空气源热泵在煤矿供热改造中的应用

煤炭工业太原设计研究院集团有限公司 邵鹏华

0 引言

2018年是2010年以来全球一次能源消费增长率最快的一年[1]，同年，国家和地方政府出台了一系列环保政策，要求逐年淘汰小型燃煤锅炉。

近年来，空气源热泵供热发展较为迅速，尤其在寒冷地区和严寒地区。在-20 ℃的条件下，喷气增焓式热泵COP能达到2.15左右[2]。在低温工况下，双级压缩系统的压缩比更小，制热量更大，即使在-30 ℃的低温条件下系统COP仍能保持在2.1左右[3]。

煤矿的供热需求主要分为三部分：1) 建筑物供暖；2) 井筒防冻；3) 洗浴热水。采用空气源热泵机组取代煤矿的燃煤锅炉是一种较为节能的措施。本文结合案例介绍空气源热泵在煤矿供热改造中的应用。

1 项目案例

1.1 项目背景

某煤矿位于山西省临汾市乡宁县，年生产能力为300万t，并配套有同规模的洗煤厂。锅炉房现有2台10 t和1台4 t的燃煤蒸汽锅炉，主要为矿井和洗煤厂建筑物供暖、职工洗浴、井筒防冻提供热源。建筑物供暖热媒为供/回水温度110 ℃/70 ℃的高温热水，洗浴和井筒防冻热媒为0.3 MPa的饱和蒸汽。

1.2 环保政策

根据《国务院关于印发打赢蓝天保卫战三年行动计划的通知》(国发〔2018〕22号文)、山西省人民政府《关于印发山西省大气污染防治2018年行动计划的通知》(晋政发〔2018〕30号文)、乡宁县人民政府办公室文件《关于印发乡宁县2018年工业企业环保专项整治实施方案的通知》(〔2018〕73号文)，要求燃煤锅炉按规模逐年淘汰，其中乡宁县政府要求工业企业10 t及以下的燃煤锅炉在2018年10月1日之前全部淘汰，改造的技术路线为“宜醇则醇、宜电则电、宜气则气”。

1.3 可利用的余热资源分析

该煤矿属于低瓦斯矿井，且工业场地内无回风井，无法利用瓦斯和乏风的余热；同时，工业场地内无空压机房，矿井水、生活水中能提取的低温余热资源有限。因此，可利用的低温热源仅剩下空气。

该工程考虑采用电锅炉、空气源热泵、燃气锅炉作为替代热源。

1.4 方案比选

当地冬季供暖室外计算温度为 -10 ℃[4]，冬季极端最低气温平均值为-19 ℃，年供暖天数为121 d。热负荷计算结果为：建筑物供暖8 163.19 kW、井筒防冻5 226.14 kW、洗浴1 385.00 kW，合计14 774.33 kW。

根据热负荷计算结果，可供选择的方案有以下几种。

方案1：空气源热泵+电锅炉辅助。

在选煤厂采用能效比高、出水温度高的螺杆式双级压缩超低温空气源热泵机组，主要应用于A1、A2、B1和J1区，末端采用高效散热器，保证空气源热泵机组在极端天气情况下出水温度≥60 ℃；在行政福利区采用涡旋式超低温空气源热泵机组，末端选用风机盘管，满足部分建筑物夏季需要供冷的要求，主要应用于B2、B3、Y1、Y2、J2、J3区。

共设置4个能源站，其中1#能源站设置在介质库旁，负责A1和J1供热区域；2#能源站设置在锅炉房旁，负责A2和B1供热区域；3#能源站设置在联合建筑旁，负责B2、J2和Y1供热区域；4#能源站设置在矿井水处理站旁，负责B3、J3和Y2供热区域。能源站主要设备见表1，分区示意图见图1。

表1 能源站主要设备

图1 能源站分区图

方案2：燃气锅炉。

利用工业场地原有锅炉房进行改造。拆除工业场地3台燃煤锅炉，安装3台燃气蒸汽锅炉——2台WNS10-1.25-Q型和1台WNS4-1.25-Q型，满足工业场地建筑物供暖，主斜井、副斜井、进风斜井井筒防冻及浴室用热。

该矿区周边有4.0 MPa长输天然气管网，距离矿区最近的阀站直线距离约10 km，天然气管线从最近的阀站接入，铺设一根DN200的无缝钢管，在锅炉房内设置调压站，接入燃气锅炉使用。

方案3：电蓄热锅炉。

井筒防冻采用2台4 MW电极式蒸汽锅炉供热，利用原有空气加热室的加热机组和厂区管网；建筑物供暖采用2台10 MW电极式热水锅炉供热，设2个容积1 000 m3的蓄热水箱，供/回水温度为90 ℃/50 ℃。由于电极式热水锅炉直供运行费用高，因此，按谷电蓄热、平电运行的模式，利用原有管网和末端。

3种方案的初投资、运行费用对比见表2。

表2 初投资、运行费用对比 万元

由表2可见：1) 工业场地供暖方案中方案2(燃气锅炉)室外管网和末端利旧，初投资最低，且电力负荷无需增容。但冬季用气量无法保证，极有可能导致供热系统瘫痪，从而导致井筒结冰、管道冻裂，矿井无法正常生产。同时，天然气费用较高，每年运行费用比方案1高594.14万元。因此，天然气清洁能源供热存在很大的风险。2) 方案1(空气源热泵+电锅炉辅助)、方案3(电蓄热锅炉)相比，方案1电力增容量小，故初投资较低，同时方案1的运行费用也较低，比燃煤锅炉房还低3.36万元。

根据上述综合比较，推荐采用方案1(空气源热泵+电锅炉辅助)。

1.5 方案设计

1.5.1 原设计方案

原设计热水供/回水温度为110 ℃/70 ℃。生产系统建筑物末端采用钢制高频肋片管散热器；工业建筑和行政福利建筑物末端采用灰铸铁新艺666型散热器；井筒防冻末端采用蒸汽-空气加热机组；洗浴热水采用0.3 MPa蒸汽直接加热。

1.5.2 工艺流程

该工程的所有热源均采用空气源热泵机组+电锅炉辅助。空气源热泵机组为超低温空气源热泵机组，设计供/回水温度为60 ℃/55 ℃(50 ℃/45 ℃)，中间设置均压罐[5]，由循环水泵驱动构成一次网系统，同时由均压罐和末端形成另外一个循环系统，由循环水泵驱动构成二次网系统，设计供/回水温度为60 ℃/50 ℃(50 ℃/40 ℃)。系统流程见图2。

图2 系统流程示意图

1.5.3 选型原则

1) 根据工业场地建筑物分布和空地位置，空气源热泵系统分10个子系统，洗煤厂2个区(分别为A1和A2)，矿井3个区(分别为B1、B2、B3)，洗浴2个区(分别为Y1和Y2)，3个井筒防冻(分别为J1、J2、J3)。详细分区见表3。

2) 建筑物热负荷根据供暖室外计算温度-10 ℃计算，井筒防冻热负荷根据冬季极端最低气温平均值-19 ℃计算。

3) A1、A2和B1区建筑物供暖和J1区井筒防冻热泵机组按负荷平衡点温度-10 ℃[6]、出水温度60 ℃的制热量选型；B2、B3区建筑物供暖和J2、J3区井筒防冻的热泵机组按负荷平衡点温度-10 ℃、出水温度45 ℃的制热量选型。冬季极端最低气温时不足的制热量由电锅炉补充。

表3 工业场地主要建筑物分区

4) 洗浴热泵热水机组按负荷平衡点温度-10 ℃、出水温度45 ℃的制热量选型，冬季极端最低气温时不足的制热量由电锅炉补充。

5) A1、A2、B1和J1区采用螺杆式双级压缩超低温空气源热泵机组，剩余的区域均采用涡旋式超低温空气源热泵机组。

根据行业及中烟信息化实施规划，信息化建设应逐步由“业务支撑”向“信息服务”转型，目前部分卷烟工厂的信息化建设程度只能够满足业务支撑的要求，离向信息服务转型的目标还有很大距离。针对目前卷烟工厂系统较为分散、人工参与度高，各类数据在企业内部会经过多次流转，并经过多个环节的重复统计、多个系统的重复录入的现状，在企业内部打造一个具有强大支撑能力和扩展能力的数据管理平台，通过数据的深度整合和挖掘建设一个企业决策分析系统[1]，为企业各级管理人员提供全方位、立体化的数据分析，支持各级管理人员在企业决策中更加高效、更加科学，意义尤其重大。

6) 当空气源热泵冬季除霜时，考虑每小时融霜一次，机组融霜修正系数取0.9[7]。

1.5.4 能源站布置

工业场地布置4个能源站，共布置16台螺杆式空气源热泵机组和135台涡旋式空气源热泵机组，详见方案1。

1.5.5 末端选择

1) 原设计情况。

洗煤厂末端散热器采用钢制高频肋片管散热器，散热器型号为SCG6-20/300-1.0，散热量Q=9.805 1Δt1.288 6(Δt为供回水平均温度和室内供暖设计温度之差)，原设计供/回水温度为110 ℃/70 ℃，当Δt=72 ℃时的散热量为2 425.5 W。矿井建筑物采用灰铸铁新艺666型散热器，散热量Q=0.644 4Δt1.288，原设计供/回水温度为110 ℃/70 ℃，Δt=72 ℃时的散热量为159 W。3个井筒防冻末端采用蒸汽-空气加热机组，介质为0.3 MPa蒸汽。

2) 现设计情况。

若采用低温供暖，供/回水温度按60 ℃/50 ℃设计，则Δt=37 ℃时的钢制高频肋片管散热器散热量为1 028 W，灰铸铁新艺666型散热器的散热量为67.4 W，无法满足供暖需求。

洗煤厂厂房内粉尘较大，若采用风机盘管作为末端，过滤器容易堵，清洗工作量大、厂房内工作环境差，因此本次设计末端按如下原则选型：① 洗煤厂厂房末端更换为铜铝合金高效散热器；② 矿井工业厂房区域的末端不变，层高较低的厂房增加一些风机盘管，高大空间的厂房则新增高大空间射流机组；③ 将行政福利建筑散热器末端全部更换为风机盘管。

拆除空气加热室现有的蒸汽-空气加热机组，更换为低温水-空气加热机组，送风机选用防爆型，循环介质采用乙二醇溶液，-20 ℃温度下不结冰，防冻液直接加热冷空气，把冷空气加热到20 ℃后送到井筒，与室外冷空气混合到2 ℃，送至井下。

1.5.6 室外管网

由于原建筑物供暖设计供回水温差为40 ℃，现设计供回水温差为10 ℃，因此主管道比摩阻较大。由于该项目采用分布式能源站，可以利用原有管沟和管网，靠近锅炉房的2个能源站利用原有管网就基本可以满足设计要求。为了节约投资，缩短工期，对剩余的比摩阻大于150 Pa/m的管网进行了更换，其余的利用原有管网。

2 创新点

1) 首次在山西大型煤矿全部采用空气源热泵机组替代燃煤锅炉。

2) 高大厂房建筑物供暖选用超低温螺杆双级压缩空气源热泵机组，提高供水温度，保证供热效果。

3) 行政福利建筑选用超低温涡旋式空气源热泵机组，降低噪声。

4) 井筒防冻的热泵机组按室外供暖设计温度进行选型，不足部分由电锅炉补充，降低初投资。

5) 充分利用原有管网和末端，尽量减少安装工程量。

6) PLC全过程控制，基本实现无人值守，可大大提高工作效率。

3 存在的问题及建议

3.1 存在的问题

该项目于2018年8月立项，改造时已接近9月中旬，为了不影响当年的供暖，只将燃煤锅炉拆除更换为空气源热泵，室外管网和末端均未进行改造。从当年的运行情况来看，存在如下问题：

1) 洗煤厂高大厂房供热效果较差，最冷时候有结冰的情况；矿井的工业建筑物室内温度稍低，比原系统低3～5 ℃；行政福利建筑中的节能建筑供暖效果较好，室内温度达到20 ℃以上，不节能建筑室内温度约为16～18 ℃。

2) 室外管网布置在综合管沟内，更换难度大，应尽量利用原有管网或更换为架空管道。

3) 1#、2#能源站的螺杆式空气源热泵机组噪声较大，1#能源站中3台螺杆式空气源热泵机组为主斜井井筒防冻提供热源，无备用，任何机组出现故障都容易造成井筒结冰。

3.2 建议

1) 对于噪声有要求的建筑物优先选用涡旋式空气源热泵机组，对供水温度有要求的优先选用螺杆式空气源热泵机组。

2) 对于用于井筒防冻的机组尽量选用涡旋式机组，若采用螺杆机组则需考虑故障情况下的解决方案。

3) 末端和管网是否需要更换应根据原设计供回水温度、实际运行工况、围护结构形式等参数进行详细核算，有些建筑物利用原有末端可能会满足要求。

4) 尽量利用原有管网，不满足要求时可以通过改变能源站位置或增加循环泵扬程等方案解决。