店坪矿矿井回风废热资源利用技术研究

2014-11-12王云芳薛定亮梁宝林

山西焦煤科技 2014年9期

王云芳，薛定亮，梁宝林

(霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司店坪煤矿，山西吕梁 033102)

店坪煤矿位于山西省吕梁地区，矿井通风量为125 m3/s，矿井排水量120 m3/h，有丰富的煤矿低温废热资源，可以做为冬季采暖、洗浴热水热源和夏季中央空调冷源。由于店坪煤矿锅炉房被泥石流摧毁，煤矿洗浴临时靠1台1 t锅炉提供，热水量远远不能满足需要，而热泵系统提供洗浴热水技术成熟、施工周期短、占地面积小、现场条件便于实施，能够解决矿山一年四季洗浴热水，确保煤矿一年三季出煤不烧煤。采用本方案后，取消原4 t澡堂锅炉，冬季建筑采暖减少2个锅炉吨位，利用废热资源满足了煤矿供热水、采暖等需求，同时实现了节能减排。该项目采用的矿井回风换热器设计独特，还能达到为矿井排风降噪除尘的目的，改善了矿区的空气质量。

1 店坪矿矿井低温热源分析

根据提供资料，该矿井总回风温度15.5℃ ～18℃，矿井回风量125 m3/s。该回风温度记录的是回风大巷温度，根据现场考察，矿井冬季室外温度低，回风扩散口壁有结冰现象，这是由于回风扩散塔是钢板制作，钢铁传热系数大，扩散口壁温度低于回风露点温度。此现象对回风温度影响较小，采用回风热能回收，扩散塔采用钢筋混凝土制作，可达到较好的保温效果，此现象即可避免。对比该地区同类矿井，该设计方案取15℃计算。

1)冬季提取的热量。

冬季按回风温度15℃，相对湿度95%计算，则可从回风中提取的热量为3 007 kW。

2)夏天提取的冷量。

夏季按回风温度18℃，相对湿度95%计算，则可向回风中释放的热量为6 322 kW。

2 方案设计

2.1 设计思路

本方案为解决一年四季该矿澡堂热水供应问题，取代澡堂锅炉房，前端回风换热和配电设计按最大负荷提取废热资源可满足该矿联建楼和招待所共20 000 m2的采暖及空调制冷需求。

1)店坪矿矿井可利用的低温热源为矿井回风废热资源，可解决以下问题:a)联建楼及招待所建筑物冬季采暖，夏季空调制冷。b)矿井全年洗浴热水。

2)考虑到热源部分的后期扩展，管路设计按可回收矿井回风总热源设计，回收换热器喷淋水泵设计可根据不同的负荷选取。

3)机房利用旧主井绞车房，洗浴热水储水箱设在机房旁边。

4)洗浴泡澡水池考虑循环加热系统。

2.2 回风换热设计

矿井回风热交换器的功能是提取矿井回风中所蕴含的大量低温热能，作为水源热泵机组的低温热源。利用安装在风井扩散塔出口的矿井回风热交换器，将矿井回风中所蕴含的大量热能高效地转移到循环水中，循环水经集水槽收集后，自流至蓄水池。由潜水泵将蓄水池里的热水送至热泵机组，提取热量后，由水泵打回回风热交换器，再返回蓄水池，进行换热循环。风井两套排风系统各安装一套回风热交换器，当两台矿井通风机切换时，系统也随之更换［1－3］。

考虑到矿井回风中含有腐蚀性气体，热交换器内部管道全部采用不锈钢管。

1)基本原理。在矿井回风源热泵系统中，矿井回风热交换器将矿井回风中所蕴含的大量热能通过喷淋换热方式转移到循环水中，循环水作为热泵系统的低温热源，制热工况时，热泵系统提取循环水中的热量，循环水温度有所降低(一般5℃);制冷工况时，热泵系统向循环水中放热，循环水温度有所提高(一般10℃)。经过热泵系统后的循环水被重新送入矿井回风热交换器进行热交换，如此循环往复。矿井回风源热泵系统原理图见图1。

图1 矿井回风源热泵系统原理图

2)回风换热器特点。气－水换热，水雾和矿井回风直接换热，换热效率高，不但可以回收矿井回风显热热量，还可以回收潜热热量。无电动设备，无需防爆，可以实现反风运行。

该回风换热器有较强的净化空气能力，经过回风换热后粉尘等污染物降低。回风换热器增加阻力不超过50 Pa，通风阻力极小，根据煤矿通风规程，该矿7 500 m3/min通风量下允许的最大风阻为2 500 Pa，新增50 Pa风阻对通风的影响可以忽略。降低风井排风的噪音可达30 dB(A)。

3)改造扩散塔。a)根据回风换热器设计尺寸对扩散塔进行拆除改建，外墙侧进行防水处理。b)在扩散塔内部建水导流槽。4)安装回风换热器。

在扩散塔达到硬度要求后，将回风换热器就位与预埋件焊接。换热器基础平面图、剖面图见图2。

图2 换热器基础平面图、剖面图

5)建造蓄水池。在扩散塔外建钢筋混凝土保温水池，由导流槽与扩散塔连接。

6)供回水系统安装。在蓄水池内安装水泵，通过管道与机房和回风换热器连接。

2.3 补给水设计

矿井回风中的热量通过循环水间接与热泵机组进行热交换传递，故循环水的水质是关系到系统能否长时间、高效率运行的关键。

设计1套循环水处理装置，具有保证循环水水质稳定、清洗维护方便、自动化程度高和运行稳定可靠等特点，工作原理示意图见图3。水泵把集水池中吸取能量后的循环水输送到全自动过滤器，循环水经过专用全自动过滤器去除粉尘，然后进入热泵机组提取热量。经水源热泵机组提取热量后的循环水再进入回风换热器中换热、降噪、除尘后到循环水池。

图3 循环水处理直接提取热能原理图

2.4 综合监控系统

本系统采用以和利时公司HOLLiAS－LM系列小型一体化PLC为主的集中和分散相结合的控制系统，实现对配套回风换热器、热泵机组的工艺参数、电气参数和设备运行状态的监测、控制、连锁和报警以及报表打印，通过使用在监控中心与主站以及主站和远程站间的一系列通讯链，完成整个水源、风源和热泵机组所必需的数据采集、数据通讯、顺序控制、时间控制、回路调节及上位监视和管理作用。

整个系统设1个监控中心、n个从站，分别是1个回风换热器从站、n个热泵机组从站。控制系统主要完成数据上传功能，并具有控制功能，控制方式可以分为现场设备就地手动控制、本地触摸屏控制、远程计算机控制3种控制方式。

1)就地手动模式。设备的现场控制箱或PLC控制柜上的“就地/远程”开关选择“就地”方式时，通过现场控制箱或PLC控制柜上的按钮实现对设备的启/停、开/关操作。设备的急停按钮或其他保护和安全连锁装置(如过载保护、温度及液位保护等)必须是硬线连接至电气控制回路，不受方式选择开关的限制。现场控制箱(柜)开关在“手动”位置时，设备为离线方式，PLC不能对设备进行任何控制。

2)本地触摸屏控制。现场控制箱或PLC控制柜上的“就地/远程”开关选择“远程”方式时，操作人员通过控制柜上的操作终端(HMI触摸屏)对设备进行启/停、开/关操作。

3)远程计算机控制。现场控制箱或PLC控制柜上的“就地/远程”开关选择“远程”方式，操作人员通过监控中心操作站的监控画面，用鼠标器或键盘对设备进行启/停、开/关操作。

4)热泵控制系统分为4级，包括生产管理级(远程客户端)、数据中转管理级(监控中心)、现场控制级(PLC监控站)及就地控制级(现场控制箱)。现场各种数据通过PLC系统进行采集，并通过主干通讯网络－485通讯传送到监控中心操作员站集中监控和管理，同时操作员站作为服务器，将数据通过以太网传输到总监控客户端，进行统一生产监控和管理。同样，监控中心操作员站的控制命令也通过上述通道传送到各远程PLC控制站，实现各单元的分散控制。