空氣源熱泵在煤礦供熱改造中的應用

煤炭工業太原設計研究院集團有限公司 邵鵬華

0 引言

2018年是2010年以來全球一次能源消費增長率最快的一年[1]，同年，國家和地方政府出臺了一系列環保政策，要求逐年淘汰小型燃煤鍋爐。

近年來，空氣源熱泵供熱發展較為迅速，尤其在寒冷地區和嚴寒地區。在-20 ℃的條件下，噴氣增焓式熱泵COP能達到2.15左右[2]。在低溫工況下，雙級壓縮系統的壓縮比更小，制熱量更大，即使在-30 ℃的低溫條件下系統COP仍能保持在2.1左右[3]。

煤礦的供熱需求主要分為三部分：1) 建筑物供暖；2) 井筒防凍；3) 洗浴熱水。采用空氣源熱泵機組取代煤礦的燃煤鍋爐是一種較為節能的措施。本文結合案例介紹空氣源熱泵在煤礦供熱改造中的應用。

1 項目案例

1.1 項目背景

某煤礦位于山西省臨汾市鄉寧縣，年生產能力為300萬t，并配套有同規模的洗煤廠。鍋爐房現有2臺10 t和1臺4 t的燃煤蒸汽鍋爐，主要為礦井和洗煤廠建筑物供暖、職工洗浴、井筒防凍提供熱源。建筑物供暖熱媒為供/回水溫度110 ℃/70 ℃的高溫熱水，洗浴和井筒防凍熱媒為0.3 MPa的飽和蒸汽。

1.2 環保政策

根據《國務院關于印發打贏藍天保衛戰三年行動計劃的通知》(國發〔2018〕22號文)、山西省人民政府《關于印發山西省大氣污染防治2018年行動計劃的通知》(晉政發〔2018〕30號文)、鄉寧縣人民政府辦公室文件《關于印發鄉寧縣2018年工業企業環保專項整治實施方案的通知》(〔2018〕73號文)，要求燃煤鍋爐按規模逐年淘汰，其中鄉寧縣政府要求工業企業10 t及以下的燃煤鍋爐在2018年10月1日之前全部淘汰，改造的技術路線為“宜醇則醇、宜電則電、宜氣則氣”。

1.3 可利用的余熱資源分析

該煤礦屬于低瓦斯礦井，且工業場地內無回風井，無法利用瓦斯和乏風的余熱；同時，工業場地內無空壓機房，礦井水、生活水中能提取的低溫余熱資源有限。因此，可利用的低溫熱源僅剩下空氣。

該工程考慮采用電鍋爐、空氣源熱泵、燃氣鍋爐作為替代熱源。

1.4 方案比選

當地冬季供暖室外計算溫度為 -10 ℃[4]，冬季極端最低氣溫平均值為-19 ℃，年供暖天數為121 d。熱負荷計算結果為：建筑物供暖8 163.19 kW、井筒防凍5 226.14 kW、洗浴1 385.00 kW，合計14 774.33 kW。

根據熱負荷計算結果，可供選擇的方案有以下幾種。

方案1：空氣源熱泵+電鍋爐輔助。

在選煤廠采用能效比高、出水溫度高的螺桿式雙級壓縮超低溫空氣源熱泵機組，主要應用于A1、A2、B1和J1區，末端采用高效散熱器，保證空氣源熱泵機組在極端天氣情況下出水溫度≥60 ℃；在行政福利區采用渦旋式超低溫空氣源熱泵機組，末端選用風機盤管，滿足部分建筑物夏季需要供冷的要求，主要應用于B2、B3、Y1、Y2、J2、J3區。

共設置4個能源站，其中1#能源站設置在介質庫旁，負責A1和J1供熱區域；2#能源站設置在鍋爐房旁，負責A2和B1供熱區域；3#能源站設置在聯合建筑旁，負責B2、J2和Y1供熱區域；4#能源站設置在礦井水處理站旁，負責B3、J3和Y2供熱區域。能源站主要設備見表1，分區示意圖見圖1。

表1 能源站主要設備

圖1 能源站分區圖

方案2：燃氣鍋爐。

利用工業場地原有鍋爐房進行改造。拆除工業場地3臺燃煤鍋爐，安裝3臺燃氣蒸汽鍋爐——2臺WNS10-1.25-Q型和1臺WNS4-1.25-Q型，滿足工業場地建筑物供暖，主斜井、副斜井、進風斜井井筒防凍及浴室用熱。

該礦區周邊有4.0 MPa長輸天然氣管網，距離礦區最近的閥站直線距離約10 km，天然氣管線從最近的閥站接入，鋪設一根DN200的無縫鋼管，在鍋爐房內設置調壓站，接入燃氣鍋爐使用。

方案3：電蓄熱鍋爐。

井筒防凍采用2臺4 MW電極式蒸汽鍋爐供熱，利用原有空氣加熱室的加熱機組和廠區管網；建筑物供暖采用2臺10 MW電極式熱水鍋爐供熱，設2個容積1 000 m3的蓄熱水箱，供/回水溫度為90 ℃/50 ℃。由于電極式熱水鍋爐直供運行費用高，因此，按谷電蓄熱、平電運行的模式，利用原有管網和末端。

3種方案的初投資、運行費用對比見表2。

表2 初投資、運行費用對比 萬元

由表2可見：1) 工業場地供暖方案中方案2(燃氣鍋爐)室外管網和末端利舊，初投資最低，且電力負荷無需增容。但冬季用氣量無法保證，極有可能導致供熱系統癱瘓，從而導致井筒結冰、管道凍裂，礦井無法正常生產。同時，天然氣費用較高，每年運行費用比方案1高594.14萬元。因此，天然氣清潔能源供熱存在很大的風險。2) 方案1(空氣源熱泵+電鍋爐輔助)、方案3(電蓄熱鍋爐)相比，方案1電力增容量小，故初投資較低，同時方案1的運行費用也較低，比燃煤鍋爐房還低3.36萬元。

根據上述綜合比較，推薦采用方案1(空氣源熱泵+電鍋爐輔助)。

1.5 方案設計

1.5.1 原設計方案

原設計熱水供/回水溫度為110 ℃/70 ℃。生產系統建筑物末端采用鋼制高頻肋片管散熱器；工業建筑和行政福利建筑物末端采用灰鑄鐵新藝666型散熱器；井筒防凍末端采用蒸汽-空氣加熱機組；洗浴熱水采用0.3 MPa蒸汽直接加熱。

1.5.2 工藝流程

該工程的所有熱源均采用空氣源熱泵機組+電鍋爐輔助。空氣源熱泵機組為超低溫空氣源熱泵機組，設計供/回水溫度為60 ℃/55 ℃(50 ℃/45 ℃)，中間設置均壓罐[5]，由循環水泵驅動構成一次網系統，同時由均壓罐和末端形成另外一個循環系統，由循環水泵驅動構成二次網系統，設計供/回水溫度為60 ℃/50 ℃(50 ℃/40 ℃)。系統流程見圖2。

圖2 系統流程示意圖

1.5.3 選型原則

1) 根據工業場地建筑物分布和空地位置，空氣源熱泵系統分10個子系統，洗煤廠2個區(分別為A1和A2)，礦井3個區(分別為B1、B2、B3)，洗浴2個區(分別為Y1和Y2)，3個井筒防凍(分別為J1、J2、J3)。詳細分區見表3。

2) 建筑物熱負荷根據供暖室外計算溫度-10 ℃計算，井筒防凍熱負荷根據冬季極端最低氣溫平均值-19 ℃計算。

3) A1、A2和B1區建筑物供暖和J1區井筒防凍熱泵機組按負荷平衡點溫度-10 ℃[6]、出水溫度60 ℃的制熱量選型；B2、B3區建筑物供暖和J2、J3區井筒防凍的熱泵機組按負荷平衡點溫度-10 ℃、出水溫度45 ℃的制熱量選型。冬季極端最低氣溫時不足的制熱量由電鍋爐補充。

表3 工業場地主要建筑物分區

4) 洗浴熱泵熱水機組按負荷平衡點溫度-10 ℃、出水溫度45 ℃的制熱量選型，冬季極端最低氣溫時不足的制熱量由電鍋爐補充。

5) A1、A2、B1和J1區采用螺桿式雙級壓縮超低溫空氣源熱泵機組，剩余的區域均采用渦旋式超低溫空氣源熱泵機組。

根據行業及中煙信息化實施規劃，信息化建設應逐步由“業務支撐”向“信息服務”轉型，目前部分卷煙工廠的信息化建設程度只能夠滿足業務支撐的要求，離向信息服務轉型的目標還有很大距離。針對目前卷煙工廠系統較為分散、人工參與度高，各類數據在企業內部會經過多次流轉，并經過多個環節的重復統計、多個系統的重復錄入的現狀，在企業內部打造一個具有強大支撐能力和擴展能力的數據管理平臺，通過數據的深度整合和挖掘建設一個企業決策分析系統[1]，為企業各級管理人員提供全方位、立體化的數據分析，支持各級管理人員在企業決策中更加高效、更加科學，意義尤其重大。

6) 當空氣源熱泵冬季除霜時，考慮每小時融霜一次，機組融霜修正系數取0.9[7]。

1.5.4 能源站布置

工業場地布置4個能源站，共布置16臺螺桿式空氣源熱泵機組和135臺渦旋式空氣源熱泵機組，詳見方案1。

1.5.5 末端選擇

1) 原設計情況。

洗煤廠末端散熱器采用鋼制高頻肋片管散熱器，散熱器型號為SCG6-20/300-1.0，散熱量Q=9.805 1Δt1.288 6(Δt為供回水平均溫度和室內供暖設計溫度之差)，原設計供/回水溫度為110 ℃/70 ℃，當Δt=72 ℃時的散熱量為2 425.5 W。礦井建筑物采用灰鑄鐵新藝666型散熱器，散熱量Q=0.644 4Δt1.288，原設計供/回水溫度為110 ℃/70 ℃，Δt=72 ℃時的散熱量為159 W。3個井筒防凍末端采用蒸汽-空氣加熱機組，介質為0.3 MPa蒸汽。

2) 現設計情況。

若采用低溫供暖，供/回水溫度按60 ℃/50 ℃設計，則Δt=37 ℃時的鋼制高頻肋片管散熱器散熱量為1 028 W，灰鑄鐵新藝666型散熱器的散熱量為67.4 W，無法滿足供暖需求。

洗煤廠廠房內粉塵較大，若采用風機盤管作為末端，過濾器容易堵，清洗工作量大、廠房內工作環境差，因此本次設計末端按如下原則選型：① 洗煤廠廠房末端更換為銅鋁合金高效散熱器；② 礦井工業廠房區域的末端不變，層高較低的廠房增加一些風機盤管，高大空間的廠房則新增高大空間射流機組；③ 將行政福利建筑散熱器末端全部更換為風機盤管。

拆除空氣加熱室現有的蒸汽-空氣加熱機組，更換為低溫水-空氣加熱機組，送風機選用防爆型，循環介質采用乙二醇溶液，-20 ℃溫度下不結冰，防凍液直接加熱冷空氣，把冷空氣加熱到20 ℃后送到井筒，與室外冷空氣混合到2 ℃，送至井下。

1.5.6 室外管網

由于原建筑物供暖設計供回水溫差為40 ℃，現設計供回水溫差為10 ℃，因此主管道比摩阻較大。由于該項目采用分布式能源站，可以利用原有管溝和管網，靠近鍋爐房的2個能源站利用原有管網就基本可以滿足設計要求。為了節約投資，縮短工期，對剩余的比摩阻大于150 Pa/m的管網進行了更換，其余的利用原有管網。

2 創新點

1) 首次在山西大型煤礦全部采用空氣源熱泵機組替代燃煤鍋爐。

2) 高大廠房建筑物供暖選用超低溫螺桿雙級壓縮空氣源熱泵機組，提高供水溫度，保證供熱效果。

3) 行政福利建筑選用超低溫渦旋式空氣源熱泵機組，降低噪聲。

4) 井筒防凍的熱泵機組按室外供暖設計溫度進行選型，不足部分由電鍋爐補充，降低初投資。

5) 充分利用原有管網和末端，盡量減少安裝工程量。

6) PLC全過程控制，基本實現無人值守，可大大提高工作效率。

3 存在的問題及建議

3.1 存在的問題

該項目于2018年8月立項，改造時已接近9月中旬，為了不影響當年的供暖，只將燃煤鍋爐拆除更換為空氣源熱泵，室外管網和末端均未進行改造。從當年的運行情況來看，存在如下問題：

1) 洗煤廠高大廠房供熱效果較差，最冷時候有結冰的情況；礦井的工業建筑物室內溫度稍低，比原系統低3～5 ℃；行政福利建筑中的節能建筑供暖效果較好，室內溫度達到20 ℃以上，不節能建筑室內溫度約為16～18 ℃。

2) 室外管網布置在綜合管溝內，更換難度大，應盡量利用原有管網或更換為架空管道。

3) 1#、2#能源站的螺桿式空氣源熱泵機組噪聲較大，1#能源站中3臺螺桿式空氣源熱泵機組為主斜井井筒防凍提供熱源，無備用，任何機組出現故障都容易造成井筒結冰。

3.2 建議

1) 對于噪聲有要求的建筑物優先選用渦旋式空氣源熱泵機組，對供水溫度有要求的優先選用螺桿式空氣源熱泵機組。

2) 對于用于井筒防凍的機組盡量選用渦旋式機組，若采用螺桿機組則需考慮故障情況下的解決方案。

3) 末端和管網是否需要更換應根據原設計供回水溫度、實際運行工況、圍護結構形式等參數進行詳細核算，有些建筑物利用原有末端可能會滿足要求。

4) 盡量利用原有管網，不滿足要求時可以通過改變能源站位置或增加循環泵揚程等方案解決。