基于涌水余熱利用的能源站系統(tǒng)研究

周新朋

摘要：通過冷熱需求和資源分析，進行了涌水余熱潛力分析，在此基礎(chǔ)上給出基于涌水余熱利用的能源站方案設(shè)想，并從工程投資、運行費用、效益分析、風(fēng)險分析等角度綜合分析，給出能源站建設(shè)方案選擇的原則及建議。

關(guān)鍵詞：燃氣鍋爐;余熱利用;熱泵;電制冷;風(fēng)險

1 引言

在礦井開采過程中，礦井涌水被大量排放，涌水所含的大量余熱被白白浪費。

同時，礦區(qū)工業(yè)場地以及周邊礦井生活區(qū)，存在較大的冷熱負荷，尤其是低品位的供暖、供冷熱負荷，從而為涌水余熱的利用創(chuàng)造了條件。

目前，已有不少學(xué)者針對涌水余熱利用開展研究，且主要圍繞涌水余熱利用本身，本文以涌水余熱利用技術(shù)為依托，結(jié)合某礦區(qū)余熱資源利用，探討礦區(qū)周邊居民和工商業(yè)用冷、用熱的能源站建設(shè)方案。

一、冷熱需求

礦井供熱需求主要包括：井筒保溫、供暖和洗浴用熱;供冷需求：主要為礦井場地敷設(shè)辦公用房的供冷需求。

礦區(qū)同時存在大量的居民及工商業(yè)，滿足當?shù)丶暗V區(qū)生產(chǎn)生活需要，該部分居民及工商業(yè)尚存在較多的供冷、供熱需求。

2.資源分析

2.1電力

某礦區(qū)執(zhí)行峰谷電價，高峰時段9：00—11：30，14：00—16：30，19：00—21：00;谷電時段：23：00—次日7：00，其它時段為平時段。

高峰：1.1698元/kWh，平段0.7934元/kWh，谷電為0.4172元/kWh。

2.2余熱資源

礦區(qū)地下涌水：煤礦處理之后的外排水量平均500～550m?/h，外排水質(zhì)為：pH：6～9，SS=50mg/L，CODcr=50mg/L，硬度（碳酸鈣計）約為490mg/L。

冬季水溫13℃～17℃，夏季水溫25℃左右，水量大，水溫低且穩(wěn)定，單位是理想的余熱資源，為熱泵技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。

3 余熱利用潛力分析

3.1 潛力分析

供熱工況下，涌水排水泵將低溫?zé)崴椭翐Q熱器，經(jīng)過一級換熱后，通過中介水循環(huán)，余熱傳遞至熱泵機組蒸發(fā)器，由熱泵機組供出50/40℃的低溫?zé)崴?，降溫后的礦井涌水可以作為冬季灌溉或綠化用水使用，從而實現(xiàn)一水多用。

供冷工況下，礦井涌水進入熱泵機組冷凝器，冷卻散熱，機組按照制冷工況運行，機組供冷溫度5/12℃。

根據(jù)某礦區(qū)涌水水溫及水量，供熱工況機組COP取5，供冷工況機組EER取5.5，經(jīng)測算，熱泵機組的供冷供熱能力如下：

供熱工況，取熱量2.9MW，水源側(cè)溫差4℃，供熱能力3.3MW;

供冷工況，釋熱量2.9MW，水源側(cè)溫差5℃，供冷能力2.5MW。

3.2設(shè)計參數(shù)

供熱工況：50/40℃，1.0MPa

供冷工況：5/12℃，1.0MPa。

涌水供熱工況：13/9℃。

涌水供冷工況：25/30℃.

根據(jù)余熱潛力分析，可確定能源站冷熱裝機方案，本文從熱泵供冷+熱泵供熱，以及燃氣鍋爐供熱+常規(guī)電制冷兩種方案進行對比分析。

4 方案設(shè)想

4.1 余熱利用方案

選用離心式熱泵機組2臺，總供熱裝機3.04MW，總供冷裝機2.8MW。裝機參數(shù)如下：

單機制熱量：1520kW，輸入功率304kW;單機制冷量1406kW，輸入功率256kW。

熱泵機組冬季向供暖用戶以及井口加熱器供熱，若全部用于居民供暖，預(yù)計可滿足6.6萬m2的供暖需求;夏季向附屬辦公用房及周邊用冷用戶供冷，預(yù)計可滿足2.8萬m2的供冷需求。

如果供熱及供冷負荷超過熱泵機組的供冷、供熱能力，則應(yīng)輔助燃氣鍋爐及常規(guī)電制冷進行調(diào)峰，具體應(yīng)結(jié)合項目實際情況綜合分析確定。

4.2燃氣鍋爐+常規(guī)電制冷方案

鍋爐燃用清潔燃料——天然氣。天然氣的主要成份是甲烷（CH4）和乙烷（C2H6），天然氣中幾乎不含對環(huán)境產(chǎn)生有害影響的煙塵和硫，從根本上杜絕了這兩種物質(zhì)對環(huán)境的不良影響。根據(jù)國家標準《鍋爐大氣污染物排放標準（GB13271-2014）》對重點地區(qū)新建工業(yè)鍋爐煙氣的NOx排放限定值≤30mg/Nm3，采用低氮燃燒器+煙氣再循環(huán)技術(shù)，以保證排放達標。供熱參數(shù)：130/70℃，1.6MPa。供熱介質(zhì)：水。

燃氣鍋爐額定熱功率2.1MW，設(shè)計壓力1.6MPa，額定出水溫度130℃，額定回水溫度70℃，排煙溫度90℃，鍋爐效率96%，2臺，總供熱裝機4.2MW。

常規(guī)電制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由壓縮機、膨脹閥、蒸發(fā)器和冷凝器四部分組成，其原理就是通過輸入一定的高品位能量給壓縮機，壓縮機通過一個等墑過程將能量的品位提高，使能量由低溫體（蒸發(fā)器）傳遞到高溫體（冷凝器）。

電制冷機采用離心式冷水機組，機組額定制冷量1406kW，輸入功率256kW，2臺，總制冷裝機2806kW。

4.3投資對比

兩種方案的投資對比如表4所示。

從投資估算對比表可知，兩種方案的投資基本相當，余熱利用方案略低于燃氣鍋爐+常規(guī)電制冷方案，主要原因是余熱利用方案，一機兩用，節(jié)省了電制冷裝機，節(jié)約了電制冷投資。

4.4運行費用

（1）運行成本

在既定的水、電、氣等邊界條件下，供熱工況下，燃氣鍋爐供熱的年運行成本178.2萬元，余熱利用系統(tǒng)年運行成本150萬元。

供冷工況下：常規(guī)電制冷的運行成本約17.6萬元，余熱利用系統(tǒng)的運行成本約15.84萬元，供冷工況運行成本的降低，主要原因是供冷工況下，礦井涌水水溫較低，相對常規(guī)電制冷系統(tǒng)，供冷能效大約提高10%左右。

供熱工況，運行成本大小關(guān)系為：燃氣鍋爐供熱<熱泵供熱，運行成本中最主要因素分別為：

1）余熱利用方案最主要是用電成本，占比約80%;

2）燃氣鍋爐方案最主要為耗氣成本，占比約70%;

（3）一次能源消耗

1）供熱工況下：余熱利用方案年一次能源消耗217.57tce/年，燃氣鍋爐方案一次能源消耗610tce/年。

余熱利用方案相比燃氣鍋爐，供暖季年節(jié)約標煤約390tce，二氧化碳減排量963.3tce，二氧化硫減排量7.8 tce，煙塵減排量3.9 tce，粉塵減排量0.39 tce，氮氧化物減排量6.24 tce，相當于植樹7萬棵。

2）供冷工況下：余熱利用方案能效提高，年節(jié)約標煤約4tce，二氧化碳減排量9.88tce，二氧化硫減排量0.08 tce，煙塵減排量0.04 tce，氮氧化物減排量0.06tce，相當于植樹700棵。

4.3 效益分析

通過對涌水余熱的利用，在條件運行的情況下，就近建設(shè)余熱利用能源站，可實現(xiàn)周邊居民及工商業(yè)用戶的供暖、供冷，投資運營單位可向用戶收取費用，既可實現(xiàn)余熱資源的高效利用，又能產(chǎn)生一定的經(jīng)濟價值。

4.4風(fēng)險分析

礦井涌水余熱利用是否可行，受各方面因素影響，相同供冷供熱裝機，邊界條件不同，投資經(jīng)濟性相差甚遠，應(yīng)充分考慮各種風(fēng)險因素，如價格風(fēng)險、政策風(fēng)險、技術(shù)風(fēng)險等。

1）? 燃氣價格和電價

燃氣價格對燃氣鍋爐運行成本影響很大，而電價又對余熱利用系統(tǒng)運行成本較大影響，因此，存在燃氣價格和電價波動，對項目經(jīng)濟性產(chǎn)生不利影響的風(fēng)險，應(yīng)在前期充分調(diào)研和落實相關(guān)價格政策。

2）? 供熱供冷價格

如果余熱利用系統(tǒng)僅用于礦井工藝系統(tǒng)加熱，創(chuàng)造的主要是增量效益，以及環(huán)境社會效益，如果用于供熱供冷，那么冷熱價格，作為主要收入源頭，對經(jīng)濟性影響顯著，應(yīng)結(jié)合當?shù)叵M習(xí)慣，落實合理可行的冷熱價格。

3）供熱供冷在礦區(qū)既屬于工藝系統(tǒng)范疇，如果用于周邊居民及工商業(yè)供冷、供熱，則有屬于民生范疇，則會受當?shù)卣哂绊?，如能源價格、配套費收取，特許經(jīng)營權(quán)等政策性因素的影響。

4）僅依靠余熱利用系統(tǒng)，尚存在供能不穩(wěn)定的風(fēng)險，尚需輔助常規(guī)冷熱源進行調(diào)峰，整個系統(tǒng)較復(fù)雜，存在運行管理不善造成系統(tǒng)能效低的風(fēng)險。

5.結(jié)論及建議

（1）本文提供了利用涌水余熱建設(shè)礦區(qū)能源站的方案思路，在滿足一定的水電氣條件下，具備較好的經(jīng)濟性和可操作性，同時具有較好的環(huán)境和社會效益。

（2）通過對涌水余熱的利用，在條件運行的情況下，就近建設(shè)余熱利用能源站，結(jié)合常規(guī)供能方式調(diào)峰，可實現(xiàn)周邊居民及工商業(yè)用戶的供暖、供冷，投資運營單位可向用戶收取冷熱費用，既可實現(xiàn)余熱資源的高效利用，又能產(chǎn)生一定的經(jīng)濟價值，打破常規(guī)僅用于礦井場地用熱的余熱利用模式，

（3）礦井涌水余熱利用系統(tǒng)的應(yīng)用，應(yīng)充分考慮當?shù)啬茉磧r格、政策因素、是否選用余熱利用系統(tǒng)，尚需進行綜合經(jīng)濟技術(shù)分析后確定，應(yīng)在項目前期充分評估價格、政策以及技術(shù)等各項風(fēng)險要素，切不可盲目跟風(fēng)。

參考文獻

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