CN114838525A - 基于煤矿瓦斯抽采设备取热再利用的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于煤矿瓦斯抽采设备取热再利用的方法及系统，旨在利用瓦斯抽放设备的废热，再通过热泵机组提高供热品质，保证对外恒温供热实现科学利用的目标。取热再利用系统通过回收装置对抽采设备废热进行采集，既可以使水环真空泵中循环水温度降低，保证设备平稳运行，提高效率；又达到无废热气排放，不设置冷却设备的效果，最后利用管壳式换热器与水源热泵的协作实现提高品质对外恒温供热。本发明通过水环真空泵、水‑水换热器与水源热泵构成主要的工作机组，实现消耗少量高品位电能，将瓦斯抽放设备低品位工作液中的热量提取出来，产生高品位能源，同时做到了不新增废渣、废液、废气，是一种节能清洁的供热方式；既能够降低煤矿企业的生产成本，又符合国家节能减排的政策要求。
Description
技术领域
本发明涉及设备余热再利用技术领域，特别涉及基于煤矿瓦斯抽采设备取热再利用的方法及系统。
背景技术
对瓦斯抽放泵站抽采设备产生的废热进行回收利用，有着显著的节能效果，也会带来经济效益；更符合节能减排政策。对瓦斯抽放泵站抽采设备废热回收可以达到双重目的，第一可以将废热供给煤矿需要的生活用热。第二起到了节约能源，既节约与锅炉产生的等量的热量，也就是减少了废热排放，是一项环保的节能方式。瓦斯抽放泵站抽采设备废热是冷却介质废热；以前煤矿生产运行比较粗狂，节能意识不强，因此未重视抽采设备废热利用，同时工程师和煤矿管理者一直认为瓦斯抽采设备运行过程中存在生产波动性，导致废热量不稳定；再加上废热载体介质性质恶劣(有煤尘)，使得废热利用装置需要高造价设备，因此抽采设备废热利用没有突破和完善的利用系统，故而提出基于煤矿瓦斯抽采设备取热再利用的方法及系统。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供基于煤矿瓦斯抽采设备取热再利用的方法及系统，将瓦斯抽放设备低品位工作液中的热量提取出来，产生高品位能源，以解决上述背景技术中提出的问题。本发明从瓦斯抽放泵站水环真空泵和汽水分离器取热。
本发明基于煤矿瓦斯抽采设备取热再利用，提供如下技术方案：
基于煤矿瓦斯抽采设备取热再利用系统，包括第一工作环节与第二工作环节，所述第一工作环节对工作液中的热量进行置换，所述第二工作环节对第一工作环节置换的热量进行提质，所述第一工作环节与第二工作环节间设有水-水换热器；
所述第一工作环节包括水环真空泵、汽水分离器、三功能水箱、变频恒压供水机组与水-水换热器，所述水环真空泵与汽水分离器相互组合安装，且内部导流贯通，所述水-水换热器的一次侧回流口通过管路连接水环真空泵，所述汽水分离器通过管路连接三功能水箱，所述三功能水箱通过管路连接变频恒压供水机组，所述变频恒压供水机组通过管路连接水-水换热器的一次侧进流口；
所述第二工作环节包括水源热泵，所述水源热泵机组第一外接口与第二外接口连接外部水源，所述水源热泵机组的第一内接口通过管路连接水-水换热器的二次侧进流口，所述第二内接口通过管路连接水-水换热器的二次侧回流口，且管路上设有循环泵。
优选的，所述三功能水箱包括箱体，所述箱体的底部一体成型有积泥漏斗，所述积泥漏斗的锥斗端固定安装有排泥管，所述箱体的顶部固定安装有泥水界面仪与液位计，所述泥水界面仪的探测端位于积泥漏斗的上环口面，所述液位计的探测端为积泥漏斗的上环口面上方，所述箱体的上壳表固定安装进水管，且进水管的下端固定安装有条缝布水进水管，所述箱壳的侧壁固定安装有出水管，且出水管的内端固定安装有条缝集水出水管。
优选的，所述水-水换热器为一对，一对所述的水-水换热器通过管路进行并联，所述水-水换热器采用管壳式结构。
优选的，所述箱体顶面为敞口，且敞口边侧固定安装有通透的钢格板，所述箱体的外侧壁固定安装有爬梯，所述爬梯的上端悬于箱体的上口处，且爬梯与透钢格板位于同侧。
基于煤矿瓦斯抽采设备取热再利用的方法，包括如下步骤：
S1、瓦斯抽取设备工作过程中产生热量，继而对工作液进行升温，水环真空泵利用工作液形成水环，产生负压工作；然后将升温后的工作液导入汽水分离器，而后由汽水分离器流出的工作液流自流入三功能水箱；
S2、流入三功能水箱的工作液流对工作液中的瓦斯气体进行溢出，将工作液中的煤尘进行沉淀分离，及对工作液流的循环流动进行缓冲；
S3、变频恒压供水机组通过自身的功能将三功能水箱中处理后的工作液流抽取导入水-水换热器；
S4、工作液通过水-水换热器的结构，实现工作液与媒介水流的热量交换，完成工作液温度降低，完成第一工作环节的热能吸收与利用；
S5、降温后的工作液恒定地输送至水环真空泵，通过再次形成水环，产生负压工作，循环往复；
S6、水源热泵机组通过自身工作将外部水流导入系统内，通过导入的外部水热量对媒介水流进行二次提质升温，媒介水流在循环泵的作用下，在水- 水换热器、水源热泵机组间进行循环，完成第二工作环节的热能吸收与提质。
优选的，步骤S4的换热结束后需要将水-水换热器的二次侧回流导入至水源热泵机组的水温升至25℃及以上。
优选的，步骤S6的进行二次提质升温后的媒介水流在水源热泵机组流出时的水温实现高于60℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
基于煤矿瓦斯抽采设备取热再利用的方法及系统通过水环真空泵、水-水换热器与水源热泵机组构成主要的工作机组，进行热量的吸收利用，既能够减少能源的浪费，又可以减少利用燃煤、燃气锅炉的污染物排放总量，能够降低煤矿企业的生产成本，符合国家节能减排的政策要求。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为本发明三功能箱结构示意图。
图中：1—水环真空泵，2—汽水分离器，3—三功能水箱，301—积泥漏斗,302—排泥管,303—爬梯,304—条缝布水进水管,305—条缝集水出水管,306—泥水界面仪,307—液位计,308—钢格板,309—箱体，4—变频恒压供水机组，5—水-水换热器，6—循环泵，7—水源热泵机组。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本实施例中基于工程设计过程加以叙述：
基于2BEC120水环真空泵进行计算热量，2BEC120水环真空泵叶轮转速在 180r/min，吸入口绝对压力0.04Mpa，该吸入口压力时，轴功率PN＝1680kW。
请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：基于煤矿瓦斯抽采设备取热再利用系统，包括第一工作环节与第二工作环节，所述第一工作环节对工作液中的热量进行置换，所述第二工作环节对第一工作环节置换的热量进行提质，其特征在于：所述第一工作环节与第二工作环节间设有水-水换热器5；
所述第一工作环节包括水环真空泵1、汽水分离器2、三功能水箱3、变频恒压供水机组4与水-水换热器5，所述水环真空泵1与汽水分离器2相互组合安装，且内部导流贯通，所述水-水换热器5的一次侧回流口通过管路连接水环真空泵1，所述汽水分离器2通过管路连接三功能水箱3，所述三功能水箱3通过管路连接变频恒压供水机组4，所述变频恒压供水机组4通过管路连接水-水换热器5的一次侧进流口；
所述第二工作环节包括水源热泵，所述水源热泵机组7第一外接口与第二外接口连接外部水源，所述水源热泵机组7的第一内接口通过管路连接水- 水换热器5的二次侧进流口，所述第二内接口通过管路连接水-水换热器5的二次侧回流口，且管路上设有循环泵6。
具体而言，所述三功能水箱3包括箱体309，所述箱体309的底部一体成型有积泥漏斗301，所述积泥漏斗301的锥斗端固定安装有排泥管302，所述箱体309的顶部固定安装有泥水界面仪306与液位计307，所述泥水界面仪 306的探测端位于积泥漏斗301的上环口面，所述液位计307的探测端为积泥漏斗301的上环口面上方，所述箱体309的上壳表固定安装进水管，且进水管的下端固定安装有条缝布水进水管304，所述箱壳的侧壁固定安装有出水管，且出水管的内端固定安装有条缝集水出水管305。
具体而言，所述水-水换热器5为一对，一对所述的水-水换热器5通过管路进行并联，所述水-水换热器5采用管壳式结构。
采用管壳式的水-水换热器5，能够在保证热量交换的同时，能够避免板式换热器因工作液流中含有的煤尘等杂质造成的堵塞问题，而管壳式的结构，方便进行清洗维护。
具体而言，所述箱体309顶面为敞口，且敞口边侧固定安装有通透的钢格板308，所述箱体309的外侧壁固定安装有爬梯303，所述爬梯303的上端悬于箱体309的上口处，且爬梯303与透钢格板308位于同侧。
通过箱体309的敞口结构，及设置通透的钢格板308，能够有效的使得箱体309内的液流溢散处的瓦斯气体进行外排，避免造成瓦斯的积留造成危险。
基于煤矿瓦斯抽采设备取热再利用的方法，包括如下步骤：
S1、瓦斯抽取设备工作过程中产生热量，继而对工作液进行升温，水环真空泵1利用工作液形成水环，产生负压工作；然后将升温后的工作液导入汽水分离器2，而后由汽水分离器2流出的工作液流自流入三功能水箱3：
基于2BEC120水环真空泵1，有用功率按照GB/T13929-2010中的公式计算，如下：
式中：
P1——泵入口处气体绝对压力，单位为兆帕，取0.04MPa；
P2——泵出口处气体绝对压力，单位为兆帕，取0.1013MPa；
Qst----泵入口压力为P1时，吸入状态下的气量，取1360m3/min；
计算得该工况下有效功率为：Pis＝843kW；
损失功率Ps：水环真空泵1做功时所损失的功率，该部分功率造成水温升高，即：
Ps＝PN-Pis＝1680kW-843kW＝837kW；
损失功率转环为热能，水的升温计算：
式中：
Δt——循环水温升，单位为摄氏度；
Q——动力热，单位为kcal/h，该实施例取724980kcal/h
G——补给水量，单位为L/min，该实施例取1500L/min或90m3/h；
Cp——水的比热，单位为kcal/kg·℃，取1
从而计算获得Δt＝8.5℃；
实施例中一台2BEC120水环真空泵1每小时可使90m3水温度升高8.05℃。
S2、流入三功能水箱3的工作液流对工作液中的瓦斯气体进行溢出，将工作液中的煤尘进行沉淀分离，及对工作液流的流动进行缓冲；
S3、变频恒压供水机组4通过自身的功能将三功能水箱3中处理后的工作液流抽取导入水-水换热器5；
S4、工作液通过水-水换热器5的结构，即热的工作液流与低温的媒介水流在管壳式换热器内进行独立的循环流动，实现工作液与媒介水流的热量交换，完成工作液温度降低，完成第一工作环节的热能吸收与利用；
实施例中瓦斯抽采设备汽水分离器2流入三功能水箱3的水温约为38℃，水量为90m3/h，换热器的换热损失和三功能水箱3及管道的散热损失按10％考虑，管壳式水水换热器传热系数实施案例按1100W/(m2·℃)取值，换热量 753kW，一次热媒，即瓦斯抽采设备工作液，供回水温度为38℃/30℃，二次热媒，即软化水形成的媒介水流，供回水温度为25℃/10℃，按逆流换热进行，则平均温差：
Δtd：最大温差端温差(℃)；
Δtx：最小温差端温差(℃)；
机组的传热面积：
Qj：计算热负荷(W)；
K：水-水换热器5传热系数，(传热系数与换热器的不同形式和介质的不同流态有关，本次计算按1100W/(m2·℃)取值)；
Δtp：算术平均温差(℃)；
实施例中水-水换热器5二次侧的软化水实现进10℃水，出25℃的水。
S5、降温后的工作液恒定地输送至水环真空泵1，通过再次形成水环，产生负压工作，循环往复；
S6、水源热泵机组7通过自身工作将外部水流导入系统内，通过导入的外部水热量对媒介水流进行二次提质升温，媒介水流在循环泵6的作用下，在水-水换热器5、水源热泵机组7间进行循环，完成第二工作环节的热能吸收与提质；
实施例中水-水换热器5媒介水量为0.86×753÷(25-10)＝43.2m3/h，水-水换热器5二次侧设置2台循环水泵，1台运行、1台备用，如果运行泵发生故障，备用泵能在20秒内投运，循环水泵具有定时切换功能，当一台运行设定时长后，自动切换到另一台泵运行，实现负载均衡，避免长期使用一台泵造成损坏，换热器出来的25℃软化水经过水源热泵蒸发器吸热，降温为 10℃的冷水流回水-水换热器5二次侧；
实施例中水源热泵核定输入功率207kW，循环水可提取热量753kW，热泵机组的可制热量为960kW；
实施案例中按制热量902kW的水源热泵机组7工作情况下，实现对外供热水为60℃，回水温度50℃。
具体而言，步骤S4的换热结束后需要将水-水换热器5的二次侧回流导入至水源热泵机组7的水温升至25℃及以上。
具体而言，步骤S6的进行二次提质升温后的媒介水流在水源热泵机组7 流出时的水温高于60℃，实现外供热媒温度恒定。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.基于煤矿瓦斯抽采设备取热再利用系统，包括第一工作环节与第二工作环节，所述第一工作环节对工作液中的热量进行置换，所述第二工作环节对第一工作环节置换的热量进行提质，其特征在于：所述第一工作环节与第二工作环节间通过水-水换热器(5)连接；
所述第一工作环节包括水环真空泵(1)、汽水分离器(2)、三功能水箱(3)与变频恒压供水机组(4)，所述水环真空泵(1)与汽水分离器(2)相互组合安装，且内部导流贯通，所述水-水换热器(5)的一次侧回流口通过管路连接水环真空泵(1)，所述汽水分离器(2)通过管路连接三功能水箱(3)，所述三功能水箱(3)通过管路连接变频恒压供水机组(4)，所述变频恒压供水机组(4)通过管路连接水-水换热器(5)的一次侧进流口；
所述第二工作环节包括水源热泵，所述水源热泵机组(7)第一外接口与第二外接口连接外部水源，所述水源热泵机组(7)的第一内接口通过管路连接水-水换热器(5)的二次侧进流口，所述第二内接口通过管路连接水-水换热器(5)的二次侧回流口，且管路上设有循环泵(6)。
2.根据权利要求1所述的基于煤矿瓦斯抽采设备取热再利用系统，其特征在于：所述三功能水箱(3)包括箱体(309)，所述箱体(309)的底部一体成型有积泥漏斗(301)，所述积泥漏斗(301)的锥斗端固定安装有排泥管(302)，所述箱体(309)的顶部固定安装有泥水界面仪(307)与液位计，所述泥水界面仪(307)的探测端位于积泥漏斗(301)的上环口面，所述液位计的探测端为积泥漏斗(301)的上环口面上方，所述箱体(309)的上壳表固定安装进水管，且进水管的下端固定安装有条缝布水进水管(304)，所述箱壳的侧壁固定安装有出水管，且出水管的内端固定安装有条缝集水出水管(306)。
3.根据权利要求1所述的基于煤矿瓦斯抽采设备取热再利用系统，其特征在于：所述水-水换热器(5)为一对，一对所述的水-水换热器(5)通过管路进行并联，所述水-水换热器(5)采用管壳式结构。
4.根据权利要求2所述的基于煤矿瓦斯抽采设备取热再利用系统，其特征在于：所述箱体(309)顶面为敞口，且敞口边侧固定安装有通透的钢格板(308)，所述箱体(309)的外侧壁固定安装有爬梯(303)，所述爬梯(303)的上端悬于箱体(309)的上口处，且爬梯(303)与透钢格板(308)位于同侧。
5.基于权利要求1所述的基于煤矿瓦斯抽采设备取热再利用的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、瓦斯抽取设备工作过程中产生热量，继而对工作液进行升温，水环真空泵(1)利用工作液形成水环，产生负压工作；然后将升温后的工作液导入汽水分离器(2)，而后由汽水分离器(2)流出的工作液流自流入三功能水箱(3)；
S2、流入三功能水箱(3)的工作液流对工作液中的瓦斯气体进行溢出，将工作液中的煤尘进行沉淀分离，及对工作液流的循环流动进行缓冲；
S3、变频恒压供水机组(4)通过自身的功能将三功能水箱(3)中处理后的工作液流抽取导入水-水换热器(5)；
S4、工作液通过水-水换热器(5)的结构，实现工作液与媒介水流的热量交换，完成工作液温度降低，完成第一工作环节的热能吸收与利用；
S5、降温后的工作液恒定地输送至水环真空泵(1)，通过再次形成水环，产生负压工作，循环往复；
S6、水源热泵机组(7)通过自身工作将外部水流导入系统内，通过导入的外部水热量对媒介水流进行二次提质升温，媒介水流在循环泵(6)的作用下，在水-水换热器(5)、水源热泵机组(7)间进行循环，完成第二工作环节的热能吸收与提质。
6.根据权利要求5所述的基于煤矿瓦斯抽采设备取热再利用的方法，其特征在于，步骤S4的换热结束后需要将水-水换热器(5)的二次侧回流导入至水源热泵机组(7)的水温升至25℃及以上。
7.根据权利要求5所述的基于煤矿瓦斯抽采设备取热再利用系统的使用方法，其特征在于，步骤S6的进行二次提质升温后的媒介水流在水源热泵机组(7)流出时的水温实现高于60℃。
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