直冷式乏風(fēng)熱泵技術(shù)應(yīng)用實踐探討

0引言

目前,礦區(qū)余熱資源應(yīng)用最多的是礦井乏風(fēng)余熱^[1]、礦井水余熱和空壓機余熱,其中乏風(fēng)余熱資源在礦區(qū)廣泛存在,乏風(fēng)余熱利用技術(shù)成為礦區(qū)替代傳統(tǒng)鍋爐供熱、提供清潔能源供熱的主要技術(shù)手段,并得到了廣泛的推廣。常見的乏風(fēng)換熱技術(shù)有:乏風(fēng)噴淋式換熱技術(shù)、礦井乏風(fēng)熱管式換熱技術(shù)、礦井乏風(fēng)直蒸式熱泵技術(shù)和直冷式深燴取熱乏風(fēng)熱泵技術(shù)。目前,利用煤礦礦井乏風(fēng)與涌水余熱資源,采用熱泵代煤供熱(制冷)新技術(shù),是我國政府積極鼓勵與大力支持的新技術(shù)^[2]。本文以小保當(dāng)?shù)V井乏風(fēng)余熱技術(shù)應(yīng)用實踐為例,闡述了直冷式乏風(fēng)熱泵技術(shù)應(yīng)用的有效性、可行性和先進性。

1 項目概況

經(jīng)調(diào)研,小保當(dāng)煤礦1#、2#礦井余熱資源豐富。

1)項目1#風(fēng)井場地的乏風(fēng)余熱資源:總乏風(fēng)量為24 000 m3/min,出風(fēng)溫度為12℃,相對濕度為70%,經(jīng)余熱回收利用后,可形成14 787 kw的供熱能力;井下涌水余熱資源:風(fēng)井場地井下涌水量按6 000 m3/d,涌水溫度為12 ℃,經(jīng)余熱回收利用后,可形成3 978kw 的供熱能力。

2)項目2#風(fēng)井場地的乏風(fēng)余熱資源:總乏風(fēng)量為24 000 m3/min,出風(fēng)溫度為12℃,相對濕度為70%,經(jīng)余熱回收利用后,可形成15 999 kw的供熱能力。

利用小保當(dāng)?shù)V井乏風(fēng)余熱和礦井涌水余熱,采用直冷式深燴取熱乏風(fēng)熱泵機組和涌水源熱泵機組,替代燃煤鍋爐解決風(fēng)井場地井口防凍及建筑采暖供熱需求。

2 方案設(shè)計

2.1 1#風(fēng)井場地余熱量計算

2.1.1直冷式乏風(fēng)熱泵COP計算

直冷式乏風(fēng)熱泵的COP主要由熱泵蒸發(fā)側(cè)溫度和冷凝側(cè)溫度決定,乏風(fēng)取熱后溫度為-2℃,則由乏風(fēng)與取熱器及取熱器與換熱介質(zhì)的溫差設(shè)計可知,直冷式乏風(fēng)熱泵的蒸發(fā)側(cè)溫度為-9℃;冷凝側(cè)供熱溫度為70℃,故可知直冷式乏風(fēng)熱泵冷凝側(cè)溫度為73℃,設(shè)計熱泵熱力系統(tǒng)完善度為58%,則可知直冷式乏風(fēng)熱泵的COP值如下:

COP=ξ(273十T₀)/(T_k—T₀)十1≈2.87

式中:ξ為熱泵熱力系統(tǒng)完善度;T₀為熱泵蒸發(fā)側(cè)溫度;T_k為熱泵冷凝側(cè)溫度。

2.1.2乏風(fēng)余熱量計算

根據(jù)已知條件可得,回風(fēng)井回風(fēng)量為24000m³/min,回風(fēng)溫度12℃,相對濕度70%,通過查詢軟件可知,乏風(fēng)取熱前各項參數(shù)如圖1所示。

乏風(fēng)取熱后溫度為-2℃,濕度95%,通過查詢軟件可知,乏風(fēng)取熱后各項參數(shù)如圖2所示。

由下列公式可計算熱泵供熱能力:

Φ=qp(h1-h2)COP/(COP-1)

式中:Φ為熱泵供熱能力;q為乏風(fēng)回風(fēng)量;p為乏風(fēng)取熱前空氣密度;h₁為乏風(fēng)取熱前燴值;h₂為乏風(fēng)取熱后燴值;COP為直冷式乏風(fēng)熱泵性能系數(shù)。

Φ=1.047×400×(30.054-7.049)×2.87/(2.87-1)≈

14787 kW

折合蒸汽21.1 t/h。

2.1.3涌水源熱泵COP計算

涌水源熱泵的COP主要由熱泵蒸發(fā)側(cè)溫度和冷凝側(cè)溫度決定,涌水取熱前溫度為12℃ ,取熱后溫度為3℃ ,涌水源熱泵蒸發(fā)側(cè)溫度為-5℃;冷凝側(cè)供熱溫度為70℃ ,故可知涌水源熱泵冷凝側(cè)溫度為75℃ ,

設(shè)計熱泵熱力系統(tǒng)完善度為58%,則可知涌水源熱泵的COP值如下:

COP=ξ(273+T₀)/(T_k-T₀)+1≈2.94

式中:ξ為熱泵熱力系統(tǒng)完善度;T₀為熱泵蒸發(fā)側(cè)溫度;T_k為熱泵冷凝側(cè)溫度。

2.1.4涌水余熱量計算

根據(jù)已知條件可得,涌水量6 000 m³/d,涌水排水溫度12℃,回水溫度3℃。

礦井涌水余熱量采用下式進行計算:

Q=mc(t₁-t₂)

式中:Q為涌水取熱量;m為涌水排水量;c為水的比熱容;t₁為涌水排水溫度;t₂為涌水回收溫度。

涌水源熱泵供熱能力Qg按下式進行計算:

2.22#風(fēng)井場地余熱量計算

2.2.1直冷式乏風(fēng)熱泵COP計算

直冷式乏風(fēng)熱泵的COP主要由熱泵蒸發(fā)側(cè)溫度和冷凝側(cè)溫度決定,乏風(fēng)取熱后溫度為-3℃,則由乏風(fēng)與取熱器及取熱器與換熱介質(zhì)的溫差設(shè)計可知,直冷式乏風(fēng)熱泵的蒸發(fā)側(cè)溫度為-10℃;冷凝側(cè)供熱溫度為70℃,故可知直冷式乏風(fēng)熱泵冷凝側(cè)溫度為73℃,設(shè)計熱泵熱力系統(tǒng)完善度為55%,則可知直冷式乏風(fēng)熱泵的COP值如下:

COP=ξ(273+T₀)/(T_k-T₀)+1≈2.74

式中:ξ為熱泵熱力系統(tǒng)完善度;T₀為熱泵蒸發(fā)側(cè)溫度;T_k為熱泵冷凝側(cè)溫度。

2.2.2乏風(fēng)余熱量計算

根據(jù)已知條件可得,回風(fēng)井回風(fēng)量為24000m³/min,回風(fēng)溫度12℃,相對濕度70%,通過查詢軟件可知,乏風(fēng)取熱前各項參數(shù)如圖3所示。

乏風(fēng)取熱后溫度為-3℃,濕度95%,通過查詢軟件可知,乏風(fēng)取熱后各項參數(shù)如圖4所示。

由下列公式可計算熱泵供熱能力:

Φ=qp(h₁-h₂)COP/(COP-1)

式中:Φ為熱泵供熱能力;q為乏風(fēng)回風(fēng)量(400 m³/s);p為乏風(fēng)取熱前空氣密度(1.047kg/m³);h₁為乏風(fēng)取熱前燴值(30.054kJ/kg);h₂為乏風(fēng)取熱后燴值(5.304kJ/kg);

COP為直冷式乏風(fēng)熱泵性能系數(shù)。由此可得:

Φ=1.047×400×(30.054-5.304)×2.74/1.74≈ 16322 kW

折合蒸汽23.3 t/h。

2.3 分析結(jié)果

經(jīng)過對小保當(dāng)煤礦用熱需求及現(xiàn)有余熱資源的分析,可得出,1#風(fēng)井場地乏風(fēng)余熱可提供14 787 kW 的供熱能力,大于該風(fēng)井場地井筒保溫防凍負荷11 934 kW的用熱需求,涌水余熱可提供3 978 kW的供熱能力,大于該風(fēng)井場地采暖負荷3025 kW的用熱需求;2#風(fēng)井場地乏風(fēng)余熱可提供16 322 kW的供熱能力,大于該風(fēng)井場地13 024 kW的用熱需求。

利用小保當(dāng)?shù)V井乏風(fēng)余熱和礦井涌水余熱,采用直冷式深燴取熱乏風(fēng)熱泵機組和涌水源熱泵機組,替代燃煤鍋爐解決風(fēng)井場地井口防凍及建筑采暖供熱需求。

3 技術(shù)路線

3.1 取熱系統(tǒng)

礦井乏風(fēng)熱泵分區(qū)供熱系統(tǒng)采用一套取熱系統(tǒng)^[3], 取熱器并聯(lián),按供熱需求分區(qū)供熱,不同供熱系統(tǒng)熱泵機組并聯(lián)在取熱系統(tǒng)中,并互為備用,井口防凍供熱系統(tǒng)循環(huán)介質(zhì)為乙二醇溶液,其他供熱系統(tǒng)為軟化水,分區(qū)分溫供熱,實現(xiàn)系統(tǒng)高效節(jié)能供熱。

3.2 乏風(fēng)熱泵機組

乏風(fēng)熱泵高溫機組^[4],采用螺桿式雙級壓縮機,乏風(fēng)取熱器介質(zhì)進出口溫度分別為-15、-10℃ ,機組蒸發(fā)器工質(zhì)蒸發(fā)溫度-25℃;機組冷凝器進出水溫度分別為70、80℃ ,工質(zhì)冷凝溫度95℃ ,用于礦區(qū)末端為散熱器采暖的建筑冬季供熱。

3.3內(nèi)部控制系統(tǒng)

乏風(fēng)取熱平臺上裝有多個調(diào)風(fēng)門及風(fēng)口護罩,乏風(fēng)取熱平臺的內(nèi)外分別設(shè)有壓力傳感器,壓差氣動控制調(diào)風(fēng)門開度,控制內(nèi)部壓力穩(wěn)定,并能手動/自動控制開啟,內(nèi)部擴散塔出風(fēng)口設(shè)輕體風(fēng)口護罩,遮蓋備用出風(fēng)口,氣動馬達驅(qū)動軌道式平行移動,防止冬季風(fēng)道結(jié)冰。

采用直冷式深燴取熱乏風(fēng)取熱機組,實現(xiàn)雙級甚至多級取熱,乏風(fēng)取熱量大大提高。

4應(yīng)用效果

小保當(dāng)1#風(fēng)井場地利用礦井乏風(fēng)和礦井水的余熱,采用直冷式深燴取熱乏風(fēng)熱泵供熱技術(shù)和礦井涌水源熱泵供熱技術(shù),解決場地內(nèi)的供熱需求;小保當(dāng)2#風(fēng)井場地利用礦井乏風(fēng)的余熱,采用直冷式深燴取熱乏風(fēng)熱泵供熱技術(shù) ,解決場地 的供熱需求 。項目實施后 ,實現(xiàn)總供熱量33.6 MW的 供熱能力 ,相當(dāng)于48 t/h蒸汽的供熱能力 ,完全替代 現(xiàn)有場地內(nèi)的燃煤鍋爐 ,滿足近期及后期場地的最 大負荷 ,實現(xiàn)智慧化清潔能源供熱。

5   結(jié)論
礦井余熱供熱屬于綠色低碳新技術(shù) ,其能減少化石能源及電能的使用 ,對于實現(xiàn)“碳達峰 ”“碳中 和 ”的目標(biāo)具有示范意義^[5]。
礦井余熱項 目實施后可以取得顯著的經(jīng)濟效益 ,具有良好的推廣價值和潛力。礦井余熱供熱系統(tǒng)智能化程度高 ,可實現(xiàn)遠程監(jiān)測實時影像、數(shù)據(jù) , 實現(xiàn)智慧供熱模式。
[參考文獻]
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2024年第15期第21篇