北方某煤礦風(fēng)井場(chǎng)地清潔供熱方案研究

吳曹俊，阮 霞

（1.國(guó)能朗新明環(huán)保科技有限公司，北京 100039；2.國(guó)電聯(lián)合動(dòng)力技術(shù)有限公司，北京 100039）

1 項(xiàng)目建設(shè)背景

煤礦位于陜西省榆林市境內(nèi)，屬于半濕潤(rùn)氣候區(qū)及半干旱氣候區(qū)。隨著礦區(qū)規(guī)劃建設(shè)建筑物增加，出現(xiàn)了燃煤鍋爐效率低、維運(yùn)成本高、環(huán)保排放不達(dá)標(biāo)、環(huán)保處理費(fèi)用高等問(wèn)題，已經(jīng)不能滿足經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的需求。目前該礦一號(hào)風(fēng)井場(chǎng)地現(xiàn)有3臺(tái)WNS7-1.0/95/70-Q型燃?xì)鉄崴仩t，可滿足風(fēng)井場(chǎng)地建筑供暖和井筒保溫的負(fù)荷需求。燃?xì)忮仩t供熱的運(yùn)行費(fèi)用成本高[1]，本方案將結(jié)合風(fēng)井場(chǎng)地的現(xiàn)有余熱資源條件重新規(guī)劃供熱熱源，降低運(yùn)行費(fèi)用的同時(shí)契合國(guó)家節(jié)能環(huán)保規(guī)劃趨勢(shì)。礦井乏風(fēng)余熱一號(hào)風(fēng)井場(chǎng)地回風(fēng)量為24 000 m3/min，出風(fēng)干球溫度為12℃，相對(duì)濕度為80%。礦井乏風(fēng)余熱穩(wěn)定可靠，是乏風(fēng)熱泵機(jī)組非常理想的低溫?zé)嵩?，可作為供熱熱源使用。空壓機(jī)余熱一號(hào)風(fēng)井場(chǎng)地空壓機(jī)房現(xiàn)有9臺(tái)軸功率為350 kW的螺桿式風(fēng)冷空壓機(jī)，運(yùn)行數(shù)量為6臺(tái)，通過(guò)增加空壓機(jī)余熱回收機(jī)組，可實(shí)現(xiàn)的余熱量為1 500 kW。

2 規(guī)劃方案

2.1 邊界條件

在項(xiàng)目實(shí)施前，建議業(yè)主在新建建筑物位置完成地基基礎(chǔ)勘察，完成并做好“三通一平”工作（利用舊建筑拆除原建筑內(nèi)設(shè)備并外運(yùn)），提供項(xiàng)目電源（將高壓電引入清潔供熱系統(tǒng)高壓配電室高壓柜并做高壓試驗(yàn)）、水源，完成平場(chǎng)及相關(guān)道路的硬化等。

工程范圍：在一號(hào)風(fēng)井場(chǎng)地改造乏風(fēng)熱泵機(jī)房、新建乏風(fēng)取熱平臺(tái)、改造進(jìn)風(fēng)井的井口空氣加熱室；余熱利用系統(tǒng)的機(jī)電設(shè)備采購(gòu)及安裝、高低壓配電系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)，乏風(fēng)利用凝結(jié)水工程、井口供熱外管網(wǎng)系統(tǒng)等[2]，不含原建筑采暖末端及供暖管網(wǎng)改造。

2.2 余熱資源分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)收集資料，分析得出具有開(kāi)發(fā)利用價(jià)值的余熱資源情況，如表1所示。

表1 可利用余熱資源情況表

2.3 防凍負(fù)荷計(jì)算

根據(jù)中國(guó)《煤炭工業(yè)礦井設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，進(jìn)風(fēng)井冬季要求防凍，進(jìn)風(fēng)混合溫度要大于等于2℃，極端溫度最低值按照﹣29℃進(jìn)行計(jì)算，煤礦進(jìn)風(fēng)井加熱負(fù)荷按下式計(jì)算[3]：

式（1）中：Q為進(jìn)風(fēng)口防凍加熱負(fù)荷，kW；L為井口進(jìn)風(fēng)量，m3/s；ρ為空氣在2℃時(shí)的密度，1.284 kg/m3；Cp為空氣2℃時(shí)的定壓比熱，1.01 kJ/（kg·℃）；tj為進(jìn)風(fēng)口設(shè)計(jì)溫度，2℃；twp為當(dāng)?shù)囟緲O端平均最低溫度，﹣29℃。

一號(hào)風(fēng)井場(chǎng)地進(jìn)風(fēng)井井口防凍負(fù)荷Q=13 000/60×1.284×1.01×（2+29）×1.1=9 581.63 kW。負(fù)荷匯總表如表2所示。

表2 負(fù)荷匯總表

通過(guò)一系列計(jì)算得出：一號(hào)風(fēng)井場(chǎng)地乏風(fēng)余熱供熱能力為10 463.05 kW，大于風(fēng)井場(chǎng)地井口防凍負(fù)荷（10 060.72 kW），滿足負(fù)荷需求；一號(hào)風(fēng)井場(chǎng)地空壓機(jī)余熱供熱能力為1 500 kW，大于風(fēng)井場(chǎng)地建筑采暖負(fù)荷（1 385.15 kW），滿足負(fù)荷需求。

2.4 規(guī)劃方案

2.4.1 實(shí)施規(guī)劃

本方案利用現(xiàn)有余熱資源解決風(fēng)井場(chǎng)地供熱負(fù)荷。采用空壓機(jī)余熱回收技術(shù)解決風(fēng)井場(chǎng)地建筑采暖，采用直熱直冷式深焓取熱乏風(fēng)熱泵技術(shù)解決風(fēng)井場(chǎng)地的進(jìn)風(fēng)井井口防凍問(wèn)題[4]。供熱負(fù)荷根據(jù)礦方提供的數(shù)據(jù)，一號(hào)風(fēng)井場(chǎng)地進(jìn)風(fēng)井進(jìn)風(fēng)量為13 000 m3/min，根據(jù)GB 50215—2015《煤炭工業(yè)礦井設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，進(jìn)風(fēng)井冬季要防凍，其進(jìn)風(fēng)混合溫度要求大于等于2℃，環(huán)境溫度最低值按照礦方要求按﹣29℃進(jìn)行計(jì)算，則風(fēng)井場(chǎng)地進(jìn)風(fēng)井口防凍負(fù)荷為9 581.63 kW，考慮1.05管網(wǎng)損失系數(shù)，風(fēng)井場(chǎng)地的井口防凍負(fù)荷為10 060.72 kW；風(fēng)井場(chǎng)地建筑采暖負(fù)荷為1 319.19 kW；考慮1.05管網(wǎng)損失系數(shù)，風(fēng)井場(chǎng)地的建筑采暖負(fù)荷為1 385.15 kW。由此可知，煤礦一號(hào)風(fēng)井場(chǎng)地整體用熱量為11 445.86 kW。

2.4.2 熱源規(guī)劃

根據(jù)供熱負(fù)荷及余熱資源計(jì)算，本方案擬采用風(fēng)井場(chǎng)地的空壓機(jī)余熱解決風(fēng)井場(chǎng)地建筑采暖問(wèn)題，采用風(fēng)井場(chǎng)地的乏風(fēng)余熱解決風(fēng)井場(chǎng)地進(jìn)風(fēng)井的井口防凍問(wèn)題。

熱源配置（風(fēng)井場(chǎng)地井口防凍）：設(shè)計(jì)采用5臺(tái)SMEET-FS-R-2050型直冷式乏風(fēng)熱泵機(jī)組供給風(fēng)井場(chǎng)地井口防凍，單機(jī)名義制熱量2 050 kW，設(shè)計(jì)供回水溫度為45/35℃。該機(jī)組布置在風(fēng)井場(chǎng)地鍋爐房?jī)?nèi)。

熱源配置（風(fēng)井場(chǎng)地建筑采暖）：現(xiàn)有9臺(tái)軸功率為350 kW的螺桿式風(fēng)冷空壓機(jī)，按照一對(duì)一改造模式增加9臺(tái)SMEET-KY-250/350型空壓機(jī)余熱回收機(jī)組，單機(jī)余熱回收量為250 kW，運(yùn)行數(shù)量為6臺(tái)，作為風(fēng)井場(chǎng)地建筑采暖熱源。該機(jī)組布置在風(fēng)井場(chǎng)地空壓機(jī)房?jī)?nèi)。

2.4.3 輔助設(shè)備規(guī)劃

在乏風(fēng)擴(kuò)散塔上方新建一座乏風(fēng)取熱平臺(tái)，其內(nèi)布置36臺(tái)SMEET-FSQ-210型乏風(fēng)取熱箱，單機(jī)取熱能力為210 kW，讓礦井乏風(fēng)通過(guò)取熱箱，低溫防凍工質(zhì)在取熱箱內(nèi)吸取乏風(fēng)余熱后，經(jīng)工質(zhì)管道送至熱泵機(jī)房?jī)?nèi)的熱泵機(jī)組蒸發(fā)器側(cè)，制冷劑通過(guò)熱泵壓縮機(jī)做功提升熱品位送至冷凝器內(nèi)，由冷凝器制備熱水，冷凝器制備的熱水通過(guò)循環(huán)水泵送至井口加熱機(jī)組或采暖末端，通過(guò)井口加熱機(jī)組輸送熱風(fēng)至井筒，提高井筒混風(fēng)溫度，解決井筒防凍需求。對(duì)原有燃煤鍋爐房進(jìn)行改造，作為乏風(fēng)熱泵機(jī)房，其內(nèi)布置乏風(fēng)熱泵機(jī)組、循環(huán)水泵、補(bǔ)水系統(tǒng)及配套配電系統(tǒng)。對(duì)風(fēng)井場(chǎng)地原有井口加熱室進(jìn)行改造，拆除原有井口加熱機(jī)組，重新設(shè)計(jì)10臺(tái)型號(hào)為SMEET-FJ-1000的井口加熱機(jī)組，單機(jī)制熱能力1 000 kW，供熱熱風(fēng)量80 000 m3/h。初步設(shè)計(jì)采用室外架空管架敷設(shè)取熱平臺(tái)至乏風(fēng)熱泵機(jī)房以及乏風(fēng)熱泵機(jī)房到井口房的管路，風(fēng)井場(chǎng)地空壓機(jī)余熱供熱管路與原有建筑物采暖供回水總管對(duì)接。

3 工藝系統(tǒng)設(shè)備的控制

3.1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

以對(duì)熱泵系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)視及安全自動(dòng)運(yùn)行為目的，遵循“實(shí)用、可靠、經(jīng)濟(jì)”原則[5]，并應(yīng)滿足煤礦現(xiàn)代化管理的需求。

系統(tǒng)的可靠性原則：在滿足工藝要求的基礎(chǔ)上能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，并具有抗各種干擾的能力，滿足電磁兼容性和安全性的要求；所提供的系統(tǒng)軟件穩(wěn)定可靠；所提供的設(shè)備符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

系統(tǒng)的易維護(hù)性原則：系統(tǒng)易于維護(hù)，操作簡(jiǎn)便，接線方便可靠。

系統(tǒng)的開(kāi)放性原則：控制系統(tǒng)采用開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，符合ISO的有關(guān)通信標(biāo)準(zhǔn)，能和第三方設(shè)備自帶PLC進(jìn)行通訊。

系統(tǒng)的可擴(kuò)展性原則：系統(tǒng)具有靈活的擴(kuò)展能力，以保證在擴(kuò)建或改造時(shí)，滿足對(duì)控制系統(tǒng)的擴(kuò)容要求。系統(tǒng)的硬件點(diǎn)數(shù)滿足20%的余量要求，系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件具有靈活的擴(kuò)展能力。

3.2 控制系統(tǒng)方案

控制室采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行工藝過(guò)程參數(shù)及工藝設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的顯示、報(bào)警、處理，采用PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、聯(lián)鎖、回路調(diào)節(jié)。流程畫(huà)面可以直觀顯示工藝設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、工藝過(guò)程參數(shù)，操作簡(jiǎn)單。趨勢(shì)曲線可以自動(dòng)建立數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)于重要的工藝參數(shù)自動(dòng)生成趨勢(shì)曲線，并可通過(guò)趨勢(shì)曲線控件查閱歷史數(shù)據(jù)庫(kù)任意時(shí)間段的數(shù)據(jù)。報(bào)表的功能為記錄各參數(shù)整點(diǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)，每天自動(dòng)形成日?qǐng)?bào)表并自動(dòng)存儲(chǔ)，可隨時(shí)查閱代替人工抄錄，提供真實(shí)有效的運(yùn)行數(shù)據(jù)。報(bào)警功能為人工設(shè)定工藝參數(shù)的報(bào)警值及危險(xiǎn)值，出現(xiàn)異常實(shí)時(shí)聲光報(bào)警。聯(lián)網(wǎng)功能可以提供以太網(wǎng)接口，方便與礦調(diào)度室連網(wǎng)，用戶可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息共享。用戶權(quán)限為一般用戶只能查看普通操作，責(zé)任用戶只有輸入用戶名和密碼登錄后，才能進(jìn)行相關(guān)的操作。

3.3 系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)主要由系統(tǒng)主站、系統(tǒng)分站、操作員站、控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)等組成，以實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)的自動(dòng)采集及控制；熱泵機(jī)房設(shè)置系統(tǒng)主站，乏風(fēng)取熱平臺(tái)距離熱泵機(jī)房較遠(yuǎn)，設(shè)置遠(yuǎn)程分站；熱泵機(jī)房值班室設(shè)置一臺(tái)操作員站，操作人員以液晶顯示器作為主要監(jiān)視和控制手段，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、集中啟停操作、異常工況處理；控制系統(tǒng)采用2層網(wǎng)絡(luò)，其中系統(tǒng)主站與分站之間采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，距離較長(zhǎng)時(shí)采用光纖傳輸；系統(tǒng)主站與操作員站之間采用工業(yè)以太網(wǎng)。

3.4 檢測(cè)及控制項(xiàng)目

循環(huán)泵的手動(dòng)和自動(dòng)控制：手動(dòng)模式下遠(yuǎn)程手動(dòng)啟停循環(huán)水泵；自動(dòng)模式下循環(huán)水泵與機(jī)組聯(lián)鎖運(yùn)行，同時(shí)檢測(cè)循環(huán)泵的運(yùn)行電流。

補(bǔ)水泵的手動(dòng)和自動(dòng)控制：自動(dòng)模式下根據(jù)壓力自動(dòng)控制補(bǔ)水泵的啟停。

沖洗泵的手動(dòng)和自動(dòng)控制：自動(dòng)模式下定時(shí)對(duì)井口換熱器進(jìn)行自動(dòng)沖洗。

熱泵機(jī)組的手動(dòng)和自動(dòng)控制：手動(dòng)模式下可遠(yuǎn)程手動(dòng)啟停熱泵機(jī)組；自動(dòng)模式下根據(jù)熱負(fù)荷需求自動(dòng)控制機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱泵機(jī)組的節(jié)能運(yùn)行控制[6]。

余熱回收機(jī)組的手動(dòng)和自動(dòng)控制：手動(dòng)模式下可遠(yuǎn)程手動(dòng)啟停機(jī)組；自動(dòng)模式下根據(jù)熱負(fù)荷需求自動(dòng)控制機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組的節(jié)能運(yùn)行控制。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

4.1 投資估算

投資范圍為礦井余熱利用工程的設(shè)備及工器具購(gòu)置、土建工程、安裝工程和工程建設(shè)其他費(fèi)用的投資，不含原建筑物內(nèi)設(shè)備拆除、外運(yùn)及高壓電纜。建設(shè)項(xiàng)目投資總造價(jià)估算為5 217.73萬(wàn)元，其中設(shè)備購(gòu)置費(fèi)為3 139.20萬(wàn)元，安裝工程總投資為899.71萬(wàn)元，土建工程總投資為1 058.82萬(wàn)元，其他費(fèi)用合計(jì)為120.00萬(wàn)元。

4.2 運(yùn)行費(fèi)用分析

根據(jù)計(jì)算，乏風(fēng)由12℃降至2℃時(shí)，其取熱量為6 570.50 kW，考慮一定負(fù)荷系數(shù)，此時(shí)可通過(guò)直熱式供熱方式供給，進(jìn)風(fēng)井井口防凍的熱量為5 713.48 kW，礦井回風(fēng)中蘊(yùn)含的熱量可在環(huán)境溫度不低于﹣16℃時(shí)對(duì)進(jìn)風(fēng)井的井口進(jìn)行防凍處理，在此情況下采用“直熱式”供熱方式，只運(yùn)行循環(huán)水泵，不開(kāi)啟熱泵機(jī)一號(hào)風(fēng)井場(chǎng)地清潔供熱方案26組，達(dá)到節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用的目的。技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表3所示。

表3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)表

5 結(jié)論

回收礦井的乏風(fēng)余熱和空壓機(jī)余熱，采用礦井余熱熱能利用系統(tǒng)供熱新技術(shù)，滿足井口防凍、建筑采暖的供熱需求，替代傳統(tǒng)供熱方式。余熱綜合利用方式契合國(guó)家節(jié)能環(huán)保政策。相比燃?xì)忮仩t，采用余熱供熱后，年節(jié)省能源費(fèi)用1 247.42萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。將余熱技術(shù)應(yīng)用于煤礦行業(yè)的井口保溫、建筑采暖，有成熟的技術(shù)基礎(chǔ)。利用電能驅(qū)動(dòng)的熱泵進(jìn)行乏風(fēng)的余熱利用，屬于清潔能源，在國(guó)家發(fā)改委《國(guó)家重點(diǎn)節(jié)能低碳技術(shù)推廣目錄》推廣范圍內(nèi)，相比利用化石能源，更符合國(guó)家長(zhǎng)期的環(huán)保減排政策，具有長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的潛力。采用熱泵供熱技術(shù)機(jī)電一體化集中控制，系統(tǒng)的負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)能力強(qiáng)。熱泵供熱運(yùn)行自動(dòng)化程度高，僅少量人員巡視運(yùn)營(yíng)即可，維護(hù)簡(jiǎn)單。熱泵余熱利用項(xiàng)目在運(yùn)行過(guò)程中不產(chǎn)生任何污染物，不存在環(huán)保排放指標(biāo)方面的壓力。