基于涌水余热利用的能源站系统研究

周新朋

摘要：通过冷热需求和资源分析，进行了涌水余热潜力分析，在此基础上给出基于涌水余热利用的能源站方案设想，并从工程投资、运行费用、效益分析、风险分析等角度综合分析，给出能源站建设方案选择的原则及建议。

关键词：燃气锅炉;余热利用;热泵;电制冷;风险

1 引言

在矿井开采过程中，矿井涌水被大量排放，涌水所含的大量余热被白白浪费。

同时，矿区工业场地以及周边矿井生活区，存在较大的冷热负荷，尤其是低品位的供暖、供冷热负荷，从而为涌水余热的利用创造了条件。

目前，已有不少学者针对涌水余热利用开展研究，且主要围绕涌水余热利用本身，本文以涌水余热利用技术为依托，结合某矿区余热资源利用，探讨矿区周边居民和工商业用冷、用热的能源站建设方案。

一、冷热需求

矿井供热需求主要包括：井筒保温、供暖和洗浴用热;供冷需求：主要为矿井场地敷设办公用房的供冷需求。

矿区同时存在大量的居民及工商业，满足当地及矿区生产生活需要，该部分居民及工商业尚存在较多的供冷、供热需求。

2.资源分析

2.1电力

某矿区执行峰谷电价，高峰时段9：00—11：30，14：00—16：30，19：00—21：00;谷电时段：23：00—次日7：00，其它时段为平时段。

高峰：1.1698元/kWh，平段0.7934元/kWh，谷电为0.4172元/kWh。

2.2余热资源

矿区地下涌水：煤矿处理之后的外排水量平均500～550m?/h，外排水质为：pH：6～9，SS=50mg/L，CODcr=50mg/L，硬度（碳酸钙计）约为490mg/L。

冬季水温13℃～17℃，夏季水温25℃左右，水量大，水温低且稳定，单位是理想的余热资源，为热泵技术的应用创造了条件。

3 余热利用潜力分析

3.1 潜力分析

供热工况下，涌水排水泵将低温热水送至换热器，经过一级换热后，通过中介水循环，余热传递至热泵机组蒸发器，由热泵机组供出50/40℃的低温热水，降温后的矿井涌水可以作为冬季灌溉或绿化用水使用，从而实现一水多用。

供冷工况下，矿井涌水进入热泵机组冷凝器，冷却散热，机组按照制冷工况运行，机组供冷温度5/12℃。

根据某矿区涌水水温及水量，供热工况机组COP取5，供冷工况机组EER取5.5，经测算，热泵机组的供冷供热能力如下：

供热工况，取热量2.9MW，水源侧温差4℃，供热能力3.3MW;

供冷工况，释热量2.9MW，水源侧温差5℃，供冷能力2.5MW。

3.2设计参数

供热工况：50/40℃，1.0MPa

供冷工况：5/12℃，1.0MPa。

涌水供热工况：13/9℃。

涌水供冷工况：25/30℃.

根据余热潜力分析，可确定能源站冷热装机方案，本文从热泵供冷+热泵供热，以及燃气锅炉供热+常规电制冷两种方案进行对比分析。

4 方案设想

4.1 余热利用方案

選用离心式热泵机组2台，总供热装机3.04MW，总供冷装机2.8MW。装机参数如下：

单机制热量：1520kW，输入功率304kW;单机制冷量1406kW，输入功率256kW。

热泵机组冬季向供暖用户以及井口加热器供热，若全部用于居民供暖，预计可满足6.6万m2的供暖需求;夏季向附属办公用房及周边用冷用户供冷，预计可满足2.8万m2的供冷需求。

如果供热及供冷负荷超过热泵机组的供冷、供热能力，则应辅助燃气锅炉及常规电制冷进行调峰，具体应结合项目实际情况综合分析确定。

4.2燃气锅炉+常规电制冷方案

锅炉燃用清洁燃料——天然气。天然气的主要成份是甲烷（CH4）和乙烷（C2H6），天然气中几乎不含对环境产生有害影响的烟尘和硫，从根本上杜绝了这两种物质对环境的不良影响。根据国家标准《锅炉大气污染物排放标准（GB13271-2014）》对重点地区新建工业锅炉烟气的NOx排放限定值≤30mg/Nm3，采用低氮燃烧器+烟气再循环技术，以保证排放达标。供热参数：130/70℃，1.6MPa。供热介质：水。

燃气锅炉额定热功率2.1MW，设计压力1.6MPa，额定出水温度130℃，额定回水温度70℃，排烟温度90℃，锅炉效率96%，2台，总供热装机4.2MW。

常规电制冷系统结构由压缩机、膨胀阀、蒸发器和冷凝器四部分组成，其原理就是通过输入一定的高品位能量给压缩机，压缩机通过一个等墒过程将能量的品位提高，使能量由低温体（蒸发器）传递到高温体（冷凝器）。

电制冷机采用离心式冷水机组，机组额定制冷量1406kW，输入功率256kW，2台，总制冷装机2806kW。

4.3投资对比

两种方案的投资对比如表4所示。

从投资估算对比表可知，两种方案的投资基本相当，余热利用方案略低于燃气锅炉+常规电制冷方案，主要原因是余热利用方案，一机两用，节省了电制冷装机，节约了电制冷投资。

4.4运行费用

（1）运行成本

在既定的水、电、气等边界条件下，供热工况下，燃气锅炉供热的年运行成本178.2万元，余热利用系统年运行成本150万元。

供冷工况下：常规电制冷的运行成本约17.6万元，余热利用系统的运行成本约15.84万元，供冷工况运行成本的降低，主要原因是供冷工况下，矿井涌水水温较低，相对常规电制冷系统，供冷能效大约提高10%左右。

供热工况，运行成本大小关系为：燃气锅炉供热<热泵供热，运行成本中最主要因素分别为：

1）余热利用方案最主要是用电成本，占比约80%;

2）燃气锅炉方案最主要为耗气成本，占比约70%;

（3）一次能源消耗

1）供热工况下：余热利用方案年一次能源消耗217.57tce/年，燃气锅炉方案一次能源消耗610tce/年。

余热利用方案相比燃气锅炉，供暖季年节约标煤约390tce，二氧化碳减排量963.3tce，二氧化硫减排量7.8 tce，烟尘减排量3.9 tce，粉尘减排量0.39 tce，氮氧化物减排量6.24 tce，相当于植树7万棵。

2）供冷工况下：余热利用方案能效提高，年节约标煤约4tce，二氧化碳减排量9.88tce，二氧化硫减排量0.08 tce，烟尘减排量0.04 tce，氮氧化物减排量0.06tce，相当于植树700棵。

4.3 效益分析

通过对涌水余热的利用，在条件运行的情况下，就近建设余热利用能源站，可实现周边居民及工商业用户的供暖、供冷，投资运营单位可向用户收取费用，既可实现余热资源的高效利用，又能产生一定的经济价值。

4.4风险分析

矿井涌水余热利用是否可行，受各方面因素影响，相同供冷供热装机，边界条件不同，投资经济性相差甚远，应充分考虑各种风险因素，如价格风险、政策风险、技术风险等。

1）  燃气价格和电价

燃气价格对燃气锅炉运行成本影响很大，而电价又对余热利用系统运行成本较大影响，因此，存在燃气价格和电价波动，对项目经济性产生不利影响的风险，应在前期充分调研和落实相关价格政策。

2）  供热供冷价格

如果余热利用系统仅用于矿井工艺系统加热，创造的主要是增量效益，以及环境社会效益，如果用于供热供冷，那么冷热价格，作为主要收入源头，对经济性影响显著，应结合当地消费习惯，落实合理可行的冷热价格。

3）供热供冷在矿区既属于工艺系统范畴，如果用于周边居民及工商业供冷、供热，则有属于民生范畴，则会受当地政策影响，如能源价格、配套费收取，特许经营权等政策性因素的影响。

4）仅依靠余热利用系统，尚存在供能不稳定的风险，尚需辅助常规冷热源进行调峰，整个系统较复杂，存在运行管理不善造成系统能效低的风险。

5.结论及建议

（1）本文提供了利用涌水余热建设矿区能源站的方案思路，在满足一定的水电气条件下，具备较好的经济性和可操作性，同时具有较好的环境和社会效益。

（2）通過对涌水余热的利用，在条件运行的情况下，就近建设余热利用能源站，结合常规供能方式调峰，可实现周边居民及工商业用户的供暖、供冷，投资运营单位可向用户收取冷热费用，既可实现余热资源的高效利用，又能产生一定的经济价值，打破常规仅用于矿井场地用热的余热利用模式，

（3）矿井涌水余热利用系统的应用，应充分考虑当地能源价格、政策因素、是否选用余热利用系统，尚需进行综合经济技术分析后确定，应在项目前期充分评估价格、政策以及技术等各项风险要素，切不可盲目跟风。

参考文献

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