劉智昕 王進(jìn)軍 凌 堃
(白銀有色集團(tuán)股份有限公司深部礦業(yè)公司, 甘肅 白銀 730900)
近年來,借助全集成智能化、自動化管理平臺把新型清潔能源投入到現(xiàn)代工礦企業(yè)是大勢所趨,這不僅是現(xiàn)代企業(yè)實現(xiàn)節(jié)能減排和減員增效的需要,更是響應(yīng)國家環(huán)保政策、實現(xiàn)“綠水青山就是金山銀山”的具體體現(xiàn)。本文以采用ETON原子能電熱水機(jī)+太陽能混合集熱并借助自動化管理平臺實現(xiàn)無人值守來替代燃?xì)忮仩t為實例,闡明現(xiàn)代企業(yè),尤其是基礎(chǔ)設(shè)施相對落后、布局分散難以實現(xiàn)集中供熱的老礦山如何利用新技術(shù)、新能源達(dá)到降本增效的目的。
某礦山以銅金屬開采為主要業(yè)務(wù),也是新中國“一五”期間主要的銅原料生產(chǎn)基地[1],全礦現(xiàn)有職工約750人。本次節(jié)能改造的澡堂是某礦山職工下井時井口更衣、衣服烘干和洗澡所用,是一座兩層結(jié)構(gòu)的建筑。其中,更衣室上下兩層,共計670 m2,要求室內(nèi)溫度不低于25 ℃;烘干室上下兩層,共計190 m2,要求室內(nèi)溫度不低于30 ℃;澡堂設(shè)在一樓,緊鄰一樓更衣室,只有淋浴,能同時滿足40人洗澡,洗澡水要求每天24 h供應(yīng)、共計22 t左右,且要求水溫控制在38~41 ℃。某礦山一直采用邊采邊探邊基建的生產(chǎn)模式,由于采、探、基建用工方式不一樣,職工上下班時間不固定,因此井口澡堂、更衣室和烘干室用熱屬于全天候24 h,平均每班(8 h)有更衣、洗澡員工約180人。井口澡堂需要有熱水滿足洗澡,同時需要熱風(fēng)對衣服進(jìn)行烘干,另外還需要用熱水或蒸汽給更衣室及澡堂供暖,因此改造后的集熱系統(tǒng)必須具備同時提供熱水和熱風(fēng)的功能。
改造前井口澡堂用熱是采用傳統(tǒng)的集中供熱模式,即通過礦區(qū)鍋爐房的燃煤鍋爐將蒸汽送到澡堂,更衣室利用蒸汽取暖;烘干室利用蒸汽轉(zhuǎn)換的熱風(fēng)烘干衣服;澡堂裝有高位水箱,利用蒸汽將水箱的冷水加熱成洗澡熱水,用于職工洗澡。鍋爐房距離井口澡堂較遠(yuǎn),管路熱損耗較大。2017年響應(yīng)國家環(huán)保政策,某礦山把原鍋爐房的燃煤鍋爐改造成天然氣鍋爐,由于工程費(fèi)用所限,煤改氣時沒有給井口澡堂安裝單獨(dú)的燃?xì)忮仩t,夏天時仍用原鍋爐房冬季采暖用的其中1臺6 T燃?xì)忮仩t給澡堂供汽,管線距離長且夏季供汽大馬拉小車,能源浪費(fèi)較大。天然氣鍋爐供汽的工藝流程跟燃煤鍋爐供汽的工藝流程一樣,同樣是燃?xì)忮仩t將蒸汽送至澡堂,分別用于采暖、制備烘干衣服的熱風(fēng)和洗澡用熱水。改造前的工藝流程如圖1所示。
圖1 集熱系統(tǒng)改造前的工藝流程
1)崗位之間協(xié)調(diào)工作量大。燃?xì)忮仩t房和井口澡堂的崗位工要根據(jù)澡堂實際需要隨時電話聯(lián)系要求送汽或者停汽,因崗位工責(zé)任心因人而異,水箱補(bǔ)水和熱量交換在時間上不能嚴(yán)格同步,熱交換效果不理想,經(jīng)常出現(xiàn)洗澡水剩余或短缺,水溫過高或過低等,影響下井職工的正常洗澡。
2)對水量、水溫粗放式管理,能源浪費(fèi)大。
3)鍋爐房與井口澡堂之間距離遠(yuǎn),管路熱損耗大。
4)夏季用6 T燃?xì)獠膳仩t專門給澡堂供汽,大馬拉小車,崗位人員配備和能源匹配都不合理。
5)天然氣成本高,且價格不斷上漲,經(jīng)濟(jì)上不劃算;而且頻繁限量供應(yīng),給澡堂正常運(yùn)行帶來不利影響。
為徹底解決井口澡堂存在的問題且滿足節(jié)能減排、減員增效,實現(xiàn)綠色環(huán)保的發(fā)展理念,某礦山?jīng)Q定采用一種新型混合集熱技術(shù),即太陽能與ETON原子能電熱水機(jī)相結(jié)合的混合集熱系統(tǒng)。其中,采暖和烘干系統(tǒng)采用2臺ETON- R192原子能電采暖熱水機(jī);洗浴系統(tǒng)采用1套10 T太陽能系統(tǒng)。ETON原子能電熱水機(jī)是一種由加熱器、智能微電腦控制器、聯(lián)管配水系統(tǒng)、箱內(nèi)配電系統(tǒng)、檢測及弱電系統(tǒng)、外聯(lián)管道系統(tǒng)、機(jī)身金屬機(jī)箱及平衡系統(tǒng)等組成的新能源電采暖設(shè)備[2],利用金屬原子受電流激發(fā)而產(chǎn)生微裂變和脈沖相變原理,將電能轉(zhuǎn)化為2倍以上的熱能傳遞給需要被加熱的水,使出水溫度能達(dá)到90 ℃以上。新型混合集熱技術(shù)分別利用太陽能和電能來制備生產(chǎn)、生活所需的熱水,太陽能安裝在采暖建筑物的房頂[3],ETON原子能電熱水機(jī)設(shè)備只需一間普通辦公室大小的房間就可安裝,占用場地小、安裝簡便,特別適合于單棟建筑或單元性的設(shè)備場地供暖。太陽能和ETON原子能電熱水機(jī)的運(yùn)行都是利用一系列感應(yīng)或探測裝置通過智能微電腦控制器自動控制的,根據(jù)實際需要的水位和溫度提前設(shè)置好參數(shù),當(dāng)感應(yīng)或探測裝置探測到水位或溫度不達(dá)標(biāo)時,智能微電腦控制器發(fā)布指令啟動或停止設(shè)備。
3.1.1 采暖和烘干系統(tǒng)的設(shè)備配置
根據(jù)測算,采暖和烘干系統(tǒng)安裝2臺ETON- R192原子能電采暖熱水機(jī)作為主要熱源,烘干室配裝8臺FP- 238LM型風(fēng)機(jī)盤管用于二次加熱并加強(qiáng)熱風(fēng)循環(huán)[4],根據(jù)需要還可以在烘干室加裝吊扇以增強(qiáng)熱風(fēng)流動,保證能快速烘干衣物。根據(jù)礦山用工安排,烘干室需要在12~16 h內(nèi)把衣服烘干、烘熱,即保證職工在下一個班輪班時有干燥溫?zé)岬囊路?/p>
3.1.2 洗浴系統(tǒng)的設(shè)備配置
根據(jù)測算,澡堂洗浴系統(tǒng)安裝一套10 T太陽能系統(tǒng)作為主要熱源,另外再配裝ETON- R80和ETON- R40原子能電熱水機(jī)各1臺作為輔助熱源。天氣晴朗、太陽光線充足時,10 T太陽能就可以滿足澡堂洗澡用熱水;天氣不好、太陽光線不充足時,可隨時連續(xù)或間斷開啟ETON- R80和ETON- R40原子能電熱水機(jī)來加熱洗澡水。
3.2.1 采暖、烘干系統(tǒng)工作原理
在新型混合集熱系統(tǒng)的采暖、烘干系統(tǒng)中,利用其中1臺ETON- R192原子能電采暖熱水機(jī)把冷水加熱至65 ℃左右,通過熱水循環(huán)泵給澡堂、烘干室供暖,保證室內(nèi)溫度≥25 ℃;另1臺把冷水加熱至65 ℃左右,通過熱水循環(huán)泵進(jìn)入烘干室安裝的8臺風(fēng)機(jī)盤管后轉(zhuǎn)化為熱風(fēng),再加裝吊扇增強(qiáng)熱風(fēng)流動,使得烘干室內(nèi)溫度≥30 ℃,用于快速烘干衣物,烘干衣物時間≤16 h。采暖、烘干系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。
圖2 采暖、烘干系統(tǒng)的工作原理
3.2.2 洗浴系統(tǒng)的工作原理
在新型混合集熱系統(tǒng)的采洗浴系統(tǒng)中,給新安裝的10 T太陽能系統(tǒng)配備一個0.5 T的小水箱,水箱內(nèi)裝有自動溫控感應(yīng)裝置(自動補(bǔ)水、排水)。陽光充足,小水箱中的水經(jīng)過太陽能加熱系統(tǒng)自由循環(huán),當(dāng)水溫加熱至55 ℃時,自動排水裝置打開,將其輸送至裝有部分冷水的大水箱,冷熱中和至40 ℃左右,作為職工洗澡用水;陽光不充足,小水箱中的水溫達(dá)不到55 ℃時,用于加熱洗澡水的2臺原子能電采暖熱水機(jī)(ETON- R80和ETON- R40)自動啟動(通過水溫控制器自動選擇1臺或者2臺連續(xù)或者間斷運(yùn)行),將水加熱至55 ℃時,自動排水裝置打開將其輸送至裝有部分冷水的大水箱,冷熱中和至40 ℃左右,作為職工洗澡用水。洗浴系統(tǒng)的工作原理如圖3所示。
圖3 洗浴系統(tǒng)的工作原理
1)冬季天然氣蒸汽采暖系統(tǒng)和夏天新能源熱水采暖系統(tǒng)的相互轉(zhuǎn)化問題。冬季礦區(qū)利用天然氣鍋爐集中供熱,井口澡堂的采暖、烘干利用集中供熱的蒸汽;夏季新能源系統(tǒng)則是利用熱水進(jìn)行取暖、烘干,這是2套系統(tǒng)轉(zhuǎn)換要重點考慮的問題。因此,在蒸汽和熱水2套系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)處設(shè)置常閉(常開)電動閥,把蒸汽系統(tǒng)的閥門操作和熱水系統(tǒng)的閥門操作分別集成為兩個模塊并遠(yuǎn)程操控,操作工只需在操作面板上點“啟動/停止蒸汽系統(tǒng)”或“啟動/停止熱水系統(tǒng)”即可。
2)采暖用散熱片要同時具備熱水和蒸汽兩種介質(zhì)的使用功能。為降低改造費(fèi)用,發(fā)揮自身優(yōu)勢,采用鋼管自制排管散熱片來解決這一問題。
3)太陽能系統(tǒng)水箱(0.5 T小水箱)和洗澡水儲水箱(大水箱)之間水位、水溫和防溢流的自動化控制。把小水箱放置在大水箱的上面,做好支撐,既節(jié)省安裝空間,又能有效實現(xiàn)2個水箱的互通和防溢流。2個水箱水位、水溫的感應(yīng)裝置,小水箱給大水箱供熱水的電動閥以及實現(xiàn)自動運(yùn)行的自動化模塊必須質(zhì)量過關(guān)、性能可靠、運(yùn)行穩(wěn)定[5]。
ETON原子能電采暖熱水機(jī)是使用電力加熱的淋浴裝置,利用物態(tài)變化傳遞能量,實現(xiàn)了水電分離,安全系數(shù)進(jìn)一步提高。沒有燃?xì)鉄崴畽C(jī)使用中存在的易觸電、易燃、易爆、易中毒等安全問題,是當(dāng)今較為安全可靠的熱水及采暖設(shè)備。加熱器的發(fā)熱材料包裹在水管中間,形成超長“跑道”,增大了熱交換面積,提高了熱轉(zhuǎn)換效率;特種金屬原子發(fā)熱體在加熱時只產(chǎn)生熱能,沒有光耗,所產(chǎn)生的熱量幾乎完全被水吸收,熱轉(zhuǎn)換效率極高。不受環(huán)境限制,可安裝在樓頂、陽臺、車庫或地下室等通風(fēng)良好的地方,不須專人看管,不須設(shè)置專用機(jī)房,維護(hù)成本低;同時不改變原有建筑物的暖通設(shè)計,只需將本機(jī)與采暖系統(tǒng)導(dǎo)入口的進(jìn)出水管連接上即可實現(xiàn)正常供暖。可模塊式安裝,實現(xiàn)“分散式集中供暖”方式,特別適合采暖區(qū)域比較分散、集中供熱管線長的廠區(qū)或辦公場所。
新型混合集熱系統(tǒng)是利用太陽能和電能兩種清潔能源,對環(huán)境沒有污染。在工作過程中不會排放有害氣體,工人即使在密閉的空間里淋浴,也不用擔(dān)心人體健康方面的問題。
新型混合集熱系統(tǒng)不受陰、雨等天氣的不良影響,能24 h全天候使用,彌補(bǔ)了一般太陽能受天氣環(huán)境影響,不能保證隨時供應(yīng)熱水的缺陷;而且安裝有精確的水溫控制系統(tǒng),保證淋浴過程中水溫恒定。
1)對改造前集熱系統(tǒng)2018年、2019年夏天5—8月天然氣使用情況進(jìn)行統(tǒng)計,平均每月消耗天然氣1.5萬m3,按當(dāng)?shù)靥烊粴馐袌鰞r2.05元/m3測算,每月花費(fèi)約3.08萬元。
2)對改造后新型混合集熱系統(tǒng)2019年9—10月的能源使用情況進(jìn)行統(tǒng)計,采暖和熱水系統(tǒng)、烘干室、輔機(jī)的用電量分別為25 530 kWh/月、10 240 kWh/月、660 kWh/月,合計消耗電量為36 430 kWh/月,按當(dāng)?shù)仉娏κ袌鼍鶅r0.52元/kWh測算,每月花費(fèi)約1.89萬元。
綜上,采用ETON原子能電熱水機(jī)+太陽能混合集熱系統(tǒng)替代天然氣供熱,每月可節(jié)省費(fèi)用約1.19萬元,則每年夏季(按6個月計算)可節(jié)省費(fèi)用7.14萬元。
某礦山集熱系統(tǒng)改造后,井口澡堂員工配置由2人/班減少為1人/班,實現(xiàn)長期減員4人;鍋爐房夏季崗位減員8人,可以短期內(nèi)臨時補(bǔ)充到其他缺員崗位上去,實現(xiàn)了人力資源的優(yōu)化配置。
某礦山在井口澡堂安裝ETON原子能電采暖熱水機(jī)+太陽能新型混合集熱設(shè)備替代鍋爐房的燃?xì)忮仩t,省去了長距離供熱管線的熱量損耗,同時借助于全集成自動化軟、硬件系統(tǒng)實現(xiàn)澡堂運(yùn)行自動化、溫控自動化,降低了澡堂崗位工的勞動強(qiáng)度;停止燃?xì)忮仩t運(yùn)行,減少了鍋爐運(yùn)行人員;同時不再受天然氣價格和限量供應(yīng)的影響,確保井口澡堂的運(yùn)行不受外界條件的制約。ETON原子能電采暖熱水機(jī)+太陽能混合集熱系統(tǒng)的投用,在綠色環(huán)保、節(jié)能減排和減員增效方面顯現(xiàn)出很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益,尤其是在一些廠區(qū)或辦公區(qū)域比較分散,集中供熱不具優(yōu)勢的廠礦,把區(qū)域劃分成單元采用這種新型混合集熱方式采暖在降本增效方面優(yōu)勢比較明顯。本文為現(xiàn)代工礦企業(yè)如何借助全集成智能化、自動化管理平臺把新型清潔能源投入到生產(chǎn)現(xiàn)場提供了一定的經(jīng)驗。