煤矿矿井水余热利用系统电力节能措施

韩杰舰　姜超（济南国海能源科技有限公司，山东济南5004）



煤矿矿井水余热利用系统电力节能措施

韩杰舰1姜超2
（济南国海能源科技有限公司，山东济南250104）

摘要煤矿矿井水余热利用系统设备的耗电量极大，尤其是水源热泵机组，其占整个用电量的50%以上。针对这一问题，它综述了常见电力节能措施，在保证系统正常运行的前提下，提出系统、全面的电力节能措施，并对各项措施原理和功能加以说明。

关键字电力节能；水源热泵机组；电机节能；方法措施

0　引言

我国制造技术工艺同世界先进水平相比有一定差距；所以电机传动调速及系统控制技术比较落后。我国在提高电机系统效率，加强系统节能管理方面有着巨大的潜力。若我国电机系统的运行效率提高到国际先进水平，则每年可节约用电约1500亿千瓦时［1］。目前，工业领域涉及的电力节能多是局部的、常规性的措施，本文针对煤炭矿井水余热利用水源热泵系统提出完整、全面的电力节能方法。

1　项目案例

煤矿矿井水源热泵空调系统电耗特点：主要是纯感性负载，系统中负载包括水源热泵的压缩机和水泵的电动机，它们消耗有功功率同时还会传输无功功率。虽然宏观上无功功率不消耗电能，但它影响有功功率的输出，限制配电系统的输出能力。

图1　矿井水余热利用水源热泵系统工艺流程

水源热泵通过输入少量高品位能源（电能），实现低温位热能向高温位转移。水源热泵机组利用的矿井水水体温度12℃～22℃，汲取5℃左右的热量转换为热水温度，再辅助以压缩机做功，使得热泵循环水温度达到供暖温度45℃～50℃。夜间利用机组进行空调供热，同时进行蓄热储能；白天机组停用，仅使用蓄热水池热水循环供暖（见图1）。

矿井水经过除砂器除去泥沙，避免堵塞蒸发器。板式换热器用来隔离蓄热水与供暖水，保持水池低损耗。系统设置7只电动阀，用于蓄热/供暖水路切换。水蓄热控制灵活，可以实现多种模式运行（见表1）。

表1　系统主要设备

2　电力节能措施

2.1优化工艺设计节能措施

利用现场管路或沟渠高差，尽量采用自流管道，零耗电。减少不必要的弯头，减小水循环阻力，从而降低电耗。该节能措施多用于单循环工艺系统，例如，煤矿洗浴用水系统中，储热水箱应尽量置于高地势，借用高差自流进入浴池，如此节约了洗浴供水泵部分耗电。

2.2高效电机节能措施

高效率电机（图2）在设计、材料和制作工艺上采取改进措施，采用优质导磁材料等措施降低损耗，效率可提高2%～8%，平均提高4%，采用合理的定转子槽数、风扇参数和正弦绕组［2］。

图2　高效电机

高效电机节能率与其运行模式、控制方式和运行工况有关，如果高效电机使用不当，不仅增加了设备投资，反而无法体现高效电机的节能效果。因此，高效电机在使用前，应考虑其运行模式、负载特性，通过科学的判断和综合评估后才能评判是否节能。

在夏季，矿井水余热利用水源热泵系统可以通过增加适当的风冷机组，实现制冷的目的（本应用案例未展现）。风冷机组的原理是通过扩大水流通截面以及降低流速，并通过风向逆流降低冷却循环水温度。风冷机组是常开的、定速的，因而，此处亦可选用高效电机，作为节能的可行措施。冬季，矿井水作为热泵机组冷凝器热源水，且以定流量、定扬程循环，因而，热源水循环泵选用高效电机能达到节能目的。

2.3无功补偿节能措施

无功补偿的具体方式：在同一电路中并联末端感性负荷与具有容性功率负荷的装置，使得能量（容性和感性）在两种负荷间互相补偿。常用的电力节能无功补偿方式分3种：集中补偿、分组补偿、就地补偿。［3］

增设无功补偿装置、能降低功率消耗、提高功率因数，还具有充分提高设备输送功率的优点。计算无功补偿容量时，注意两点：在轻载时要避免过补偿，无功补偿过大造成功率损耗增大，是不合理的；每千伏补偿容量减少损耗的作用越小，功率因数越高。合理补偿就是提高功率因数到0.95。

同样以矿井水余热利用水源热泵系统为例，总耗电功率为778 kW（常用），具有耗电设备地理区域集中，运行时间一致的特点，因而，项目实行集中补偿，即在变压器低压侧并联240 kvar自动调谐补偿装置，功率因数达到0.95。

2.4变频器节能措施

变频器节能主要常见于风机和水泵。在前期工艺设计、设备选型时，往往预留一定的功率富余量。当电机在工频低负荷运行时，除满足动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能浪费。传统的风机和泵类设备节能的做法是减少对外做功，即在风机和泵类设备出口管道设置阀门，通过调节阀门开度，减少送风量或水流量。这种节能措施见效甚微，因为电机本身输入功率大，仍在耗散较大能量，且多数能量耗散在阀门挡瓣阻力上。使用变频器可以根据负载需要，按需输出，利用改变频率的方式降低输出功率。

特别作为矿井水余热利用水源热泵系统重要设备——水源热泵机组，其耗电量占整个系统总耗电量一半以上，因而针对水源热泵机组降低电耗就显得格外重要。水源热泵机组运转设备主要是压缩机，分离心式和螺杆式。目前均有专门的变频器与之匹配，图3是水源热泵机组压缩机采用变频和定频2种方式的工作状态对比。可以看出变频水源热泵机组具有节能、温控精度高、调温速度快、保持室温恒定、安全可靠、压缩机运行平稳流畅的优点。煤矿矿井水源热泵空调系统电力节能应关注水源热泵电力节能，尽量采用变频措施控制压缩机据供暖负荷变化实时调节出力。

图3　热泵机组变频与定频压缩机工作状态对比

作为电子电路，变频器本身也要耗电（约额定功率的3%～5%）。1台1.5匹的空调自身耗电算下来也有20 W～30 W，相当于一盏长明灯。变频器在工频下运行，具有节电功能的前提条件是风机/泵类大功率设备负载，并且，变频装置具有节电功能。

2.5储能方式节能措施

本文采用的项目案例，夜间利用机组进行空调供热，同时进行蓄热储能；白天机组停用，仅使用蓄热水池热水循环供暖。此案例充分利用夜间电价低谷期进行蓄热，白天用电高峰期进放热，即将白天的电力负荷转移到夜晚，实现电力负荷的消峰填谷，充分利用峰谷电价差，在夜间低谷期开机储蓄冷（热）量替换白天用电高峰期间空调冷（热）量。机组运行时，制热量较大，能够长期运行在高效率状态。水蓄热控制灵活，可以实现多种模式运行。

2.6维护保养节能措施

系统投入运行后，若不注意细微的损耗，常年运行也是一种电力能源的浪费。常见的维护保养节能措施有个人总结以下几点：电机的轴承要润滑，阻力小功耗就小；散热性能要良好，注意电机叶片和电机外壳的清洁和保养。注重精细化管理，科学节电节能，充分发挥人员运行节能作用。

3　结语

结合矿井水余热利用水源热泵系统，汇总了六种电力节能措施，应根据具体场合选择恰当合理的节能措施。在运行冬夏一周期且达到相同供暖和制冷效果下，经测算，采用上述节能措施后，系统整体节电率约13%，是值得推荐的措施方法。

参考文献

［1］柴弘华.泵站供电设施节能措施探讨［J］.中国农村水利水电，2005 （05）：100-102.

［2］张光蓉.超导磁场绕组旋转电机进展状况［J］.东方电机，2010（06）：69-68.

［3］龙自平.如何让低压无功补偿在配电网中发挥最大作用［A］. 2007云南电力技术论文集［C］.2007.

［4］史金安.蒸发式冷凝器的节能运用［J］.制冷空调与电力机械，2009 （06）：53-56.

Electricity Energy Saving Measure of Mine Water Waste Heat Utilization System

Han Jiejian1Jiang Chao2
（Jinan Gohigh Energy technology co.，LTD.，Jinan Shandong，250104）

Abstract：The power consumption of the equipment of mine water waste heat utilization system is large，especially the water source heat pump units，they account for more than 50%of the electricity consumption. In view of this problem，the common electricity energy saving measures are summarized，on the premise of ensuring the normal operation of the system，the systematic and comprehensive electricity energy saving measures are put forward，and the measure principle and function are explained.

Key words：electricity energy saving；water source heat pump unit；motor energy saving；method and measure

中图分类号F426.21

文献标识码B

文章编号1000-4866（2016）03-0044-03

作者简介

韩杰舰，男，1986年出生，济南国海能源科技有限公司，长期从事煤矿相关电气设计工作.

姜超，女，济南国海能源科技有限公司，电气助理工程师.

收稿日期：2016-05-11