第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
在生活中，人们无时无刻不在使用着能源，能源越来越成为人类赖以生存的基础和前提。中国，是一个以煤炭为主要能源的国家,煤矿产业是中国社会发展支柱行业。近年来,政府逐步实施“煤改电”政策,并伴随一系列相应的有偿更换补贴政策。在中央财经小组第十四次会议上,习近平主席提出了促进清洁供热的要求,并提出控制年总能源消耗不超过 50 亿吨标准煤的希望。
近些年来，各行各业被要求实行节能减排，大量污染能源被清洁能源取代，比如：电能、天然气、甲醇等。但问题也随之而出，天然气、甲醇等清洁能源每年的开采量较低，无法供给，运行费用也特别高，但与此同时，在我国，煤矿企业的能源回收利用率非常低，对煤炭行业需要进行节能降耗工作，这样不但有效提高了煤矿产业过程中的能源利用率而且极大的提高了煤炭行业的经济效益[1]。最近，国家法规提出强烈要求，优先对节能效果良好以及节能措施先进的煤炭化工企业进行财政上以及政策上的支持与鼓励。对未能达到环保节能要求的煤炭化工企业采取责令停业整顿的措施。所以在煤炭行业如何促进煤炭开采的节能减排是我国节能的重点。煤炭产业的建设同时也是国家经济发展的重点,核心内容是调节结构和转型的方式,实现能源革命,专注于建设绿色、高效的煤矿。减少煤炭燃烧,取代中小型燃煤锅炉。当前，很多煤矿企业都存在大量的工业余热未被使用。二次预热是二次能源，在工业生产中生成，可以被再次用来蓄热，反复利用，但实际上在这些企业中，二次能源被废弃，不但影响环境，更是造成浪费。
因此我国煤矿企业在余热回收利用上有巨大的潜在利益，余热资源的回收应用，不但要在工艺、流程、技术上满足要求，经济上也要合理，同时满足保护环境的要求。因此，如何合理利用当今最前沿的技术，充分使用二次能源是我们重要的研究课题。
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1.2 空压机余热回收系统介绍
1.2.1 煤矿行业余热回收系统分类
现如今，煤矿产业在国民经济中，仍旧占据重要位置。近些年来，各产业要求各行各业实行节能减排，大量污染能源被清洁能源取代，比如：电能、天然气、甲醇等。但问题也随之而出，天然气、甲醇等清洁能源每年的开采量较低，无法供给，运行费用也特别高。煤矿拥有大量的可回收能源，如矿井回风余热、矿井排水余热、空压机余热等[2]。其中矿井回风、排水属于低温热源。空压机余热属于高温热源。这些热源生产过程中被大量的浪费，没有得到充分使用。
①矿井排风余热应用：通过提取矿井排风中的低温热源与热泵技术结合或者低温热管式矿井排风余热应用技术，回收矿井回风中的热量，用于煤矿洗澡水加热、冬季井筒防冻、建筑供暖等方面；
②矿井排水余热应用：将矿井水源作为低温热源，与水源热泵技术相结合。在夏季制取低温冷水用于室内建筑供冷，做建筑空调。冬季制取低温热水用于职工洗澡水加热、建筑供暖等方面；
③空压机余热应用：回收空压机组中油或气的高温热源，不需要热泵技术，可制取热水用于职工洗澡水加热、建筑供暖；
比较矿井排风余热应用、矿井排水余热应用、空压机余热应用：
（1）从供热功能上来说，低温热管余热回收系统，利用矿井排风中的余热，这一系统只能解决冬季井口防冻问题，应用面最少；矿井排风、排水余热系统既可以用来制造 45~50℃热水，也可以在夏季制取 7℃左右的冷水，作为制冷系统的冷源。空压机余热回收系统可制取 45~50℃的热水用于洗浴水供热、井口防冻、建筑制暖等地方。
（2）从系统复杂程度来看，空压机只需一个换热系统，最为简易；矿井排水、排风系统都需加装热泵系统较为复杂；而由于，矿井排风能源密度低，其取热系统较为复杂，需要增设喷淋系统或间壁式换热器，相较矿井排水取热系统更为复杂。因此，此方案中采用空压机余热回收装置最为简易、便捷。
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第 2 章 葛泉矿空压机余热回收系统的方案设计
2.1 工程概况
2.1.1 自然条件
本项目位于河北省邢台市葛泉矿。葛泉矿位于邢台市沙河市十里亭镇，邢台市西南部约 18 公里外，西靠太行山，东临河北大平原。邢台市四季分明，年内温差大。年平均气温为 13.2℃，极端最低气温可达-20℃，极端最高气温可达 41℃。属于温带季风气候。
2.1.2 地理参数
热工分区：邢台地区地理方位：纬度 37.07°、经度 114.5°、海拔高度 77.3 米大气压：100.761kPa夏季空气调节室外计算干球温度：35.2℃；冬季空气调节室外计算干球温度：-7.7 ℃夏季通风室外计算相对湿度：55%；冬季空气调节室外计算相对湿度：60%冬季室外平均风速：1.5m/s 夏季室外平均风：1.9m/s
2.1.3 设计依据
《工业管道工程施工及验收规范》(GBJ235-97)《05 系列建筑标准设计图集》(05N4，05S9)《采暖通风与空气调节设计规范》（GB 50019-2015）《建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范》(GB50242-2002)甲方葛泉矿提供的设计任务书及要求
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2.2 空压机余热回收系统
2.2.1 葛泉矿空压机应用情况
（1）此次项目为冀中能源葛泉矿空压机余热回收利用项目，回收空压机的余热用于制取洗浴热水。葛泉矿现有 6 台空气压缩机，其中 2 台为额定功率为 560kW 的水冷式空压机，4 台为额定功率为 110kW 的空冷空压机，正常运行时启动 2 台 560kW 的空压机并且 24 小时运行，其它空压机为备用。
第 3 章 葛泉矿空压机余热回收系统关键设备研发 ··············25
3.1 管壳式换热器设计 ··························25
3.1.1 管壳式换热器设计计算 ···········25
3.1.2 管壳式换热器的具体设计流程 ··················27
第 4 章 BIM 技术在葛泉矿项目施工中的应用·······················41
4.1 BIM 技术的概念 ·················41
4.2 BIM 技术在项目中的应用······················41
4.3 BIM 技术制作机房的布置图························41
第 5 章 葛泉矿空压机余热回收系统运行分析 ··························46
5.1 葛泉矿空压机余热回收系统运行数据采集····················46
5.2 分析油-水换热器运行情况 ························48
第 6 章 葛泉矿空压机余热回收系统效益分析
6.1 运行费用分析
6.1.1 原系统运行费用
由上已知，单台空压机余热回收装置可回收 369kW 的热量。以自来水补水温差 10℃计算，369kW 可制取 250 吨 45℃得热水。若使用原有矿井回风源热泵每天制取等量 250 吨 45℃热水，则根据空气源热泵的 COP(Coefficient of Performance)按式（6-1）计算可得热泵消耗的功率为 105kW。
6.1.2 空压机余热回收系统运行费用
本项目总投资费用为 47 万元(包含设备费，安装费，税费等)，其主要的设备材料表如表 6-1。
第 7 章 总结与展望
7.1 总结
本文主要研究结论如下：
（1）针对葛泉矿空压机系统的运行情况，设计了空压机余热回收系统并确定了系统的组成，在邢台葛泉矿得到实施应用，运行效果良好。假设自来水补水水温由 35℃提升到 45℃计算，每天可以为葛泉矿提供约 250 吨 45℃的洗浴热水。能够分担原有系统近 39%的负担。
（2）主要研发了油-水管壳换热器和水-水串联管壳换热器。油-水管壳换热器中空压机润滑油走管程，内循环水走壳程，总传热系数为 406.5W/m2.K，换热面积为 24.43m2；水-水串联管壳式换热器中内循环水走管程，外循环水走壳程，总传热系数为 1086.6W/m2.K，总换热面积 14.3m2。
（3）设计实验，在串联管壳式换热器的上下两端分别插入螺旋扭带和不插入螺旋扭带，根据采集到的数据计算得出插入螺旋扭带的管壳式换热器的换热效率比不插入螺旋扭带的管壳式换热器的换热效率高，从而验证了螺旋扭带在该工况下，提升了管壳式换热器的传热效果。
（4）对葛泉矿空压机余热回收项目进行效益分析，本项目每天可制取 250 吨45℃热水，投资费用为 47 万元，项目年运行费用为 3.88 万元，较原矿井回风源热泵系统年运行费用节约 50.82 万元。项目静态回收期为 0.92 年。采用周期净现值收益法进行经济性分析，收益为正增长。每年节约 338.6 吨煤，664.3 吨二氧化碳，节能环保效果良好。
参考文献（略）