司家營鐵礦南區(qū)地下開采水源熱泵的應用實踐

秦四龍 魯愛輝 徐永坤

(河鋼集團礦業(yè)公司司家營南區(qū)分公司)

地下水源熱泵系統(tǒng)是一種從地下水資源中提取熱量從而達到高效、節(jié)能、環(huán)保、可再生的供熱(冷)系統(tǒng)[1]。20世紀50年代，我國開始了水源熱泵技術研究與開發(fā)，但主要應用于建筑領域，技術發(fā)展較為緩慢[2]。改革開放以來，隨著政府環(huán)境保護、污染治理等政策的大力推行，大大促進了我國水源熱泵技術的發(fā)展。近年來，水源熱泵的市場化逐步成熟，但目前地下礦山應用較少。礦山地下水涌出量大且水量豐富，水溫基本不受室外氣溫影響，一年四季均比較穩(wěn)定，其中蘊含著豐富的低位能量。利用礦井地下涌水作為熱源，應用水源熱泵技術替代傳統(tǒng)的燃煤鍋爐，可以解決井口防凍及保溫、工業(yè)場地主要建筑物冬季采暖和夏季制冷、洗浴熱水等問題，既能實現(xiàn)礦山節(jié)能降耗，又符合我國發(fā)展清潔能源和綠色礦山建設的要求[3-4]。本研究以司家營鐵礦南區(qū)為例，為有效利用該區(qū)地下水資源，采用水源熱泵技術設計了供暖方案。

1 地下水源熱泵概述

1948年第一臺地下水源熱泵系統(tǒng)在美國俄勒岡州運行，掀起了20世紀40—50年代歐洲和美國地源熱泵技術研究的第一次高潮[5]。隨著工業(yè)技術的發(fā)展，近數(shù)十年來，美國地源熱泵系統(tǒng)在家庭和商業(yè)建筑中得到了廣泛應用。自20世紀水源熱泵系統(tǒng)概念被提出開始，隨著材料及設備工藝水平逐步提升，經(jīng)過30 a不斷改進和發(fā)展，水源熱泵已逐步推向市場，開始商品化推廣[6]。自20世紀80年代以來，由于水源熱泵的市場化趨勢不斷增強，水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國開始興起，但適用范圍局限于商業(yè)建筑。近2 a來，水源熱泵技術開始應用于礦山企業(yè)，如首鋼杏山鐵礦、冀中能源集團東龐礦、梧桐莊礦以及章村礦等。經(jīng)過不斷引進吸收國外技術，國內(nèi)多家公司(如清華同方、北京礦大能源安全科技公司等)水源熱泵技術的研發(fā)水平已經(jīng)成熟。

2 水源熱泵工作原理

地下水源熱泵技術是利用礦井涌水溫度常年變化不大的特性，將其作為天然的低溫低熱位熱能資源，利用熱泵機組，通過少量的高位電能輸入，達到低位熱能向高位熱能轉移的目的[7]。在夏季，將建筑物中的熱量轉移至循環(huán)的礦井涌水中，由于礦井涌水溫度低，因此可以快速、高效地帶走熱量；在冬季，從礦井涌水中提取熱量，通過將礦井涌水作為載體經(jīng)過熱泵機組升溫后輸送至建(筑)物、井口等位置。對于地下礦山而言，水源熱泵系統(tǒng)即是利用礦井地下涌水作為冷、熱源，從而實現(xiàn)能量轉換的供熱、制冷的空調(diào)系統(tǒng)(圖1)[8]。該系統(tǒng)在礦山應用的關鍵在于是否有穩(wěn)定的地下水源。

圖1 地下水源熱泵系統(tǒng)示意

冬季由于礦井水溫度高于空氣，通過水源熱泵可以從水中“提取”熱量，將礦井水中含有的熱能輸送至建(構)物、井口等位置，達到冬季采暖的目的(圖2)。

圖2 水源熱泵冬季供暖原理

在夏季，利用水源熱泵通過相關介質(zhì)可將建(筑)物中的熱量交換出來，釋放至礦井水中去，由于礦井水溫度比環(huán)境溫度低，因此可以高效地帶走熱量，達到夏季給建(筑)物室內(nèi)制冷的目的(圖3)[9]。

圖3 水源熱泵制冷原理

3 司家營鐵礦南區(qū)地下水供暖/降溫方案

3.1 礦區(qū)概況

司家營鐵礦南區(qū)地處河北省唐山市灤縣、灤南兩縣，為河北鋼鐵集團礦業(yè)公司最大的在建現(xiàn)代化新型地下礦山。礦區(qū)水文地質(zhì)條件復雜，礦山基建期及采礦期均面臨著巨大壓力。礦區(qū)附近地表河流屬于灤河水系，主要有灤河、新河、狗尿河等。含水層主要由第四系孔隙含水層和基巖裂隙含水層(帶)組成[10-14]。在南區(qū)基建期，隨著巷道掘進，大量涌水出現(xiàn)且水量穩(wěn)定。該類礦井水直接排至附近河流，造成了大量的水資源浪費。同時，南區(qū)大賈莊副井、北進風井等通風井面臨著井口冬季保溫及采暖問題，燃煤鍋爐運行成本增加，并且面臨著設備更新問題。南區(qū)具有穩(wěn)定的地下涌水，具備了地下水源熱泵應用的前提條件。

3.2 熱量需求

按冬季采暖室外溫度-10 ℃(條件1)計算，采礦工業(yè)建筑采暖熱負荷為3 505 kW，選礦工業(yè)建筑采暖熱負荷為9 898 kW，井口預熱總熱負荷為13 405 kW(表1)。

表1 條件1對應的司家營鐵礦南區(qū)各井口預熱耗熱量

按冬季極端最低平均溫度-17.8 ℃(條件2)計算，井口預熱總熱負荷為24 204 kW(表2)，洗浴用熱負荷為蒸汽量2 t/h，約為1 200 kW。

表2 條件2對應的司家營鐵礦南區(qū)各井口預熱耗熱量

3.3 水源熱泵供暖/制冷方案

司家營鐵礦南區(qū)采用集中排水方式，井下排水系統(tǒng)配備6臺MD1100-86×7型耐磨多級離心泵，正常涌水量時3臺工作，2臺備用，1臺檢修，最大涌水量時5臺工作，1臺備用。另考慮應急排水，水泵房內(nèi)設2臺ZQ1100-595/7-2800/S型礦用潛水泵，作為應急排水設備，正常排水能力為3 300 m3/h。排水管選用5條φ426 mm×13 mm無縫鋼管，正常水量時3條工作，2條備用，最大水量時全部工作，沿豎井敷設出地表。地下涌水通過排水管路排至地表高位水池，經(jīng)機械攪拌式澄清池過濾后供給水源熱泵系統(tǒng)。根據(jù)水文預測及現(xiàn)場實際測量，礦井涌水平均水溫為18 ℃，為良好的低溫熱源，符合地下水源熱泵運行的條件。

3.3.1 熱泵機房

地下水源熱泵機房修建于地表高位水池附近，避免礦井水水溫變化過大。地下水源熱泵系統(tǒng)在冬季為采選工業(yè)建筑供暖以及為井口預熱提供熱源，夏季用于為采選部分建筑空調(diào)提供冷源，并為浴室洗浴提供熱水。機房配置HE2450LF型螺桿水源熱泵機組和HE600LF型螺桿水源熱泵機組，以礦井工業(yè)場地高位水池中的地下涌水作為冷、熱源。

3.3.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用以太網(wǎng)通訊，主機通過交換機與上位機連接，可以在中控室集中控制，實現(xiàn)對熱泵機組、空調(diào)機組、循環(huán)泵系統(tǒng)以及排水系統(tǒng)進行集中控制[15]，實現(xiàn)對井口、建筑物等需熱點進行自動溫度監(jiān)控，并反饋給井下排水設備，以調(diào)配礦井水分配。

3.3.3 井口預熱及建筑采暖機組配置

由于地下涌水隨著巷道掘進逐漸增多，地下水源熱泵系統(tǒng)可用水量按照排水系統(tǒng)的正常排水能力考慮。單臺HE2450LF型螺桿水源熱泵機組熱源側水流量為243.67 m3/h。考慮到ZQ1100-595/7-2800/S型礦用潛水泵的正常排水能力(3 300 m3/h)，本研究選用13臺HE2450LF型螺桿水源熱泵機組在冬季為采選工業(yè)建筑供暖及井口預熱提供熱源。單臺HE2450LF型螺桿水源熱泵機組在熱源水溫18 ℃時的制熱量為2 511.75 kW，耗電功率為478.8 kW，因此，熱泵機組提供的總熱量為32 652.75 kW。

根據(jù)司家營鐵礦南區(qū)2012年11月—2017年3月近5 a供暖期內(nèi)的歷史天氣資料，-10 ℃以下的天數(shù)總計為49 d，平均為12.25 d/a，且主要出現(xiàn)在夜晚，出現(xiàn)頻率較低。按照平均溫度-17.8 ℃考慮，地下水源熱泵可提供的總熱量可以滿足井口預熱要求。但當出現(xiàn)冬季極端天氣時，工業(yè)建筑及洗浴用熱供應量不滿足需求，可通過調(diào)配供熱量或采用其他取暖方式等輔助措施，確保建筑物及洗浴用熱滿足需求。冬季當室外溫度高于或等于-10 ℃時，熱負荷總需求量不超過26 808 kW，熱泵機組可以滿足供熱需求。此外，礦山可根據(jù)實際用熱需求調(diào)整機組的工作臺數(shù)和單機負荷。

3.3.4 洗浴熱水機組配置

經(jīng)計算，礦山可利用的地下涌水剩余水量為321.29 m3/h。單臺HE600LF型螺桿水源熱泵機組熱源側水流量為57.5 m3/h，本研究選用2臺HE600LF型螺桿水源熱泵機組，用于浴室洗浴供熱。單臺HE600LF型螺桿水源熱泵機組在熱源水溫18 ℃時的制熱量為603.23 kW，耗電功率為123.3 kW。提供洗浴供熱的熱量為3 016.15 kW(按2.5 h加熱計算)。

3.3.5 夏季建筑空調(diào)制冷機組配置

夏季建筑所需制冷量暫無具體參數(shù)，暫按2臺水源熱泵機組考慮。單臺HE2450LF型螺桿水源熱泵機組的制冷量為2 277.2 kW，耗電功率為348 kW，冷源側水流量為205.21 m3/h。2臺HE2450LF型機組可提供的空調(diào)冷量為4 554.4 kW。

3.3.6 機房布置

熱泵機房由熱泵機組和電氣室組成，控制系統(tǒng)集成于總控制室。根據(jù)配備的水源熱泵機組數(shù)量，總裝機容量約為6 741 kW，其他輔助設備包括循環(huán)泵、起重設備等裝機功率暫不考慮。

3.3.7 井口預熱設施

為防止冬季井口結冰，威脅提升系統(tǒng)的安全，在井口房內(nèi)采用組合式空調(diào)機組加熱空氣，與冷空氣混合后進入井筒。熱源由熱泵機房提供的45 ℃的熱循環(huán)水提供。單臺ZK-60型組合式空調(diào)機組風機配電機功率為22 kW，1#、2#副井和大賈莊副井井口房各選用6臺ZK-60型組合式空調(diào)機組。單臺ZK-70型組合式空調(diào)機組的風機配電機功率為22 kW，1#斜坡道硐口段和2#斜坡道井口房各選用3臺ZK-70型組合式空調(diào)機組。

3.4 方案投資

司家營鐵礦南區(qū)水源熱泵系統(tǒng)建設主要包含工藝設備、電氣設備、自動化控制系統(tǒng)等，在排水系統(tǒng)建設的基礎上，減少了取水井及回水井的建設資金。地下水源熱泵系統(tǒng)各項建設投資總額為2 197.8萬元(表3)。

表3 司家營鐵礦南區(qū)地下水源熱泵系統(tǒng)建設投資

4 水源熱泵與傳統(tǒng)燃煤鍋爐供暖方案對比分析

4.1 傳統(tǒng)燃煤鍋爐供暖方案

(1)鍋爐配置。因冬季極端天氣出現(xiàn)概率極低，按照-10 ℃考慮時，司家營南區(qū)總需熱負荷為26 808 kW，相當于41.02 t蒸汽，裝機容量需3臺20 t 蒸汽鍋爐。夏季洗浴供熱量需2 t蒸汽，裝機容量需1臺2 t蒸汽鍋爐。

(2)鍋爐房投資。裝機容量為3臺20 t蒸汽鍋爐和1臺2 t蒸汽鍋爐的鍋爐房，投資約為2 470萬元。

(3)鍋爐房設備用電量及用煤量。3臺20 t蒸汽鍋爐及其附屬設備用電量約為615 kW，采暖期消耗煤(折合標煤)量為18 947.52 t(按每臺鍋爐每小時消耗 2.04 t煤(折合標煤)考慮)。1臺2 t蒸汽鍋爐及其附屬設備用電量約為150 kW，年消耗煤(折合標煤)約1 888 t(按每臺鍋爐每小時消耗0.4 t煤(折合標煤)考慮)。

4.2 方案經(jīng)濟對比分析

井口預熱、建筑物供暖期按129 d/a考慮。地下水源熱泵建設、燃煤鍋爐建設投資及15 a的運營費用對比如表4所示。

表4 供暖系統(tǒng)建設及運營成本對比 萬元

供暖方案投資合計投資現(xiàn)值經(jīng)營費合計經(jīng)營費現(xiàn)值投資經(jīng)營費合計投資經(jīng)營費現(xiàn)值合計地下水源熱泵21982035124286566146258601燃煤鍋爐24702287142257516166959803

由表4可知：水源熱泵供暖方案的投資現(xiàn)值為2 035萬元，燃煤鍋爐供暖方案的投資現(xiàn)值為2 287萬元；水源熱泵供暖方案的經(jīng)營費現(xiàn)值為6 566萬元，燃煤鍋爐供暖方案的經(jīng)營費現(xiàn)值為7 516萬元，可見水源熱泵供暖方案的經(jīng)濟效益較顯著。

水源熱泵技術經(jīng)過多年不斷改進和發(fā)展，技術日趨成熟，目前國內(nèi)水源熱泵技術成熟可靠[16-17]。水源熱泵供暖方案每年可少消耗標準煤20 835.52t，極大減少CO2和SO2的排放量，有助于大幅改善礦區(qū)周邊生活環(huán)境，符合我國環(huán)境保護與能源節(jié)約的政策。

5 結 語

水源熱泵系統(tǒng)具有效率高、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點，現(xiàn)階段國內(nèi)水源熱泵系統(tǒng)技術成熟，已經(jīng)實現(xiàn)了市場化、商品化，在各領域的應用逐步增多。司家營鐵礦南區(qū)應用水源熱泵具備了相關條件，詳細分析了該礦區(qū)水源熱泵供暖系統(tǒng)設計方案，并與傳統(tǒng)燃煤鍋爐供暖方案進行了詳細的對比分析，認為水源熱泵供暖方案不僅有助于降低礦山生產(chǎn)運營成本，而且對于改善礦區(qū)周邊生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)礦山節(jié)能減排也大有裨益。

[1] 孟令民.地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在首鋼杏山鐵礦的應用[J].金屬礦山，2003(3):145-147.

[2] 潘 曉.地下水源熱泵系統(tǒng)的應用及技術經(jīng)濟分析[D].西安：西安建筑科技大學，2013.

[3] 劉振利，程立娜，董 覃.陳臺溝鐵礦的礦井排水利用[J].礦業(yè)工程，2015(3)：48-49.

[4] 李 萌.礦井水水源熱泵技術在煤礦中的應用[J].中州煤炭，2012(12)：73-74.

[5] 王生軟.水源熱泵應用現(xiàn)狀及技術分析[J].河南科技，2016(15)：57-58.

[6] 楊 剛.江水源熱泵在長沙地區(qū)應用研究[D].長沙：湖南大學，2014.

[7] 宋國軍.水源熱泵機組水源側串聯(lián)運行特性研究[D].天津：天津大學，2005.

[8] 劉 偉.礦井水源熱泵系統(tǒng)的研究與應用[D].青島：山東科技大學，2009.

[9] 李鳳山，高 靜，馬甜甜.水源熱泵技術在濟寧三號煤礦的研究與應用[J].煤炭工程，2012(9)：62-63.

[10] 翟會超，閆滿志.淺談田興鐵礦礦石資源合理開發(fā)利用[J].采礦技術，2014(3)：113-115.

[11] 邢翔宇，宋愛東，陳彥亭.司家營鐵礦南區(qū)水文地質(zhì)問題及解決對策[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2016(3)：182-185.

[12] 李 剛，高 謙，王 君，等.司家營鐵礦南區(qū)水文地質(zhì)條件分析[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2013(9)：45-47.

[13] 馬 耀，高 謙，李 剛，等.司家營鐵礦南區(qū)礦床水文地質(zhì)條件建模探究[J].中國礦山工程，2014，43(3)：35-37.

[14] 左文喆，王斌海，程紫華，等.基于地下水動態(tài)監(jiān)測的司家營鐵礦南區(qū)防治水措施[J].中國礦業(yè)，2016，25(4)：91-97.

[15] 李 磊，劉日良，張承瑞.基于工業(yè)以太網(wǎng)冗余舞臺控制系統(tǒng)研究[J].計算機測量與控制，2012(9)：2396-2398

[16] 孫 強.淺談水源熱泵技術的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].佳木斯大學學報(自然科學版)，2007(3)：433-434.

[17] 陸 肖.基于滿意PID控制的水源熱泵系統(tǒng)節(jié)能應用研究[D].西安：西安建筑科技大學，2011.