CN209840335U - 一种矿井水余热提取利用系统 - Google Patents

Abstract

一种矿井水余热提取利用系统，属于矿井余热利用技术领域。其特征在于：包括热泵水源机组（2），热泵水源机组（2）上设有矿井循环水上水管（3）和回水管（4），热泵水源机组（2）通过矿井循环水上水管（3）连接矿井水提升装置，热泵水源机组（2）通过回水管（4）连接回水池（5），矿井水提升装置连通井下巷道（9）。本实用新型充分利用废弃巷道的储存作用，实现巷道水体夏季升温储能、冬季放热释能的目的，对能量进行合理存储、移转、提取，不仅可维持水源热泵机组的运行，而且可以实现外循环水的零排放，经济效益、社会效益可观。

Description

一种矿井水余热提取利用系统

技术领域

一种矿井水余热提取利用系统，属于矿井余热利用技术领域。

背景技术

煤矿矿区冬季供暖和夏季制冷、洗浴供热基本依靠水源热泵系统提供。矿井水作为该系统外循环介质，起着能量交换、移转的作用，维系着系统的正常运行。矿井关停后，矿井水源将无法从井下获得，水源热泵届时无法开启运行。

水源热泵机组运行配置两路水循环，即内循环、外循环，内循环将机组产生的冬季热水或夏季冷水送达用户的冷热交换器，用户通过控制流经风机风量，实现室内温度控制；内循环水经用户冷热交换器、进行热交换后回流至水源热泵机组，机组对其加热或降温重新送至用户地点，如此往复，实现全矿的供热纳凉。外循环与内循环作用相反，内循环产生的夏季热量或冬季冷量通过水源热泵机组由外环循带走或增补。外循环水流成为储存交换的介质，维系着水源热泵机组的正常运行。

矿井关停后，井下排水设施全部撤离，水源热泵机组将因缺少外循环水无法运行。机组外循环水用量大，采取开方式用水成本高；维持小范围封闭式外循环运行，难以有效提取机组所需热能或者无法高效散失收集的热量。为此，结合水源热泵的使用，对关井后水源热泵机组外循环用水的探索与研究势在必行。想要解决水源热泵系统清洁高效、污染零排放的外循环用水问题，既要继续维持水源热泵的正常运行，为企业提供供暖纳凉需求，又要避免使用宝贵新鲜地下水资源、造成污染浪费，同时，还要充分开发矿井巷道的残余价值。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种解决水源热泵系统外循环用水问题，满足供暖纳凉需求，充分开发矿井巷道残余价值，又避免浪费新鲜水源的矿井水余热提取利用系统。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种矿井水余热提取利用系统，其特征在于：包括热泵水源机组，热泵水源机组上设有矿井循环水上水管和回水管，热泵水源机组通过矿井循环水上水管连接矿井水提升装置，热泵水源机组通过回水管连接回水池，矿井水提升装置连通井下巷道。

本实用新型改造水源热泵的外循环系统，将井下巷道中的矿井水纳入到外循环系统中来。矿井的废弃巷道空间是天然的存储空间。矿井关停后，巷道空间必将被矿井水填充，该水体成为天然能量的储存介质，通过技术手段将其与水源热泵系统联系起来，实现夏季环境温度收集后的存储与冬季热量的提取供应。此水体作为水源热泵外循环系统的一个环节进行利用开发，构建此水体的自行循环模式，将夏天水源热泵机组吸收的热量不断的储存于巷道的矿井水体当中，推高该水体的温度，同时，将该水体的低温置换走，送到地面各用户地点，实现全矿夏季纳凉；冬季，同样利用该水体将夏天储备的热量、地下岩层热能缓慢提取到用户，同时，将用户处的低温带到该水体，该水体温度则出现下降态势，实现冬天用户供热。打造新的外循环系统。

本实用新型充分利用废弃巷道的储存作用，实现巷道水体夏季升温储能、冬季放热释能的目的，对能量进行合理存储、移转、提取，不仅可维持水源热泵机组的运行，而且可以实现外循环水的零排放，经济效益、社会效益可观。所述的矿井水提升装置设有并联设置的多组。

所述的矿井水提升装置包括上水支管、逆止阀和源水井，上水支管上设有逆止阀，上水支管一端连通源水井，源水井连通井下巷道。

所述的源水井包括开设在地面与井下巷道之间的通孔和安装在通孔内的连通套管，通过连通套管连通井下巷道与上水支管，且连通套管内设有连接上水支管下部进水口的潜水泵。

所述的回水池与井下巷道之间设有溢流装置，回水池通过溢流装置连通井下巷道。

所述的溢流装置包括溢流管和溢流井，通过溢流管连通溢流井与回水池，所述溢流井为开设在地面与井下巷道之间的通孔。

所述的溢流井内设有连通套管，通过连通套管连通井下巷道与溢流管。

所述的热泵水源机组内设有蒸发器、压缩机和冷凝器。

与现有技术相比，本实用新型所具有的有益效果是：

本实用新型改造水源热泵的外循环系统，将井下巷道中的矿井水纳入到外循环系统中来。矿井的废弃巷道空间是天然的存储空间。矿井关停后，巷道空间必将被矿井水填充，该水体成为天然能量的储存介质，通过技术手段将其与水源热泵系统联系起来，实现夏季环境温度收集后的存储与冬季热量的提取供应。此水体作为水源热泵外循环系统的一个环节进行利用开发，构建此水体的自行循环模式，将夏天水源热泵机组吸收的热量不断的储存于巷道的矿井水体当中，推高该水体的温度，同时，将该水体的低温置换走，送到地面各用户地点，实现全矿夏季纳凉；冬季，同样利用该水体将夏天储备的热量、地下岩层热能缓慢提取到用户，同时，将用户处的低温带到该水体，该水体温度则出现下降态势，实现冬天用户供热。打造新的外循环系统。

本实用新型充分利用废弃巷道的储存作用，实现巷道水体夏季升温储能、冬季放热释能的目的，对能量进行合理存储、移转、提取，不仅可维持水源热泵机组的运行，而且可以实现外循环水的零排放，经济效益、社会效益可观。

而且，本实用新型通过系统改造，实现了矿井关闭后矿井水继续作为外循环用水水源。对废弃巷道进行了合理利用。利用了巷道空间进行热量储存，并为能量的移转释放提供物质支撑，实现地热利用。巧用巷道的富存形式，实现地表水与矿井水的隔离应用。技术升级改造后，实现循环系统废水的零排放。打造矿井水地上地下的水循环系统，实现能量的移转，实现封闭式水循环，水源零消耗、无浪费、环境无污染。

附图说明

图1为矿井水余热提取利用系统结构示意图。

其中，1、用户 101、出水管 102、进水管 2、热泵水源机组 201、蒸发器 202、压缩机 203、冷凝器 3、矿井循环水上水管 301、上水支管 302、逆止阀 4、回水管5、回水池 6、源水井 7、潜水泵 8、溢流井 9、井下巷道 10、上水节流阀 11、回水节流阀 12、溢流井。

具体实施方式

图1是本实用新型的最佳实施例，下面结合附图1对本实用新型做进一步说明。

参照附图1：一种矿井水余热提取利用系统，包括热泵水源机组2，热泵水源机组2上设有矿井循环水上水管3和回水管4，热泵水源机组2通过矿井循环水上水管3连接矿井水提升装置，热泵水源机组2通过回水管4连接回水池5，矿井水提升装置连通井下巷道9。

矿井水提升装置设有并联设置的多组。矿井水提升装置包括上水支管301、逆止阀302和源水井6，上水支管301上设有逆止阀302，上水支管301一端连通源水井6，源水井6连通井下巷道9。源水井6包括开设在地面与井下巷道9之间的通孔和安装在通孔内的连通套管，通过连通套管连通井下巷道9与上水支管301，且连通套管内设有连接上水支管301下部进水口的潜水泵7。

回水池5与井下巷道9之间设有溢流装置，回水池5通过溢流装置连通井下巷道9。溢流装置包括溢流管12和溢流井8，通过溢流管12连通溢流井8与回水池5，所述溢流井8为开设在地面与井下巷道9之间的通孔。溢流井8内设有连通套管，通过连通套管连通井下巷道9与溢流管12。热泵水源机组2内设有蒸发器201、压缩机202和冷凝器203。

本实用新型改造水源热泵的外循环系统，将井下巷道中的矿井水纳入到外循环系统中来。矿井的废弃巷道空间是天然的存储空间。矿井关停后，巷道空间必将被矿井水填充，该水体成为天然能量的储存介质，通过技术手段将其与水源热泵系统联系起来，实现夏季环境温度收集后的存储与冬季热量的提取供应。此水体作为水源热泵外循环系统的一个环节进行利用开发，构建此水体的自行循环模式，将夏天水源热泵机组吸收的热量不断的储存于巷道的矿井水体当中，推高该水体的温度，同时，将该水体的低温置换走，送到地面各用户地点，实现全矿夏季纳凉；冬季，同样利用该水体将夏天储备的热量、地下岩层热能缓慢提取到用户，同时，将用户处的低温带到该水体，该水体温度则出现下降态势，实现冬天用户供热。打造新的外循环系统。

本实用新型充分利用废弃巷道的储存作用，实现巷道水体夏季升温储能、冬季放热释能的目的，对能量进行合理存储、移转、提取，不仅可维持水源热泵机组的运行，而且可以实现外循环水的零排放，经济效益、社会效益可观。

①水源热泵外循环用水量、水温分析

夏季制冷时水源热泵外循环用水量小于冬季制热用水量，以冬季制热用水为依据分析，根据天气温度变化分为三级用水：

第一级用水量300---350m³/h，在天气温度零下5℃以上；

机组类别 机组运行数量 单台机组用水量m³/h 总用水量m³/h

洗浴机组 1 117 117

宿舍机组 1 1 100

大蒜厂采暖 1 10.6 10.6

总用水量227.6

第二级用水量400---450m³/h，在天气温度零下5℃以下；

机组类别 机组运行数量 单台机组用水量m³/h 总用水量m³/h

洗浴机组 1 117 117

宿舍机组 2 100 200

车间采暖 1 102 102

大蒜厂采暖 2 10.6 21.2

总用水量440.2

第三级用水量500---550m³/h，在天气温度零下10℃以下；

机组类别 机组运行数量 单台机组用水量m³/h 总用水量m³/h

洗浴机组 1 117 117

宿舍机组 2 100 200

车间采暖 2 102 204

大蒜厂采暖 2 10.6 21.2

总用水量542.2

煤矿开采期间，井下泵房向地面排放矿井水量最大为1200m³/h,日常稳定在500－700m³/h。矿井关停后，经一段时间后，矿井水水位稳定于地面附近，其水量满足水源热泵外循环用水的要求。

经统计，井下巷道矿井水常年平均水温：

水源名称 水温℃

130采区 24

330采区 24.5

-400采区 24

1302钻孔 24

水仓口钻孔 26

矿井水温稳定于24℃，富含巨大水体内能，是水源热泵优良取热源。同时，巷道综合空间大，也为水源热泵夏季蓄能提供良好的能储仓库。

②水源热泵外部水循环系统具体实施方案

根据需要打设地面通井下的取水钻孔，封闭式安装直径不小于500mm的取水通路；取3个钻孔为源水井，安设潜水泵3台，其中1台为备用，3台潜水泵为母管并联方式布置，每1支路取水量大于200m³/h；每台潜水泵对应的支管安设出口门及逆止阀。通过潜水泵开启数量，及各支管出口门开度调整所需流量。

构筑400m3的回水水池，该水池的溢流管路接各回水钻孔，即回水井。回水通过溢流口自流至回水井。地面段矿井水由源水井经水源热泵机组汇集于回水水池，通过溢流方式回流至回水井内，形成机组正常运行需要的水流，实现的能量的移转储存。巷道段矿井水，由回水井经井下巷道空间返回源水井6，实现能量的流转迁移。该回水水池常期保有水量，可兼为地面的消防水池设施。回水池底部预留排水出口，方便日后接临时管路反向冲洗各钻孔。内部池底设有检修水坑，方便水池内部检修清洗使用。

为保证将夏季能量充份存储到巷道及冬季高效的提取巷道矿井水中的热量，根据巷道截面积、水体热能释放效率、收集热量大小等因素，估算出回水钻孔与取水钻孔间距不小于1Km的距离。

③供电系统配置。转型发展过程中，与机厂用电改造同步设计同步规划，为减少改造成本，尽可能采用井下回撤的供电设备设施。

④系统的远程控制与监控。利用自动化技术，实现水泵的远程控制，源水井、回水井、回水水池处安设监控探头，在水源热泵房进行监控及远控，同时，将视频信号传输矿保卫科监控中心，确保设备设施的安全。

技术改造后，实现了水源热泵外循环水的趋零排放。避免了水源的污染。同时，实现了对自然热量的巧妙存储与利用，经济效益直观可见。

直接经济效益：

1、投入费用：10+10+8+3+2+3=36万元

2、年节约费用：

能耗支出462.735万元。

3、创效：可节约费用为462.735-36=426.735万元。

系统管路改造投入10万元，动力系统水泵改造10万元，水泵自控系统8万元，监控系统3万元，回水池改造2万元，其他3万元。整个系统改造预计投入36万元。

依据以往水源热泵的运行经验，对水源热泵全年外循环平均用水量分析：冬季与夏季水源热泵负荷最大，矿区宿舍、食堂、厂网点、洗浴、副井筒、机关楼、会议室等地的供热纳凉全靠它提供。7月、8月、12月、1月分别是季节冷热的两极，机组全效能运行，用水量最大，外循环采用3级用水量，每小时542.2吨。因此，4个月总用水量为542.2×24×31×4=1613587.2，即161.36万吨。6月，9月，11月，2月，气温相对温和，可以减少负荷，用水量相应减少，采用2级用水量，每小时440.2吨，因此，这4个月的用水量为440.2×24×30×3+28=1246646.4，即124.66万吨。剩下的4个月份气温温和，各负荷相应缩减，外循环用水量采用1级用水量，每小时227.6吨，这4个月的累计用水量为：227.6×24×31×3+30=671875.2，即67.19万吨。综上所述，全年水源热泵平均用水量为161.36+124.66+67.19=353.21万吨。

巷道内水温稳定，据多年用水经验，机组外循环水进出口全年平均温差约为8℃。根据液体吸热量的公式Q=Cm△t计算，其中水的比热容为4.2×1000J/kg•℃，m为质量，△t为温度变化量，全年可多提取的热能为Q=4.2×1000×355.91×107×8≈11.96×1010kJ；原煤每公斤含热约5000大卡1卡表示一克水升高一摄氏度时所吸收的热量，大约等于4.2焦耳，约为21000kJ。因此，按照燃煤设备的最高热效率0.8计算，每年可节省原煤约为7119吨。技改后，外部水循环会把夏季热量储备于地下巷道间，届时提取的外部水温差将显著高于8℃。1吨原煤按照市场价650元计算，全年可节省能耗支出约为7119×650=462.735万元。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种矿井水余热提取利用系统，其特征在于：包括水源热泵机组（2），水源热泵机组（2）上设有矿井循环水上水管（3）和回水管（4），水源热泵机组（2）通过矿井循环水上水管（3）连接矿井水提升装置，水源热泵机组（2）通过回水管（4）连接回水池（5），矿井水提升装置连通井下巷道（9）。

2.根据权利要求1所述的一种矿井水余热提取利用系统，其特征在于：所述的矿井水提升装置设有并联设置的多组。

3.根据权利要求1或2所述的一种矿井水余热提取利用系统，其特征在于：所述的矿井水提升装置包括上水支管（301）、逆止阀（302）和源水井（6），上水支管（301）上设有逆止阀（302），上水支管（301）一端连通源水井（6），源水井（6）连通井下巷道（9）。

4.根据权利要求3所述的一种矿井水余热提取利用系统，其特征在于：所述的源水井（6）包括开设在地面与井下巷道（9）之间的通孔和安装在通孔内的连通套管，通过连通套管连通井下巷道（9）与上水支管（301），且连通套管内设有连接上水支管（301）下部进水口的潜水泵（7）。

5.根据权利要求1所述的一种矿井水余热提取利用系统，其特征在于：所述的回水池（5）与井下巷道（9）之间设有溢流装置，回水池（5）通过溢流装置连通井下巷道（9）。

6.根据权利要求5所述的一种矿井水余热提取利用系统，其特征在于：所述的溢流装置包括溢流管（12）和溢流井（8），通过溢流管（12）连通溢流井（8）与回水池（5），所述溢流井（8）为开设在地面与井下巷道（9）之间的通孔。

7.根据权利要求6所述的一种矿井水余热提取利用系统，其特征在于：所述的溢流井（8）内设有连通套管，通过连通套管连通井下巷道（9）与溢流管（12）。