礦井排水余熱雙級循環利用熱泵系統開發

黃智強 王建凱 丁財豐

（北京中科華譽熱泵設備制造有限公司，北京 102488）

0 引言

熱泵技術作為一種高效、節能、環保的新型能源利用方式，近年來在國內外得到了廣泛的推廣應用。礦井排水作為煤炭開采過程中的伴生資源，一年四季源源不斷，量大溫度高，而且一年四季基本恒定，蘊藏著十分豐富的低溫熱能和冷量。這種資源得天獨厚，是熱泵系統非常理想的低溫熱源和冷源。采用熱泵技術回收礦井排水的低溫廢熱資源，用于工業廣場的建筑采暖、井口防凍以及洗浴熱水等熱能需求，具有重大的經濟效益、社會效益和推廣價值。目前，礦井排風和排水熱能綜合利用熱泵技術已成為重要的研究和應用方向[1-2]。

目前研究的重點主要集中在水溫比較低的場所，對于某些水溫較高的礦區，需要專門的流程，并為之研發特定的設備。該文將以山西某煤礦較高溫度排水廢熱資源回收利用為研究對象，提出和研發礦井排水余熱雙級循環利用熱泵系統，解決工業廣場的建筑采暖、井口防凍及洗浴熱水所需熱能，實現了完全替代燃煤鍋爐，節省燃煤消耗，降低運行成本，達到節能減排的目的。

1 礦井排水余熱雙級循環利用熱泵系統設計與研發

1.1 系統設計

萬峰礦井排水水量為350 m3/h～410 m3/h，水溫32℃，蘊藏熱能十分豐富，具有重要的回收利用價值。

圖1 為萬峰煤礦水源熱泵項目系統原理圖，該項目配置了HE1460B 型全封閉蝸旋式熱泵機組6 臺，HE640B 型全封閉蝸旋式熱泵機組2 臺，總制熱量11 500 kW。運行1 臺HE640B 機組為全年的洗浴熱水供應提供熱能（標為系統1，1#機組），另外1 臺HE640B 機組用于洗澡或供暖的調峰備用機組（標為系統1，2#機組），系統1 中1#和2#機組水路串聯運行6 臺HE1460B（標為系統2，每臺機組分別標號1#、2#、3#、4#、5#、6#），為工業廣場建筑采暖，井口防凍及洗浴熱水所需熱能。1#和2#機組熱源側管路串聯，3#和4#機組熱源側管路串聯，5#和6#機組熱源側管路串聯。

圖1 萬峰礦水源熱泵項目系統原理圖

1.2 關鍵技術問題

為了研發該礦井排水余熱雙級循環利用技術，須解決高溫水源水蒸發換熱技術、大功率渦旋熱泵機組集成技術、高溫水雙級循環利用技術。然后進行工業實施與試驗，最終完成礦井排水余熱雙級循環利用熱泵系統研發。

1.2.1 高溫水源水雙級循環技術

根據礦井涌水排水水溫較高，流量較小的特點，通過雙級循環利用的方式實現7℃以上全部涌水排水熱量的回收，為使用側提供了50℃左右的熱源。由于礦井排水時間不是24 h 連續排水，而水源熱泵機組提取熱量時要求水源連續穩定，煤礦一般有礦井水及深井水處理系統，筆者利用礦井水及深井水處理系統前端蓄水池做緩沖水池，水池做保溫處理，既解決了礦井水及深井水熱量散失問題，又解決了礦井水及深井水排水不連續問題。礦井水提取熱能原理圖如圖2所示。

1.2.2 大功率熱泵機組集成技術

針對渦旋式壓縮機采用了非平衡式并聯形式[3]，三壓縮機并聯匹配增加機組裝機容量，提高了換熱效率。多個壓縮機逐個啟動，逐個卸載，緩解對電氣系統的沖擊。并聯渦旋壓縮機具有如下優勢。在部分負荷運行時，螺桿壓縮電機處于較低負載，電機效率低，圖3 給出了電箱三相電機效率隨負荷變化的曲線。而并聯渦旋壓縮機采用臺數控制，仍在運行的渦旋壓縮機處于滿負荷運行，電機效率高。壓縮機的電機功耗由2 個部分組成。1）用于壓縮氣體（即理論壓縮功），大約占電機功耗的90%，這部分功耗和氣體流量成正比。2）用于克服摩擦力并維持轉動，這部分是固定功耗。因此，即使壓縮機不壓縮氣體（全卸載），電機負載仍然存在。因此典型螺桿機卸載后能效曲線如圖4 所示。

相對于非并聯渦旋壓縮機技術，并聯渦旋壓縮機具有換熱器利用效率更高的優點。以雙機并聯系統與雙機獨立系統為例，滿負荷時，2 個系統利用的換熱器面積均為100%。當負荷降低到50%時，雙機獨立系統由于1 個壓縮機已經關閉，只有1 個壓縮機運行，此時能利用的換熱器面積為50%。而雙機并聯系統仍能利用100%的換熱器面積。

在實際運行中，當要求熱水溫度和水源溫度不變時，三機并聯系統和3 個單機獨立系統的能效情況如圖5 所示。

圖2 礦井水提取熱能原理圖

圖3 三相電機效率隨負荷變化的曲線

圖4 典型螺桿機卸載后能效曲線

圖5 三機并聯系統和3 個單機獨立系統的能效情況

1.2.3 高溫熱泵技術

從熱力學原理可知，對于熱泵吸熱溫度（蒸發溫度）越高，單位功耗越低，系統運行越節能。常規熱泵的蒸發溫度主要是受電機功率，冷凝溫度，吸氣過熱度和油潤滑能力（黏度）的限制，最大能有效利用的熱源溫度為23℃。該項目通過對蒸發器的結構優化，將壓縮機的蒸發溫度限制提高到28℃，實現了熱源的高效利用。高溫水源熱泵和常規熱泵的適用范圍如圖6 所示。

圖6 高溫水源熱泵技術適用范圍

通過下列技術手段，實現了高溫水源熱泵技術[4]。

1.2.3.1 高效冷凝換熱器的設計

常規熱泵設備冷凝傳熱端溫差一般為5℃，華譽公司在換熱流程上進行了優化，并采用最新型的高效換熱管技術，并增大冷凝傳熱面積，將端溫差控制在2℃。降低3℃冷凝溫度，電機功率可以降低10%，電機安全容量得到有效保證。

1.2.3.2 低吸氣過熱度波動的蒸發器設計

制冷劑在蒸發器中蒸發時，會由于換熱器結構及制冷劑節流等原因形成過熱度波動現象，一般波動值在7 k 左右。為了避免回液，常規換熱器在設計時預留10 k 的余量。吸氣過熱度越大，吸氣溫度越高，電機冷卻效果將惡化。華譽熱泵在蒸發器中設置了氣液分離的結構，實現了最終出口吸氣過熱度波動在3 k。

1.2.3.3 采用自適應的噴液降溫裝置

壓縮機冷凝溫度越高，電機功率將變大，電機冷卻需要供液量越大。華譽熱泵采用冷凝壓力控制的自適應噴液裝置，當冷凝溫度升高時，噴液量增大，當冷凝溫度降低時，噴液量減少，避免了過量回液或噴液不足。

2 運行結果與技術經濟評估

通過對礦井高溫排水回收利用熱泵技術的研究和產品開發，解決高溫水不能直接進熱泵蒸發器換熱的難題，滿足一級換熱進水溫度32℃、出水溫度22℃、二級換熱進水溫度21℃、出水溫度11℃的技術要求。高溫水源大溫差高效回收利用熱泵技術以及大功率熱泵機組集成技術的成功研發，為熱泵系統在煤炭行業的推廣奠定技術基礎。萬峰煤礦實現鍋爐供暖系統的替代后，考慮到礦區負荷種類多，負荷變化大的特點，通過對負荷的分類管理和動態控制系統的研究開發，滿足不同負荷的熱能需求。

從4 個方面進行技術經濟評估。1）冬季供暖室內溫度可達20℃～22℃或以上。2）職工浴室熱水溫度40℃～45℃。3）井筒防凍達到進風混合后溫度4℃以上。4）該項目實施后每年可節約燃煤約10 459 t，減少CO2排放27 000 t，減少SO2排放200 t，每年節約運行費約590 萬元。具有顯著的經濟效益和社會效益。

3 結論

實現了工業廣場建筑采暖、井口防凍及洗浴熱水熱負荷，完全替代了原有22 t 燃煤鍋爐，實現了礦區無鍋爐化運行。解決了高溫熱水（23℃以上）不能直接進入機組進行熱量提取的問題。解決了排水流量較小的情況下廢熱資源利用率低，熱泵機組效率低的問題。改進了井口進風方式，冷熱風極速融合，保證了井口入風的適宜性，有效地減少了能耗。解決井口防凍、洗澡用水、供熱供冷一體化，利用礦井排水實現了礦井的無鍋爐化運行。