許來(lái)燦

(焦作煤業(yè)(集團(tuán))科學(xué)技術(shù)研究所，河南 焦作 454000)

焦煤公司中馬村礦位于河南省焦作市東北8 km，行政區(qū)劃屬焦作市馬村區(qū)管轄，核定生產(chǎn)能力100萬(wàn)t/a，是河南省中型礦井?，F(xiàn)有1臺(tái)10 t/h燃?xì)忮仩t，在采暖季為礦井提供供暖及洗浴用水，非采暖季利用建材廠2臺(tái)2 t/h余熱鍋爐加外購(gòu)熱水方式為礦井提供洗浴用水，夏季降溫主要依靠空調(diào)。2021年，中馬村礦綜合能源消費(fèi)量為9 922.14 t標(biāo)準(zhǔn)煤，其中供暖消耗天然氣757 724 m3，巨大的天然氣用量不僅增加了礦井的綜合能源消耗量，且?guī)?lái)了沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，必須對(duì)現(xiàn)有的供暖方式進(jìn)行改造或革新[1-5]。

1 礦井余熱資源

1.1 熱源分析

目前，礦井可利用的工業(yè)廢棄能源主要包含以下4項(xiàng)。

(1)礦井水排水。礦井排水量約2 200 m3/h，排水溫度16～20 ℃，可為礦井水余熱利用提供優(yōu)質(zhì)水源，礦井水可回收熱量為852 kW/h(水溫由18 ℃降至10 ℃)。

(2)建材廠煙氣余熱。中馬村礦建材廠可利用散排熱煙氣余熱量511 kW/h，日產(chǎn)80 ℃熱水170 m3，轉(zhuǎn)換為50 ℃熱水，所產(chǎn)熱水量為329 m3/d。

(3)空壓機(jī)余熱。中馬村礦礦內(nèi)和羅莊分別安裝4臺(tái)螺桿式壓風(fēng)機(jī)，2座壓風(fēng)機(jī)房正常生產(chǎn)時(shí)各運(yùn)行1臺(tái)，為井下安全生產(chǎn)提供壓風(fēng)。礦內(nèi)空壓機(jī)可利用余熱量90 kW/h，按進(jìn)水溫度18 ℃，出水溫度50 ℃計(jì)算，所產(chǎn)熱水量為58 m3/d；羅莊空壓機(jī)余熱可利用量140 kW/h，按進(jìn)水溫度18 ℃、出水溫度50 ℃計(jì)算，所產(chǎn)熱水量為90 m3/d。

(4)瓦斯發(fā)電站余熱。中馬村礦羅莊瓦斯發(fā)電站共有600 kW燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組6臺(tái)，正常生產(chǎn)時(shí)開(kāi)機(jī)1臺(tái)。瓦斯發(fā)電站可利用余熱量300 kW/h，按進(jìn)水溫度18 ℃、出水溫度50 ℃計(jì)算，所產(chǎn)熱水量為193 m3/d。

礦井余熱資源見(jiàn)表1。

表1 礦井余熱資源Tab.1 Mine waste heat resources

1.2 冷熱負(fù)荷需求計(jì)算

(1)建筑冷負(fù)荷計(jì)算。由現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，中馬村礦需改造的風(fēng)盤(pán)末端制冷面積約2.4萬(wàn)m2，末端冷負(fù)荷指標(biāo)90 W/m2，則需要配置的總冷負(fù)荷為2 160 kW。

(2)建筑熱負(fù)荷計(jì)算。由現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，中馬村礦采暖季需供暖面積為2.4萬(wàn)m2，末端熱負(fù)荷指標(biāo)70 W/m2，則需要配置的總熱負(fù)荷為1 680 kW。

(3)洗浴熱水熱負(fù)荷計(jì)算。礦井職工洗浴日平均用水量為220 m3(夏季)/285 m3(冬季)(80 ℃)，轉(zhuǎn)換為50 ℃熱水，每天所需熱水量為426 m3(夏季)/552 m3(冬季)。

1.3 可利用性分析

礦內(nèi)空壓機(jī)余熱利用需另外增加換熱設(shè)備1套，費(fèi)用約為86萬(wàn)元，空壓機(jī)年產(chǎn)熱水價(jià)值約16.4萬(wàn)元。羅莊空壓機(jī)和瓦斯發(fā)電站余熱利用系統(tǒng)建設(shè)費(fèi)用約為95萬(wàn)元，每天可產(chǎn)出50 ℃熱水283 m3，所生產(chǎn)熱水不能滿(mǎn)足礦內(nèi)需求，且羅莊距離礦井較遠(yuǎn)，將熱水運(yùn)回礦內(nèi)需安排運(yùn)輸車(chē)輛和人員，增加運(yùn)輸安全風(fēng)險(xiǎn)，運(yùn)輸過(guò)程中水溫下降多，對(duì)比效益較低，不具備可行性。

中馬村礦建設(shè)2臺(tái)全熱回收機(jī)組對(duì)礦井水廢棄熱源進(jìn)行回收利用，同時(shí)搭配建材廠余熱熱源所產(chǎn)熱水，即可滿(mǎn)足礦井采暖、制冷、洗浴用水需求，不需再投入其他系統(tǒng)建設(shè)費(fèi)用。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)原則

利用水源熱泵技術(shù)實(shí)現(xiàn)職工洗浴熱水的供應(yīng)、地面生產(chǎn)、生活區(qū)域冬季供暖、夏季供冷的問(wèn)題，在已實(shí)施余熱利用和鍋爐節(jié)能運(yùn)行管理措施的基礎(chǔ)上，對(duì)中馬村礦進(jìn)行“去鍋爐化改造”，滿(mǎn)足全年包括辦公樓、宿舍樓、浴室、行政福利及民用建筑冬季采暖需求和夏季供冷需求，燃?xì)忮仩t保留，作為應(yīng)急熱源和極端天氣井筒防凍使用。

2.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容

考慮設(shè)備的冗余性和部分負(fù)荷狀況下的高效性，合理調(diào)整利用礦區(qū)熱源，建設(shè)1個(gè)智能化無(wú)人值守?zé)岜谜荆簾岜谜窘ㄔO(shè)地點(diǎn)選放在原燃煤鍋爐房，節(jié)約投資預(yù)算資金，提取熱源為礦井水，配置2臺(tái)MCRH0400全熱回收機(jī)組，所產(chǎn)生的總熱(冷)負(fù)荷為3 100 kW(2 982 kW)，滿(mǎn)足礦區(qū)采暖、制冷、洗浴用水需求。根據(jù)采暖和制冷負(fù)荷，需同時(shí)開(kāi)2臺(tái)滿(mǎn)足采暖和制冷需求。全熱回收機(jī)組夏季運(yùn)行狀態(tài)：全熱回收機(jī)組在給830臺(tái)風(fēng)盤(pán)供冷的同時(shí)副產(chǎn)熱水。全熱回收機(jī)組冬季運(yùn)行狀態(tài)：全熱回收機(jī)組能夠?qū)崿F(xiàn)在全天分別為建筑物供暖和職工洗浴提供熱源、熱水，實(shí)現(xiàn)供暖及熱水管路的任意切換[6-10]。

2.3 余熱回收利用系統(tǒng)工作原理

水源熱泵系統(tǒng)是一種高效、節(jié)能、節(jié)資、冷暖兩用，運(yùn)行靈活且無(wú)污染的新型中央空調(diào)系統(tǒng)[11-15]。通過(guò)輸入少量的電能，在冬季把熱量從礦井水中提取出來(lái)，升高溫度后供給室內(nèi)采暖；夏季把室內(nèi)的熱量提取出來(lái)，釋放到低溫地能中去。

水源熱泵系統(tǒng)的主要設(shè)備由板式換熱器、水源熱泵機(jī)組、系統(tǒng)循環(huán)水泵、自動(dòng)化控制、風(fēng)機(jī)盤(pán)管和管道閥門(mén)管件等組成。水源熱泵機(jī)組工作原理如圖1所示。

圖1 水源熱泵工作原理Fig.1 Working principle of water source heat pump

3 效益分析

3.1 水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用

水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用主要包括系統(tǒng)電費(fèi)和維修費(fèi)，年運(yùn)行費(fèi)用共計(jì)159.2萬(wàn)元。

(1)系統(tǒng)電費(fèi)。①冬季制熱電費(fèi)。制熱總功率700 kW，供暖季按120 d，平均每天運(yùn)行時(shí)間20 h，總耗電量為168萬(wàn)kWh，折合標(biāo)準(zhǔn)煤206 t，系統(tǒng)運(yùn)行電費(fèi)按0.58元/kWh計(jì)算，電力消費(fèi)97.44萬(wàn)元。②夏季制冷電費(fèi)。制冷功率為500 kW，夏季按120 d，平均每天運(yùn)行時(shí)間12 h，總耗電量為72萬(wàn)kWh，折合標(biāo)準(zhǔn)煤88 t，系統(tǒng)運(yùn)行電費(fèi)按0.58元/kWh計(jì)算，電力消費(fèi)41.76萬(wàn)元。

(2)維修費(fèi)。2臺(tái)水源熱泵機(jī)組年維護(hù)費(fèi)用約為20萬(wàn)元。

綜上，水源熱泵系統(tǒng)年運(yùn)行總費(fèi)用為159.20萬(wàn)元(表2)。

表2 水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行總費(fèi)用Tab.2 Total operating cost of the water source heat pump system

3.2 傳統(tǒng)燃?xì)忮仩t及空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用

燃?xì)忮仩t及空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用主要包括燃?xì)赓M(fèi)、系統(tǒng)電費(fèi)、人工費(fèi)、設(shè)備維護(hù)費(fèi)等，每年共計(jì)運(yùn)行費(fèi)用420.89萬(wàn)元。

(1)燃?xì)忮仩t燃料費(fèi)。2021年，中馬村礦供暖共消耗天然氣757 724 m3，折合標(biāo)準(zhǔn)煤1 007 t，天然氣價(jià)格為4元/m3，燃料消耗303.89萬(wàn)元。

(2)燃?xì)忮仩t電費(fèi)。對(duì)于燃?xì)忮仩t而言，循環(huán)水泵是主要耗電設(shè)備，其他電耗暫忽略不計(jì)。根據(jù)中馬村礦洗浴系統(tǒng)的水泵功率及鍋爐本體等耗電量實(shí)測(cè)，洗浴耗電費(fèi)17萬(wàn)元。

(3)燃?xì)忮仩t維護(hù)費(fèi)及人工費(fèi)。維護(hù)費(fèi)按歷年實(shí)際發(fā)生額加權(quán)平均計(jì)算約10萬(wàn)元/a，人工按6人計(jì)算，工資30萬(wàn)元/a。

(4)空調(diào)電費(fèi)。中馬村礦夏季空調(diào)制冷負(fù)荷為2 160 kW，分體空調(diào)能效比3.0，平均每天運(yùn)行時(shí)間12 h，總耗電量為103.68萬(wàn)kWh，折合標(biāo)準(zhǔn)煤126.59 t，統(tǒng)運(yùn)行電費(fèi)按0.58元/kWh計(jì)算，電力消費(fèi)60萬(wàn)元。

綜上所述，傳統(tǒng)燃?xì)忮仩t及空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用為420.89萬(wàn)元(表3)。

表3 傳統(tǒng)的燃?xì)饪照{(diào)系統(tǒng)運(yùn)行總費(fèi)用Tab.3 Total cost of running conventional gas and air conditioning systems

3.3 全年運(yùn)行成本對(duì)比分析

由表2、表3可知，水源熱泵系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用為159.20萬(wàn)元，傳統(tǒng)燃?xì)忮仩t及空調(diào)系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用為420.89萬(wàn)元，礦井余熱綜合利用方式最經(jīng)濟(jì)。相比傳統(tǒng)的燃?xì)忮仩t加空調(diào)系統(tǒng)，水源熱泵系統(tǒng)每年節(jié)約費(fèi)用261.69萬(wàn)元，降低能源消費(fèi)量840 t標(biāo)準(zhǔn)煤，經(jīng)濟(jì)價(jià)值巨大，降低了中馬村礦綜合能耗，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

在“雙碳”背景下，企業(yè)的減排降耗及節(jié)能環(huán)保被提到了首要的位置和高度，中馬村礦的余熱回收項(xiàng)目極大地減少了企業(yè)的能源使用總量，在實(shí)現(xiàn)企業(yè)能效水平提高的前提下，減少了碳排放總量，為企業(yè)自身的發(fā)展帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，項(xiàng)目對(duì)于同類(lèi)型企業(yè)的推廣和應(yīng)用具有很高的參考價(jià)值和工程意義。