某矿区地源热泵应用工程
摘要：利用某矿区井下排水作为冷热源，采用水源热泵系统代替矿区原有锅炉供暖系统用于冬季供暖、夏季制冷，实现矿区节能减排的目的。针对工程中井下排水水质影响系统运行的问题，找出解决该问题的有效办法。
关键词：水源热泵矿井水处理节能环保
一、工程简介
近年来某矿区为响应国家节能减排的号召，创建数字化矿山的管理模式，大力推广新产品新技术，先后在焦家金矿、玲珑金矿等工程中，淘汰高污染高耗能的传统燃煤供暖，充分利用矿山采掘过程中的排水，采用水源热泵系统用于矿区改造和新建建筑的供暖制冷空调系统。于2011年进行了一期改造，采用水源热泵将200吨矿区利用废弃平巷和盲井联合为矿区内办公、宿舍和生产车间提供冷热源，代替原有锅炉系统，经过两年运行系统效果非常明显，因此公司于2013年对500吨矿区进行了改造，该矿区位于山东省平度市灰埠镇境内，总建筑面积为10500平米，分办公区和生产区两部分，其中办公区采用风机盘管空调系统，建筑面积为3100平米，包括办公楼、宿舍食堂等；生产区总建筑面积为7400平米，包括浮选、压滤井口和提升机房等，采用铸铁散热器，整个系统计算冬季供暖热负荷为1560KW，夏季制冷负荷为600KW。
二、工程设计
1）设备选型
根据建设单位提供的井下排水情况，井下排水中氯离子和硫酸根离子超过标准要求（《采暖通风与空气调节设计规范》条文说明7.3.3要求Cl-<100mg/L，SO42-<200mg/L），为了防止水质影响机组正常使用，机组蒸发器和冷凝器采用耐腐蚀的海军铜（一种锌锡铜的合金。通常含有70%Cu、29%Zn、1%Sn）材质，供暖末端主要为暖气片，因此选用两台高温机组，工质R134a，最高出水温度达60℃，单机标准工况下制热量为772KW，制热输入功率为212KW，制冷量为654KW，制冷输入功率为131KW，冬季运行两台，夏季运行一台，以匹配供暖和制冷的要求（详见工艺流程图）。
2）矿井水连续供水措施
（1）矿井水流量计算
根据矿井水排水情况，矿区每天排水量为1760+2000+280=4600m3，平均小时流量为191m3/h。根据热泵的工作原理和热力学第一定律，矿井水冬季承担的热负荷为Q冬=（772-212）2=1120KW，为降低运行费用，按照矿井水温降9℃
考虑,冬季矿井水最大小时流量为G冬=11203600/(4.210009)=107m3/h；矿井水夏季转移的热量为Q夏?=654+131=785KW，按照矿井水温降6℃考虑，夏季矿井水最大小时流量为G夏=113m3/h。
正常情况下为保证冬季矿井水的连续供水，可采取的两种措施：
1、根据矿井水流量要求，在井下水仓重新安装潜水泵，并敷设新的供水管道
2、根据矿井水流量和供水周期最大间歇时间在地表设置蓄水池
采用哪种连续供水方式，要根据建设单位实际情况确定，该工程在井下水仓安装潜水泵并引出水源管道的投资是地面新建水池投资的三倍，并且现有主竖井已经没有位置重新安装新的排水管道，因此选择在地面新建蓄水池的方式保证连续供水。根据冬季最大小时用水量107m3/h，最大间隔6小时计算，新建水池有效容积为V=1076=642m3，在动力站北侧新建20米9米4.5米（长宽高）的地上水池，公称容积为810m3。
（2）水池液位自控设计
为保证水池内的液位满足系统正常运转的要求，在水池总供水管设置水流开关，在水池回水管设置电动开关阀，电动开关阀第一信号由液位控制，第二信号为水流开关：①当水池液位最高，井下排水时，水流开关闭合，电动开关阀关闭，矿井水经过机组后直接排走；当井下不排水时，水流开关断开，电动开关阀开启，矿井水经过机组后进入水池循环利用，②当水池液位不在最高时，井下排水时，水流开关闭合，电动开关阀开启，直至液位达到最高，再执行①步骤。
整个系统矿井水循环泵设置三台，其中其中两台为手动控制（夏季只开其中一台，冬季开两台），第三台矿井水循环泵为自动运行（井下排水要满足矿区内压滤和其他生产用，为防止水池满水溢流，第三台为水池液位控制用，在水池液位为4.2米时，自动启动，在水池液位为3.5米时，自动关闭）（参见流程图）
（3）系统运行后出现的问题及解决办法
该系统于2013年7月投入运行，在运行一个月后出现机组自动停机，并故障报警，根据故障报警代码查得原因为压缩机排气压力-油压超过最大设定值，手动复位重新启动后，机组满负荷后仍报同样故障，根据压缩机排气压力、冷凝器循环水的温差及压差，断定因机组冷凝器换热效果差造成，开启另一台机组却能正常运转，怀疑是水质问题造成的机组冷凝器堵塞，根据水质化验报告及《工业循环冷却水设计规范》(GB50050—2007)中3.1.8规定,循环冷却水中悬浮物浓度不宜大于20mg/L。当换热器的形式为板式、翅片管式和螺旋板式时,不宜大于10mg/L，水质满足使用要求，后经过半个月的运行，找到水质出现问题的原因，由于井下生产过程中充填造成泥沙混进排水仓，造成水质变差，对充填时水质化验后悬浮物最高达78mg/L，粒径分布为60μm-120μm，以泥沙为主，考虑到充填水的不连续性，并根据《工业水处理技术问答》（第四版）第二章图2.0.1水中杂质与处理方法，采用自然沉淀方式处理充填水，在长9米的水池内隔3米砌2米高的砖墙，并将排污管接入每个分隔墙内，以方便排污（见流程图）。经上述改造后，系统运行两年未出现故障报警，每年机组保养时，换热器内未见明显的泥沙堵塞，满足系统的连续运转。
三、结束语
由于矿山生产利用水源热泵系统越来越普遍，要充分注意井下排水的水质对机组的影响，要因时制宜因地制宜，根据不同水质选择合适的机组及相应的水处理设备，以满足系统的使用要求。 |
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