空氣源熱水系統水溫不穩定故障分析

楊建生，熊 鋒

（1.大竹縣堡子礦業有限責任公司，四川大竹 635118；2.四川達竹煤電（集團）公司柏林煤礦，四川大竹 635117）

1 空氣源熱水系統技改簡介

（1）根據川發改能源[2017]459號文件要求，堡子煤礦立即啟動了燃煤鍋爐改造為空氣源熱水系統的技改計劃。堡子煤礦原有2臺2.5 t/h的燃煤熱水鍋爐和1臺0.5 t/h燃煤開始鍋爐，每年需燃燒約900 t原煤（5—10月每天約2 t，11—4月每天約3 t），不僅影響礦區環境衛生，而且燃煤鍋爐所燒的原煤又是堡子煤礦煤質較好的原煤，市場價格約350元/t，全年燃燒煤炭的費用約31.5萬元。為徹底解決燃煤鍋爐對礦區環境的影響，以及節約企業成本，堡子煤礦于2017年12月完成了燃煤鍋爐技改空氣源熱水系統的改造。

（2）方案說明。堡子煤礦空氣源熱水系統設計要求:每天洗浴人數約400人次，設計每人每天使用（150～200）L，熱水最大用水量約為60 t，單次滿足（130～150）人的淋浴洗澡，年平均每天熱水用量為30 t。設計保溫水箱水量為原燃煤鍋爐的2個20 t保溫水箱在本次工作中利用，空氣源機組采用6臺某型主機配置2個2.5 t不銹鋼工作水箱安裝在調度樓頂，工作水箱熱水出水口略高于2個20 t保溫水箱熱水進水口，當水溫達到春秋季節為48℃、夏季為45℃、冬季為53℃、機組設定最高溫度為55℃時，熱水自流至原有的2個20 t保溫水箱中。澡堂洗浴用熱水、冷水供水方式保持原有熱水、冷水管道不變。空氣源熱水機組所需的加熱用水，取至安裝在調度樓底的一根Φ63 mm主水管上分接一根Φ32 mm的支管（按增壓泵吸水口徑配置），在支管上安裝一臺冷水自動增壓泵（按設計配置）向主機供應冷水，滿足整個機組加熱用水的正常供應。

（3）統熱負荷計算。設計熱水用量平均每天為30 t。熱水工程設計要求每臺機組在平均標準工況下每天工作（8～16）h。本次方案以冬季實際情況參數為標的按熱水機組平均每天12 h計算。主機制熱量為每天將總用水量由10℃的自來水加熱成 55 ℃的熱水所需的熱量：Qd=c×m×（t2-t1）=1×60×1000×（55-10）=2 700 000 kcal，其中，Qd是日耗熱量（W）；c是水比熱，取 1 kcal/kg·℃；m 是設計緩存水量（kg）；t2是熱水溫度，取55℃；t1是冷水溫度，取10℃。

（4）熱水部分主機配置。根據冬季實際情況來配備機組，在冬季平均氣溫為8℃時，該型熱水機組的COP值為3.8，熱水機組每天運行時間為（8～20）h，按12 h計算，則系統需要配置的機組的輸入功率為：N=Qd÷3.8÷860÷12=2 700 000 0÷3.8÷860÷12=68.8 kW。

（5）水箱配置。保溫水箱的技術性能要求：保溫水箱的內膽和外殼采用某型號進口食品級不銹鋼制成，內膽頂部厚度1.2 mm；底部厚度2.0 mm；側面厚度，上半部厚度1.5 mm；下半部厚度2.0 mm。外殼厚度0.8 mm。保溫層：中間為聚氨酯發泡保溫，厚度50 mm。水箱焊縫用氬弧焊焊接，焊接處經過鈍化處理。

2 空氣源熱水機組水溫水時冷時熱原因分析及技改方式

職工澡堂洗澡熱水來自樓頂2個20 t保溫水箱，冷水來自樓底的Φ63 mm主水管道，洗澡時職工通過冷熱水開關調節至適宜自身洗澡所需的溫度。但在職工洗浴過程中，經常感覺水溫不斷在變化，有時冷得不得了，有時又熱得不得了。廠家技術人員從空氣源熱泵主機、熱水循環泵、冷水自動增壓泵、保溫水箱、保溫水箱至澡堂冷熱管道等自身角度進行了多次檢查分析，未發現系統各環節存在問題。并在保留利用下來的兩個保溫水箱外壁分別增加了一組溫度傳感器，當2個保溫水箱的水溫低于設定值后，系統自動將2個保溫水箱中的熱水再次循環加熱至設定溫度。其次，將熱水水溫從之前的設定53℃調整至50℃，降低熱水水溫，減少加熱時間，增加熱水水量，但洗澡水依舊時冷時熱。

其次，同廠家技術人員從空氣源主機所產熱水量進行分析，該型空氣能主機每臺額定產熱水量410 L/h，廠家按堡子煤礦最大熱水用水量60 t的需求設計配置為6臺，實際配置了5臺該型機組，1 h可產熱水2.05 t，每天可產熱水量49.5 t，廠家在兩個工作水箱中分別增加了一組1.5 kW發熱管，使整個空氣源機組可滿足堡子煤礦最大熱水用水量60 t的需求。但實際運行過程中，堡子煤礦屬地冬季氣溫在（0～10）℃左右，有時甚至更低，5臺主機加兩組1.5 kW的發熱管，在實際運行過程中不能滿足要求。為保證熱水用量，決定按原設計要求增加1臺產熱水量410 L/h的主機，并將空氣能機組兩個保溫水箱內發熱管從之前的1.5 kW分別增加至3 kW，這樣6臺主機每天正常工作可產熱水量約59 t，加上兩個保溫水箱中的各自的一組3 kW發熱管，在冬季同時工作，確保了在冬季的最大熱水量，但洗澡水時冷時熱的現象依舊存在。

經過長時間對空氣源熱泵主機、熱水循環泵、冷水自動增壓泵、保溫水箱、保溫水箱至澡堂冷熱管道等各環節的觀察分析發現，當安裝在樓底主水管上分接支管的冷水自動增壓泵向主機供應冷水時，不僅調節好的洗澡水溫會突然變熱，而且調度樓其他開著的冷水水龍頭的冷水水量也會突然變小，有時甚至突然不出水；當洗澡人員將洗澡水溫調低后，冷水自動增壓泵停止向主機供應冷水時，不僅調節好的洗澡水溫會突然變熱，而且調度樓其他開著的冷水水龍頭的冷水也會恢復正常。就該現象進行試驗，其他各處正常用水，將冷水增壓泵進水端撤開，用容器法測得其管道出口流量約為7.88 m3/h。空氣源系統設計配置的冷水增壓泵型號為XCm40/160A，楊程為32 m，流量為13 m3/h，其增壓泵額定工作流量大于其進水管端處冷水流量。因此，當冷水增壓泵工作時，將調度樓處主水管中的冷水突然抽走了大部分，致使已調整好的洗澡水溫因主水管道中冷水突然減少而突然變熱，當將變熱的洗澡水調整至洗澡所需溫度后，冷水自動增壓泵又停止工作，主水管道冷水恢復到原來狀態，使再次調整好的洗澡水溫因冷水增加而變冷。

3 空氣源熱水機組冷水供水系統改造方案

利用原燃煤鍋爐房中的1個4 m3的熱水水箱，作為空氣源熱水機組的冷水供應水箱。為防止時間過長水箱底部沉底淤泥等其他雜質，在水箱底部設計安裝了一個DN100 mm型閘閥作為排污時使用；然后從本棟樓主水管道分接一根Φ32 mm的PVC管直接至改造后的冷水水箱上部，為使冷水箱的冷水能夠實現自動開停，在冷水箱進水管道出口與水箱結合處，設計安裝了一個DN30 mm型浮球閥自動控制其開停；再將空氣源熱水機組的冷水自動增壓泵進水側管道，從原管道改到冷水供應水箱底部高于排污閘閥100 mm處的出水管道DN50 mm型閘閥上，使空氣源熱水機組所需加熱的冷水不直接從主水管道上抽取，已解決空氣源熱水機組的冷水自動加壓泵從主水管道直接抽取時，造成洗澡水溫時冷時熱現象的發生。

為避免冷水供水系統因浮球閥堵塞，或其他原因來水不足，造成冷水增壓泵吸空現象，又在冷水增壓泵泵體上自制了一套超溫自動報警自鎖并停機保護裝置，該溫度傳感器在溫度40℃以下時為常開狀態，溫度高于40℃以上時為常閉狀態。當冷水自動增壓泵因吸空導致泵體溫度升高至溫度傳感器動作溫度時，溫度傳感器控制觸點閉合，使安裝在調度樓外墻的蜂鳴器發出報警信號，以提醒工作人員及時到現場進行處理，并及時停止增壓泵工作，只有人為解除其報警自鎖后，增壓泵才可恢復正常工作。

4 結語

由于空氣源熱水機組所需加熱的冷水不再從調度樓處冷水主水管道上直接抽取，而是從冷水水箱中抽取。當冷水增壓泵工作時，浮球閥的浮球隨冷水箱中的水面逐漸下降，浮球閥控制開關逐漸打開，進水管中的冷水逐漸向冷水箱補水，冷水箱的容積保證了冷水自動增壓泵連續供水需求。這樣整個供水過程主水管的冷水不是突然被吸走，而是逐漸向冷水箱自然供應冷水。因此，對洗澡時已調整好的水溫基本沒有影響。徹底解決了洗澡水溫時冷時熱現象，使堡子煤礦廣大職工徹底擺脫了洗澡時水冷或水燙帶來的痛苦，保證了空氣源熱水系統在堡子煤礦的正常使用。另外新增的一套自制超溫自動報警自鎖并停機保護裝置，進一步增加了冷水供應系統有的安全可靠性。2018年空氣源機組全年用電電費為17.75萬元，較燃煤鍋爐耗煤費用約31.5萬元，節約費用約13.75萬元。