煤礦礦井水余熱利用系統(tǒng)電力節(jié)能措施

韓杰艦　姜超（濟南國海能源科技有限公司，山東濟南5004）

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煤礦礦井水余熱利用系統(tǒng)電力節(jié)能措施

韓杰艦1姜超2
（濟南國海能源科技有限公司，山東濟南250104）

摘要煤礦礦井水余熱利用系統(tǒng)設(shè)備的耗電量極大，尤其是水源熱泵機組，其占整個用電量的50%以上。針對這一問題，它綜述了常見電力節(jié)能措施，在保證系統(tǒng)正常運行的前提下，提出系統(tǒng)、全面的電力節(jié)能措施，并對各項措施原理和功能加以說明。

關(guān)鍵字電力節(jié)能；水源熱泵機組；電機節(jié)能；方法措施

0　引言

我國制造技術(shù)工藝同世界先進水平相比有一定差距；所以電機傳動調(diào)速及系統(tǒng)控制技術(shù)比較落后。我國在提高電機系統(tǒng)效率，加強系統(tǒng)節(jié)能管理方面有著巨大的潛力。若我國電機系統(tǒng)的運行效率提高到國際先進水平，則每年可節(jié)約用電約1500億千瓦時［1］。目前，工業(yè)領(lǐng)域涉及的電力節(jié)能多是局部的、常規(guī)性的措施，本文針對煤炭礦井水余熱利用水源熱泵系統(tǒng)提出完整、全面的電力節(jié)能方法。

1　項目案例

煤礦礦井水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)電耗特點：主要是純感性負載，系統(tǒng)中負載包括水源熱泵的壓縮機和水泵的電動機，它們消耗有功功率同時還會傳輸無功功率。雖然宏觀上無功功率不消耗電能，但它影響有功功率的輸出，限制配電系統(tǒng)的輸出能力。

圖1　礦井水余熱利用水源熱泵系統(tǒng)工藝流程

水源熱泵通過輸入少量高品位能源（電能），實現(xiàn)低溫位熱能向高溫位轉(zhuǎn)移。水源熱泵機組利用的礦井水水體溫度12℃～22℃，汲取5℃左右的熱量轉(zhuǎn)換為熱水溫度，再輔助以壓縮機做功，使得熱泵循環(huán)水溫度達到供暖溫度45℃～50℃。夜間利用機組進行空調(diào)供熱，同時進行蓄熱儲能；白天機組停用，僅使用蓄熱水池?zé)崴h(huán)供暖（見圖1）。

礦井水經(jīng)過除砂器除去泥沙，避免堵塞蒸發(fā)器。板式換熱器用來隔離蓄熱水與供暖水，保持水池低損耗。系統(tǒng)設(shè)置7只電動閥，用于蓄熱/供暖水路切換。水蓄熱控制靈活，可以實現(xiàn)多種模式運行（見表1）。

表1　系統(tǒng)主要設(shè)備

2　電力節(jié)能措施

2.1優(yōu)化工藝設(shè)計節(jié)能措施

利用現(xiàn)場管路或溝渠高差，盡量采用自流管道，零耗電。減少不必要的彎頭，減小水循環(huán)阻力，從而降低電耗。該節(jié)能措施多用于單循環(huán)工藝系統(tǒng)，例如，煤礦洗浴用水系統(tǒng)中，儲熱水箱應(yīng)盡量置于高地勢，借用高差自流進入浴池，如此節(jié)約了洗浴供水泵部分耗電。

2.2高效電機節(jié)能措施

高效率電機（圖2）在設(shè)計、材料和制作工藝上采取改進措施，采用優(yōu)質(zhì)導(dǎo)磁材料等措施降低損耗，效率可提高2%～8%，平均提高4%，采用合理的定轉(zhuǎn)子槽數(shù)、風(fēng)扇參數(shù)和正弦繞組［2］。

圖2　高效電機

高效電機節(jié)能率與其運行模式、控制方式和運行工況有關(guān)，如果高效電機使用不當，不僅增加了設(shè)備投資，反而無法體現(xiàn)高效電機的節(jié)能效果。因此，高效電機在使用前，應(yīng)考慮其運行模式、負載特性，通過科學(xué)的判斷和綜合評估后才能評判是否節(jié)能。

在夏季，礦井水余熱利用水源熱泵系統(tǒng)可以通過增加適當?shù)娘L(fēng)冷機組，實現(xiàn)制冷的目的（本應(yīng)用案例未展現(xiàn)）。風(fēng)冷機組的原理是通過擴大水流通截面以及降低流速，并通過風(fēng)向逆流降低冷卻循環(huán)水溫度。風(fēng)冷機組是常開的、定速的，因而，此處亦可選用高效電機，作為節(jié)能的可行措施。冬季，礦井水作為熱泵機組冷凝器熱源水，且以定流量、定揚程循環(huán)，因而，熱源水循環(huán)泵選用高效電機能達到節(jié)能目的。

2.3無功補償節(jié)能措施

無功補償?shù)木唧w方式：在同一電路中并聯(lián)末端感性負荷與具有容性功率負荷的裝置，使得能量（容性和感性）在兩種負荷間互相補償。常用的電力節(jié)能無功補償方式分3種：集中補償、分組補償、就地補償。［3］

增設(shè)無功補償裝置、能降低功率消耗、提高功率因數(shù)，還具有充分提高設(shè)備輸送功率的優(yōu)點。計算無功補償容量時，注意兩點：在輕載時要避免過補償，無功補償過大造成功率損耗增大，是不合理的；每千伏補償容量減少損耗的作用越小，功率因數(shù)越高。合理補償就是提高功率因數(shù)到0.95。

同樣以礦井水余熱利用水源熱泵系統(tǒng)為例，總耗電功率為778 kW（常用），具有耗電設(shè)備地理區(qū)域集中，運行時間一致的特點，因而，項目實行集中補償，即在變壓器低壓側(cè)并聯(lián)240 kvar自動調(diào)諧補償裝置，功率因數(shù)達到0.95。

2.4變頻器節(jié)能措施

變頻器節(jié)能主要常見于風(fēng)機和水泵。在前期工藝設(shè)計、設(shè)備選型時，往往預(yù)留一定的功率富余量。當電機在工頻低負荷運行時，除滿足動力驅(qū)動要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能浪費。傳統(tǒng)的風(fēng)機和泵類設(shè)備節(jié)能的做法是減少對外做功，即在風(fēng)機和泵類設(shè)備出口管道設(shè)置閥門，通過調(diào)節(jié)閥門開度，減少送風(fēng)量或水流量。這種節(jié)能措施見效甚微，因為電機本身輸入功率大，仍在耗散較大能量，且多數(shù)能量耗散在閥門擋瓣阻力上。使用變頻器可以根據(jù)負載需要，按需輸出，利用改變頻率的方式降低輸出功率。

特別作為礦井水余熱利用水源熱泵系統(tǒng)重要設(shè)備——水源熱泵機組，其耗電量占整個系統(tǒng)總耗電量一半以上，因而針對水源熱泵機組降低電耗就顯得格外重要。水源熱泵機組運轉(zhuǎn)設(shè)備主要是壓縮機，分離心式和螺桿式。目前均有專門的變頻器與之匹配，圖3是水源熱泵機組壓縮機采用變頻和定頻2種方式的工作狀態(tài)對比?？梢钥闯鲎冾l水源熱泵機組具有節(jié)能、溫控精度高、調(diào)溫速度快、保持室溫恒定、安全可靠、壓縮機運行平穩(wěn)流暢的優(yōu)點。煤礦礦井水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)電力節(jié)能應(yīng)關(guān)注水源熱泵電力節(jié)能，盡量采用變頻措施控制壓縮機據(jù)供暖負荷變化實時調(diào)節(jié)出力。

圖3　熱泵機組變頻與定頻壓縮機工作狀態(tài)對比

作為電子電路，變頻器本身也要耗電（約額定功率的3%～5%）。1臺1.5匹的空調(diào)自身耗電算下來也有20 W～30 W，相當于一盞長明燈。變頻器在工頻下運行，具有節(jié)電功能的前提條件是風(fēng)機/泵類大功率設(shè)備負載，并且，變頻裝置具有節(jié)電功能。

2.5儲能方式節(jié)能措施

本文采用的項目案例，夜間利用機組進行空調(diào)供熱，同時進行蓄熱儲能；白天機組停用，僅使用蓄熱水池?zé)崴h(huán)供暖。此案例充分利用夜間電價低谷期進行蓄熱，白天用電高峰期進放熱，即將白天的電力負荷轉(zhuǎn)移到夜晚，實現(xiàn)電力負荷的消峰填谷，充分利用峰谷電價差，在夜間低谷期開機儲蓄冷（熱）量替換白天用電高峰期間空調(diào)冷（熱）量。機組運行時，制熱量較大，能夠長期運行在高效率狀態(tài)。水蓄熱控制靈活，可以實現(xiàn)多種模式運行。

2.6維護保養(yǎng)節(jié)能措施

系統(tǒng)投入運行后，若不注意細微的損耗，常年運行也是一種電力能源的浪費。常見的維護保養(yǎng)節(jié)能措施有個人總結(jié)以下幾點：電機的軸承要潤滑，阻力小功耗就??；散熱性能要良好，注意電機葉片和電機外殼的清潔和保養(yǎng)。注重精細化管理，科學(xué)節(jié)電節(jié)能，充分發(fā)揮人員運行節(jié)能作用。

3　結(jié)語

結(jié)合礦井水余熱利用水源熱泵系統(tǒng)，匯總了六種電力節(jié)能措施，應(yīng)根據(jù)具體場合選擇恰當合理的節(jié)能措施。在運行冬夏一周期且達到相同供暖和制冷效果下，經(jīng)測算，采用上述節(jié)能措施后，系統(tǒng)整體節(jié)電率約13%，是值得推薦的措施方法。

參考文獻

［1］柴弘華.泵站供電設(shè)施節(jié)能措施探討［J］.中國農(nóng)村水利水電，2005 （05）：100-102.

［2］張光蓉.超導(dǎo)磁場繞組旋轉(zhuǎn)電機進展狀況［J］.東方電機，2010（06）：69-68.

［3］龍自平.如何讓低壓無功補償在配電網(wǎng)中發(fā)揮最大作用［A］. 2007云南電力技術(shù)論文集［C］.2007.

［4］史金安.蒸發(fā)式冷凝器的節(jié)能運用［J］.制冷空調(diào)與電力機械，2009 （06）：53-56.

Electricity Energy Saving Measure of Mine Water Waste Heat Utilization System

Han Jiejian1Jiang Chao2
（Jinan Gohigh Energy technology co.，LTD.，Jinan Shandong，250104）

Abstract：The power consumption of the equipment of mine water waste heat utilization system is large，especially the water source heat pump units，they account for more than 50%of the electricity consumption. In view of this problem，the common electricity energy saving measures are summarized，on the premise of ensuring the normal operation of the system，the systematic and comprehensive electricity energy saving measures are put forward，and the measure principle and function are explained.

Key words：electricity energy saving；water source heat pump unit；motor energy saving；method and measure

中圖分類號F426.21

文獻標識碼B

文章編號1000-4866（2016）03-0044-03

作者簡介

韓杰艦，男，1986年出生，濟南國海能源科技有限公司，長期從事煤礦相關(guān)電氣設(shè)計工作.

姜超，女，濟南國海能源科技有限公司，電氣助理工程師.

收稿日期：2016-05-11