污水源熱泵在礦井供暖系統(tǒng)中的應(yīng)用

孫彬強(qiáng)，梁則虎，艾敬國(guó)，劉會(huì)彬

（彬縣煤炭有限責(zé)任公司，陜西 咸陽 712000）

0 引言

彬長(zhǎng)礦區(qū)是陜西省第二大煤田，該礦井位于彬長(zhǎng)礦區(qū)北部。礦井正常涌水量為600 m3/h。雖然煤炭目前仍然占據(jù)我國(guó)能源消費(fèi)的主導(dǎo)地位，但煤炭燃燒后產(chǎn)生的氮氧化物、粉塵、二氧化碳等會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境［1-3］。按照國(guó)家環(huán)保政策要求，為確保礦井達(dá)到節(jié)能減排的環(huán)保要求，同時(shí)解決礦井原有采暖需求，該礦井充分利用充足的礦井水資源，引進(jìn)水源熱泵，對(duì)原有燃煤蒸汽鍋爐供暖系統(tǒng)進(jìn)行改造。

1 改造背景及方案依據(jù)

1.1 改造背景

根據(jù)國(guó)家環(huán)保政策要求，為確保礦井達(dá)到節(jié)能減排的環(huán)保要求，徹底淘汰燃煤鍋爐，同時(shí)解決礦井原有采暖需求，引進(jìn)水源熱泵。根據(jù)現(xiàn)有圖紙結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，實(shí)現(xiàn)原有的區(qū)域供熱、制冷、洗浴熱水供應(yīng)功能。本項(xiàng)目方案是依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)、對(duì)項(xiàng)目用能情況分析和項(xiàng)目所在地資源情況進(jìn)行設(shè)計(jì)的，本方案設(shè)計(jì)過程中針對(duì)項(xiàng)目用戶用能特點(diǎn)、系統(tǒng)的用能規(guī)律和后期運(yùn)行過程的維護(hù)和調(diào)節(jié)進(jìn)行的。結(jié)合礦井實(shí)際供暖要求，設(shè)置4臺(tái)熱泵機(jī)組，其中3臺(tái)高壓離心式熱泵機(jī)組為生活區(qū)和工業(yè)廠房建筑采暖提供熱源和冷源及井筒保溫提供熱源，1臺(tái)雙機(jī)頭螺桿式熱泵機(jī)組用于全年洗浴熱水制備。

1.2 方案依據(jù)和預(yù)期目標(biāo)

依據(jù)礦井相關(guān)基礎(chǔ)資料和國(guó)家頒發(fā)的有關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，具體如下：《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50736—2016）；《工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50019—2015）；《煤炭工業(yè)礦井設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50215—2015）；《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50015—2009）；《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50366—2005）［4-8］。

項(xiàng)目需要達(dá)到的目標(biāo)是使用水源熱泵供暖，徹底淘汰燃煤鍋爐。此外，要求辦公建筑、宿舍、食堂采暖室內(nèi)溫度達(dá)到18℃以上；洗浴熱水溫度達(dá)到50℃以上；主副井井筒防凍溫度6℃以上。

2 負(fù)荷計(jì)算

2.1 冬季采暖負(fù)荷

該礦區(qū)冬季采暖負(fù)荷主要由生活區(qū)建筑采暖、工業(yè)車間（包含洗煤廠）采暖、井口保溫?zé)嶝?fù)荷3部分構(gòu)成，根據(jù)調(diào)研情況并結(jié)合項(xiàng)目所在地氣候條件，估算各部分熱負(fù)荷情況如下。

生活區(qū)建筑采暖負(fù)荷匯總：生活區(qū)建筑冬季采暖室內(nèi)溫度要求18℃以上，生活區(qū)建筑包括辦公樓10 752 m2，宿舍樓52 292 m2，職工食堂15 000 m2，聯(lián)合建筑15 788 m2，建筑面積合計(jì)為93 832 m2，熱負(fù)荷指標(biāo)50 W/m2，合計(jì)采暖負(fù)荷為4 691.6 kW。

工業(yè)車間采暖負(fù)荷匯總：工業(yè)車間冬季主要以防凍為主，室內(nèi)溫度要求為10℃以上［9-13］，包括洗煤廠、壓縮空氣站、修理車間、庫(kù)房、配電間等，合計(jì)建筑面積為28 000 m2，熱負(fù)荷指標(biāo)為40 W/m2，合計(jì)采暖負(fù)荷為1 120 kW。

井口保溫?zé)嶝?fù)荷：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)，主、副井進(jìn)風(fēng)量為10 000 m3/min，根據(jù)《煤炭工業(yè)礦井設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50215—2015）的要求，礦井工業(yè)場(chǎng)地各進(jìn)風(fēng)井均應(yīng)設(shè)置井筒防凍裝置，冷、熱空氣在井筒內(nèi)混合，混合溫度取6℃，井筒防凍室外計(jì)算溫度取當(dāng)?shù)貧v年極端最低溫度值為-15℃，井筒防凍熱負(fù)荷計(jì)算如下

式中：a—熱量損失系數(shù)，井口房不封閉取1.1；M—井筒進(jìn)風(fēng)量，kg/s，本項(xiàng)目為215.5 kg/s；CP—空氣比熱，1.01 kJ/（kg·℃）；t1—冷熱風(fēng)混合溫度，6℃；t2—室外冷風(fēng)溫度，取當(dāng)?shù)貧v年極端最低溫度值為-15℃。井筒防凍熱負(fù)荷為5 028 kW。主井和副井合計(jì)防凍熱負(fù)荷為5 028 kW。

綜上，該礦冬季采暖熱負(fù)荷為10 839.6 kW，其中生活區(qū)建筑采暖負(fù)荷為4 691.6 kW，占總負(fù)荷43%；工業(yè)車間采暖負(fù)荷1 120 kW，占總負(fù)荷10%；井筒防凍熱負(fù)荷5 028 kW，占總負(fù)荷47%。

2.2 洗浴熱水及夏季空調(diào)負(fù)荷

現(xiàn)階段洗浴熱水為300人/班，每天3班倒，每天人數(shù)在1 000人左右，按人均用水定額為300 L進(jìn)行計(jì)算，每班次用水量為90 m3，用水較為集中。熱水加熱時(shí)間按6 h計(jì)算，設(shè)置儲(chǔ)熱水箱為100 m3，可利用現(xiàn)有浮動(dòng)盤管換熱器進(jìn)行存儲(chǔ)，自來水原水溫度為10℃，熱水供熱溫度為50℃，洗浴熱水加熱負(fù)荷計(jì)算如下

式中：G—為每班次洗浴用水量，100 m3（考慮10 m3余量）；tg—熱水供水溫度，50℃；tz—自來水原水溫度，10℃；τ—每班次熱水加熱時(shí)間，6 h。則洗浴熱水加熱負(fù)荷為775 kW。

夏季需空調(diào)建筑面積78 000 m2。其中宿舍樓和辦公樓空調(diào)負(fù)荷指標(biāo)為70 W/m2，職工食堂空調(diào)負(fù)荷指標(biāo)為120 W/m2，合計(jì)總冷負(fù)荷為6 213 kW。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)可利用資源情況

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，礦區(qū)平均每小時(shí)的排水量為600 m3，夏季排水溫度為26～28℃，冬季排水最低溫度為20℃，冬季利用水源熱泵機(jī)組可供給熱量由下式計(jì)算

式中：G—礦井排水量，600 m3/h；tg—礦井冬季排水最低溫度，20℃；tz—熱泵提取熱量后礦井水排水溫度，2℃；COP—熱泵機(jī)組制熱性能系數(shù)，4.0。經(jīng)計(jì)算得到，冬季利用熱泵機(jī)組回收礦井排水中的熱量后可供給用戶的熱量為16 747.2 kW。

夏季可利用的冷量可由下式計(jì)算

式中：G—礦井排水量，600 m3/h；tg—熱泵提取冷量后礦井水排水溫度，37℃；tz—礦井夏季排水溫度，26℃；EER—熱泵機(jī)組制冷性能系數(shù)，5.0以上。經(jīng)計(jì)算得到，夏季利用熱泵機(jī)組回收礦井排水中的冷量后可供給用戶的冷量為6 396.5 kW。

3 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及應(yīng)用效果

3.1 整體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)提取的礦井水的化驗(yàn)結(jié)果，該礦井水內(nèi)懸浮物、堿度、硬度超標(biāo)，不能直接進(jìn)入機(jī)組內(nèi)，否則機(jī)組換熱效率降低，運(yùn)行費(fèi)用增加30%以上，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致機(jī)組凍裂停機(jī)無法提供熱水。為確保機(jī)組正常運(yùn)行，在整個(gè)系統(tǒng)中增加中介水循環(huán)系統(tǒng)。冬季采暖系統(tǒng)流程如圖1，夏季制冷系統(tǒng)流程如圖2所示，洗浴熱水制備系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖1 冬季采暖系統(tǒng)流程圖

圖2 夏季制冷系統(tǒng)流程圖

圖3 熱水制備系統(tǒng)流程圖

3.2 主要設(shè)備選型及系統(tǒng)配電量

根據(jù)現(xiàn)有熱負(fù)荷10 839.6 kW、冷負(fù)荷6 213 kW、熱水負(fù)荷775 kW選擇熱泵機(jī)組共計(jì)4臺(tái)，其中3臺(tái)離心式熱泵機(jī)組單臺(tái)制熱量為4 000 kW，單獨(dú)設(shè)置1臺(tái)制熱量為800 kW的熱泵機(jī)組全年制備生活熱水。設(shè)備選型表見表1。

表1 主要設(shè)備選型表

末端循環(huán)泵和定壓補(bǔ)水系統(tǒng)使用原有的設(shè)備，經(jīng)過校核均能滿足使用要求。該系統(tǒng)低壓配電量見表2。

表2 熱泵系統(tǒng)低壓配電量

3.3 應(yīng)用效果分析

改造后，整個(gè)能源站機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)有可編程控制器（PLC）、組態(tài)軟件開發(fā)的能源站監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)，可對(duì)能源站所有動(dòng)力設(shè)備（熱泵、水泵）和實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制，實(shí)現(xiàn)無人值守，降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本和管理成本。增加中介循環(huán)系統(tǒng)，避免不達(dá)標(biāo)的礦井水進(jìn)入熱泵機(jī)組內(nèi)部，減少了水質(zhì)處理流程，延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命。系統(tǒng)自安裝調(diào)試運(yùn)行至今已有6個(gè)月時(shí)間，運(yùn)行平穩(wěn)可靠，滿足礦井生產(chǎn)、生活要求。年燃煤消耗量減少7 180 t，減少二氧化硫排放13.77 t，減少氮氧化物排放34.46 t，減少煙（粉）塵排放量3.45 t。

4 結(jié)語

隨著節(jié)能環(huán)保工作的深入開展，傳統(tǒng)燃煤鍋爐終將會(huì)被清潔能源設(shè)備所替代。該項(xiàng)目的實(shí)施為天然氣供應(yīng)短缺、集中供暖難以實(shí)現(xiàn)的廠礦節(jié)能改造提供了新思路，也使得礦井“水害”得到有效利用。