淮南某礦井降溫工程制冷機組冷凝熱利用研究

柏琳

（煤炭工業(yè)合肥設(shè)計研究院安徽合肥230041）

淮南某礦井降溫工程制冷機組冷凝熱利用研究

柏琳

（煤炭工業(yè)合肥設(shè)計研究院安徽合肥230041）

對淮南某煤礦礦井降溫工程制冷機組的冷凝熱回收利用進行研究，給出了可回收利用的規(guī)模及利用方式，對冷凝熱回收利用的節(jié)能效果進行了定量計算。

礦井降溫；冷凝熱；回收利用；節(jié)能

引言

安徽省兩淮礦區(qū)是國家煤炭工業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃重點建設(shè)的14個大型煤炭基地之一。由于緊鄰華東能源消費中心，該區(qū)內(nèi)煤礦開采強度大，開采歷史長，部分煤礦采深已接近千米左右，地?zé)釣?zāi)害嚴重。為了降低熱害的影響，實現(xiàn)安全生產(chǎn)，部分煤礦已建設(shè)了降溫工程，利用制冷機組制取冷水送入井下經(jīng)空冷器為礦井掘進頭和采煤工作面降溫。礦井降溫制冷規(guī)模較大，普遍的規(guī)模在12～18MW之間，部分礦井甚至達到21MW。

1　礦井降溫工程概況

淮南某礦井設(shè)計生產(chǎn)能力400萬t/年，一水平標高為-962m，開采水平深、地溫高、機電設(shè)備散熱量大，熱害程度嚴重。為滿足礦井正常生產(chǎn)時的降溫要求，礦井配套建設(shè)了18MW制冷規(guī)模的降溫工程，分兩期建設(shè)，前期建設(shè)12MW。

制冷系統(tǒng)設(shè)計供回水溫度為2.5℃/18℃，設(shè)計由溴化鋰吸收式冷水機組+離心式冷水機組或者離心式冷水機組+離心式冷水機組串聯(lián)的兩級制冷裝置實現(xiàn)。

12MW制冷規(guī)模由三個制冷單元組成，互為備用。第一制冷單元由蒸汽溴化鋰冷水機組（額定制冷量5035kW）+離心式冷水機組（額定制冷量2517kW）組成。第二制冷單元由離心式冷水機組（額定制冷量4260kW）+離心式冷水機組（額定制冷量2517kW）組成。

降溫系統(tǒng)全年運行，兩個制冷單元運行負荷均為6000kW，礦井投產(chǎn)前期夏季總制冷量為12000kW，冬季制冷量為2517W。

2　冷凝熱利用量分析

常規(guī)制冷系統(tǒng)主要由制冷劑循環(huán)、冷卻水循環(huán)、冷凍水循環(huán)組成。

對于吸收式制冷機，氣態(tài)的制冷劑在吸收器內(nèi)被吸收劑吸收后，經(jīng)溶液泵送入發(fā)生器，在發(fā)生器中吸收劑被加熱分離出制冷劑蒸氣，高壓的氣態(tài)制冷劑進入冷凝器中被冷卻水冷卻，變成高壓液體；通過節(jié)流閥，壓力降低，高壓制冷劑變成低壓液體；其后制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)定壓（低壓）下吸收大量蒸發(fā)器里冷凍水的熱量，蒸發(fā)變成低壓的氣態(tài)制冷劑；氣態(tài)制冷劑再至吸收器中被吸收劑吸收，完成循環(huán)。

對于壓縮式制冷機，氣態(tài)的制冷劑在壓縮機內(nèi)被壓縮，溫度升高、壓力增大；通過排氣管，高壓的氣態(tài)制冷劑進入冷凝器中被冷卻水冷卻，變成高壓液體；通過節(jié)流閥，壓力降低，高壓制冷劑變成低壓液體；其后制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)定壓（低壓）下吸收大量蒸發(fā)器里冷凍水的熱量，蒸發(fā)變成低壓的氣態(tài)制冷劑；氣態(tài)制冷劑通過吸氣管路再回到壓縮機內(nèi)，完成循環(huán)。

在冷卻水循環(huán)中，冷卻水在冷凝器中吸收了高溫高壓制冷劑釋放的冷凝熱后，由泵送到冷卻塔的上部噴下，與逆流（上升）的空氣進行熱濕交換，向大氣環(huán)境排放大量的冷凝熱，通常冷凝熱可達制冷量的1.15～1.3倍。

根據(jù)該礦井降溫工程制冷機組的制冷量，其可利用的冷凝熱統(tǒng)計見表1。由表可見，礦井投產(chǎn)前期，夏季降溫需運行第一和第二制冷單元，井下降溫系統(tǒng)的冷凝熱為19664kW，冬季運行一臺二級電制冷，冷凝熱為3039kW。

表1　制冷機組冷凝熱統(tǒng)計表（單位：kW）

注：吸收式溴化鋰制冷機組消耗0.4MPa的蒸汽5.39t/h，凝結(jié)水溫度90℃。

3　礦井熱負荷

該礦井用熱負荷包括工業(yè)廣場地面生產(chǎn)、輔助及生活福利建筑物的采暖，井筒防凍及浴室、洗衣房供熱等，總計熱負荷達到15MW左右，其中浴室洗浴熱負荷2450kW。

采暖熱媒為110～70℃的高溫水。井筒防凍、浴室及洗衣房供熱熱媒為0.4MPa的飽和蒸汽。該礦目前共設(shè)有3臺SZL10-1.25-AⅡ型蒸汽鍋爐，冬季3臺運行，夏季1臺蒸汽鍋爐運行。建筑物采暖用110℃的熱水由1套MEJQN-7MW模塊換熱機組供給。礦井工廣室外供熱管網(wǎng)分采暖、井筒防凍供熱以及浴室、洗衣房與食堂供熱4個獨立系統(tǒng)，呈樹枝狀布置。井筒防凍和浴室、洗衣房供熱分別采用專管供給，其井筒防凍供熱的凝結(jié)水自流至鍋爐房凝結(jié)水箱。

4　利用冷凝熱供熱方案研究和實施

目前制冷機組冷凝熱回收的可行方式主要有以下兩種：①排氣熱回收，以壓縮機出口高溫氣態(tài)冷媒作為熱源；②冷卻水熱回收，以出冷凝器的冷卻水作為熱源。

排氣熱回收在壓縮機和冷凝器之間加一個熱回收器（熱回收冷凝器），從壓縮機出口的58～90℃的高溫氣態(tài)冷媒被生活用水直接冷卻，而熱回收器出口的制冷劑的狀態(tài)是氣液混合物或者氣態(tài)，剩余廢熱仍進入制冷機的冷凝器由冷卻水吸收并經(jīng)冷卻塔排放。該技術(shù)可根據(jù)要求直接回收制冷機組的蒸汽顯熱或顯熱加部分潛熱來加熱生活用水到指定溫度。

冷卻水熱回收在原有的冷卻水管路中增加一路分支，并把該分支接入熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器，以利用熱泵產(chǎn)生溫度較高的熱水。由于制冷機組的冷卻水出水溫度較低，一般在30～40℃左右，供回水溫差4～7℃，屬于低品位熱能，想要充分回收冷凝熱必須利用高溫水源熱泵技術(shù)。

相比排氣熱回收技術(shù)，冷卻水熱回收技術(shù)無需對制冷機組內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行改造，只改動其冷卻水系統(tǒng)，對工程項目的適應(yīng)性較強，且對冷凝熱回收比例調(diào)節(jié)較為靈活，必要時可回收100%的冷凝熱。因此在工程實施中，該礦井制冷機組冷凝熱的利用采用冷卻水熱回收技術(shù)。

該礦井井下降溫冷負荷隨季節(jié)變化較大，冬季負荷小，冷凝熱少，無法同時滿足洗浴用水和民用建筑采暖負荷。洗浴用水對水溫要求較低，熱泵機組出水溫度低有利于提高機組的能效比，節(jié)能效果好。因此從供熱可靠性方面考慮，該礦井冷凝熱利用僅考慮四季利用冷凝熱供浴室洗浴用熱水。

在該礦井的冷凝熱回收供熱方案中，采用2臺制熱量為1315kW的水源熱泵機組。熱源側(cè)利用井下降溫制冷機組18～ 38℃的冷凝器出水。在機房內(nèi)設(shè)2臺150m3的不銹鋼保溫?zé)崴浜?臺熱水循環(huán)泵（2用1備）。熱水在熱水箱與水源熱泵機組之間循環(huán)，直至水箱內(nèi)水溫度達到45℃，再啟動熱水輸送泵將熱水箱內(nèi)熱水送至浴室。

5　節(jié)能效果分析

按照洗浴熱負荷2450kW計算，一個班次持續(xù)加熱5h，總計耗熱量為44100000kJ。這部分熱量若采用燃煤蒸汽鍋爐提供，鍋爐房效率取70%，標煤耗量約為2152kg。

利用回收的制冷機組冷凝熱經(jīng)水源熱泵機組供熱，僅熱泵機組、循環(huán)水泵需要消耗電功率。冷凝熱回收方案中，兩臺水源熱泵機組制熱量1315kW，輸入功率238kW，兩臺熱水循環(huán)泵電機功率18.5kW，一臺熱水輸送泵電機功率45kW，總電功率為558kW，設(shè)計運行5h滿足供熱要求，則消耗電能2790kWh。每度電按2013年中電聯(lián)公布的全國供電標準煤321g/kWh計，共消耗標煤896kg，與燃煤鍋爐相比，每個班次可節(jié)約標準煤1256kg。

6　結(jié)語

制冷機組的廣泛應(yīng)用促進了生產(chǎn)、生活條件的改善。但是在獲得冷量的同時，大量的冷凝熱直接排入大氣，白白散失掉，造成較大的能源浪費，這些熱量的散發(fā)又使周圍環(huán)境溫度升高，造成嚴重的環(huán)境熱污染。若將制冷機放出的冷凝熱予以回收用來加熱生活熱水和生產(chǎn)工藝熱水，不但可以減少冷凝熱對環(huán)境造成的污染，而且還是一種變廢為寶的節(jié)能方法。

[1]劉存玉，岳豐田，趙和凡，魏京勝，高濤，吳學(xué)慧.多功能制冷機組在礦井降溫與余熱回收中的應(yīng)用[J].煤礦安全，2013，44（6）：129～132.

[3]朱德斌，胡益雄，唐偉偉.冷凝熱回收熱水系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2013，32（5）：50～52.

[3]于連濤，林宇清.冷凝熱回收型制冷機組在住宅類建筑中的適用性研究[J].制冷與空調(diào)，2011，11（6）：82～85.

TD727

A

1673-0038（2015）14-0108-02

2015-3-18

柏琳（1980-），男，工程師，本科，主要從事熱能動力設(shè)計工作。