小紀(jì)汗煤礦風(fēng)井場地乏風(fēng)余熱利用系統(tǒng)的應(yīng)用研究

葛凱

摘? 要：該文針對小紀(jì)汗煤礦乏風(fēng)余熱回收系統(tǒng)應(yīng)用過程中存在的問題進行了總結(jié)分析，小紀(jì)汗煤礦風(fēng)井場地余熱資源豐富，風(fēng)井出風(fēng)溫度為17℃，相對濕度為85%。煤礦乏風(fēng)穩(wěn)定可靠，其余熱資源是乏風(fēng)熱泵非常理想的低溫?zé)嵩?。采用直蒸式乏風(fēng)熱泵綜合能效高，乏風(fēng)熱泵供熱能力5426kW，余461kW。完全可以滿足井筒保溫及采暖用熱要求。

關(guān)鍵詞：乏風(fēng)? 余熱? 熱泵

小紀(jì)汗煤礦采用中央分區(qū)式，通風(fēng)方法為抽出式，由主、副斜井和中央進風(fēng)立井進風(fēng)，中央回風(fēng)立井、小蘇計回風(fēng)立井回風(fēng)，實現(xiàn)兩個綜采面兩個回風(fēng)立井回風(fēng)。根據(jù)各用風(fēng)地點風(fēng)量計算結(jié)果分析，礦井配風(fēng)量為235m3/s，其中主斜井進風(fēng)量為35m3/s，副斜井進風(fēng)量為70m3/s，中央進風(fēng)立井進風(fēng)量130m3/s，中央回風(fēng)立井回風(fēng)135m3/s，小蘇計回風(fēng)立井回風(fēng)100m3/s。出風(fēng)溫度為17℃，相對濕度為85%。煤礦乏風(fēng)穩(wěn)定可靠，其余熱資源是乏風(fēng)熱泵非常理想的低溫?zé)嵩础?/p>

1? 供熱負荷計算

1.1 建筑采暖供熱負荷計算

1.1.1 負荷計算模型

根據(jù)傳熱學(xué)原理與設(shè)計規(guī)范，采用如下公式計算建筑物采暖熱負荷：

式中：Qs為建筑物采暖設(shè)計計算熱負荷（kW）;

V為建筑物體積（m3）;

K為單位體積傳熱系數(shù)（w/（m3·℃））;

tn為建筑物室內(nèi)設(shè)計計算溫度（℃）;

tw為建筑物室外空氣設(shè)計計算溫度（-15℃）。

1.1.2 小紀(jì)汗煤礦建筑采暖負荷

通風(fēng)機房115kW，空壓機站53kW，熱泵機房47kW，風(fēng)井場建筑采暖負荷215kW。

1.2 進風(fēng)井口防凍加熱負荷計算

風(fēng)井場地立井進風(fēng)量為130m3/s。冬季在采暖不保證期內(nèi)（室外-5℃以下的時間），根據(jù)《煤炭工業(yè)礦井設(shè)計規(guī)范》（GB 50215-2015）的要求，進風(fēng)井口溫度要求防凍，其進風(fēng)混合溫度要求2℃，煤礦進風(fēng)井口加熱負荷按下式計算：

式中：Q為進風(fēng)井口防凍加熱負荷（kW）;

L為井口進風(fēng)量（m3/s）;

ρ為空氣2℃時的密度（1.15kg/m3）;

Cp為空氣2℃時的定壓比熱（1.01kJ/（kg℃））;

Tj為進風(fēng)井口設(shè)計溫度（2℃）;

Twp為當(dāng)?shù)囟緲O端平均最低溫度（-24℃）。

根據(jù)上述計算式，可分別計算出各井加熱負荷：

2? 余熱資源及其供熱能力分析

2.1 余熱資源情況

風(fēng)井場地礦井回風(fēng)（乏風(fēng)）余熱量及供熱能力計算具體如下。

小紀(jì)汗煤礦回風(fēng)量約135m3/s，溫度按17℃，相對濕度85%;經(jīng)過綜合取熱裝置后，設(shè)計排風(fēng)溫度5℃，相對濕度95%計算其余熱量，具體如下。

式中：Qf為礦井回風(fēng)余熱量（kW）;

L為設(shè)計回風(fēng)量（135m3/s）;

ρ為回風(fēng)密度（2℃/50%時1.066kg/m3）;

Hi為回風(fēng)進入綜合取熱器焓值（17℃/85%時47.00kJ/kg）;

Ho為回風(fēng)經(jīng)綜合取熱器后焓值（設(shè)計5℃/95%時19.80kJ/kg）。

根據(jù)上式可以得出：

回風(fēng)余熱量：Qf=135×1.066×（47.00-19.80）=3914（kW）。

乏風(fēng)熱泵供熱能力：Qg=Qf×COP/（COP-1）=3914×3.59/（3.59-1）=5426（kW）。

乏風(fēng)熱泵功耗：1512kW。

小紀(jì)汗煤礦風(fēng)井場余熱供熱能力為：5426kW。

2.2 小紀(jì)汗煤礦余熱量

小紀(jì)汗煤礦風(fēng)井場乏風(fēng)風(fēng)量為135m3/s，溫度為17℃，相當(dāng)濕度85%，乏風(fēng)可取熱量3914kW，乏風(fēng)熱泵供熱能力5426kW。

2.3 小紀(jì)汗煤礦熱泵能效分析

小紀(jì)汗煤礦風(fēng)井場乏風(fēng)熱泵機組，設(shè)計制熱能效COP分別達到3.59。

3? 乏風(fēng)供熱系統(tǒng)設(shè)計方案

風(fēng)井場利用乏風(fēng)余熱，采用高效傳熱和乏風(fēng)熱泵供熱技術(shù)，滿足風(fēng)井場冬季建筑采暖與井口防凍加熱需求，實現(xiàn)完全代替風(fēng)井場燃煤鍋爐目標(biāo)。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計方案

根據(jù)前面分析計算，風(fēng)井場地建筑與井口供熱負荷為4965kW（熱網(wǎng)損失系數(shù)1.05），其中井口加熱4514kW，建筑215kW。風(fēng)井場回風(fēng)余熱資源十分豐富，可采用SMMET系列煤礦專用“深焓取熱直蒸式乏風(fēng)熱泵”供熱技術(shù)滿足建筑采暖與井口防凍供熱需求，具體方案如下。

3.1.1 井口加熱及建筑采暖

風(fēng)井場回風(fēng)擴散塔上方新建一座乏風(fēng)取熱室，將SMEET專用乏風(fēng)取熱箱布置在取熱室東南兩面墻上，讓礦井回風(fēng)通過取熱箱，低溫?zé)崃べ|(zhì)在取熱箱中換熱器內(nèi)蒸發(fā)吸取乏風(fēng)余熱后，經(jīng)工質(zhì)管道送至熱泵機房內(nèi)壓縮冷凝機組內(nèi)壓縮機吸氣口，通過壓縮機做功提升熱品位送至冷凝器內(nèi)，熱力工質(zhì)在冷凝器內(nèi)散熱制備熱水，通過循環(huán)水泵送至井口加熱機組與建筑末端采暖設(shè)備。

壓風(fēng)機房可以采用導(dǎo)風(fēng)筒側(cè)壁開洞的方式，將熱風(fēng)送入壓風(fēng)機房，實現(xiàn)壓風(fēng)機房采暖目的。井口房及其他建筑采用末端加熱設(shè)備，實現(xiàn)井口防凍與建筑采暖。

3.1.2 洗浴熱水預(yù)留

在乏風(fēng)熱泵機房供熱形成的主管網(wǎng)，預(yù)留兩個接口（DN150），為后期洗浴熱水預(yù)留供回水接口，二期只需增加洗浴板式換熱器、循環(huán)水泵及蓄熱水箱。

3.1.3 水源、水量及水質(zhì)情況

乏風(fēng)余熱利用項目采用乏風(fēng)熱泵加熱高溫?zé)崴ㄟ^水泵供至各建筑末端，系統(tǒng)循環(huán)為閉式循環(huán)，循環(huán)水量容積約30m3，循環(huán)水為處理后的軟化水，一次性補水滿后，系統(tǒng)會根據(jù)閉式循環(huán)管網(wǎng)的壓力，壓力損失即補水，無損失不補水;系統(tǒng)耗水量每小時約為1%～2%。

3.2 主要設(shè)備選配

3.2.1 乏風(fēng)熱泵主機設(shè)備選配

根據(jù)供熱負荷及外管工程情況，該項目選配SMMET煤礦專用“深焓取熱直蒸式乏風(fēng)熱泵”機組4臺，單臺制熱能力為1350kW，

采用一臺熱泵壓縮冷凝機組“一配五”原則，選配乏風(fēng)取熱箱數(shù)量，共計20臺，單臺取熱量為175kW。

3.2.2 井口加熱機組選配

為防止冬季井筒及提升設(shè)備結(jié)冰，保證礦井安全生產(chǎn)，根據(jù)《煤炭工業(yè)礦井設(shè)計規(guī)范》（GB 50215-2015），對該風(fēng)井工業(yè)場的進風(fēng)井采取防凍措施。

井口防凍按該地區(qū)冬季極端平均溫度-24℃，進風(fēng)加熱負荷為4514kW，采用SMEET煤礦專用防凍型高效熱水盤管加熱機組，在進風(fēng)井口旁分別設(shè)置空氣加熱專用機組，以確保井筒防凍，保證供熱效果。同時為防止停止供熱時，井口加熱器凍壞，在熱泵機組與井口加熱器之間的循環(huán)采用防凍液循環(huán)系統(tǒng)。

為了確保井筒內(nèi)的溫度滿足生產(chǎn)要求，便于運行管理，節(jié)約能源，進風(fēng)井空氣加熱設(shè)計選用SMEET煤礦專用防凍型空氣加熱設(shè)備共計10臺，單臺供熱量500kW，加熱系統(tǒng)總供熱能力為5000kW。

4? 結(jié)語

小紀(jì)汗風(fēng)井場地余熱資源豐富，乏風(fēng)穩(wěn)定，且富余量多，采用直蒸式乏風(fēng)熱泵綜合能效高，乏風(fēng)熱泵供熱能力5426kW，余461kW。完全可以滿足井筒保溫及采暖用熱要求。

參考文獻

[1] 柳延超.熱泵與礦井回風(fēng)余熱回收裝置耦合系統(tǒng)的研究[D].河北工程大學(xué)，2012.

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