浅谈乏风热泵技术在煤矿供热系统的应用
2022-08-08田锦绣
田锦绣
(山西潞安化工集团慈林山煤业有限公司 李村煤矿，山西 长治 046600)
能耗双控是实现双碳承诺的重要手段之一，是实现国家高质量发展，确保能源安全，倒逼产业结构转型的重要方式之一。国家对于能耗双控工作非常重视，对各省区市的能耗强度降低实行基本目标和激励目标双目标管理，对企业来说，完成全年能耗“双控”目标任务形势严峻。如何节能降耗成为企业关注的焦点之一。
2020年，李村煤矿引进了直冷式深焓取热乏风热泵供热技术提取矿井乏风的余热资源，解决风井场地建筑采暖和井口防冻的供热需求。
1 工程技术方案
1.1 乏风热泵工作原理
该技术在第二代直蒸式乏风热泵技术的基础上更新换代，在第二代技术的基础上解决了深焓取热过程的结霜问题，实现了连续滚动式除霜，从而实现了大焓差取热，称为“直冷式深焓取热乏风热泵技术”，如图1所示。
图1 直冷式乏风热泵技术原理示意
直冷式乏风热泵机组的特点：
1) 独特的模块化多功能乏风取热机组，换热效率高，取热焓差大；同时具有耐冲刷抗腐蚀功能；
2) 采用特殊工艺制作的高科技超亲水翅片表层，大大降低了取热机组表层积尘积粘性物质的特性；
3) 采用针对煤矿换热器表层积尘积粘性物质特性专门开发的清洗剂，由取热机组前后压差控制，通过取热机组的自动清洗装置周期性清洗乏风取热机组，可保持取热机组长期如新；
4) 回风主风机切换时，可通过调节取热机组风阀以确保通过每个取热机组风量的均匀；
5) 模块化乏风取热机组设计，取热焓差可选，系列齐；
6) 乏风取热机组模块化设计，安装方便，排水快速，维护简便；
7) 常闭型自动旁通风门设计，既解决煤矿事故反风运行时换热器阻力影响问题，也解决热泵供热系统不使用时回风主机功耗浪费问题。
1.2 乏风余热利用情况
李村煤矿矿井回风量大，风量和风温稳定，矿井内乏风是良好的余热资源，矿井乏风风量为550 m3/s，通过测量，乏风温度在10 ℃左右。
1.3 热负荷计算
1) 井筒防冻热负荷计算。尧神沟风井场地井筒进风量为505 m3/s，根据该井筒进风量进行热负荷计算，所需热负荷计算如下：
井筒防冻热负荷：
Q=1.1×G×ρ×Cp×(ΔTh-ΔTw)
式中：Q为井筒防冻热负荷，kW；1.1为富裕系数(根据GB/T50466确定)；G为矿井进风量，取505 m3/s；ρ为空气密度，取1.284 kg/m3；(1个标准大气压、2 ℃时干空气的密度)；Cp为空气定压比热容，取1.01 kJ/(kg·K)；ΔTh为冷、热空气混合后的温度，取2 ℃；ΔTw为极端最低温度平均值，取-23.3 ℃(根据《煤炭工业矿井设计规范》GB50215-2015第15.5.2条规定：井筒空气加热的室外计算温度取历年的极端最低温度的平均值)。
相应地空气加热室的空气加热热负荷为：
Q=1.1×505×1.284×1.01×(2+23.3)=18 226 kW
2) 建筑物采暖热负荷。建筑采暖负荷采用体积热指标法进行计算：
Q=qv×V×(tn-tw)
式中：Q为建筑采暖耗热量，W；qv为建筑物体积耗热指标，W/m3；V为建筑物体积，m3；tn为室内设计温度，℃；tw为室外采暖计算温度，℃。建筑物采暖负荷统计，见表1。
表1 建筑物采暖热负荷计算tw=-13 ℃
3) 供热负荷按10%富余量统计，尧神沟风井总需热负荷见表2.
表2 总设计供热负荷
1.4 方案设计
本项目供热热源采用乏风热泵+电辅助加热。
1.4.1 热源设计
1) 乏风热泵机组选型。乏风为550 m3/s，根据计算乏风由10 ℃/85%降至0 ℃/95%，取热量为11 700 kW，乏风热泵设计工况下COP=4.0，热泵配电功率为3 900 kW，总供热能力为15 600 kW.
选配6台直冷式乏风热泵机组，型号为SMEET-FS-R-2600Ⅱ，单台制热量为2 600 kW，配电功率为650 kW，供回水温度为40/30 ℃，单台水流量为224 m3/h.总供热能力为15 600 kW，热泵总配电功率为3 900 kW.
主机设备选配见表3.
表3 乏风热泵机组参数
2) 乏风取热机组选型。选配30台SMEET-FSQ-390Ⅱ型乏风取热机组(表4)，单台取热量为390 kW，单台通风量为18.3 m3/s.
1.4.2 辅助加热设备选型
电辅助加热考虑集中布置在井口，内置于井口空气加热机组内。总需热负荷为20 731 kW，热泵总供热能力为15 600 kW，则需电加热负荷为5 391 kW.
井筒防冻加热负荷为18 226 kW，本方案拟采用30台SMEET型煤矿专用井口加热机组，单机供热能力为650 kW，总供热能力为19 500 kW；其性能参数见表5.
表5 井口加热机组性能
2 节能效益
3.1 采用乏风热泵+电辅助加热运行能耗分析
1) 供热量。井口供热平均负荷系数约为0.3，则供热量：
18 226×0.3×24×138÷10 000=1 810万kW·h
根据室外气象参数模型，长治地区采暖温度(-13 ℃)以下的小时数为192 h，则电辅助加热供热量：
180×30×192÷10 000=104万kW·h
则井口热泵供热量：
1 810-104=1 706万kW·h
建筑采暖供热平均热负荷系数约为0.65，则供热量：
1 565×0.65×24×138÷10 000=337万kW·h
总供热量：
1 706+337=2 043万kW·h
2) 能耗分析。根据热泵机组运行规律，采暖季热泵机组运行能效分布及时间占比，见表6.
表6 乏风热泵机组能效及运行时间占比
采暖季综合能效COP≈5.0，则可以得出乏风热泵全年耗电量约为：
2 043÷5.0=408.6万kW·h
水泵全年耗电量为：
(75+110)×2×24×138×0.8÷10 000=98万kW·h
空气加热机组全年耗电量为：
4.4×30×24×138×0.8÷10 000=35.0万kW·h
供热系统总耗电量为：
408.6+98+104+35=646万kW·h
通过上述计算分析可知，采用采用乏风热泵+电辅助加热方式供热，年耗耗量约为646万kW·h，折合标准煤当量值为794 tce.
3.2 采用传统天然气锅炉供热运行能耗分析
原有供热方式采用2台6 t、3台8 t天然气锅炉，燃料消耗量主要为天然气、电力。
1) 天然气消耗量。年消耗天然气折标准煤量计算，见表7.
表7 年消耗天然气折标准煤量计算
2) 电力消耗量。1台6 t天然气锅炉配置的循环泵为18.5 kW，风机为9 kW；1台8 t天然气锅炉配置的循环泵为21.5 kW，风机为9 kW.锅炉运行年消耗电量折标准煤估算,见表8.
则2台6 t、3台8 t天然气锅炉1小时耗电量计算如下：
(18.5×2+9×2+21.5×3+9×3)×0.6=88 kW·h
表8 锅炉运行年消耗电量折标准煤估算
合计，采用传统天然气锅炉系统运行年消耗标准煤量=5 516+16=5 532 tce.
3 节能效益
热泵系统运行年节能量=天然气供热系统年消耗标准煤量-热泵系统运行年消耗标准煤量=5 532-794=4 738 tce.
4 结 语
采用直冷式深焓取热乏风热泵供热技术提取矿井乏风的余热资源，解决风井场地建筑采暖和井口防冻的供热需求,降低了能源消耗量4 738 tce，减少了大气污染。
