小纪汗煤矿风井场地乏风余热利用系统的应用研究
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作者:葛凯
摘 要：该文针对小纪汗煤矿乏风余热回收系统应用过程中存在的问题进行了总结分析，小纪汗煤矿风井场地余热资源丰富，风井出风温度为17℃，相对湿度为85%。煤矿乏风稳定可靠，其余热资源是乏风热泵非常理想的低温热源。采用直蒸式乏风热泵综合能效高，乏风热泵供热能力5426kW，余461kW。完全可以满足井筒保温及采暖用热要求。
关键词：乏风 余热 热泵
小纪汗煤矿采用中央分区式，通风方法为抽出式，由主、副斜井和中央进风立井进风，中央回风立井、小苏计回风立井回风，实现两个综采面两个回风立井回风。根据各用风地点风量计算结果分析，矿井配风量为235m3/s，其中主斜井进风量为35m3/s，副斜井进风量为70m3/s，中央进风立井进风量130m3/s，中央回风立井回风135m3/s，小苏计回风立井回风100m3/s。出风温度为17℃，相对湿度为85%。煤矿乏风稳定可靠，其余热资源是乏风热泵非常理想的低温热源。
1 供热负荷计算
1.1 建筑采暖供热负荷计算
1.1.1 负荷计算模型
根据传热学原理与设计规范，采用如下公式计算建筑物采暖热负荷：
式中：Qs为建筑物采暖设计计算热负荷（kW）;
V为建筑物体积（m3）;
K为单位体积传热系数（w/（m3·℃））;
tn为建筑物室内设计计算温度（℃）;
tw为建筑物室外空气设计计算温度（-15℃）。
1.1.2 小纪汗煤矿建筑采暖负荷
通风机房115kW，空压机站53kW，热泵机房47kW，风井场建筑采暖负荷215kW。
1.2 进风井口防冻加热负荷计算
风井场地立井进风量为130m3/s。冬季在采暖不保证期内（室外-5℃以下的时间），根据《煤炭工业矿井设计规范》（GB 50215-2015）的要求，进风井口温度要求防冻，其进风混合温度要求2℃，煤矿进风井口加热负荷按下式计算：
式中：Q为进风井口防冻加热负荷（kW）;
L为井口进风量（m3/s）;
ρ为空气2℃时的密度（1.15kg/m3）;
Cp为空气2℃时的定压比热（1.01kJ/（kg℃））;
Tj为进风井口设计温度（2℃）;
Twp为当地冬季极端平均最低温度（-24℃）。
根据上述计算式，可分别计算出各井加热负荷：
2 余热资源及其供热能力分析
2.1 余熱资源情况
风井场地矿井回风（乏风）余热量及供热能力计算具体如下。
小纪汗煤矿回风量约135m3/s，温度按17℃，相对湿度85%;经过综合取热装置后，设计排风温度5℃，相对湿度95%计算其余热量，具体如下。
式中：Qf为矿井回风余热量（kW）;
L为设计回风量（135m3/s）;
ρ为回风密度（2℃/50%时1.066kg/m3）;
Hi为回风进入综合取热器焓值（17℃/85%时47.00kJ/kg）;
Ho为回风经综合取热器后焓值（设计5℃/95%时19.80kJ/kg）。
根据上式可以得出：
回风余热量：Qf=135×1.066×（47.00-19.80）=3914（kW）。
乏风热泵供热能力：Qg=Qf×COP/（COP-1）=3914×3.59/（3.59-1）=5426（kW）。
乏风热泵功耗：1512kW。
小纪汗煤矿风井场余热供热能力为：5426kW。
2.2 小纪汗煤矿余热量
小纪汗煤矿风井场乏风风量为135m3/s，温度为17℃，相当湿度85%，乏风可取热量3914kW，乏风热泵供热能力5426kW。
2.3 小纪汗煤矿热泵能效分析
小纪汗煤矿风井场乏风热泵机组，设计制热能效COP分别达到3.59。
3 乏风供热系统设计方案
风井场利用乏风余热，采用高效传热和乏风热泵供热技术，满足风井场冬季建筑采暖与井口防冻加热需求，实现完全代替风井场燃煤锅炉目标。
3.1 系统设计方案
根据前面分析计算，风井场地建筑与井口供热负荷为4965kW（热网损失系数1.05），其中井口加热4514kW，建筑215kW。风井场回风余热资源十分丰富，可采用SMMET系列煤矿专用“深焓取热直蒸式乏风热泵”供热技术满足建筑采暖与井口防冻供热需求，具体方案如下。
3.1.1 井口加热及建筑采暖
风井场回风扩散塔上方新建一座乏风取热室，将SMEET专用乏风取热箱布置在取热室东南两面墙上，让矿井回风通过取热箱，低温热力工质在取热箱中换热器内蒸发吸取乏风余热后，经工质管道送至热泵机房内压缩冷凝机组内压缩机吸气口，通过压缩机做功提升热品位送至冷凝器内，热力工质在冷凝器内散热制备热水，通过循环水泵送至井口加热机组与建筑末端采暖设备。
压风机房可以采用导风筒侧壁开洞的方式，将热风送入压风机房，实现压风机房采暖目的。井口房及其他建筑采用末端加热设备，实现井口防冻与建筑采暖。
3.1.2 洗浴热水预留
在乏风热泵机房供热形成的主管网，预留两个接口（DN150），为后期洗浴热水预留供回水接口，二期只需增加洗浴板式换热器、循环水泵及蓄热水箱。
3.1.3 水源、水量及水质情况
乏风余热利用项目采用乏风热泵加热高温热水通过水泵供至各建筑末端，系统循环为闭式循环，循环水量容积约30m3，循环水为处理后的软化水，一次性补水满后，系统会根据闭式循环管网的压力，压力损失即补水，无损失不补水;系统耗水量每小时约为1%～2%。
3.2 主要设备选配
3.2.1 乏风热泵主机设备选配
根据供热负荷及外管工程情况，该项目选配SMMET煤矿专用“深焓取热直蒸式乏风热泵”机组4台，单台制热能力为1350kW，
采用一台热泵压缩冷凝机组“一配五”原则，选配乏风取热箱数量，共计20台，单台取热量为175kW。
3.2.2 井口加热机组选配
为防止冬季井筒及提升设备结冰，保证矿井安全生产，根据《煤炭工业矿井设计规范》（GB 50215-2015），对该风井工业场的进风井采取防冻措施。
井口防冻按该地区冬季极端平均温度-24℃，进风加热负荷为4514kW，采用SMEET煤矿专用防冻型高效热水盘管加热机组，在进风井口旁分别设置空气加热专用机组，以确保井筒防冻，保证供热效果。同时为防止停止供热时，井口加热器冻坏，在热泵机组与井口加热器之间的循环采用防冻液循环系统。
为了确保井筒内的温度满足生产要求，便于运行管理，节约能源，进风井空气加热设计选用SMEET煤矿专用防冻型空气加热设备共计10台，单台供热量500kW，加热系统总供热能力为5000kW。
4 结语
小纪汗风井场地余热资源丰富，乏风稳定，且富余量多，采用直蒸式乏风热泵综合能效高，乏风热泵供热能力5426kW，余461kW。完全可以满足井筒保温及采暖用热要求。
参考文献
[1] 柳延超.热泵与矿井回风余热回收装置耦合系统的研究[D].河北工程大学，2012.
[2] 孙冠男.矿井总回风热能回收综合利用研究[D].辽宁工程技术大学，2011.
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