北方某煤矿风井场地清洁供热方案研究

吴曹俊，阮 霞

（1.国能朗新明环保科技有限公司，北京 100039；2.国电联合动力技术有限公司，北京 100039）

1 项目建设背景

煤矿位于陕西省榆林市境内，属于半湿润气候区及半干旱气候区。随着矿区规划建设建筑物增加，出现了燃煤锅炉效率低、维运成本高、环保排放不达标、环保处理费用高等问题，已经不能满足经济运行的需求。目前该矿一号风井场地现有3台WNS7-1.0/95/70-Q型燃气热水锅炉，可满足风井场地建筑供暖和井筒保温的负荷需求。燃气锅炉供热的运行费用成本高[1]，本方案将结合风井场地的现有余热资源条件重新规划供热热源，降低运行费用的同时契合国家节能环保规划趋势。矿井乏风余热一号风井场地回风量为24 000 m3/min，出风干球温度为12℃，相对湿度为80%。矿井乏风余热稳定可靠，是乏风热泵机组非常理想的低温热源，可作为供热热源使用。空压机余热一号风井场地空压机房现有9台轴功率为350 kW的螺杆式风冷空压机，运行数量为6台，通过增加空压机余热回收机组，可实现的余热量为1 500 kW。

2 规划方案

2.1 边界条件

在项目实施前，建议业主在新建建筑物位置完成地基基础勘察，完成并做好“三通一平”工作（利用旧建筑拆除原建筑内设备并外运），提供项目电源（将高压电引入清洁供热系统高压配电室高压柜并做高压试验）、水源，完成平场及相关道路的硬化等。

工程范围：在一号风井场地改造乏风热泵机房、新建乏风取热平台、改造进风井的井口空气加热室；余热利用系统的机电设备采购及安装、高低压配电系统、PLC控制系统，乏风利用凝结水工程、井口供热外管网系统等[2]，不含原建筑采暖末端及供暖管网改造。

2.2 余热资源分析

通过现场收集资料，分析得出具有开发利用价值的余热资源情况，如表1所示。

表1 可利用余热资源情况表

2.3 防冻负荷计算

根据中国《煤炭工业矿井设计规范》要求，进风井冬季要求防冻，进风混合温度要大于等于2℃，极端温度最低值按照﹣29℃进行计算，煤矿进风井加热负荷按下式计算[3]：

式（1）中：Q为进风口防冻加热负荷，kW；L为井口进风量，m3/s；ρ为空气在2℃时的密度，1.284 kg/m3；Cp为空气2℃时的定压比热，1.01 kJ/（kg·℃）；tj为进风口设计温度，2℃；twp为当地冬季极端平均最低温度，﹣29℃。

一号风井场地进风井井口防冻负荷Q=13 000/60×1.284×1.01×（2+29）×1.1=9 581.63 kW。负荷汇总表如表2所示。

表2 负荷汇总表

通过一系列计算得出：一号风井场地乏风余热供热能力为10 463.05 kW，大于风井场地井口防冻负荷（10 060.72 kW），满足负荷需求；一号风井场地空压机余热供热能力为1 500 kW，大于风井场地建筑采暖负荷（1 385.15 kW），满足负荷需求。

2.4 规划方案

2.4.1 实施规划

本方案利用现有余热资源解决风井场地供热负荷。采用空压机余热回收技术解决风井场地建筑采暖，采用直热直冷式深焓取热乏风热泵技术解决风井场地的进风井井口防冻问题[4]。供热负荷根据矿方提供的数据，一号风井场地进风井进风量为13 000 m3/min，根据GB 50215—2015《煤炭工业矿井设计规范》的要求，进风井冬季要防冻，其进风混合温度要求大于等于2℃，环境温度最低值按照矿方要求按﹣29℃进行计算，则风井场地进风井口防冻负荷为9 581.63 kW，考虑1.05管网损失系数，风井场地的井口防冻负荷为10 060.72 kW；风井场地建筑采暖负荷为1 319.19 kW；考虑1.05管网损失系数，风井场地的建筑采暖负荷为1 385.15 kW。由此可知，煤矿一号风井场地整体用热量为11 445.86 kW。

2.4.2 热源规划

根据供热负荷及余热资源计算，本方案拟采用风井场地的空压机余热解决风井场地建筑采暖问题，采用风井场地的乏风余热解决风井场地进风井的井口防冻问题。

热源配置（风井场地井口防冻）：设计采用5台SMEET-FS-R-2050型直冷式乏风热泵机组供给风井场地井口防冻，单机名义制热量2 050 kW，设计供回水温度为45/35℃。该机组布置在风井场地锅炉房内。

热源配置（风井场地建筑采暖）：现有9台轴功率为350 kW的螺杆式风冷空压机，按照一对一改造模式增加9台SMEET-KY-250/350型空压机余热回收机组，单机余热回收量为250 kW，运行数量为6台，作为风井场地建筑采暖热源。该机组布置在风井场地空压机房内。

2.4.3 辅助设备规划

在乏风扩散塔上方新建一座乏风取热平台，其内布置36台SMEET-FSQ-210型乏风取热箱，单机取热能力为210 kW，让矿井乏风通过取热箱，低温防冻工质在取热箱内吸取乏风余热后，经工质管道送至热泵机房内的热泵机组蒸发器侧，制冷剂通过热泵压缩机做功提升热品位送至冷凝器内，由冷凝器制备热水，冷凝器制备的热水通过循环水泵送至井口加热机组或采暖末端，通过井口加热机组输送热风至井筒，提高井筒混风温度，解决井筒防冻需求。对原有燃煤锅炉房进行改造，作为乏风热泵机房，其内布置乏风热泵机组、循环水泵、补水系统及配套配电系统。对风井场地原有井口加热室进行改造，拆除原有井口加热机组，重新设计10台型号为SMEET-FJ-1000的井口加热机组，单机制热能力1 000 kW，供热热风量80 000 m3/h。初步设计采用室外架空管架敷设取热平台至乏风热泵机房以及乏风热泵机房到井口房的管路，风井场地空压机余热供热管路与原有建筑物采暖供回水总管对接。

3 工艺系统设备的控制

3.1 系统的设计原则

以对热泵系统的状态监视及安全自动运行为目的，遵循“实用、可靠、经济”原则[5]，并应满足煤矿现代化管理的需求。

系统的可靠性原则：在满足工艺要求的基础上能长期稳定运行，并具有抗各种干扰的能力，满足电磁兼容性和安全性的要求；所提供的系统软件稳定可靠；所提供的设备符合工业标准。

系统的易维护性原则：系统易于维护，操作简便，接线方便可靠。

系统的开放性原则：控制系统采用开放的网络体系结构，符合ISO的有关通信标准，能和第三方设备自带PLC进行通讯。

系统的可扩展性原则：系统具有灵活的扩展能力，以保证在扩建或改造时，满足对控制系统的扩容要求。系统的硬件点数满足20%的余量要求，系统软件和应用软件具有灵活的扩展能力。

3.2 控制系统方案

控制室采用计算机进行工艺过程参数及工艺设备运行状态的显示、报警、处理，采用PLC进行数据采集、联锁、回路调节。流程画面可以直观显示工艺设备的运行状态、工艺过程参数，操作简单。趋势曲线可以自动建立数据库，对于重要的工艺参数自动生成趋势曲线，并可通过趋势曲线控件查阅历史数据库任意时间段的数据。报表的功能为记录各参数整点运行数据，每天自动形成日报表并自动存储，可随时查阅代替人工抄录，提供真实有效的运行数据。报警功能为人工设定工艺参数的报警值及危险值，出现异常实时声光报警。联网功能可以提供以太网接口，方便与矿调度室连网，用户可以通过网络访问现场计算机，实现数据信息共享。用户权限为一般用户只能查看普通操作，责任用户只有输入用户名和密码登录后，才能进行相关的操作。

3.3 系统组成

控制系统主要由系统主站、系统分站、操作员站、控制系统网络等组成，以实现对工艺生产过程参数的自动采集及控制；热泵机房设置系统主站，乏风取热平台距离热泵机房较远，设置远程分站；热泵机房值班室设置一台操作员站，操作人员以液晶显示器作为主要监视和控制手段，进行实时监控、集中启停操作、异常工况处理；控制系统采用2层网络，其中系统主站与分站之间采用PROFIBUS-DP现场总线网络，距离较长时采用光纤传输；系统主站与操作员站之间采用工业以太网。

3.4 检测及控制项目

循环泵的手动和自动控制：手动模式下远程手动启停循环水泵；自动模式下循环水泵与机组联锁运行，同时检测循环泵的运行电流。

补水泵的手动和自动控制：自动模式下根据压力自动控制补水泵的启停。

冲洗泵的手动和自动控制：自动模式下定时对井口换热器进行自动冲洗。

热泵机组的手动和自动控制：手动模式下可远程手动启停热泵机组；自动模式下根据热负荷需求自动控制机组运行台数，实现对热泵机组的节能运行控制[6]。

余热回收机组的手动和自动控制：手动模式下可远程手动启停机组；自动模式下根据热负荷需求自动控制机组运行台数，实现对机组的节能运行控制。

4 经济效益分析

4.1 投资估算

投资范围为矿井余热利用工程的设备及工器具购置、土建工程、安装工程和工程建设其他费用的投资，不含原建筑物内设备拆除、外运及高压电缆。建设项目投资总造价估算为5 217.73万元，其中设备购置费为3 139.20万元，安装工程总投资为899.71万元，土建工程总投资为1 058.82万元，其他费用合计为120.00万元。

4.2 运行费用分析

根据计算，乏风由12℃降至2℃时，其取热量为6 570.50 kW，考虑一定负荷系数，此时可通过直热式供热方式供给，进风井井口防冻的热量为5 713.48 kW，矿井回风中蕴含的热量可在环境温度不低于﹣16℃时对进风井的井口进行防冻处理，在此情况下采用“直热式”供热方式，只运行循环水泵，不开启热泵机一号风井场地清洁供热方案26组，达到节约运行费用的目的。技术经济指标如表3所示。

表3 技术经济指标表

5 结论

回收矿井的乏风余热和空压机余热，采用矿井余热热能利用系统供热新技术，满足井口防冻、建筑采暖的供热需求，替代传统供热方式。余热综合利用方式契合国家节能环保政策。相比燃气锅炉，采用余热供热后，年节省能源费用1 247.42万元，经济效益显著。将余热技术应用于煤矿行业的井口保温、建筑采暖，有成熟的技术基础。利用电能驱动的热泵进行乏风的余热利用，属于清洁能源，在国家发改委《国家重点节能低碳技术推广目录》推广范围内，相比利用化石能源，更符合国家长期的环保减排政策，具有长远发展的潜力。采用热泵供热技术机电一体化集中控制，系统的负荷自动调节能力强。热泵供热运行自动化程度高，仅少量人员巡视运营即可，维护简单。热泵余热利用项目在运行过程中不产生任何污染物，不存在环保排放指标方面的压力。