温小萍，胡 强，马尚祯

（1.河南理工大学，河南 焦作454000；2.河南能源化工集团鹤煤公司 陕西富源煤业有限公司，陕西 延安727502）

1 概述

随着国家环保政策实施力度加大，燃煤锅炉已经禁止使用，在此背景下，煤矿供热系统改造势在必行[1]。另一方面，随着我国社会经济的进步和发展，我国的煤矿企业的发展也取得了一定的进步[2]。作为当今世界第一产煤大国，我国煤炭企业近年来面临着巨大的挑战，尤其受到国内投入过快、产能过剩及煤炭供应继续收缩等因素的影响，煤炭生产企业盈利能力下降。同时，依据我国《大气污染防治行动计划》《工业领域煤炭清洁高效利用行动计划》等文件精神，节能减排已经纳入中国的法律当中，目前是世界经济发展的一项长期的战略性政策，也是促进经济增长的战略方针[3-4]。

煤矿现在基本上已经淘汰10 吨及以下燃煤锅炉，以及禁止新建20 吨以下的燃煤锅炉。全面整治燃煤小锅炉是我国大气污染防治、煤炭清洁高效利用的重要举措。在面临“煤改电、煤改气”的大背景下，煤炭企业不仅要寻求“开源”，更需要考虑“节流”，加强对能源高效利用和节约控制显得尤为重要。为了深入贯彻国家政府节能减排相关政策，积极响应集团公司节能提效的号召。煤矿在保障生产安全和产能前提下，经多方调研和研讨，拟通过深入挖掘生产技术潜力，申请并实施煤矿余热利用改造项目，以进一步减少生产及矿工生活过程中的能源消耗，在促进矿井安全生产、节约能源、保护环境等方面具有显著的经济效益和社会效益[5]。

2 多热源余热利用系统方案

2.1 技术比选

矿区余热资源属于低温余热，高效利用上述低温余热，提升其热能品质并加以有效利用是本项目的关键所在。热泵是一种以消耗少量电能为代价，能将大量不能直接利用的低温热能变为有用的高温热能的装置。在诸多低温余热装置中有节能效率高、设备运行稳定等特点，同时在运用方面也是最为广泛。通常情况下，热泵机组的能效比在4-6，也就是说输入1kW 电能可以得到4-6kW 的热能或冷能，与燃煤锅炉相比，系统在节能方面可达到40%以上。太阳能集热系统是利用转换技术将光能转换为热能，再制备热水进行供热。太阳能具有可以解决一次性能源短缺问题的优点，同时又具有可以保护环境的节能特点，已经被广泛的应用于我们的生活中。但是太阳能也存在一些缺点，如具有能源分散，气候状况不稳定等因素，因此设计多热源余热利用系统时要充分的考虑到可以吸收更多的太阳能，最大程度的储存能量，以及对常规性能源辅助加热等一系列功能。在煤矿应用时，采用低温废热回收热泵供热、太阳能集热技术可以替代燃煤锅炉，可以实现供热无污染物排放，清洁高效节能。

2.2 多热源余热利用系统原理

矿区余热综合利用项目的研究与应用是一次煤炭能源企业打破传统思维模式，自我革新解放思想过程[6]。为实现良好的热水供应效果，结合瓦斯泵站、空压机房的实际运行情况和当地日照时长，可采用一套空气源热泵、一套水源热泵和一套太阳能集热系统。其中，水源热泵和太阳能集热系统供水管道沿原有架空管线布置，后续布置进管沟的方案，可以避免土建工程，且热水管道在管沟中的热损失较少，可以有效节约输送过程中的热能消耗。空压机房排出的风流温度为42℃，风量为22800m3/h，利用空气源热泵回收该处风流中的热量；瓦斯泵站的循环水出水温度为36℃，水量为18m3/h，利用水源热泵提取循环水中的热量；瓦斯泵站附近地势较高（标高+1166m），周围无建筑物遮挡，可以获得最为丰富的太阳能。此外，从瓦斯泵站循环冷却水中取热的同时，将极大程度降低瓦斯泵站回流的冷却水温度，有利于瓦斯泵站机组的冷却降温。

2.3 多热源余热利用系统工艺流程

在瓦斯抽采泵站旁边设置水源热泵机房（标高+1148m）和太阳能集热站（标高+1166m），集热面积200m2。冬季时，自来水补水先经太阳能集热系统预热，后送入高位蓄热水池，由水源热泵进行二次加热至55℃；夏季时，自来水先由太阳能集热系统加热至55℃，后送入高位蓄热水池，热水再经保温管道输送至用水区蓄水箱和水池。为减少输送过程的热量损失，供热水管道做保温处理。其中在水源热泵侧采用混水技术，在不影响瓦斯泵站原有冷却水系统正常运行的基础上，将原泵站冷却水系统进行分流取热，之后再将低温的冷水与冷却塔处理后的水混合，进一步降低进入泵站的水温，保证生产作业稳定性的同时，提高了机组的冷却效率。

在空压机房旁设置空气源热泵机组，若空压机处于运行状态，自来水经空气源热泵制出55℃热水，然后经由保温管道输送至用水区蓄水箱。为减少输送过程的热量损失，热水的供水管道做保温处理。另一方面控制系统根据用户用水特点，在用户侧原有40m3蓄水箱基础上，可自动调节并供应40m3增补热水，保证热水供应量满足每班工人最大用水需求。此外，设置有手动启/停单个热源取热设备功能，并可根据冬夏季用水温度需求，对空气源、水源热泵进行独立温度调节。

2.4 多热源余热利用系统的优点

（1）系统取热以水源热泵和空气源热泵为主，设计时考虑了太阳能集热系统取热的不稳定性，要求水源热泵和空气源热泵能满足用水量需求，其中水源热泵机组长期运行，维持进入瓦斯泵站的循环冷却水温度恒定（低于14℃），有效降低了循环冷却水的温度；（2）空气源热泵可匹配空压机工作时段自动启动/停机，也可根据用户侧水箱低水位反馈信号开机运行，提取周围空气中的热量制取55℃热水；（3）太阳能集热系统作为补充热源，在用水高峰时及时提供热水补偿，在保证清洁取热的同时满足用水峰值的流量，同时在冬季还可对进入高位蓄水池的自来水进行预热处理；（4）两个高位蓄热水池具有较大容积，可在对用户侧蓄水箱进行热水补偿的同时直供淋浴用水。

整个系统的工作原理如图1 所示。

3 多热源余热利用控制系统

3.1 水源热泵系统控制原则

水源热泵优先运行，其在管路布置及控制逻辑上必须与冷却塔必须实现三种模式：

（1）正常模式。在一般工况下，水源主机运转，来自真空泵的热水一般情况下到主机进行热量提取。

（2）冷却塔和水源主机串联模式。在一些极端工况下，热量无法被单一冷却时。需要切换到冷却塔和主机串联运转模式。来自瓦斯泵的热水经过冷却塔后再经过主机。

（3）故障模式。主机维修、检修或维保期间，能无缝切换到冷却塔冷却，确保瓦斯泵的运转。

3.2 太阳能集热系统控制原则

（1）在太阳能集热器设置温度传感器，由其控制电磁阀。当温度达到设定温度后电磁阀打开将水补到中转水箱。水箱水温达到一定水位及温度后，泵到洗浴水箱。

（2）在阳光不足或气温过低时，切换太阳能系统为预热水温装置，送至高位蓄热水池，由水源热泵二次加热。

（3）设定温度传感器，考虑使用瓦斯泵的来水对自来水补水进行预热。

（4）整个系统的补水，优先考虑由太阳能及预热后的自来水进行补充。

3.3 空气源热泵的控制原则

（1）根据水源热泵及太阳的运行情况预运算，如果预计不能满足要求，则提前开启空气源热泵。

（2）根据用户侧蓄水箱低液位信号反馈，开启空气源热泵制取热水。

图1 煤矿余热利用系统工作原理

4 多热源余热利用系统设备选型

余热利用系统主要由空气源热泵机组、水源热泵机组、太阳能集热系统、热水供回水系统组成。

4.1 热泵机组和太阳能集热系统选型

根据需热量及热泵和太阳能机组调研结果[7-9]，结合煤矿实际建筑分布情况，采用1 台空气源热泵机组，1 台水源热泵机组和1 套200m2太阳能集热系统。水源热泵系统稳定运行时可将高位蓄热水池的水温维持在55℃，空气源热泵可将自来水直接加热到55℃；太阳能集热系统可将10℃来水加热至55℃，冬季每天产生10t 热水，直接供给高位蓄热水池。因设计方案在水源侧采用了混水技术，在确保蒸发器流量的前提下，可提取更多热量，理论取热最大功率为648kW。

4.2 热水供水系统

水源热泵和太阳能集热系统制出的热水开式直供用户侧，系统由电磁阀、管件、水泵、高位蓄热水池及管道组成。供水系统流程如下：自来水补水→太阳能集热系统预热→高位蓄热水池→水源热泵再热→水泵→供水管路→用户侧蓄水箱/水池。

空气源热泵采用开式直供方式，由电磁阀、管件、水泵及管道组成，供水系统流程如下：自来水补水→空气源热泵加热→水泵→供水管路→用户侧蓄水箱/水池。

开式循环具有换热损失少、及时补偿用水需求、节约管材和管件等优点，具体如下：（1）开式系统没有末端换热器，避免了换热时的热量损失；（2）开式系统可及时保证用户侧需求，随时补偿；（3）开式系统采用单程供水方式，可以减少管路敷设用量，阀门、水泵等管件需求量少。

水管路分别由DN150、DN65 以及DN50 供水管组成，其中DN150、DN65 为水源热泵循环热水管以及侧源旁通管道，DN50 为高位蓄热水池供水管，DN32 为空气源热泵供水管。管材以国标镀锌管为主，外置聚氨酯发泡保温层厚度≥50mm。

5 经济效益分析

每吨10℃的水加热到55℃，需消耗热量：

同时考虑锅炉热效率为85%，则Q=18.9×104÷0.85=22.2×104KJ。每立方天然气热值为36MJ，所以每吨热水耗气量：Q=22.2×104KJ/36×103KJ=6.17m3。该余热利用系统每小时制取10+2+0.4=12.4 吨热水，则可节约燃气：12.4×6.17=76.51m3，全年节约燃气：76.51×24×365=670227.6m3，按照每立方燃气价格2.8 元计算，燃气费：2.8×670227.6=187.66 万元。

此外，进入瓦斯泵循环冷却水温度由原来的26℃（夏季30℃）降低到15℃以下，对于瓦斯泵站机组运行效率可以提升7%左右。现有瓦斯泵实际运行情况为1 台630kW和1 台355kW 同时运行，每小时可节约电量（630+355）×0.07=68.95kW，每度电按0.8 元来计算，可计算出每年节约的电费为68.95×24×365×0.8=48.32 万元。

水源热泵和空气源热泵机组总功率为128.4+24=152.4kW，年耗电量为：128.4×24×365+24×20×365=1124784+175200=1299984kW·h，每度电按0.8 元计算，可计算出每年电费为1299984×0.8=103.99 万元。

因此，煤矿余热利用改造后每年可产生经济效益如下：

6 结论

煤矿为提高低温余热的利用率采用多热源余热利用系统进行回收利用。在国家“节能减排政策”及建设资源节约型、环境友好型社会的大背景下，采用热泵技术充分利用煤矿余热资源部分甚至全部取代矿区燃煤小锅炉是实现煤炭清洁高效利用的明智之举，也是煤矿实现“采煤不烧煤”、谋求绿色低碳转型升级的主要方向。