趙固煤礦低溫余熱利用系統(tǒng)優(yōu)化設計

羅景輝，韓子辰，熊楚超，侯立泉，張昌建，劉 歡

(1.河北工程大學 能源與環(huán)境工程學院，河北 邯鄲 056038；2.河北省暖通空調(diào)技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 邯鄲 056038)

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，節(jié)能減排、能源高效利用越來越得到重視，為減少能源消耗和降低環(huán)境污染，許多煤礦已逐漸替換了燃煤鍋爐供暖系統(tǒng)[1-5]?；厥彰旱V余熱資源解決礦區(qū)供熱問題的技術(shù)手段已得到推廣應用[6-10]。近年來，國內(nèi)外開展了許多關(guān)于余熱資源回收利用的研究[11-16]，特別是對余熱資源結(jié)合熱泵供暖系統(tǒng)的研究。孫學梅等[17]對礦井水水源熱泵供熱系統(tǒng)進行了現(xiàn)場實測，并對冬季運行性能及經(jīng)濟性進行了分析，結(jié)果表明該系統(tǒng)具有較好的應用效果。李建鋒等[18]通過對電廠水與熱泵耦合供暖系統(tǒng)的能效分析，提高了系統(tǒng)運行性能。賈欣等[19]對污水源熱泵供暖供冷系統(tǒng)進行了實測分析，并建立模型得出系統(tǒng)變頻運行可提高運行效果。馮碩等[20]對地下水地源熱泵供暖系統(tǒng)開展了實測分析，得出該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，供暖效果較好，但存在耗電輸熱比較大，水泵運行效率較低等問題。綜上所述，余熱資源結(jié)合熱泵技術(shù)是一種較好解決用戶供暖問題的方式，但可以看出大多余熱回收供暖系統(tǒng)都是單一余熱源，本文余熱回收供暖系統(tǒng)采用礦井排水、空壓機、瓦斯抽放站多低溫熱源余熱回收聯(lián)合供暖，低位熱源不同連接方式導致不同溫度的低位熱源利用率不同，對系統(tǒng)進行實際測試和性能分析十分必要。

1 項目簡介

趙固煤礦位于河南省衛(wèi)輝市，該礦礦井排水、瓦斯泵站、空壓機余熱資源豐富，采用熱泵技術(shù)以礦井排水、空壓機余熱和瓦斯泵站余熱為低溫熱源對建筑進行供暖。建筑類型為辦公樓、宿舍樓、澡堂及更衣室和工業(yè)性建筑，總建筑面積為43145m2。煤礦多種低溫熱源耦合熱泵系統(tǒng)原理如圖1所示。從圖1可看出，系統(tǒng)主要由板式換熱器、循環(huán)水泵、3臺水-水換熱地源熱泵機組等組成。該煤礦多種低溫熱源耦合熱泵系統(tǒng)的制熱系統(tǒng)由3臺水-水換熱地源熱泵機組成，承擔所有建筑的熱負荷，余熱回收系統(tǒng)為所有機組提供低位熱量，三種低溫熱源并聯(lián)連接。

圖1 煤礦多種低溫熱源耦合熱泵系統(tǒng)原理

2 項目測試

為評估系統(tǒng)的運行性能，在2019—2020年采暖季1月7日至1月13日期間對該系統(tǒng)進行了現(xiàn)場測試。測試期間開啟了2臺水源熱泵機組，測試參數(shù)包括供/回水溫度、流量和機組耗電量等參數(shù)。使用溫度記錄儀測量水源熱泵機組負荷側(cè)供/回水溫度、內(nèi)循環(huán)供/回水溫度以及各個低溫熱源側(cè)供/回水溫度，儀器測量范圍-50℃～100℃，測量精度±0.3℃，記錄儀測量間隔為1min。使用超聲波流量計測量水流量，使用DCZ電能綜合測試儀記錄設備耗電參數(shù)，精度為±1%。測試設備見表1。

表1 測試設備參數(shù)

實驗選取2019—2020年采暖季1月7日至1月13日期間對該系統(tǒng)進行了現(xiàn)場測試。制熱工況下的主要氣象數(shù)據(jù)如圖2所示。測試階段室外的平均溫度為-2.97 ℃。選取該時間段內(nèi)運行數(shù)據(jù)進行分析。

圖2 測試階段室外的溫度與濕度數(shù)據(jù)

測試期間機組內(nèi)循源水側(cè)、用戶側(cè)供/回水溫度以及低溫熱源側(cè)供/回水溫變化情況如圖3所示。從圖3可以看出：測試期間空壓機余熱供水溫度有規(guī)律的波動，主要是空壓機首要任務是加熱洗浴熱水，其次是作為本項目中的低溫熱源。瓦斯抽放站供水溫度波動不大，在27℃左右，回水溫度在15.9℃～21.4℃之間呈有規(guī)律波動，其波動規(guī)律與空壓機余熱的供水溫度波動規(guī)律相同，說明空壓機余熱不能提供較多的熱量時瓦斯泵站會提供更多的熱量。礦井水的供水溫度波動不大在16.9℃左右，回水溫度略有波動，在15.4℃左右，其波動規(guī)律也與空壓機余熱供水溫度的變化規(guī)律相同。機組內(nèi)循環(huán)源水側(cè)進水溫度基本保持不變，進水平均溫度為18℃，出水平均溫度為14.9℃；機組用戶側(cè)供回水溫度波動不大，供水溫度為51.4℃左右，回水平均溫度為42.9℃左右。綜合分析，機組內(nèi)循環(huán)源水側(cè)供/回水溫度和用戶側(cè)供/回水溫度波動不大，說明低溫熱源充足，能夠滿足熱泵工作需求的熱量。礦井排水的供回水溫差過小，主要是熱泵低溫需熱量小，瓦斯泵站和空壓機余熱溫度高，進入機組的溫度達到18℃，出水溫度為14.9℃，出水溫度與礦井水的溫差較小，礦井排水的余熱量沒有完全發(fā)揮出來。

圖3 測試期系統(tǒng)水溫變化情況

系統(tǒng)低溫余熱回收熱量變化如圖4所示，低溫余熱包括空壓機余熱、瓦斯抽放站余熱和礦井水余熱。從上述熱量回收情況來看，瓦斯抽放站余熱回收較為穩(wěn)定，空壓機和礦井水余熱互相耦合變化，由于空壓機和瓦斯抽放站余熱溫度高、末端需熱量少、回水溫度高，礦井排水余熱波動較大，沒有得到充分的利用，仍有較大的利用空間。

圖4 測試期系統(tǒng)回收余熱量變化情況

3 建立系統(tǒng)模型

煤礦多種低溫熱源耦合熱供暖統(tǒng)主要由低溫余熱回收系統(tǒng)、熱泵制熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。

3.1 低溫余熱回收模型

板式換熱器是余熱回收、流體換熱系統(tǒng)中最常用的換熱元件，余熱回收的熱量由低溫熱源流經(jīng)板式換熱器的進口溫度、出口溫度、流量和板式換熱器換熱效率決定。余熱回收熱量由式(1)決定。

Q=G×cp×(T1-T2)

(1)

式中，G為低溫熱源的流量，kg/s；cp為流體的定壓比熱容，kJ/(kg·K)；T1為低位熱源進板換時的進口溫度，℃；T2為低位熱源出板換時的出口溫度，℃。

3.2 熱泵制熱模型

系統(tǒng)供熱量Q，按下式計算：

式中，QH為系統(tǒng)的供熱量，kW·h；ρ為水的密度，kg /m3；cp為水的比熱容，kJ/(kg·K)；V為系統(tǒng)循環(huán)流量，m3/h；tw1i為i時刻供暖系統(tǒng)供水溫度，℃；tw2i為i時刻供暖系統(tǒng)回水溫度，℃；Δti為i次測試時間間隔，s；T為測試周期。

以機組運行性能系數(shù)COP來衡量其工作性能。按式(3)計算：

COP=Q/W

(3)

式中，W為熱泵系統(tǒng)壓縮及消耗功；Q為熱泵系統(tǒng)制熱量。

3.3 煤礦多種低溫熱源耦合供暖系統(tǒng)模型

選取TRNSYS為主要模擬分析軟件。TRNSYS瞬態(tài)模擬煤礦多種低溫熱源耦合熱泵系統(tǒng)的計算模型涉及熱量交換、熱泵系統(tǒng)兩大類，包括板式換熱器、水泵、熱泵機組、分流器等十幾個常用部件，能模擬余熱回收、制熱、和熱泵等系統(tǒng)。在 TRNSYS中搭建的煤礦多種低溫熱源耦合熱泵系統(tǒng)的模型如圖5所示。所用部件主要有：數(shù)據(jù)讀取Type9e、出流管負荷Type682、水-水熱泵機組Type225、定速循環(huán)泵Type114、恒定效率換熱器Type91、在線圖形繪圖儀Type65d、溫度控制器Type2b以及計算器。

圖5 煤礦多種低溫熱源耦合熱泵系統(tǒng)模型原理

Type682：出流管負荷模塊，用來代替房間負荷的模塊，需將負荷值輸入其中。Type225：熱泵機組模塊，該模塊按照設定的熱泵機組額定參數(shù)，根據(jù)負荷側(cè)和源側(cè)的流體溫度、流量，模擬熱泵機組模型。當機組制熱制冷控制信號都存在時，不會出現(xiàn)報錯，制熱優(yōu)于制冷模式運行。設定機組額定制熱量1816kW，額定供水溫度為52℃，額定COP3.325。Type114：水泵模塊，該模塊模擬了一個定流量水泵模型，根據(jù)設定的流量及控制信號實現(xiàn)對水泵出口流量的控制。Type65a：具有輸出文件的在線圖形繪圖儀模塊，該模塊可將模擬結(jié)果以畫圖的形式呈現(xiàn)給用戶，用以檢查模擬是否按預期運行，可及時發(fā)現(xiàn)錯誤。

4 模型與實際運行情況對比

選取2020年1月7日至1月13日內(nèi)運行數(shù)據(jù)，將當天室外的氣象參數(shù)、建筑負荷、瓦斯抽放站供水溫度、礦井排水供水溫度和空壓機供水溫度作為模型輸入，對比模型負荷側(cè)供/回水溫度、內(nèi)循環(huán)供/回水溫度以及各個低溫熱源側(cè)供/回水溫度的輸出與現(xiàn)場測試的6個溫度測點的溫度。實際運行數(shù)據(jù)以及與模型計算結(jié)果的比較如圖3、圖6所示。

圖6 實測值與模擬值對比

選取測試期間2020年1月8日一天內(nèi)，實測值與模擬值進行對比，可以看出模擬值與實測值存在一定的誤差，但變化趨勢相同且相對誤差較小，說明熱泵機組的模擬運行值比較貼近實際情況。

實際情況下，由于空壓機余熱源在某一段時間需要向其他場所提供熱量，所以在這段時間空壓機余熱源供水溫度會大幅降低?？梢院苊黠@看出，在空壓機余熱供水溫度降低的時間內(nèi)，瓦斯抽放站和礦井排水余熱源的回水溫度會降低，說明此時空壓機提供的熱量不足，需要瓦斯抽放站以及礦井排水提取更多的熱量來補充。

因為系統(tǒng)模擬的負荷側(cè)供水溫度恒定，而在實際情況下，負荷側(cè)供水溫度是波動的，所以導致模擬情況下內(nèi)循環(huán)需要提供更多的熱量來保證負荷側(cè)供水溫度的恒定，因此內(nèi)循環(huán)進出口溫度在空壓機余熱供水溫度降低的時間段內(nèi)會略微下降。

負荷側(cè)供/回水溫度、內(nèi)循環(huán)供/回水溫度以及各個低溫熱源側(cè)回水溫度的軟件模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)吻合度較高、軟件的模擬誤差在允許范圍內(nèi)，可認為該數(shù)學模型可靠。

5 利用模型對系統(tǒng)進行優(yōu)化

低溫熱源并聯(lián)流程是指將與各低位熱源換熱的板式換熱器并聯(lián)在一起，內(nèi)循環(huán)介質(zhì)經(jīng)過并聯(lián)的各板式換熱器換熱后進入熱泵機組?，F(xiàn)在討論將各低位熱源依次串聯(lián)，對串聯(lián)流程下低位熱源回水溫度與串聯(lián)流程下低位熱源回水溫度進行比較分析。

由于各低位熱源供水溫度不同，礦井排水供水溫度在17℃左右，空壓機供水溫度在25℃左右，瓦斯抽放站供水溫度在27℃左右，各低位熱源存在溫度梯度，所以設計各低位熱源按溫度由低到高以及由高到低兩種方式進行串聯(lián)。如圖7所示，串聯(lián)流程與并聯(lián)流程總流量相同，各低位熱源依次串聯(lián)在一起，低位熱源溫度由低到高時，內(nèi)循環(huán)介質(zhì)先與礦井排水換熱，再與空壓機換熱，最后與瓦斯抽放站換熱；低位熱源由高到低時，低位熱源串聯(lián)順序正好相反。

圖7 煤礦多種低溫熱源串聯(lián)耦合熱泵系統(tǒng)模型

串聯(lián)和并聯(lián)兩種不同連接方式時，不同低位熱源供回水溫度變化情況如圖8所示?？梢钥闯鲈诘臀粺嵩礈囟扔傻偷礁叽?lián)與并聯(lián)時相比：礦井排水串聯(lián)方式下供回水溫差比并聯(lián)方式下供回水溫差大，空壓機串聯(lián)方式下供回水溫差比并聯(lián)方式的供回水溫差基本相同，瓦斯抽放站串聯(lián)方式下供回水溫差比并聯(lián)方式下供回水溫差小。說明在低位熱源溫度由低到高串聯(lián)流程下能從礦井排水余熱中提取比并聯(lián)流程下更多的熱量；在低位熱源溫度由低到高串聯(lián)流程下經(jīng)過與礦井排水的換熱后，從空壓機余熱中提取的熱量與并聯(lián)流程下提取的熱量基本相同，當空壓機余熱溫度低于內(nèi)循環(huán)溫度時，空壓機余熱源會從內(nèi)循環(huán)中吸熱，使余熱源回水溫度略高于供水溫度，但這段時間不長，所以影響不大；在低位熱源溫度由低到高串聯(lián)流程下經(jīng)過與礦井排水、空壓機的換熱后，從瓦斯抽放站余熱中提取的熱量比并聯(lián)流程下提取的熱量少。

圖8 串并聯(lián)流程下余熱供回水溫度

可以看出在低位熱源溫度由高到低串聯(lián)與并聯(lián)時相比：瓦斯抽放站串聯(lián)方式下供回水溫差比并聯(lián)方式下供回水溫差大，空壓機串聯(lián)方式下供回水溫差比并聯(lián)方式的供回水溫差基本相同，礦井排水串聯(lián)方式下供回水溫差比并聯(lián)方式下供回水溫差大。說明低位熱源溫度由高到低串聯(lián)流程下，能從瓦斯抽放站余熱中提取比并聯(lián)流程下更多的熱量；在低位熱源溫度由高到低串聯(lián)流程下經(jīng)過與瓦斯抽放站的換熱后，從空壓機余熱中提取的熱量與并聯(lián)流程下提取的熱量基本相同；在低位熱源溫度由高到低串聯(lián)流程下經(jīng)過與瓦斯抽放站、空壓機的換熱后，當空壓機余熱溫度不足時，從礦井排水余熱中仍提取比并聯(lián)流程下更多的熱量，當空壓機余熱溫度正常時，內(nèi)循環(huán)在空壓機提取足夠的熱量，使內(nèi)循環(huán)介質(zhì)溫度高于礦井書余熱源，礦井水余熱源會從內(nèi)循環(huán)中吸熱，使余熱源回水溫度略高于供水溫度，但這段時間不長，影響不大。

由于保持內(nèi)循環(huán)總流量不變，所以在串聯(lián)流程下，經(jīng)過各低位熱源的流量會增大。串聯(lián)流程下能從各低位熱源中提取比并聯(lián)流程下更多的熱量主要是因為換熱溫差以及流經(jīng)低位熱源的流量增大。

將各低位熱源按照溫度梯度從低到高依次串聯(lián)，不僅保證了內(nèi)循環(huán)的溫度，而且可有效提升對溫度低的低位熱源的熱量利用效率。由于從溫度較高的低位熱源中提取的熱量減少，所以溫度較高的低位熱源就可以將這部分熱量另作他用；將各低位熱源按照溫度梯度從高到低依次串聯(lián)，可有效提升對溫度高的低位熱源的熱量利用效率，同時溫度較低的低位熱源也有不錯的利用率。結(jié)果表明，串聯(lián)流程與并聯(lián)流程相比對溫度低的低位熱源的熱量利用率要高，但是低位熱源溫度由低到高串聯(lián)流程比低位熱源溫度由高到低串聯(lián)流程對溫度低的低位熱源的熱量利用率要高；低位熱源溫度由高到低串聯(lián)流程對溫度高的低位熱源的熱量利用率比低位熱源溫度由低到高串聯(lián)流程以及并聯(lián)流程都要高。

6 結(jié) 論

1)多種低溫熱源耦合熱泵供暖系統(tǒng)運行穩(wěn)定，多種熱源相互補充，技術(shù)方案可行。

2)模擬值與實驗值對比結(jié)果表明，負荷側(cè)供/回水溫度、內(nèi)循環(huán)供/回水溫度以及各個低溫熱源側(cè)回水溫度模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)變化趨勢相同且相對誤差較小，該模型較好地反映了對象特性，可用于煤礦多種低溫熱源串聯(lián)耦合熱泵系統(tǒng)實驗的進一步研究。

3)煤礦多種低溫熱源串聯(lián)耦合熱泵系統(tǒng)的3種低位熱源有串聯(lián)和并聯(lián)2種連接方式，串聯(lián)方式又按低位熱源溫度高低分為2種方式。2種低位熱源串聯(lián)流程都比并聯(lián)流程對溫度低的低位熱源的熱量利用率更高；低位熱源溫度由高到低串聯(lián)流程對溫度高的低位熱源的熱量利用率比低位熱源溫度由低到高串聯(lián)流程以及并聯(lián)流程都要高。