井口防冻专用机组在煤炭矿井井筒防冻中的使用

毛红社，赵渊龙

(煤炭工业太原设计研究院集团有限公司，山西 太原 030001)

1 概述

根据国家《“十三五”节能减排综合工作方案》、山西省《山西省大气污染防治2018年行动计划》内容，临汾市同富新矿井被列为“禁煤区”，“禁煤区”范围内除煤电、集中供热和原料用煤企业外，禁止储存、销售、燃用煤炭。同富新矿井原有的燃煤锅炉被拆除，没有了热源，如何给矿井井筒防冻，保证冬季的安全生产，成了矿企急需解决的难题。我们在给同富新矿进行清洁能源改造时，针对矿井井筒保温，设计选用井口防冻专用加热机组利用新能源热泵系统解决井筒防冻问题，经一年的使用，实践证明取得了很好的效益，现介绍如下。

2 井筒防冻传统做法

矿井井筒防冻的传统做法见图1。

该做法的特点是利用高温热媒将室外空气加热到40 ℃～70 ℃，送入井筒或井口房内，与室外被吸入的冷空气混合到2 ℃后送入井下。

矿区距离城市供暖管道较远，没有集中供热条件。其他可利用的燃气、地(水)热能源均不具备实施条件。燃煤锅炉取缔后，目前只能采取以电为主的供暖方式。

空气源热泵技术比具有相同供热能力的电锅炉节约电能，目前基本成了能源替代方案的唯一选择。

3 井口防冻专用机组运行原理

该矿井井筒防冻形式采用井口防冻专用机组，依据模块化设计理念，将12台涡旋式空气源热泵主要部件压缩机、蒸发器拼接成制热段，将冷凝器、离心风机拼接为加热/风机段，两个功能段组合在一起，形成一台独立机组。机组构成见图2。

机组制热段采用通常的空气源热泵机组，采用涡旋压缩机；加热/风机段采用柜式空调箱的形式，不同之处在于其冷凝器6，针对井筒防冻做了特殊设计，高温高压的制冷剂R134a流入冷凝器6，经室外冷空气冷却为液体后再进入4,2循环工作。经5吸入的室外空气经6加热后，由大风量离心风机7经风道送入井筒。

该机组直接将室外冷空气加热到井筒防冻需要的2 ℃，根据矿井通风所需进风量，多台井口防冻专用机组模块化组合，按1∶1风量，全新风送入井筒内，以供冬季井筒防冻，达到井筒防冻的要求。工作方式见原理图3。

4 井口防冻专用机组与普通空气源热泵井筒防冻技术区别

普通空气源热泵流程是：热泵加热水，水加热空气；井口防冻专用机组的流程是热泵加热空气。

井口防冻专用机组与普通空气源热泵井筒防冻区别如表1所示。

表1 井口防冻专用机组与普通空气源热泵井筒防冻区别

5 井口防冻专用机组特点

由表1可以发现，井口防冻专用机组与普通空气源热泵井筒防冻形式相比，具有以下特点：

1)摒弃常规空气源热泵技术加热方式，直接将井筒通风所需的全部冷风加热至2 ℃后送入井筒内，降低了被加热介质(冷凝)的温度。

逆卡诺循环原理见图4。

图4中，T1为高温热源温度；T2为低温热源温度；q1为吸热量；q2为放热量；w0为热泵做功，T1的降低，使得w0减小。热泵的能效值计算公式：h=T1/(T1-T2)。

(T1-T2)差值越小，h值越大，热泵能效越高。因而该机组即使在极端最低温度情况下(-25 ℃及以下)此时井口防冻专用机组能效比COP值仍然较高，可达3.0以上。

2)全新风送风，在降低送风温度的同时，全新风送风避免了混风不均匀导致的井筒防冻效果不良现象。在煤炭系统，如此大风量，按矿井通风量进行1∶1的送风方式还是第一次，这种送风方式带来的益处与不足还需要更多工程的检验。

3)本加热系统无水系统，使用井口防冻专用机组直接加热室外冷风至2 ℃后送入井筒内，减少了普通空气源热泵井筒防冻加热方式中水系统的换热及管路热损失，加热效率更高，加热系统更加简单，减少循环泵等装置。

4)与传统燃煤锅炉相比，本加热系统自动化程度高，可根据室外温度情况自动调整主机运行状态，达到最佳的经济运行状态。系统采用先进的物联网技术，可在手机端/IPD/PC端等对主机进行远程监控、实时操作等功能，可实现无人值守。

5)井口防冻专用机组均为单元模块化设计，每个机组只负责加热部分冷风。多个机组加热后的暖风经机组自带的风机加压后汇入总风道内送至井筒。井口防冻专用机组可根据井筒防冻负荷任意组合安装，大大缩短了系统的施工周期，更好地适应了矿井不同建设时期对井筒保温的需要[1-2]。

6 工程实践

临汾地区同富新矿井采用井口防冻专用机组于2018年7月开始设计，2018年10月开始安装，2018年12月竣工运行，现场完成情况如图5所示。井口防冻专用机组布置情况如图6所示。

井口防冻专用机组经一个采暖期运行，效果良好。

该矿历年极端最低温度平均值为-22.3 ℃。主井进风量800 m3/min，副井进风量4 600 m3/min，井口防冻专用机组ADE300H-DX120AS-AF单机在-12 ℃工况下制热量330 kW，送风量500 m3/min，耗电量77.1 kW。计算热负荷及设备选型见表2，共使用井口防冻专用机组11台。

表2 井口防冻专用机组配置表

由于同富新矿井主斜井、副斜井在一个场地内相邻，所有11台井口防冻专用机组集中一起布置在工业广场上，送入副井井筒的最大风道断面3 m×3 m。采暖期井口防冻专用机组耗电量见表3。

表3 采暖期井口防冻专用机组耗电量统计

采暖期合计用电量875 650 kW·h。折合单位风量耗电量为875 656/(800+4 600)=162.16 (kW·h)/m3。

7 节能效益分析

7.1 与单纯电加热机组比较

同富新矿井筒防冻热负荷3 117 kW，与同富新矿井相距不远的DR矿其气象参数相同，井筒防冻热负荷为3 214 kW，二者相差3.1%。DR矿采用单台功率500 kW的电加热机组，加热冷空气送入井筒内，配置如表4所示，其耗电量统计见表5。

表4 某矿电加热机组配置表

该矿同样经一个采暖期运行，运行时间一致，使用效果良好。

表5 DR矿电加热机组耗电量统计

采暖期合计用电量2 652 804 kW·h。折合单位风量耗电量为2 652 804/(2 358+3 207)=476.69 (kW·h)/m3。

二矿井筒防冻耗电量比值162.16/476.69=0.34。可见同富新矿井采用井口防冻专用机组用于井筒防冻，能耗仅为电加热机组能耗的34%，取得了明显的节能效果。

7.2 与热水型空气源热泵机组比较

同样与同富新矿井相距不远的XY矿其气象参数相同，井筒防冻热负荷为2 312 kW。DP矿采用空气源热泵机组，单机制热量150 kW，共16台(见表6)，制备热水通过空气加热机组加热冷空气送入井筒内。该矿同样经一个采暖期运行，使用效果良好。

表6 XY矿电加热机组配置表

采暖期合计用电量1 176 471 kW·h。折合单位风量耗电量为1 176 471/4 000=294.12 (kW·h)/m3。

二矿井筒防冻耗电量比值162.16/294.12=55%。由此可见同富新矿井采用井口防冻专用机组用于井筒防冻，为热水型空气源热泵机组能耗的55%，取得了明显的节能效果。

8 结语

井口防冻专用机组用于井筒防冻，是新时代环保政策下催生出的产物，作为新产品，使用中还有不甚理想之处，还要经更多的实践检验和专家们的鉴定，对于转型升级中的煤炭行业来说，希望这一产品的推广应用，为煤炭行业的发展起到升级助推的作用。