摘要:目前矿井所使用的洗澡用水等热水大多是由工业燃煤锅炉提供的，但是随着国家对环境治理工作的进一步深化，淘汰燃煤工业锅炉是政策导向。锅炉取消后，如何解决矿井热水的供应问题，成为制约矿井正常生活生产的关键问题。龙门煤矿结合自身实际条件，通过综合余热节能改造项目的研究和应用，结合矿井所处地理位置的气象环境条件、建筑条件、矿井压风机的运行状况、井下排水的水温情况，综合设计安装了太阳能取热、压风机预热回收、矿井水水温回收相结合的水加热系统，不但成功取消了燃煤工业锅炉，满足了环保的要求，同时还解决了职工洗澡的用水问题，更重要的是减少了污染物的排放和对环境的污染。
关键词:综合余热节能改造;太阳能;压风机预热回收;矿井水水温回收
0引言
目前企业职工日常洗澡所用的热水大都是利用燃煤工业锅炉通过燃烧煤炭产生的，特别是在煤矿企业，日常的用水量更大，造成锅炉用煤的大量消耗，并且对环境污染也相当严重，燃煤锅炉已是一种淘汰的热水加热方式[1]。
压风机是矿井生产过程中必须使用的设备，运行期间会产生大量的热量，并且热量会使压风机运行温度过高，对压风机的正常运行也会产生负面影响，缩短压风机的运行寿命。矿井正常生产过程中，必须将矿井水排出地面，而且龙门矿矿井水水量比较大，水温比较高，可以加以利用。如何解决锅炉运行期间对大气的污染，减少用煤量的消耗，减少压风机因自身产生的热量而引起设备寿命的缩短，同时解决职工洗澡等所需热水的问题，成为制约矿井职工正常生活、影响生产的主要因素。
目前，解决矿井热水供应普遍采用将燃煤工业锅炉更换为电加热锅炉和燃气锅炉的方法。此种方法虽然解决了燃煤工业锅炉对环境的污染问题，但是使用成本依然很高，无形中增加了企业的运行成本。本文以此为研究对象，结合龙门煤矿自身实际，通过利用太阳能片加热热水、压风机热量加热热水和水源热泵加热热水综合预热利用项目解决矿井正常的热水使用[2]，同时也解决了压风机运行温度过高、影响设备正常运行的弊端。
1项目的可行性分析
1.1目前现状
龙门煤矿目前澡堂分别布置在一、二楼，一楼男澡堂有4个7.5m3浴池、40个淋浴喷头;二楼男澡堂有3个12m3的浴池、80个淋浴喷头;干部男澡堂有2个4m3浴池、10个淋浴喷头。女澡堂有20个淋浴喷头，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为140m3。平均每天需45℃热水320m3。水源加热主要为2台4T锅炉。
1.2安装综合预热利用的气象条件分析
(1)气温。
全年平均温度14.6℃，最热月平均气温27.5℃，冬季通风温度0℃，冬季采暖温度-5℃，夏季通风温度32℃。(2)气压。冬季最高气压1008.8hPa，夏季最低气压987.6hPa。(3)湿度。平均最冷月相对湿度57%，平均最热月相对湿度75%。(4)水温。全年平均地下水温16～18℃，夏季水温17℃，冬季水温13℃，春秋季水温15℃。根据洛阳气象资料统计，全年阴雨雪天气的极大值为65d。综合气象条件，结合龙门煤矿实际，设计安装综合预热利用项目。
1.3综合预热利用项目设计思路
(1)太阳能系统。太阳能集中热水系统必须是技术先进、经济上合理，并且具有较高的安全、灵活性，能满足各种天气变化状态要求[3-7]。太阳能集中热水系统全自动运行，实时水温水位显示，全自动供水、补水、系统自动温差循环，自动启停防冻循环，系统基本实现无人值守。太阳能系统包括太阳能集热器、全玻璃真空管、储热水箱、集热循环、自动控制以及相应配套设备。结合矿井现场条件，利用联建楼楼顶空间和充灯房房顶空间布置太阳能板和管路[8]，考虑到经济、安全性、能效性等原则，集热器布置屋面最大化。
工程设计采用横插管型集热器，安装?58mm×1800mm×50mm太阳能集热器104组，真空管共5200支，集热面积832m2，满足春秋晴好天气产生洗浴50℃热水60m3。太阳能控制系统采用PLC+彩色触摸屏为核心的控制器，配置水位、温度等数据采集系统，功能包括:定温放水、集热循环、自动上水、供水循环(定时循环、定温循环、定时定温循环)等功能，全智能全自动化控制系统，在满足全自动控制的同时，兼备人工设定系统。电气系统具备漏电、过载、短路等保护措施。
(2)空压机余热回收系统。空压机房有3台250kW空压机为井下提供压缩空气，目前经常开启1台250kW空压机，每天加载运行20h;另一台250kW空压机每天加载运行10h;最后一台空压机作为备用设备。在此空压机运行状态下安装余热回收利用系统，春秋季每日产45℃热水不低于140m3。
空压机余热回收系统采用自动感温设计[9-18]，当空压机运行时，余热回收系统才开始运行，系统无负荷不运行，符合自身节能要求。系统配套水箱上要安装有液位传感器，可根据水箱液位自动控制热水供水管道的开启和关闭，达到供水的稳定。在余热回收系统出现问题时，可迅速将循环油路及高压气体切换至原回路，保证空压机的正常运行，不会因为余热回收系统损坏而影响空压机的正常运行。
系统具有自动报警功能，当系统有故障时，激活声光报警器，提醒操作人员及时处理;当系统有故障不能及时排除时，系统将会停机，确保安全。当单台空压机停机时，对应的热回收装置水路能够自动断开，防止单台空压机余热回收系统停机时，有反水现象发生。
(3)水源热泵系统。
水源热泵通过提取矿井井下排水中间的热量加热清水，以使清水满足职工洗澡等使用的温度[19-21]。通过太阳能、压风机余热利用、水源热泵3套系统的相互配合实现矿井热水的正常需求。水源热泵系统利用PLC、触摸屏和变频器对水源热泵进行变频节能控制。采用变频器配合可编程控制器组成控制单元，其中冷却水泵、冷冻水泵均采用温度自动闭环调节，即用温度传感器对冷却水、冷冻水的水温进行采样，并转换成电信号(一般为4～20mA，0～10V等)后送至PLC，通过PLC将该信号与设定值进行比较再作PID运算后，决定变频器输出频率，以达到改变冷冻水泵、冷却水泵转速，从而达到节能目的。
2综合余热节能改造项目实施方案
2.1项目组成
综合余热节能改造项目，其包括压风机余热利用系统、矿井水热源利用系统和太阳能利用系统，压风机、余热回收装置、第1循环水箱，压风机通过管道与余热回收装置连通，余热回收装置通过管道与第1循环水箱连通;矿井水池通过管道与水源热泵连通，水源热泵通过管道与第2循环水箱连通;太阳能集热管通过管道与第3循环水箱连通;第1循环水箱、第2循环水箱、第3循环水箱分别通过管道连接恒温水箱，恒温水箱通过管道连接用水终端。第1循环水箱的出水口与余热回收装置的进水口之间的管道上设置有第6循环水泵。第2循环水箱的出水口与水源热泵的进水口之间的管道上设置有第4循环水泵。
第3循环水箱的出水口与太阳能集热管的进水口之间的管道上设置有第1循环水泵。矿井水池与水源热泵相连接的供水管道上设置有第3循环水泵。第1循环水箱、第2循环水箱、第3循环水箱与恒温水箱相连接的管道上分别设置有第2循环水泵、第5循环水泵、第7循环水泵。第1循环水箱、第2循环水箱、第3循环水箱分别通过设置有电磁阀4c、电磁阀4b、电磁阀4a和硅磷晶阻垢器3c、硅磷晶阻垢器3b、硅磷晶阻垢器3a的管道与自来水水源相连通。根据循环水箱液位的高低通过电磁阀的控制不断向循环水箱内补水，硅磷晶阻垢器可以起到防止排水管路内水垢的产生，保护管道的使用寿命。
第1循环水箱与余热回收装置之间的管道、矿井水池与水源热泵之间的管道、水源热泵与第2循环水箱之间的管道上均设置有压力传感器和温度传感器。
2.2工作过程
综合余热节能改造项目中，各个水泵、电磁阀的自动控制以及压力传感器和温度传感器的监控均由自动控制系统进行集中控制。
(1)压风机余热利用系统工作过程。首先通过控制系统打开电磁阀4c，使自来水通过管道流入第1循环水箱内，使水位达到设定的最高水位;控制系统打开第6循环水泵，使第1循环水箱内的自来水不断地在余热回收装置内的过水管道中进行循环，同时压风机的高温油流入余热回收装置，在余热回收装置内的过油通道内循环，进行油水交替换热。
高温油热量被低温的水吸收，降低了空压机的温度，吸收热量升温后的热水通过第1循环水箱的进水口与余热回收装置的出水口之间的管道流入第1循环水箱内，温度升至设定温度后，停止加热，然后通过第2循环水泵将第1循环水箱内的水输送至恒温水箱内，供用水终端使用。当第1循环水箱内的水位下降到下限水位时，通过电磁阀4c的动作重新向第1循环水箱内补水，继续进行油与水的热量交换，制取热水。
(2)矿井水热源利用系统工作过程。
首先，通过控制系统打开电磁阀4b，使自来水通过管道流入第2循环水箱内，使水位达到设定的最高水位;通过第3循环水泵将矿井水池内的井下涌出的矿井水通过管道送入水源热泵中，同时控制系统打开第4循环水泵，使第2循环水箱内的自来水通过管道送入水源热泵中，不断地在水源热泵与第2循环水箱之间进行循环，在水源热泵内不同管路中的矿井水与自来水交替换热，自来水吸收矿井水的热能，当第2循环水箱内的自来水温度达到设定的温度时，停止加热，通过第5循环水泵将第2循环水箱内的水输送到恒温水箱中，供用水终端使用。当第2循环水箱内的水位下降到下限水位时，通过电磁阀4b的动作重新向第2循环水箱内补水，继续进行热量交换，制取热水。
(3)太阳能利用系统工作过程。
首先，通过控制系统打开电磁阀4a，使自来水通过管道流入第3循环水箱内，使水位达到设定的最高水位;通过第1循环水泵将第3循环水箱5内的自来水通过管道送入太阳能集热管中，不断地在太阳能集热管与第3循环水箱之间进行循环，自来水吸收太阳能进行提热，当第3循环水箱内的自来水温度达到设定的温度时，停止加热，通过第7循环水泵将第3循环水箱内的水输送到恒温水箱7中，供用水终端使用。当第3循环水箱内的水位下降到下限水位时，通过电磁阀4a的动作重新向第3循环水箱内补水，继续进行加热，制取热水。综合余热节能改造项目中3个独立的自来水循环加热系统，不间断的制取热水输送至恒温水箱内，满足热水的供应需求。
2.3效果分析
各系统不同季节产水量及运行时间见表1—表3结论龙门煤矿通过综合余热节能改造项目的实施和应用，解决了困扰矿井正常生产的职工洗澡等热水的需求问题，同时也降低了压风机因运行温度过高造成的设备保护停机等现象，既确保了矿井井下正常生产的压风需求，也大大改善了压风机的运行环境，延长了设备的使用寿命。
参考文献(References):
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电力期刊推荐：中国电力主要报道全国发电厂、电力网、供用电等有关电力生产运行、设计施工、科学研究以及电力信息资源开发利用的成果，加强经营管理方面的经验介绍;刊登电力工业技术政策、技术规程、标准及电力统计数据;适当介绍动力机械、电机电器制造部门在产品改造和改型方面的经验以及国外电力生产、科技及经营管理方面的动态。
