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摘 要： 摘要:目前礦井所使用的洗澡用水等熱水大多是由工業(yè)燃煤鍋爐提供的，但是隨著國家對環(huán)境治理工作的進(jìn)一步深化，淘汰燃煤工業(yè)鍋爐是政策導(dǎo)向。鍋爐取消后，如何解決礦井熱水的供應(yīng)問題，成為制約礦井正常生活生產(chǎn)的關(guān)鍵問題。龍門煤礦結(jié)合自身實(shí)際條件，通過綜
摘要:目前礦井所使用的洗澡用水等熱水大多是由工業(yè)燃煤鍋爐提供的，但是隨著國家對環(huán)境治理工作的進(jìn)一步深化，淘汰燃煤工業(yè)鍋爐是政策導(dǎo)向。鍋爐取消后，如何解決礦井熱水的供應(yīng)問題，成為制約礦井正常生活生產(chǎn)的關(guān)鍵問題。龍門煤礦結(jié)合自身實(shí)際條件，通過綜合余熱節(jié)能改造項目的研究和應(yīng)用，結(jié)合礦井所處地理位置的氣象環(huán)境條件、建筑條件、礦井壓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況、井下排水的水溫情況，綜合設(shè)計安裝了太陽能取熱、壓風(fēng)機(jī)預(yù)熱回收、礦井水水溫回收相結(jié)合的水加熱系統(tǒng)，不但成功取消了燃煤工業(yè)鍋爐，滿足了環(huán)保的要求，同時還解決了職工洗澡的用水問題，更重要的是減少了污染物的排放和對環(huán)境的污染。
關(guān)鍵詞:綜合余熱節(jié)能改造;太陽能;壓風(fēng)機(jī)預(yù)熱回收;礦井水水溫回收
0引言
目前企業(yè)職工日常洗澡所用的熱水大都是利用燃煤工業(yè)鍋爐通過燃燒煤炭產(chǎn)生的，特別是在煤礦企業(yè)，日常的用水量更大，造成鍋爐用煤的大量消耗，并且對環(huán)境污染也相當(dāng)嚴(yán)重，燃煤鍋爐已是一種淘汰的熱水加熱方式[1]。
壓風(fēng)機(jī)是礦井生產(chǎn)過程中必須使用的設(shè)備，運(yùn)行期間會產(chǎn)生大量的熱量，并且熱量會使壓風(fēng)機(jī)運(yùn)行溫度過高，對壓風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行也會產(chǎn)生負(fù)面影響，縮短壓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行壽命。礦井正常生產(chǎn)過程中，必須將礦井水排出地面，而且龍門礦礦井水水量比較大，水溫比較高，可以加以利用。如何解決鍋爐運(yùn)行期間對大氣的污染，減少用煤量的消耗，減少壓風(fēng)機(jī)因自身產(chǎn)生的熱量而引起設(shè)備壽命的縮短，同時解決職工洗澡等所需熱水的問題，成為制約礦井職工正常生活、影響生產(chǎn)的主要因素。
目前，解決礦井熱水供應(yīng)普遍采用將燃煤工業(yè)鍋爐更換為電加熱鍋爐和燃?xì)忮仩t的方法。此種方法雖然解決了燃煤工業(yè)鍋爐對環(huán)境的污染問題，但是使用成本依然很高，無形中增加了企業(yè)的運(yùn)行成本。本文以此為研究對象，結(jié)合龍門煤礦自身實(shí)際，通過利用太陽能片加熱熱水、壓風(fēng)機(jī)熱量加熱熱水和水源熱泵加熱熱水綜合預(yù)熱利用項目解決礦井正常的熱水使用[2]，同時也解決了壓風(fēng)機(jī)運(yùn)行溫度過高、影響設(shè)備正常運(yùn)行的弊端。
1項目的可行性分析
1.1目前現(xiàn)狀
龍門煤礦目前澡堂分別布置在一、二樓，一樓男澡堂有4個7.5m3浴池、40個淋浴噴頭;二樓男澡堂有3個12m3的浴池、80個淋浴噴頭;干部男澡堂有2個4m3浴池、10個淋浴噴頭。女澡堂有20個淋浴噴頭，每天有近100人洗澡。浴池每天用水量180m3;淋浴部分每天用水量為140m3。平均每天需45℃熱水320m3。水源加熱主要為2臺4T鍋爐。
1.2安裝綜合預(yù)熱利用的氣象條件分析
(1)氣溫。
全年平均溫度14.6℃，最熱月平均氣溫27.5℃，冬季通風(fēng)溫度0℃，冬季采暖溫度-5℃，夏季通風(fēng)溫度32℃。(2)氣壓。冬季最高氣壓1008.8hPa，夏季最低氣壓987.6hPa。(3)濕度。平均最冷月相對濕度57%，平均最熱月相對濕度75%。(4)水溫。全年平均地下水溫16～18℃，夏季水溫17℃，冬季水溫13℃，春秋季水溫15℃。根據(jù)洛陽氣象資料統(tǒng)計，全年陰雨雪天氣的極大值為65d。綜合氣象條件，結(jié)合龍門煤礦實(shí)際，設(shè)計安裝綜合預(yù)熱利用項目。
1.3綜合預(yù)熱利用項目設(shè)計思路
(1)太陽能系統(tǒng)。太陽能集中熱水系統(tǒng)必須是技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)上合理，并且具有較高的安全、靈活性，能滿足各種天氣變化狀態(tài)要求[3-7]。太陽能集中熱水系統(tǒng)全自動運(yùn)行，實(shí)時水溫水位顯示，全自動供水、補(bǔ)水、系統(tǒng)自動溫差循環(huán)，自動啟停防凍循環(huán)，系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)無人值守。太陽能系統(tǒng)包括太陽能集熱器、全玻璃真空管、儲熱水箱、集熱循環(huán)、自動控制以及相應(yīng)配套設(shè)備。結(jié)合礦井現(xiàn)場條件，利用聯(lián)建樓樓頂空間和充燈房房頂空間布置太陽能板和管路[8]，考慮到經(jīng)濟(jì)、安全性、能效性等原則，集熱器布置屋面最大化。
工程設(shè)計采用橫插管型集熱器，安裝58mm×1800mm×50mm太陽能集熱器104組，真空管共5200支，集熱面積832m2，滿足春秋晴好天氣產(chǎn)生洗浴50℃熱水60m3。太陽能控制系統(tǒng)采用PLC+彩色觸摸屏為核心的控制器，配置水位、溫度等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，功能包括:定溫放水、集熱循環(huán)、自動上水、供水循環(huán)(定時循環(huán)、定溫循環(huán)、定時定溫循環(huán))等功能，全智能全自動化控制系統(tǒng)，在滿足全自動控制的同時，兼?zhèn)淙斯ぴO(shè)定系統(tǒng)。電氣系統(tǒng)具備漏電、過載、短路等保護(hù)措施。
(2)空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)。空壓機(jī)房有3臺250kW空壓機(jī)為井下提供壓縮空氣，目前經(jīng)常開啟1臺250kW空壓機(jī)，每天加載運(yùn)行20h;另一臺250kW空壓機(jī)每天加載運(yùn)行10h;最后一臺空壓機(jī)作為備用設(shè)備。在此空壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下安裝余熱回收利用系統(tǒng)，春秋季每日產(chǎn)45℃熱水不低于140m3。
空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)采用自動感溫設(shè)計[9-18]，當(dāng)空壓機(jī)運(yùn)行時，余熱回收系統(tǒng)才開始運(yùn)行，系統(tǒng)無負(fù)荷不運(yùn)行，符合自身節(jié)能要求。系統(tǒng)配套水箱上要安裝有液位傳感器，可根據(jù)水箱液位自動控制熱水供水管道的開啟和關(guān)閉，達(dá)到供水的穩(wěn)定。在余熱回收系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，可迅速將循環(huán)油路及高壓氣體切換至原回路，保證空壓機(jī)的正常運(yùn)行，不會因為余熱回收系統(tǒng)損壞而影響空壓機(jī)的正常運(yùn)行。
系統(tǒng)具有自動報警功能，當(dāng)系統(tǒng)有故障時，激活聲光報警器，提醒操作人員及時處理;當(dāng)系統(tǒng)有故障不能及時排除時，系統(tǒng)將會停機(jī)，確保安全。當(dāng)單臺空壓機(jī)停機(jī)時，對應(yīng)的熱回收裝置水路能夠自動斷開，防止單臺空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)停機(jī)時，有反水現(xiàn)象發(fā)生。
(3)水源熱泵系統(tǒng)。
水源熱泵通過提取礦井井下排水中間的熱量加熱清水，以使清水滿足職工洗澡等使用的溫度[19-21]。通過太陽能、壓風(fēng)機(jī)余熱利用、水源熱泵3套系統(tǒng)的相互配合實(shí)現(xiàn)礦井熱水的正常需求。水源熱泵系統(tǒng)利用PLC、觸摸屏和變頻器對水源熱泵進(jìn)行變頻節(jié)能控制。采用變頻器配合可編程控制器組成控制單元，其中冷卻水泵、冷凍水泵均采用溫度自動閉環(huán)調(diào)節(jié)，即用溫度傳感器對冷卻水、冷凍水的水溫進(jìn)行采樣，并轉(zhuǎn)換成電信號(一般為4～20mA，0～10V等)后送至PLC，通過PLC將該信號與設(shè)定值進(jìn)行比較再作PID運(yùn)算后，決定變頻器輸出頻率，以達(dá)到改變冷凍水泵、冷卻水泵轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到節(jié)能目的。
2綜合余熱節(jié)能改造項目實(shí)施方案
2.1項目組成
綜合余熱節(jié)能改造項目，其包括壓風(fēng)機(jī)余熱利用系統(tǒng)、礦井水熱源利用系統(tǒng)和太陽能利用系統(tǒng)，壓風(fēng)機(jī)、余熱回收裝置、第1循環(huán)水箱，壓風(fēng)機(jī)通過管道與余熱回收裝置連通，余熱回收裝置通過管道與第1循環(huán)水箱連通;礦井水池通過管道與水源熱泵連通，水源熱泵通過管道與第2循環(huán)水箱連通;太陽能集熱管通過管道與第3循環(huán)水箱連通;第1循環(huán)水箱、第2循環(huán)水箱、第3循環(huán)水箱分別通過管道連接恒溫水箱，恒溫水箱通過管道連接用水終端。第1循環(huán)水箱的出水口與余熱回收裝置的進(jìn)水口之間的管道上設(shè)置有第6循環(huán)水泵。第2循環(huán)水箱的出水口與水源熱泵的進(jìn)水口之間的管道上設(shè)置有第4循環(huán)水泵。
第3循環(huán)水箱的出水口與太陽能集熱管的進(jìn)水口之間的管道上設(shè)置有第1循環(huán)水泵。礦井水池與水源熱泵相連接的供水管道上設(shè)置有第3循環(huán)水泵。第1循環(huán)水箱、第2循環(huán)水箱、第3循環(huán)水箱與恒溫水箱相連接的管道上分別設(shè)置有第2循環(huán)水泵、第5循環(huán)水泵、第7循環(huán)水泵。第1循環(huán)水箱、第2循環(huán)水箱、第3循環(huán)水箱分別通過設(shè)置有電磁閥4c、電磁閥4b、電磁閥4a和硅磷晶阻垢器3c、硅磷晶阻垢器3b、硅磷晶阻垢器3a的管道與自來水水源相連通。根據(jù)循環(huán)水箱液位的高低通過電磁閥的控制不斷向循環(huán)水箱內(nèi)補(bǔ)水，硅磷晶阻垢器可以起到防止排水管路內(nèi)水垢的產(chǎn)生，保護(hù)管道的使用壽命。
第1循環(huán)水箱與余熱回收裝置之間的管道、礦井水池與水源熱泵之間的管道、水源熱泵與第2循環(huán)水箱之間的管道上均設(shè)置有壓力傳感器和溫度傳感器。
2.2工作過程
綜合余熱節(jié)能改造項目中，各個水泵、電磁閥的自動控制以及壓力傳感器和溫度傳感器的監(jiān)控均由自動控制系統(tǒng)進(jìn)行集中控制。
(1)壓風(fēng)機(jī)余熱利用系統(tǒng)工作過程。首先通過控制系統(tǒng)打開電磁閥4c，使自來水通過管道流入第1循環(huán)水箱內(nèi)，使水位達(dá)到設(shè)定的最高水位;控制系統(tǒng)打開第6循環(huán)水泵，使第1循環(huán)水箱內(nèi)的自來水不斷地在余熱回收裝置內(nèi)的過水管道中進(jìn)行循環(huán)，同時壓風(fēng)機(jī)的高溫油流入余熱回收裝置，在余熱回收裝置內(nèi)的過油通道內(nèi)循環(huán)，進(jìn)行油水交替換熱。
高溫油熱量被低溫的水吸收，降低了空壓機(jī)的溫度，吸收熱量升溫后的熱水通過第1循環(huán)水箱的進(jìn)水口與余熱回收裝置的出水口之間的管道流入第1循環(huán)水箱內(nèi)，溫度升至設(shè)定溫度后，停止加熱，然后通過第2循環(huán)水泵將第1循環(huán)水箱內(nèi)的水輸送至恒溫水箱內(nèi)，供用水終端使用。當(dāng)?shù)?循環(huán)水箱內(nèi)的水位下降到下限水位時，通過電磁閥4c的動作重新向第1循環(huán)水箱內(nèi)補(bǔ)水，繼續(xù)進(jìn)行油與水的熱量交換，制取熱水。
(2)礦井水熱源利用系統(tǒng)工作過程。
首先，通過控制系統(tǒng)打開電磁閥4b，使自來水通過管道流入第2循環(huán)水箱內(nèi)，使水位達(dá)到設(shè)定的最高水位;通過第3循環(huán)水泵將礦井水池內(nèi)的井下涌出的礦井水通過管道送入水源熱泵中，同時控制系統(tǒng)打開第4循環(huán)水泵，使第2循環(huán)水箱內(nèi)的自來水通過管道送入水源熱泵中，不斷地在水源熱泵與第2循環(huán)水箱之間進(jìn)行循環(huán)，在水源熱泵內(nèi)不同管路中的礦井水與自來水交替換熱，自來水吸收礦井水的熱能，當(dāng)?shù)?循環(huán)水箱內(nèi)的自來水溫度達(dá)到設(shè)定的溫度時，停止加熱，通過第5循環(huán)水泵將第2循環(huán)水箱內(nèi)的水輸送到恒溫水箱中，供用水終端使用。當(dāng)?shù)?循環(huán)水箱內(nèi)的水位下降到下限水位時，通過電磁閥4b的動作重新向第2循環(huán)水箱內(nèi)補(bǔ)水，繼續(xù)進(jìn)行熱量交換，制取熱水。
(3)太陽能利用系統(tǒng)工作過程。
首先，通過控制系統(tǒng)打開電磁閥4a，使自來水通過管道流入第3循環(huán)水箱內(nèi)，使水位達(dá)到設(shè)定的最高水位;通過第1循環(huán)水泵將第3循環(huán)水箱5內(nèi)的自來水通過管道送入太陽能集熱管中，不斷地在太陽能集熱管與第3循環(huán)水箱之間進(jìn)行循環(huán)，自來水吸收太陽能進(jìn)行提熱，當(dāng)?shù)?循環(huán)水箱內(nèi)的自來水溫度達(dá)到設(shè)定的溫度時，停止加熱，通過第7循環(huán)水泵將第3循環(huán)水箱內(nèi)的水輸送到恒溫水箱7中，供用水終端使用。當(dāng)?shù)?循環(huán)水箱內(nèi)的水位下降到下限水位時，通過電磁閥4a的動作重新向第3循環(huán)水箱內(nèi)補(bǔ)水，繼續(xù)進(jìn)行加熱，制取熱水。綜合余熱節(jié)能改造項目中3個獨(dú)立的自來水循環(huán)加熱系統(tǒng)，不間斷的制取熱水輸送至恒溫水箱內(nèi)，滿足熱水的供應(yīng)需求。
2.3效果分析
各系統(tǒng)不同季節(jié)產(chǎn)水量及運(yùn)行時間見表1—表3結(jié)論龍門煤礦通過綜合余熱節(jié)能改造項目的實(shí)施和應(yīng)用，解決了困擾礦井正常生產(chǎn)的職工洗澡等熱水的需求問題，同時也降低了壓風(fēng)機(jī)因運(yùn)行溫度過高造成的設(shè)備保護(hù)停機(jī)等現(xiàn)象，既確保了礦井井下正常生產(chǎn)的壓風(fēng)需求，也大大改善了壓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行環(huán)境，延長了設(shè)備的使用壽命。
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