某乏风余热利用供热系统设计及测试分析

焦春玲 白延斌 霍海红 白亚娟

某乏风余热利用供热系统设计及测试分析

焦春玲1白延斌2霍海红3白亚娟4

（1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司 西安 710065 ；2.中煤能源研究院有限责任公司/中国科学技术大学 西安 710054；3.陕西大唐新能电力设计股份有限公司 西安 710048；4.陕西省煤炭科学研究所 西安 710054）

针对某矿井热源改造问题，介绍了矿井热源系统设计内容，给出了系统配置情况。结合系统设计对喷淋换热装置喷水系数、换热效率、喷淋换热阻力进行了分析计算，针对该系统的实际应用情况进行了现场测试分析，得知系统供热在室外环境温度-7.9℃，矿井排风温度11℃，井口送风温度11.5℃，系统较好的满足了供热目的，对指导矿井回风换热供热系统的设计及运行具有参考意义。

热泵；余热；设计；乏风

0 引言

根据《BP世界能源统计年鉴》（2018年版）表明，2017年全球能源需求增长了2.2%，煤炭消费量自2013年以来首次出现反弹[1]。中国能源消费量增长了3.1%，连续第17年居能源增量之首。经历了2014年至2016年的低增长或零增长后，能源消费所导致的碳排放量增长了1.6%。煤炭在中国能源消费中的占比为60.4%。可以看出煤炭资源依然在我国能源供给中占据举足轻重的地位，为了有效缓解资源开发与生态环境保护的矛盾，实现煤炭企业的清洁供热迫在眉尖。尤其是寒冷及严寒地区矿井热源大部分是低吨位小规模锅炉，已经与国家环保政策法规不符，污染物排放量不达标且属于国家及地方政府明确要求限期拆除淘汰范围之内。在锅炉面临淘汰拆除之际煤炭企业必须寻求切实可行的环保供热替代方案，为公司的持续健康发展及热用户提供有力保障。在矿井开采过程中，大部分矿井回风温度常年维持在10℃以上，热害矿井常年维持在25℃以上，因此合理利用该部分矿井乏风作为热源换热，设计水源热泵系统来满足矿区供热需求的项目近年来得到不断发展[2-4]。笔者尝试从山西北部某矿井乏风余热利用系统设计及实际测试来分析该系统。

1 项目概况

该项目属于某集团公司下属矿井，矿井设计生产能力为1.20Mt/a，地处偏远，冬季进风井井筒防冻依靠配套建设的2x2t/h锅炉+1x1t/h热风炉供热。由于矿井锅炉供热高能耗、高污染问题，矿区采用乏风喷淋取热—热泵供热系统取代了原有锅炉供热系统，该供热系统主要服务于307盘区进风井井筒防冻，采用水源热泵技术回收矿井排风废热[5,6]。主要研发采用了喷淋取热装置、水源热泵机组及高效末端散热设备。

2 系统设计

2.1 系统计算

依据《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》该地室外空气计算参数：冬季供暖室外计算温度：-16.3℃，冬季通风室外计算温度：-10.6℃，极端最低温度值：-27.2℃，历年极端最低温度平均值：-24.3℃，冬季平均风速：2.8m/s。本系统中，采矿专业工艺设计矿井设计排风量414000m3/h，矿井设计进风量244800m3/h，其余进风量由另外一处工业场地进风井承担，不在本系统设计范围内。

根据《煤炭安全技术规程》采用历年极端最低温度平均值-24.3℃计算矿井进风需热量，矿井进风井井口温度按照2℃考虑，计算得进风需热量为2540kW。

根据供热系统需热量，配置热泵机组供热能力需≥2540kW，设计假定热泵机组能效为4.0，计算得知热泵机组取热量为1905kW。

因此设计系统取热器必须保证取热量≥1905kW。根据工艺配置该系统矿井排风量为414000m3/h，计算得知喷淋取热器前后空气焓差设计值为16.5kJ/kg。其余附属配件设计计算不再赘述。

2.2 系统配置

系统中水源热泵机组采用5台HE600机组，涡旋式水源热泵机组，名义制热量584.8kW，额定供回水温度50/40℃，名义输入功率121.47kW，制冷剂R22，制冷剂充注量120kg。

喷淋取热装置2套，一用一备，额定进风量115m3/s，额定吸热量1905kW。

5台50000m3/s井口加热器，单台额定供热量756kW，电机功率15kW。

4台供热循环水泵，4台取热循环水泵，2台加压补水泵，1台污水潜污泵。1台全自动过滤器，1台全能水处理器，1套软水装置。配置10台控制柜，1台变压器。系统原理示意图如图1所示，机房布置图实物图如图2所示。

图1 供热系统原理图