基于peer的矿用能源经济性分析

基于peer的矿用能源经济性分析

随着采矿深度的增加，煤矿的热害日益严重。现在，这是限制煤炭生产的重要因素之一。目前研制的高温矿井空调系统,大约有以下几种:一是蒸气压缩式循环制冷空调,主要是以氟里昂和氨为制冷剂的冷水机组;二是空气制冷空调,又有螺杆式空气制冷、涡轮式空气制冷、变容式空气制冷、涡流管式空气制冷和压气引射器制冷等形式;三是以热电站或矿内瓦斯燃烧为热源的溴化锂制冷、串联压缩式制冷机组或氨吸收式制冷机组;四是冰冷却空调系统,其中冰冷却系统在我过处于试验阶段。但是,对于怎样选择合理的矿用制冷设备,国内外不少同行专家做了很多工作,这些研究主要集中在对制冷机组本身的能源分析或经济性比较。由于蒸气压缩式和溴化锂吸收式制冷系统耗能的形式不同,无法根据各自的电能和热能消耗直接进行比较。如果把蒸气压缩式制冷系统消耗的电能和溴化锂吸收式制冷系统消耗的热能和电能均折算成一次能源(煤、石油、天然气),就可以用一次能源能效比PEER(即单位一次能源消耗所能够制取的冷量)进行比较。这样既反映了各类制冷机组的技术水平,又反映了能源费用、设备投资及其使用寿命等经济因素,为工程决策者选择经济合理的制冷系统提供了理论依据。2采矿热力分析本文以某矿为虚拟用户。矿区年平均气温12.7℃,最高气温44.5℃,最低气温-21.6℃,6.7,8月份比较炎热,7月份平均气温25.8℃。井田恒温带深度为37m,温度为16.1℃,平均地温梯度为2.2℃/100m,最高为2.8℃/100m。目前已采至-800m水平,-1100m水平正在延深,采深超千米。由于矿井采深大,高温问题十分突出,严重制约了矿井安全生产。因此,对该矿的降温问题进行研究是十分必要的。以该矿的一个综采工作面为例,进行热力学计算分析。该综采工作面长为160m,断面积6.6m2,周长10.6m,风量580.2m3/min,工作面日产量1000t,采高2m,截深0.8m。工作面风流状态参数为:风温32.98℃,相对湿度96.5%,大气压力108690Pa,空气密度为1.25kg/m3。计算安装合适的空调机,要把气温降到26℃,并设在-800m处。根据制冷机所需冷量的计算(见表1),应选用制冷量为500kW的制冷机。2常用制冷机的能量经济性分析根据以上计算得出的名义制冷量,结合目前矿用制冷机的常用类型,分两类进行比较,即对压缩式制冷系统、直燃吸收式制冷系统,进行能量经济性分析。2.1年制冷量fdcp螺杆压缩式制冷是利用锅炉产生的蒸汽驱动汽轮发电机组,由汽轮发电机组发电驱动制冷装置的。其耗电量包括制冷机组耗电、冷冻水泵耗电、冷却水泵耗电和冷却塔风机耗电等。螺杆压缩式制冷系统的一次能源能效比PEER和单位冷量成本Cp见式(1)。PEER=Q0Nin+Nlb+Nlf×ηb×ηp×ηe×ηf×ηdCP=Cw(Nin+Nlb+Nlf)+CRQ0CR=α×ZR(1)ΡEER=Q0Νin+Νlb+Νlf×ηb×ηp×ηe×ηf×ηdCΡ=Cw(Νin+Νlb+Νlf)+CRQ0CR=α×ΖR(1)式中Q0——制冷系统年制冷量,kWh/a;Nin——制冷机组年耗电量,kWh/a;Nlb——冷冻水泵和冷却水泵年耗电量,kWh/a;Nlf——冷却塔风机年耗电量,kWh/a;ηb——电厂锅炉热效率(0.92);ηp——管道热效率(0.95);ηe——汽轮机绝对有效效率(0.40);ηf——发电机效率(0.96);ηd——输配电效率(0.95);Cp——单位冷量成本,元/kWh;Cw——当地电价,元/kWh;CR——制冷系统初投资年度化成本,元/a;ZR——制冷系统初投资(元),由设备费、设计安装费、电力增容费和土建费等项组成;α——制冷系统的年费用折算系数,1/a,可取a=i1−(1+i)−na=i1-(1+i)-n式中i为年利率;n为设备使用寿命。2.2指标和用量分析直燃吸收式制冷系统,以直燃型溴化锂吸收式制冷为例。矿用直燃型溴化锂吸收式制冷,是靠劣质煤或废弃瓦斯等燃烧产生的热能,驱动制冷装置消耗的热能为燃料燃烧产生的热量,电能用于驱动冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机、溶液泵、冷剂泵、真空泵及燃烧器风机等。直燃型溴化锂吸收式制冷系统的PEER和Cp见式(2)。中国矿业第15卷第11期题正义等:矿用空调机的选型分析PEER=Q0Gr×qr+Ng+Na+Nr+Nlb+Nlf+Noηb×ηp×ηe×ηf×ηdCp=Cr×Gr+Cw×(Ng+Na+Nr+Nlb+Nlf+No)+CRQ0CR=α×ZR(2)中国矿业第15卷第11期题正义等:矿用空调机的选型分析ΡEER=Q0Gr×qr+Νg+Νa+Νr+Νlb+Νlf+Νoηb×ηp×ηe×ηf×ηdCp=Cr×Gr+Cw×(Νg+Νa+Νr+Νlb+Νlf+Νo)+CRQ0CR=α×ΖR(2)式中Nr——燃烧器风机年耗电量,kWh/a;Gr——燃料的年消耗量,kg/a;Qr——使用燃料的热值,kJ/kg;Cr——单位质量燃烧费用,元/kg。其他变量同上式。2.3两种制冷系统的性能比较根据对压缩式和溴化锂吸收式制冷系统的能量经济性分析,可对两类制冷系统进行能量经济性比较。计算设备投资的年费用折算系数时,压缩式制冷装置使用寿命为20年,直燃吸收式制冷装置使用寿命为15年(满负荷运行),年利率取12%,电力增容费取800元/kW。根据矿井综采面的计算数据为例,在参数比较两种制冷系统中,假定用户相同,因此冷冻水泵与用户密切相关,不参加比较。制冷系统的性能参数见表2。制冷系统能量经济性比较,见表3。由表2可知,在井下相同工况条件下,压缩式制冷系统一次能效比,低于直燃吸收式制冷系统。因而可以说,在消耗相同能源的条件下,直燃型吸收式制冷系统比压缩式制冷系统制取的冷量要多,并且制冷量成本要低0.108元/kWh。因此,在利用煤矿废弃资源(瓦斯、劣质煤)的条件下,直燃型吸收式制冷系统更经济。4吸收式制冷机(1)从能源消耗上看,利用矿山废热源的溴化锂吸收式制冷机,消耗等量能源情况下,其制取的冷量要比压缩式要多。(2)从经济性看,吸收式制冷机的制冷量成本要比压缩式低,由此吸收式制冷机的应用前景还是广阔的。(3)从环境保护上看,直