高寒地區(qū)超低溫空氣源熱泵余熱回收技術(shù)研究

王 晶， 曹 亮， 李爭榮， 劉 韜， 劉明武

(1.云南迪慶有色金屬有限公司， 云南 迪慶 674400； 2.中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

1 前言

能源是21世紀人類發(fā)展的重大主題，能源的合理開發(fā)利用是人類處理好“能源、環(huán)境與發(fā)展”三者關(guān)系的重要一環(huán)，是人類可持續(xù)發(fā)展的重要保證[1-2]。采礦領(lǐng)域的高速發(fā)展一方面伴隨著高效益，另一方面也不可避免的出現(xiàn)對環(huán)境的高污染、對能源的高消耗[3]。同時，因東部地區(qū)礦產(chǎn)資源逐步減少，在我國西部地區(qū)的礦山項目呈日漸增多的趨勢。特別在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，礦產(chǎn)資源豐富的青藏高原，這一趨勢更為明顯。此類高原礦區(qū)，空氣稀薄、終年低溫，井口進風(fēng)預(yù)熱和生產(chǎn)生活供暖需求量大、能耗高；高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，交通運輸不便，環(huán)保壓力大，熱源、燃料不易解決。

普朗礦毗鄰三江并流自然保護區(qū)，環(huán)保要求高，且無煤、燃油等能源條件，供冬季供暖使用的能源僅有電能。而礦區(qū)處于高寒地區(qū)，供暖期長達176 d，漫長寒冷。經(jīng)計算，礦井預(yù)熱及采選工業(yè)場地、公輔設(shè)施供暖負荷合計達26 351 kW。若直接采用電加熱設(shè)備制熱、供暖，運行費用高，且配套的輸配系統(tǒng)投資不大，而礦區(qū)水溫較低，地下涌水量較小。根據(jù)現(xiàn)有的氣象資料和現(xiàn)階段的熱泵技術(shù)，當(dāng)?shù)氐南鄬穸容^小，空氣是一個較為理想的熱源，且礦井回風(fēng)中帶有較大的熱量。熱泵是實現(xiàn)低溫余熱利用的理想裝置，通過熱回收專用熱泵機組，將回風(fēng)中的余熱加以回收，用于井口保溫、供暖等多項用途，合理利用熱能，高效節(jié)能[4-7]。

在此技術(shù)背景下，項目各參與方設(shè)想采用空氣源熱泵機組回收利用采礦回風(fēng)平硐、回風(fēng)豎井排風(fēng)中的余熱，供井口預(yù)熱保溫系統(tǒng)使用[8]；利用低溫空氣源熱泵機組汲取冬季室外空氣中的熱量，供各生產(chǎn)、生活建筑物使用。該方案可有效降低能耗和運營成本。在高寒、高海拔地區(qū)采用此技術(shù)方案為國內(nèi)首次。

2 余熱回收方案

根據(jù)《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》，為保障采礦生產(chǎn)安全，各通風(fēng)平硐硐口進風(fēng)溫度須≥2 ℃，考慮到礦區(qū)冬季漫長嚴寒，進風(fēng)必須加熱。根據(jù)相關(guān)技術(shù)措施，采用香格里拉地區(qū)的冬季供暖室外計算溫度與極端低溫的平均值-12 ℃作為冬季平硐進風(fēng)計算溫度，加熱至2 ℃送入井下。具體各平硐口風(fēng)量及熱負荷詳見表1。

表1 各個平硐風(fēng)量及進風(fēng)熱負荷

將輔助設(shè)備裝機功率考慮在內(nèi)，若依靠電能直接加熱平硐進風(fēng)，2個進風(fēng)平硐總裝機功率達7 065 kW，能耗及運行成本較高。經(jīng)調(diào)查，我國各有色礦山的礦井回風(fēng)的溫度終年穩(wěn)定在7～20 ℃，回風(fēng)中含有大量的余熱，通過熱回收專用熱泵機組，將回風(fēng)中的余熱加以回收，用于井口保溫、供暖等多項用途，合理利用熱能，高效節(jié)能，無污染，符合環(huán)保要求。

普朗礦區(qū)共有3850 m平硐、3600 m平硐2個主要進風(fēng)平硐，南回風(fēng)井、3700 m平硐、3540 m平硐，3個回風(fēng)平硐(鑒于3 540 m膠帶運輸平硐回風(fēng)量過小且場地局促，不考慮回風(fēng)熱回收)。根據(jù)現(xiàn)場各平硐相對位置的實際情況進行合理分配，共設(shè)計2組系統(tǒng)滿足余熱回收需要。經(jīng)模擬計算，預(yù)計回風(fēng)溫度8 ℃，相對濕度60%，具備余熱利用條件。

表2 3850 m平硐和南回風(fēng)井風(fēng)量

圖1 南回風(fēng)井礦井回風(fēng)余熱供井口保溫工藝示意圖

3850 m平硐送風(fēng)預(yù)熱，需將-12 ℃的室外空氣加熱至2 ℃送入平硐，熱負荷3 057 kW。南回風(fēng)井風(fēng)溫8 ℃，汲取7 ℃溫差使回風(fēng)降至1 ℃，可回收余熱2 504 kW，余熱回收不能滿足進風(fēng)余熱的時段開啟電加熱補足。回風(fēng)熱回收熱泵機組設(shè)在南回風(fēng)井旁的專用機房內(nèi)，配置5臺MAS130 HA型和1臺MAS090 HA型熱泵機組，制備出50 ℃/45 ℃熱水，經(jīng)室外管網(wǎng)輸配至3850 m平硐口部機房內(nèi)的加熱器。加熱器送風(fēng)溫度36 ℃。選用EKDM1315H31型井口加熱器4臺，出風(fēng)溫度36 ℃，風(fēng)量63 000 m3/h·臺及BDFR- 380/500型電加熱器1臺，加熱功率500 kW，風(fēng)量40 600 m3/h·臺。經(jīng)核算，在室外溫度≥-10 ℃的情況下，完全依靠回收南回風(fēng)井回風(fēng)余熱即可滿足3850 m平硐進風(fēng)預(yù)熱負荷要求。當(dāng)室外溫度低于-10 ℃時依靠電加熱器補充不足部分熱負荷。

第二組：3600 m進風(fēng)平硐和3700 m回風(fēng)平硐風(fēng)量見表3，余熱回收及進風(fēng)預(yù)熱如圖2所示。

表3 3600 m進風(fēng)平硐和3700 m回風(fēng)平硐風(fēng)量

圖2 3600 m進風(fēng)平硐、3700 m回風(fēng)平硐余熱回收及進風(fēng)預(yù)熱示意圖

3600 m平硐送風(fēng)預(yù)熱，需將-12 ℃的室外空氣加熱至2 ℃送入平硐，熱負荷3 302 kW。3700 m回風(fēng)平硐風(fēng)溫8 ℃，汲取7 ℃溫差使回風(fēng)降至1 ℃，可回收余熱1 647 kW?；仫L(fēng)熱回收熱泵機組設(shè)在南回風(fēng)井旁的專用機房內(nèi)，配置3臺MAS130 HA型和1臺MAS090 HA熱泵機組，制備出50 ℃/45 ℃熱水，經(jīng)室外管網(wǎng)輸配至3600 m平硐口機房內(nèi)的加熱器，加熱器送風(fēng)溫度36 ℃。選用EKDM1315H31型井口加熱器4臺，出風(fēng)溫度36 ℃，風(fēng)量63 000 m3/h·臺，4臺BDFR- 380/500型電加熱器，加熱功率500 kW，風(fēng)量40 600 m3/h·臺。因3700 m平硐回風(fēng)量少，回收熱量有限，經(jīng)核算，在室外溫度≥-6 ℃的情況下，完全依靠回收3700 m平硐的余熱可滿足3600 m平硐進風(fēng)預(yù)熱需求。當(dāng)室外溫度在-6 ℃以下時首先開啟電加熱器，補充不足部分熱負荷。

3 余熱回收方案分析

普朗銅礦回風(fēng)余熱回收及進風(fēng)預(yù)熱系統(tǒng)在2018年9月竣工，10月開始調(diào)試、試運行?，F(xiàn)初步分析最冷月(2019年1月)的現(xiàn)有數(shù)據(jù)，3700 m回風(fēng)平硐回風(fēng)溫度與設(shè)計預(yù)估值基本一致，穩(wěn)定在8.4～8.8 ℃，回收熱量在1 100～1 300 kW，制熱量1 780～1 980 kW，能效比2.62～2.92。能效比計算結(jié)果不甚理想的原因是因為熱泵機組、循環(huán)泵在相當(dāng)一部分時間未滿負荷運轉(zhuǎn)，但因無電計量表，此次數(shù)據(jù)統(tǒng)計設(shè)備功率均安額定負荷計算，故能效比偏低。3600 m進風(fēng)平硐在進風(fēng)預(yù)熱系統(tǒng)正常運行時，硐內(nèi)基本無結(jié)冰現(xiàn)象。南回風(fēng)井，回風(fēng)溫度較設(shè)計預(yù)估值偏低，穩(wěn)定在4.5～5.5 ℃，回收熱量1 440～1 500 kW，制熱量2 480～2 540 kW，能效比2.38～2.43。3850 m進風(fēng)平硐在進風(fēng)預(yù)熱系統(tǒng)正常運行時，硐內(nèi)基本無結(jié)冰現(xiàn)象。

圖3所示為各個機組的總制熱量與熱回收量，其中除了南回風(fēng)井6號機組制熱量偏小，其他幾個機組相差不大。3700 m平硐2號機組的制熱量和熱回收量是最大的，因為其進風(fēng)溫度在幾個機組中是較高的。對比南回風(fēng)井和3700 m回風(fēng)井各個機組制熱量及熱回收量，3700 m平硐要高于南回風(fēng)井。因為3700 m回風(fēng)平硐，回風(fēng)溫度穩(wěn)定為8.4～8.8 ℃，而南回風(fēng)井的回風(fēng)溫度為4.5～5.5 ℃。

圖3 各個機組在記錄時間內(nèi)的總制熱量與熱回收量

圖4、圖5所示為各個機組進出口水溫差對熱回收量與制熱量的影響。機組的進出口水溫差雖然與熱回收量沒有直接的線性關(guān)系，但總體來看，機組的進出水溫差越大，熱回收量也就越大。從現(xiàn)場反饋過來的數(shù)據(jù)，由圖15可知，機組的進出水溫差與制熱量有著明顯的線型關(guān)系，與熱力理論計算相符，從側(cè)面反映出設(shè)備運行是處于穩(wěn)定狀態(tài)。也可以發(fā)現(xiàn)，南回風(fēng)井6號機組在同樣的進出水溫下，制熱量和熱回收量均偏低，這與制冷劑的充注量有關(guān)。

（1）預(yù)算單位自行評價。對經(jīng)目標審核后的預(yù)算單位申報的部門整體支出項目和資金、專項支出項目和資金，要求各預(yù)算單位根據(jù)全市統(tǒng)一設(shè)置的指標體系開展績效自評，自行跟蹤項目實施和資金使用進展，形成績效評價報告。

圖4 各個機組進出口水溫差與熱回收量

圖5 各個機組進出口水溫差與制熱量

圖6、圖7所示為各個機組進風(fēng)回風(fēng)溫差與制熱量和熱回收量之間的關(guān)系。機組進風(fēng)回風(fēng)溫差越大，制熱量和熱回收量也越大。機組進風(fēng)回風(fēng)溫差與制熱量雖然不呈現(xiàn)線性增長的關(guān)系，但是符合二次曲線增長的關(guān)系。機組進風(fēng)回風(fēng)溫差與制熱量則呈現(xiàn)了明顯的線性關(guān)系，同樣的，南回風(fēng)井6號機組，在同一風(fēng)回風(fēng)溫差下，制冷量和熱回收量要偏小。

圖6 各個機組進風(fēng)回風(fēng)溫差與制熱量

圖7 各個機組進風(fēng)回風(fēng)溫差與熱回收量

圖8、圖9所示為各個機組進出口水溫差與制熱量、各個機組進風(fēng)回風(fēng)溫差與熱回收量之間的關(guān)系。從圖中可以看出，目前各個機組總體的運行狀態(tài)比較平穩(wěn)，未出明顯的現(xiàn)異常情況。所以空氣源熱泵在高原礦山的余熱回收方案是可行的。

圖8 1月份各個機組進出口水溫差與制熱量

圖9 1月份各個機組進風(fēng)回風(fēng)溫差與熱回收量

4 節(jié)能與經(jīng)濟性分析

在實施方案之前，若依靠電能直接加熱3850 m、3600 m平硐進風(fēng)，總裝機功率達7 065 kW，其中3850 m平硐為3 396 kW，3600 m平硐為3 669 kW，能耗及運行成本較高，也不符合國家節(jié)能環(huán)保政策。

經(jīng)計算，在溫度高于-6 ℃時，3600 m平硐的熱負荷可以3700 m平硐處的熱泵機組全部承擔(dān)，此時余熱回收系統(tǒng)的裝機功率為638 kW，而若使用直接電加熱方案，裝機功率為2 101.5 kW。具體裝機功率比值如圖10所示。

圖10 溫度高于-6 ℃時，3600 m平硐余熱回收系統(tǒng)裝機功率與電加熱方案裝機功率比值

對于南回風(fēng)井和3850 m平硐，由于南回風(fēng)井的回風(fēng)量較大，余熱利用價值更高，在環(huán)境溫度高于-10 ℃時，熱負荷可全部由南回風(fēng)井處的熱泵機組承擔(dān)，裝機功率為948 kW，而若采用直接電加熱的裝機功率為2 918.9 kW。具體裝機功率比值如圖11所示。

圖11 溫度高于-10 ℃時，3850 m平硐余熱回收系統(tǒng)裝機功率與電加熱方案裝機功率比值

設(shè)備的運行成本可由式(1)計算

運行成本=電價×裝機功率×同時使用系數(shù)×運行時間

(1)

普朗礦區(qū)電價0.54元/度，若機組每天平均運行12 h，同時使用系數(shù)為0.7，則3600 m平硐采用電加熱方案一天的運行成本為：運行成本=0.54×2 101.5×0.7×12=9 532.4元。

使用余熱回收方案一天的運行成本為：運行成本=0.54×638×0.7×12=2 893.9元。

根據(jù)式(1)可以得出，3850 m平硐采用電加熱方案一天的運行成本為：運行成本=0.54×2 918.9×0.7×12=13 240.1元。

使用余熱回收方案一天的運行成本為：運行成本=0.54×948×0.7×12=4 300.1元。

若平硐入口的一個供暖周期為4個月，溫度高于-6 ℃時，3600 m平硐采用電加熱方案的耗電量為：2 101.5×0.7×12×120≈2.12×106kW·h。

采用余熱回收系統(tǒng)的耗電量為：638×0.7×12×120≈6.43×105kW·h。

節(jié)電量約2.12×106-6.43×105≈1.48×106kW·h。

溫度高于-10 ℃時，3850 m平硐采用電加熱方案的耗電量為：2 918.9×0.7×12×120≈2.94×106kW·h。

采用余熱回收系統(tǒng)的耗電量為：948×0.7×12×120≈9.56×105kW·h。

節(jié)電量約為2.94×106-9.56×105≈1.97×106kW·h，合計總節(jié)電量約為3.45×106kW·h。

從圖10、圖11明顯可以看出余熱回收系統(tǒng)的裝機功遠遠小于電加熱方案裝機功率。由于南回風(fēng)井的風(fēng)量大，可以用余熱較多，所以南回風(fēng)井機房的裝機功率略大于3700 m平硐。雖然上述內(nèi)容只分析了使用空氣源熱泵機組就能滿足熱負荷的情況，通過計算結(jié)果，無論3600 m平硐還是3850 m平硐，空氣源熱泵方案相較直接電加熱方案，極大的減少了耗電量及運行成本，節(jié)能減排效果顯著，存在著巨大的推廣潛力。

5 結(jié)論

通過初步的數(shù)據(jù)分析可知，將空氣源熱泵技術(shù)應(yīng)用于高原礦山的回風(fēng)余熱回收后，進風(fēng)預(yù)熱的電耗較之直接電加熱方案，大幅降低，節(jié)能效果明顯，擁有巨大的推廣潛力。

以普朗銅礦為實驗基地根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，3600 m平硐與3700 m回風(fēng)井的機組的進出水溫差與制熱量有著明顯的線型關(guān)系，與熱力理論計算相符，余熱回收設(shè)備運行正常。以一個供暖周期為限，與電加熱方案相比，采用余熱回收系統(tǒng)之后，節(jié)電量約為1.48×106kW·h。節(jié)約電費79.92萬元/年。

南回風(fēng)井的回風(fēng)量比較大，余熱利用價值更高。數(shù)據(jù)與計算結(jié)果表明3850 m平硐與南回風(fēng)井的設(shè)備運行正常，無異常情況。采用余熱回收系統(tǒng)之后，一個供暖周期的節(jié)電量約為1.97×106kW·h，節(jié)約電費106.38萬元/年。從設(shè)備的運行情況和節(jié)能效果來看，空氣源熱泵技術(shù)應(yīng)用于高原礦山的回風(fēng)余熱回風(fēng)是成功的。綜合整個余熱回收系統(tǒng)，總節(jié)電量約為3.45×106 kW·h，合計節(jié)約電費186.3萬元/年。