直冷式乏风热泵技术应用实践探讨

0引言

目前,矿区余热资源应用最多的是矿井乏风余热^[1]、矿井水余热和空压机余热,其中乏风余热资源在矿区广泛存在,乏风余热利用技术成为矿区替代传统锅炉供热、提供清洁能源供热的主要技术手段,并得到了广泛的推广。常见的乏风换热技术有:乏风喷淋式换热技术、矿井乏风热管式换热技术、矿井乏风直蒸式热泵技术和直冷式深烩取热乏风热泵技术。目前,利用煤矿矿井乏风与涌水余热资源,采用热泵代煤供热(制冷)新技术,是我国政府积极鼓励与大力支持的新技术^[2]。本文以小保当矿井乏风余热技术应用实践为例,阐述了直冷式乏风热泵技术应用的有效性、可行性和先进性。

1 项目概况

经调研,小保当煤矿1#、2#矿井余热资源丰富。

1)项目1#风井场地的乏风余热资源:总乏风量为24 000 m3/min,出风温度为12℃,相对湿度为70%,经余热回收利用后,可形成14 787 kw的供热能力;井下涌水余热资源:风井场地井下涌水量按6 000 m3/d,涌水温度为12 ℃,经余热回收利用后,可形成3 978kw 的供热能力。

2)项目2#风井场地的乏风余热资源:总乏风量为24 000 m3/min,出风温度为12℃,相对湿度为70%,经余热回收利用后,可形成15 999 kw的供热能力。

利用小保当矿井乏风余热和矿井涌水余热,采用直冷式深烩取热乏风热泵机组和涌水源热泵机组,替代燃煤锅炉解决风井场地井口防冻及建筑采暖供热需求。

2 方案设计

2.1 1#风井场地余热量计算

2.1.1直冷式乏风热泵COP计算

直冷式乏风热泵的COP主要由热泵蒸发侧温度和冷凝侧温度决定,乏风取热后温度为-2℃,则由乏风与取热器及取热器与换热介质的温差设计可知,直冷式乏风热泵的蒸发侧温度为-9℃;冷凝侧供热温度为70℃,故可知直冷式乏风热泵冷凝侧温度为73℃,设计热泵热力系统完善度为58%,则可知直冷式乏风热泵的COP值如下:

COP=ξ(273十T₀)/(T_k—T₀)十1≈2.87

式中:ξ为热泵热力系统完善度;T₀为热泵蒸发侧温度;T_k为热泵冷凝侧温度。

2.1.2乏风余热量计算

根据已知条件可得,回风井回风量为24000m³/min,回风温度12℃,相对湿度70%,通过查询软件可知,乏风取热前各项参数如图1所示。

乏风取热后温度为-2℃,湿度95%,通过查询软件可知,乏风取热后各项参数如图2所示。

由下列公式可计算热泵供热能力:

Φ=qp(h1-h2)COP/(COP-1)

式中:Φ为热泵供热能力;q为乏风回风量;p为乏风取热前空气密度;h₁为乏风取热前烩值;h₂为乏风取热后烩值;COP为直冷式乏风热泵性能系数。

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涌水源热泵COP计算

涌水源热泵的COP主要由热泵蒸发侧温度和冷凝侧温度决定,涌水取热前温度为12℃ ,取热后温度为3℃ ,涌水源热泵蒸发侧温度为-5℃;冷凝侧供热温度为70℃ ,故可知涌水源热泵冷凝侧温度为75℃ ,

设计热泵热力系统完善度为58%,则可知涌水源热泵的COP值如下:

COP=ξ(273+T₀)/(T_k-T₀)+1≈2.94

式中:ξ为热泵热力系统完善度;T₀为热泵蒸发侧温度;T_k为热泵冷凝侧温度。

2.1.4涌水余热量计算

根据已知条件可得,涌水量6 000 m³/d,涌水排水温度12℃,回水温度3℃。

矿井涌水余热量采用下式进行计算:

Q=mc(t₁-t₂)

式中:Q为涌水取热量;m为涌水排水量;c为水的比热容;t₁为涌水排水温度;t₂为涌水回收温度。

涌水源热泵供热能力Qg按下式进行计算:

2.22#风井场地余热量计算

2.2.1直冷式乏风热泵COP计算

直冷式乏风热泵的COP主要由热泵蒸发侧温度和冷凝侧温度决定,乏风取热后温度为-3℃,则由乏风与取热器及取热器与换热介质的温差设计可知,直冷式乏风热泵的蒸发侧温度为-10℃;冷凝侧供热温度为70℃,故可知直冷式乏风热泵冷凝侧温度为73℃,设计热泵热力系统完善度为55%,则可知直冷式乏风热泵的COP值如下:

COP=ξ(273+T₀)/(T_k-T₀)+1≈2.74

式中:ξ为热泵热力系统完善度;T₀为热泵蒸发侧温度;T_k为热泵冷凝侧温度。

2.2.2乏风余热量计算

根据已知条件可得,回风井回风量为24000m³/min,回风温度12℃,相对湿度70%,通过查询软件可知,乏风取热前各项参数如图3所示。

乏风取热后温度为-3℃,湿度95%,通过查询软件可知,乏风取热后各项参数如图4所示。

由下列公式可计算热泵供热能力:

Φ=qp(h₁-h₂)COP/(COP-1)

式中:Φ为热泵供热能力;q为乏风回风量(400 m³/s);p为乏风取热前空气密度(1.047kg/m³);h₁为乏风取热前烩值(30.054kJ/kg);h₂为乏风取热后烩值(5.304kJ/kg);

COP为直冷式乏风热泵性能系数。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 分析结果

经过对小保当煤矿用热需求及现有余热资源的分析,可得出,1#风井场地乏风余热可提供14 787 kW 的供热能力,大于该风井场地井筒保温防冻负荷11 934 kW的用热需求,涌水余热可提供3 978 kW的供热能力,大于该风井场地采暖负荷3025 kW的用热需求;2#风井场地乏风余热可提供16 322 kW的供热能力,大于该风井场地13 024 kW的用热需求。

利用小保当矿井乏风余热和矿井涌水余热,采用直冷式深烩取热乏风热泵机组和涌水源热泵机组,替代燃煤锅炉解决风井场地井口防冻及建筑采暖供热需求。

3 技术路线

3.1 取热系统

矿井乏风热泵分区供热系统采用一套取热系统^[3], 取热器并联,按供热需求分区供热,不同供热系统热泵机组并联在取热系统中,并互为备用,井口防冻供热系统循环介质为乙二醇溶液,其他供热系统为软化水,分区分温供热,实现系统高效节能供热。

3.2 乏风热泵机组

乏风热泵高温机组^[4],采用螺杆式双级压缩机,乏风取热器介质进出口温度分别为-15、-10℃ ,机组蒸发器工质蒸发温度-25℃;机组冷凝器进出水温度分别为70、80℃ ,工质冷凝温度95℃ ,用于矿区末端为散热器采暖的建筑冬季供热。

3.3内部控制系统

乏风取热平台上装有多个调风门及风口护罩,乏风取热平台的内外分别设有压力传感器,压差气动控制调风门开度,控制内部压力稳定,并能手动/自动控制开启,内部扩散塔出风口设轻体风口护罩,遮盖备用出风口,气动马达驱动轨道式平行移动,防止冬季风道结冰。

采用直冷式深烩取热乏风取热机组,实现双级甚至多级取热,乏风取热量大大提高。

4应用效果

小保当1#风井场地利用矿井乏风和矿井水的余热,采用直冷式深烩取热乏风热泵供热技术和矿井涌水源热泵供热技术,解决场地内的供热需求;小保当2#风井场地利用矿井乏风的余热,采用直冷式深烩取热乏风热泵供热技术 ,解决场地 的供热需求 。项目实施后 ,实现总供热量33.6 MW的 供热能力 ,相当于48 t/h蒸汽的供热能力 ,完全替代 现有场地内的燃煤锅炉 ,满足近期及后期场地的最 大负荷 ,实现智慧化清洁能源供热。

5   结论
矿井余热供热属于绿色低碳新技术 ,其能减少化石能源及电能的使用 ,对于实现“碳达峰 ”“碳中 和 ”的目标具有示范意义^[5]。
矿井余热项 目实施后可以取得显著的经济效益 ,具有良好的推广价值和潜力。矿井余热供热系统智能化程度高 ,可实现远程监测实时影像、数据 , 实现智慧供热模式。
[参考文献]
[1]  田锦绣. 浅谈乏风热泵技术在煤矿供热系统的应用[J] .煤 ,2022 ,31 (8):94-97.
[2]  曹龙.矿井余热回收再利用技术在凉水井煤矿的实践与 应用[D].西安:西安科技大学 ,2020.
[3]  秦红正.煤矿余热综合利用系统工业应用实践[J].煤炭 加工与综合利用 ,2019(12):61-64.
[4]  杨征 ,杨光耀 ,谢永利 ,等.直冷式深烩取热乏风热泵技术 在小保当煤矿2# 风井的应用 [J] . 煤矿安全 , 2021 , 52(10):97-100.
[5]  曹龙.煤矿余热资源回收利用技术的特点分析[J]. 陕西 煤炭 ,2021 ,40(5):26-30.

2024年第15期第21篇