摘要：唐家会煤矿通过研究煤矿废热资源综合利用关键技术，开创了煤矿供暖一个新的技术途径，通过礦井水水源热泵工程建设，替代传统锅炉热源，实现煤矿无锅炉化，产煤不烧煤，减少能源消耗和二氧化碳排放，对于改变传统供热模式有着重要的变革意义。

关键词：矿井水;热泵;余热利用;节能减排;绿色环保

0    引言

唐家会煤矿位于准格尔煤田东孔兑普查区的西南部薛家湾镇，矿井总体面积为35.11 km2，资源储量8.05亿t，矿井设计能力500万t/a，后经产能核增提高至900万t/a。

近年来，随着国家不断加大生态环境保护治理力度，加快解决燃煤污染问题，大幅减少、逐步取缔燃煤锅炉已是大势所趋，这也是唐家会煤矿需要解决的问题。由于井下开采环境的特殊性，矿井常年正常涌水量400 m3/h，涌水量大，在井下水中储存了丰富的低温热源，通过调研，决定建设矿井水水源热泵工程，合理利用丰富的井下水资源，变害为宝，推动煤矿能源结构调整和绿色生态矿山建设。

1    矿井水水源热泵工程建设内容

1.1    原理

矿井水水源热泵机组利用一种液态制冷剂，在蒸发器中吸收低品位热能后，蒸发成气态制冷剂，然后通过压缩机压缩，变成高温气态制冷剂，随后被送入冷凝器换热，将制冷剂中的热量传递给循环水，制冷剂在重新冷凝成液态后重新返回到蒸发器中。依此循环，重复吸热、换热的过程。

1.2    工程简介

唐家会煤矿在正常生产过程中由于开采时大量涌水，且地下矿井水水温较为恒定，一般在17～21 ℃，水温与地面气温有着较大的温差，通过建设水源热泵工程，可以对井下水中的热量进行回收利用。通过计算和实地调研，该工程回收利用的热量，在冬季可以满足矿井工厂、地面建筑采暖及职工浴池用水的需求。唐家会矿污水处理站设置在井下，故只能利用处理后的矿井水热能。

1.3    工程建设方案

本工程将唐家会矿产生的矿井涌水（冬季包括洗浴废水）排入矿井水池，抽出经过水处理装置处理后送入热泵机组进行热交换，产生的热量（冷量）用以满足矿区采暖、空调、衣物烘干、井口防冻的热（冷）需求。热泵机组的外循环为矿井水和各类管道供回水，系统设计运行时，按照水源热泵机组运行标准，设定热泵机组冷凝器，蒸发器的外循环进出口水温差为5 ℃，矿井水多次循环以提高提取温差。

首先，根据唐家会矿现有资料、提出的需求以及当地气象数据进行初步计算，将计算所得低温热源所提供热量和季节所需冷、热负荷量进行比较，做出项目可行性预判，并通过季节负荷量选出符合要求的热泵机组。其次，根据建筑分布、管路设计布置及各用热单位具体负荷量进行水力计算，进而选出各类水泵泵型，并绘制出热泵系统原理图和管路分布图。再次，通过辅助设备选型和具体工程量进行投资计算，对比热泵系统运行成本、电耗与原煤矿所采用的锅炉和分体空调联合供暖、制冷所需费用、能耗，算出节能量和国家节能补贴，得出一次性项目投资，进而计算出投资回收年限。

该工程于2018年11月下旬开始实施，2018年12月中旬对安装好的设备进行了调试，并于12月下旬投入试运行。由试运行可知，该工程可以将水的温度提升至45～50 ℃后，通过增压机组送入矿井供热系统，采暖季余热利用系统负责行政办公楼东侧、生活区、地面污水处理站、矿井维修车间、综采设备库等采暖供热，同时在非采暖季取代燃煤锅炉为浴池制备洗浴热水，实现了企业与环境和谐发展的运行方式，达到了节能减排、绿色环保的目标。

建筑采暖热媒采用50/35 ℃热水，洗浴采用40～45 ℃热水，在采暖季需将循环水供应给供暖负荷及浴池，在现有的地面污水处理站较大中水池内设潜水泵，将中水送至热泵机房，通过采暖用热泵机组提热达到排放温度后返回较小中水池。循环水经过热泵机组加热后，给至新敷设的DN400管路，通过室外管道输送至负荷区。在非采暖季循环水只供给浴池，这时在现有的地面污水处理站较大中水池内设潜水泵，将中水送至热泵机房，通过采暖用热泵机组提热达到排放温度后返回较小中水池。循环水经过热泵机组加热后，送入室外45 m3水箱，经给水泵给至新敷设的DN108管路，通过室外管道输送至浴池。

2    矿井水水源热泵工程主要创新点

本工程利用热泵技术提取矿井水的热量，通过少量的高位电能输入，将水的温度提升至45～50 ℃后通过增压机组送入矿井供热系统，填补5 600 kW的供热缺口，同时在非采暖季取代燃煤锅炉为浴池制备洗浴热水。本工程在以下几个方面有所创新：

（1）该工程投入使用后，能提供矿井全年的职工洗浴用热水，同时在采暖季可以额外对工厂建筑进行供暖。

（2）改进了水源热泵机组，机组换热效率提高10%，减少了水泵的输送泵耗，增加了水源热泵机组的抗结垢、抗酸碱腐蚀能力。

（3）本工程开发的控制系统，能够根据运行环境温度变化，自动控制该系统的制热量，同时能针对季节变化及运行工况的变化自动切换和分配。

（4）余热利用、锅炉供热系统自由切换、互为备用。

在热泵机房室外敷设DN400供热管道与矿井供热系统主干管合茬，主要采用直埋局部地沟敷设，在1#闸阀井设置联络闸阀。正常运行时，热泵机组负责1#闸阀井以东的办公/生活区、地面污水处理站、矿井维修车间/综采设备库等采暖供热，原有燃煤锅炉供热系统负责选煤厂、铁路储装运系统、汽车装车站等重点生产车间及系统采暖供热。

当热泵机组或燃煤锅炉有一处出现故障不能运行时，打开1#闸阀井联络阀门，通过正常运行的机组或燃煤锅炉进行全网供热，维持管网不冻结的基础温度。

3    安全生产效益

运行一年多以来，本工程建成后主要产生了以下安全生產效益：

（1）环保效益：工程投入使用后，能变害为利，符合国家提倡的绿色发展理念。

（2）经济效益：项目实施后较燃煤锅炉可大幅降低系统运行成本。唐家会煤矿此次矿井水余热利用项目，在2018年12月31日到2019年3月20日期间（采暖季）2台机组同时运行，为全矿供暖，可停运1台热水锅炉，同时在非采暖季可以完全取代蒸汽锅炉，实现蒸汽锅炉全部停运，充分利用矿井余热，满足全矿将近一半范围内的供暖。余热技术与锅炉的相互配合使用，大大节约了供暖成本，减少了废弃污染物的排放。2019年3月20日以后，余热利用技术彻底取代了燃煤锅炉，为矿工浴室提供45 ℃的洗浴热水;在冬季，提供45～50 ℃的热水为全矿供暖，日常运行两台污水源热泵机组。系统主要负责生活、办公及辅助设施采暖，具体为单身宿舍楼、公寓楼、污水处理站、矿井维修车间、综采设备库、110 kV变电所、通风机房等，该部分采暖热负荷合计5 586 kW。矿井水水源热泵工程投入后，每年运行费用约230万元，以往锅炉每年运行费用约900万元，年运行费用节约670万元，投资回收期为1.35年。

（3）社会效益：本工程利用唐家会矿的井下余热资源，不仅具有巨大的经济效益和社会效益，而且在煤矿能源结构调整、绿色生态矿山建设中发挥着重要作用，为企业和环境的和谐发展做出了巨大贡献。

4    结语

本文针对矿井水水源热泵工程在唐家会矿的应用，从工程系统原理、工程建设简介及技术经济分析等方面进行了详尽阐述，同时一年多以来的运行表明，该工程能将矿井水热能提取与水源热泵系统使用相结合，很好地利用了低品位热能，节约了能源，满足了矿山用能需求，确实可以节省燃煤，实现污染物零排放。综上所述，该项目既是环保工程，又是节能工程，经济效益可观，具有较高的利用价值。

[参考文献]

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[3] 杨洋.浅析矿井水水源热泵工程的应用[J].科学与财富，2017（15）：237.

收稿日期：2020-04-20

作者简介：李连星（1985—），男，湖南娄底人，工程师，研究方向：煤矿机电、煤矿信息化管理。