朱佩璋

太鋼新建5萬t不銹鋼無縫鋼管項目是太鋼公司為適應新形式、搶占不銹鋼高端市場、走精品路線、打造企業(yè)核心價值觀、實現(xiàn)“建設(shè)全球最具競爭力的不銹鋼企業(yè)”戰(zhàn)略目標的重點工程。而容納所有生產(chǎn)設(shè)備和進行生產(chǎn)活動的主廠房采暖設(shè)計直接影響到了鋼管廠的生產(chǎn)甚至經(jīng)營。

不銹鋼管廠主廠房采暖面積212544 m2，廠房高度基本為14 m，內(nèi)部生產(chǎn)工藝以輕體力勞動為主。由于廠房地處太鋼公司區(qū)域外，外部能源介質(zhì)條件受到嚴格限制，在設(shè)計之初就應在各方面廣泛細致考慮采取節(jié)能措施，以達到降低生產(chǎn)成本、增強產(chǎn)品競爭力、滿足國家目前大力提倡的節(jié)能減排要求。而主廠房采暖無疑是鋼管廠一項能源消耗大戶，如何降低采暖能耗、以最低的投資達到滿意的采暖效果就是鋼管廠節(jié)能設(shè)計的重中之重。

1 主廠房采暖設(shè)計對建筑結(jié)構(gòu)的要求

主廠房的采暖負荷及所需的熱源量是與建筑和結(jié)構(gòu)專業(yè)密切相關(guān)的，想在采暖方面達到所需溫度又降低能耗節(jié)約成本，必須在建筑結(jié)構(gòu)上采取相應的節(jié)能措施。

根據(jù)鋼管廠熱源情況，對結(jié)構(gòu)保溫性能提出要求:1)墻體需采用100 mm厚、容重32 k的玻璃棉板或類似材料，最終墻體總體傳熱系數(shù)應不大于0.472 W/(m2·℃);2)屋面采用50 mm厚擠塑板或類似材料，最終屋面總傳熱系數(shù)應不大于0.673 W/(m2·℃);3)廠房側(cè)墻開窗面積應不大于33.6 m2/柱距，總傳熱系數(shù)應不大于5.931 W/(m2·℃);4)主廠房通風應采用機械通風或可控自然通風裝置，盡量不采用無控自然通風，墻體外窗及爐區(qū)設(shè)置的天窗應設(shè)置可在地面操控的電動開閉裝置，以減少不可控的通風量;5)所有廠房封閉接駁處應盡量保持嚴密，不應存在縫隙與缺口，以減少室外冷空氣侵入滲透量;6)廠房通風換氣次數(shù)冬季應嚴格保持在0.5次/h，否則采暖熱負荷將大幅增加。

2 廠區(qū)熱量平衡及熱源選擇

2.1 需熱用量

建筑結(jié)構(gòu)采取上述節(jié)能措施后，根據(jù)工藝提出的冬季采暖溫度要求(大部分廠房內(nèi)10℃，成品原料庫房5℃，修磨跨15℃)，對主廠房冬季采暖熱負荷進行計算，計算結(jié)果為:21.254 kW。折合需用蒸汽量:30.5 t/h;考慮到廠內(nèi)附加建筑、管路及設(shè)備熱損耗、大門開啟等等因素，需用蒸汽量應取1.15倍系數(shù)，為35 t/h。

鋼管生產(chǎn)工藝中，酸洗流程需加熱酸堿液及清洗水，以加速生產(chǎn)時間保證產(chǎn)量，故須用大量蒸汽。根據(jù)目前酸洗專業(yè)提資，正常生產(chǎn)時，蒸汽耗量為14.5 t/h;最大用量發(fā)生在生產(chǎn)初始運行全部加注冷酸堿液時，此時耗量為21.3 t/h?？紤]到生產(chǎn)用汽最大量發(fā)生時間可以與冬季最冷期錯開，亦可暫時降低主廠房采暖溫度犧牲部分舒適感以保證生產(chǎn)，故冬季正常時蒸汽總量應該可以滿足最大量時的需求。

總計需用蒸汽量:夏季正常需用量為15 t/h，最大用量為22 t/h;冬季為50 t/h。

2.2 熱源方案

目前廠區(qū)內(nèi)蒸汽供應，根據(jù)爐子專業(yè)初步提資，七座加熱爐加裝余熱鍋爐后最大總產(chǎn)汽量為4 t——尚不能滿足生產(chǎn)工藝所需正常量的1/3，蒸汽供應量嚴重不足，缺口達46 t/h。

根據(jù)熱能需求量與供應量的情況，余熱鍋爐自產(chǎn)汽為4 t/h，剩余部分現(xiàn)有如下方案可供采取:

1)設(shè)置天然氣鍋爐。共設(shè)置天然氣蒸汽鍋爐3臺，每臺蒸發(fā)量20 t，夏季1臺減負荷運行，冬季3臺同時開啟運行。廠房采暖用熱水由建在鍋爐間內(nèi)或附近的汽水換熱站供給，生產(chǎn)用蒸汽介質(zhì)由外線管路送至用汽點。當廠房采暖采用熱水介質(zhì)時，可就地設(shè)置汽水換熱設(shè)備，集中回收蒸汽凝結(jié)水，回收比例及品質(zhì)可得到充分保證。此方案優(yōu)點:可充分保證廠區(qū)內(nèi)的所有蒸汽用量，同時，由于設(shè)備容量大于所需量，可同時向附近需用用戶外供蒸汽。初步估算，此方案鍋爐設(shè)備投資為346萬元/臺×3臺=1038萬元;鍋爐房(面積為33 m×20.4 m，高度10 m)建設(shè)費用:80萬元;換熱站建設(shè)投資:3臺14 MW換熱設(shè)備投資50萬元/臺×3臺=150萬元;20 t凝水回收裝置3套，投資為:18萬元/套×3套 =54萬元?？偼顿Y約為:1322萬元。

2)利用余熱鍋爐補燃。由于廠房內(nèi)有7座加熱爐可產(chǎn)余熱蒸汽，利用其煙道設(shè)置天然氣燃燒裝置進行補燃，提高蒸汽產(chǎn)量，使其總體產(chǎn)量達到所需。此方案優(yōu)點:占地小、能夠充分利用加熱爐煙氣余熱，回收部分熱能。缺點是:在冬季工藝生產(chǎn)不需開加熱爐時，為保證采暖，加熱爐也必須工作補燃。同時，為保證夏季補燃量小時能夠利用余熱產(chǎn)汽，單臺爐子補燃量不宜做得過大。經(jīng)了解，補燃量為5 t～6 t以下較適宜。此方案余熱鍋爐設(shè)備投資約為2100萬元(僅含余熱鍋爐增加部分)，為供應主廠房采暖熱水所需換熱機組投資約18萬元/套×7套=126萬元，凝水回收裝置投資為12萬元/套×7套=84萬元。總投資費用為:2310萬元。按照每臺加熱爐補燃5 t蒸汽量考慮，則生產(chǎn)用汽可充分保證，但冬季廠房采暖所需熱量仍存在15 t蒸汽量的缺口。

3)設(shè)備循環(huán)冷卻水的主要用途為吸收設(shè)備運行時散發(fā)的有害廢熱，通過冷卻降溫裝置散熱后循環(huán)使用。根據(jù)給排水專業(yè)初步提資，目前循環(huán)水量達2569 m3/h，設(shè)計進出口溫度(夏季最高溫):45℃/35℃。經(jīng)計算，冷卻水中含有的廢熱量最大可達29817 kW，折合蒸汽量達42.6 t/h。此部分廢熱若能夠提取，將有力緩解鋼管廠熱能供應不足的局面，同時在節(jié)能減排、減少能耗、降低生產(chǎn)運行成本方面起到關(guān)鍵作用。但是其中問題也是極其明顯的:首先，循環(huán)水進出口溫度低，直接利用存在諸多不利因素，若新建水源熱泵設(shè)備提取熱量，則投資很大，且運行需消耗大量電能;其次，冬季環(huán)境溫度低，各設(shè)備發(fā)熱量必然會增大散失，冷卻水溫度及溫差無法計算，參照冷軋廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運行情況，其冬季溫度僅有27℃左右;第三，冷卻水量隨生產(chǎn)變化而波動，不宜作為穩(wěn)定熱源使用;同時，由循環(huán)水系統(tǒng)中切出一部分，會使該系統(tǒng)運行復雜化，甚至影響生產(chǎn);第四，考慮存在冬季停產(chǎn)檢修情況，采暖設(shè)備需加裝輔助采暖措施。

3 采暖方案

根據(jù)熱源情況，主廠房采暖方式可采取如下幾種:

1)蒸汽暖風機采暖方式。根據(jù)主廠房熱負荷情況，可采用蒸汽暖風機采暖方式。其中又可分為大型落地式暖風機與小型暖風機采暖方式兩種。

根據(jù)資料，目前大型落地式暖風機最小的設(shè)備參數(shù)為風量10000 m3/h，散熱量131 kW;由于其出口射流長度不大于15 m，其熱風覆蓋范圍為706 m2，相應負荷僅需70 kW，遠小于暖風機散熱量，同時，此種暖風機還存在價格較高、不宜較大冗余量配置，外型高大、需占據(jù)地面空間，蒸汽凝結(jié)水出口較低、回收困難等等諸多不利條件，故本次設(shè)計不予推薦。

小型暖風機方式:此方案采用單體設(shè)備體形較小的小型暖風機，吊掛在柱上3.5 m～5 m標高處安裝，設(shè)備單體散熱量較小，凝結(jié)水可疏放至凝水總管道內(nèi)分區(qū)域集中收集，且直接采用蒸汽介質(zhì)可省卻換熱站設(shè)備及站房投資;缺點為此種設(shè)備出口風速較低，暖風覆蓋面小，但價格較低，冗余配置量可加大。故暖風機采暖方案推薦采用小型蒸汽暖風機。

蒸汽暖風機采暖方案缺點:a.無法減小廠房內(nèi)高度方向的溫度梯度，將使采暖總熱負荷增大10%左右，需用蒸汽量運行費用亦隨之增加;b.鍋爐或者余熱鍋爐補燃量增大，運行費用較高;c.飽和蒸汽長距離直埋輸送投資較高且損耗較大;d.未利用生產(chǎn)廢熱，節(jié)能效果基本為零。

本方案預計設(shè)置蒸汽暖風機300臺，凝結(jié)水回收裝置約7套，總投資約為:暖風機300臺×4200元/臺=126萬元;凝水回收裝置:7套×12萬元/套=84萬元，總計:210萬元。

2)頂吹式暖風機采暖方式。此方式為采用頂吹式熱水暖風機形式，通過吊裝在屋頂上的暖風機將熱風豎直向下吹送至地面。此種暖風機采用國外技術(shù)，具有可調(diào)節(jié)式下出風口以調(diào)節(jié)下吹風的風速與風量，避免了風速過高產(chǎn)生的地面揚塵的問題。同時，此方式能夠有效改善廠房溫度梯度問題，回收采暖系統(tǒng)由于高大廠房溫度梯度產(chǎn)生的頂部余熱，達到節(jié)能效果。根據(jù)實地考察結(jié)果，沈陽市某機加工廠房，屋面高度約16 m，廠房頂溫度僅比地面溫度高出3℃，分別為18℃/21℃;經(jīng)計算，僅采用頂吹方式的節(jié)能效果就能達到7%以上;加之采暖熱水直埋輸送價格遠低于蒸汽，損耗量亦較小;同時此采暖方式還可充分利用生產(chǎn)工藝產(chǎn)生的循環(huán)冷卻水，回收大量的廢熱，減少余熱鍋爐補燃量或天然氣鍋爐出力，使鋼管廠的節(jié)能水平達到新的高度。

具體可采用的方式如下:a.設(shè)備循環(huán)冷卻水直接采暖方式。此方式為:其中部分負荷(約60%，合20 t蒸汽量)采用蒸汽換熱后的采暖熱水采暖，剩余部分采用循環(huán)冷卻水直接接入暖風機進行供暖。此方式優(yōu)點為:能夠直接利用循環(huán)水廢熱，節(jié)省大量設(shè)備與運行費用;缺點是:由于循環(huán)水溫低，單體采暖設(shè)備發(fā)熱量較小(據(jù)估計，標準單體采暖設(shè)備發(fā)熱量僅有25 kW)，故所需分布密度大，造成初投資較高，同時還會影響觀感質(zhì)量;由于熱源水溫低，故設(shè)備出風溫度低，預計出風溫度在23℃左右，若直接吹到人體，會有吹冷風的不適感;受循環(huán)水不穩(wěn)定影響，此部分采暖系統(tǒng)出力亦不穩(wěn)定。初步估算，此方式需采用約360臺頂吹暖風機(工況85℃/60℃，散熱128 kW/臺:110臺;工況40℃/30℃，散熱40 kW/臺:250臺)，設(shè)備投資約為:1000萬元～1800萬元之間，電耗量為:1019 kW。b.通過水源熱泵方式提取循環(huán)冷卻水中熱量后再進行供暖方式。

部分負荷(約60%，合20 t蒸汽量)采用蒸汽換熱后的采暖熱水采暖，剩余部分采用水源熱泵與循環(huán)冷卻水熱交換后的熱水(溫度:60℃/40℃)接入暖風機進行供暖。此方式的優(yōu)點為:有效地回收了冷卻水的廢熱，節(jié)能效果可達到最高;由于進入采暖系統(tǒng)水溫較高，故采暖效果能夠保證，無吹冷風的不適感;同時，可根據(jù)循環(huán)水量的多少調(diào)節(jié)鍋爐出力，節(jié)省鍋爐的運行費用。缺點是:水源熱泵設(shè)備投資昂貴，運行需耗費大量電能;受工藝生產(chǎn)量影響，采暖系統(tǒng)出力不穩(wěn)定。初步估算，此方式需采用約360臺頂吹暖風機(工況60℃/40℃，散熱64 kW)，末端設(shè)備投資約為:1800萬元;水源熱泵設(shè)備投資:2000萬元，站房投資:100萬元，電耗量為:1019 kW+5000 kW。

3)燃氣紅外線輻射采暖形式。此方式為:在廠房內(nèi)吊裝天然氣紅外輻射采暖裝置，預計采用約500臺(單體功率50 kW)此裝置。這種采暖方式優(yōu)點在于直接利用天然氣燃燒熱量，損失較少，效率較高(據(jù)稱可達95%以上)，加熱方式為敷設(shè)加熱，可減少廠房高度方向上的溫度梯度;缺點為:a.由于燃燒設(shè)施位于廠房內(nèi)，環(huán)境較為污濁，極易污染燃燒設(shè)備上的火焰探測器，從而影響燃燒設(shè)備正常啟停;b.設(shè)備供氣排煙管道管線較多，檢修工作量較大;c.燃燒介質(zhì)存在泄露可能，安全性較差。

4 結(jié)語

根據(jù)數(shù)個方案的組合比較，天然氣蒸汽鍋爐+換熱設(shè)備+設(shè)備冷卻循環(huán)水為熱源;末端采暖設(shè)備采用頂吹暖風機的方式從采暖效果、運行費用等方面均有較大優(yōu)勢，同時盡量利用了生產(chǎn)當中產(chǎn)生的廢熱，節(jié)能水平較高，雖然存在管路系統(tǒng)較為復雜，管理調(diào)節(jié)控制繁瑣的缺點，在本工程當中亦不失為最優(yōu)選的方案。

[1]陸耀慶.實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1995.

[2]喬泉堂.淺析高層建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)選擇方法[J].山西建筑，2010，36(21):186-187.