某乏風(fēng)余熱利用供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)及測試分析

焦春玲 白延斌 霍海紅 白亞娟

某乏風(fēng)余熱利用供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)及測試分析

焦春玲1白延斌2霍海紅3白亞娟4

（1.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司 西安 710065 ；2.中煤能源研究院有限責(zé)任公司/中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 西安 710054；3.陜西大唐新能電力設(shè)計(jì)股份有限公司 西安 710048；4.陜西省煤炭科學(xué)研究所 西安 710054）

針對某礦井熱源改造問題，介紹了礦井熱源系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容，給出了系統(tǒng)配置情況。結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)對噴淋換熱裝置噴水系數(shù)、換熱效率、噴淋換熱阻力進(jìn)行了分析計(jì)算，針對該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行了現(xiàn)場測試分析，得知系統(tǒng)供熱在室外環(huán)境溫度-7.9℃，礦井排風(fēng)溫度11℃，井口送風(fēng)溫度11.5℃，系統(tǒng)較好的滿足了供熱目的，對指導(dǎo)礦井回風(fēng)換熱供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及運(yùn)行具有參考意義。

熱泵；余熱；設(shè)計(jì)；乏風(fēng)

0 引言

根據(jù)《BP世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒》（2018年版）表明，2017年全球能源需求增長了2.2%，煤炭消費(fèi)量自2013年以來首次出現(xiàn)反彈[1]。中國能源消費(fèi)量增長了3.1%，連續(xù)第17年居能源增量之首。經(jīng)歷了2014年至2016年的低增長或零增長后，能源消費(fèi)所導(dǎo)致的碳排放量增長了1.6%。煤炭在中國能源消費(fèi)中的占比為60.4%。可以看出煤炭資源依然在我國能源供給中占據(jù)舉足輕重的地位，為了有效緩解資源開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的矛盾，實(shí)現(xiàn)煤炭企業(yè)的清潔供熱迫在眉尖。尤其是寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)礦井熱源大部分是低噸位小規(guī)模鍋爐，已經(jīng)與國家環(huán)保政策法規(guī)不符，污染物排放量不達(dá)標(biāo)且屬于國家及地方政府明確要求限期拆除淘汰范圍之內(nèi)。在鍋爐面臨淘汰拆除之際煤炭企業(yè)必須尋求切實(shí)可行的環(huán)保供熱替代方案，為公司的持續(xù)健康發(fā)展及熱用戶提供有力保障。在礦井開采過程中，大部分礦井回風(fēng)溫度常年維持在10℃以上，熱害礦井常年維持在25℃以上，因此合理利用該部分礦井乏風(fēng)作為熱源換熱，設(shè)計(jì)水源熱泵系統(tǒng)來滿足礦區(qū)供熱需求的項(xiàng)目近年來得到不斷發(fā)展[2-4]。筆者嘗試從山西北部某礦井乏風(fēng)余熱利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)際測試來分析該系統(tǒng)。

1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目屬于某集團(tuán)公司下屬礦井，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為1.20Mt/a，地處偏遠(yuǎn)，冬季進(jìn)風(fēng)井井筒防凍依靠配套建設(shè)的2x2t/h鍋爐+1x1t/h熱風(fēng)爐供熱。由于礦井鍋爐供熱高能耗、高污染問題，礦區(qū)采用乏風(fēng)噴淋取熱—熱泵供熱系統(tǒng)取代了原有鍋爐供熱系統(tǒng)，該供熱系統(tǒng)主要服務(wù)于307盤區(qū)進(jìn)風(fēng)井井筒防凍，采用水源熱泵技術(shù)回收礦井排風(fēng)廢熱[5,6]。主要研發(fā)采用了噴淋取熱裝置、水源熱泵機(jī)組及高效末端散熱設(shè)備。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)計(jì)算

依據(jù)《工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》該地室外空氣計(jì)算參數(shù)：冬季供暖室外計(jì)算溫度：-16.3℃，冬季通風(fēng)室外計(jì)算溫度：-10.6℃，極端最低溫度值：-27.2℃，歷年極端最低溫度平均值：-24.3℃，冬季平均風(fēng)速：2.8m/s。本系統(tǒng)中，采礦專業(yè)工藝設(shè)計(jì)礦井設(shè)計(jì)排風(fēng)量414000m3/h，礦井設(shè)計(jì)進(jìn)風(fēng)量244800m3/h，其余進(jìn)風(fēng)量由另外一處工業(yè)場地進(jìn)風(fēng)井承擔(dān)，不在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

根據(jù)《煤炭安全技術(shù)規(guī)程》采用歷年極端最低溫度平均值-24.3℃計(jì)算礦井進(jìn)風(fēng)需熱量，礦井進(jìn)風(fēng)井井口溫度按照2℃考慮，計(jì)算得進(jìn)風(fēng)需熱量為2540kW。

根據(jù)供熱系統(tǒng)需熱量，配置熱泵機(jī)組供熱能力需≥2540kW，設(shè)計(jì)假定熱泵機(jī)組能效為4.0，計(jì)算得知熱泵機(jī)組取熱量為1905kW。

因此設(shè)計(jì)系統(tǒng)取熱器必須保證取熱量≥1905kW。根據(jù)工藝配置該系統(tǒng)礦井排風(fēng)量為414000m3/h，計(jì)算得知噴淋取熱器前后空氣焓差設(shè)計(jì)值為16.5kJ/kg。其余附屬配件設(shè)計(jì)計(jì)算不再贅述。

2.2 系統(tǒng)配置

系統(tǒng)中水源熱泵機(jī)組采用5臺HE600機(jī)組，渦旋式水源熱泵機(jī)組，名義制熱量584.8kW，額定供回水溫度50/40℃，名義輸入功率121.47kW，制冷劑R22，制冷劑充注量120kg。

噴淋取熱裝置2套，一用一備，額定進(jìn)風(fēng)量115m3/s，額定吸熱量1905kW。

5臺50000m3/s井口加熱器，單臺額定供熱量756kW，電機(jī)功率15kW。

4臺供熱循環(huán)水泵，4臺取熱循環(huán)水泵，2臺加壓補(bǔ)水泵，1臺污水潛污泵。1臺全自動過濾器，1臺全能水處理器，1套軟水裝置。配置10臺控制柜，1臺變壓器。系統(tǒng)原理示意圖如圖1所示，機(jī)房布置圖實(shí)物圖如圖2所示。

圖1 供熱系統(tǒng)原理圖