mg/L。當換熱器的形式為板式、翅片管式和螺旋板式時,不宜大于10mg/L，水質滿足使用要求，后經過半個月的運行，找到水質出現問題的原因，由于井下生產過程中充填造成泥沙混進排水倉，造成水質變差，對充填時水質化驗后懸浮物最高達78 mg/L，粒徑分布為60μm～120μm，以泥沙為主，考慮到充填水的不連續性，并根據《工業水處理技術問答》（第四版）第二章圖2.0.1水中雜質與處理方法，采用自然沉淀方式處理充填水，在長9m的水池內隔3m砌2m高的磚墻，并將排污管接入每個分隔墻內，以方便排污（見流程圖）。經上述改造后，系統運行兩年未出現故障報警，每年機組保養時，換熱器內未見明顯的泥沙堵塞，滿足系統的連續運轉。

3 結語

由于礦山生產利用水源熱泵系統越來越普遍，要充分注意井下排水的水質對機組的影響，要因時制宜因地制宜，根據不同水質選擇合適的機組及相應的水處理設備，以滿足系統的使用要求。