張瑞豐,喬玲敏,吳曉龍,周榮超,口妍君

(煙臺(tái)大學(xué)土木工程學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264005)

1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目為煙臺(tái)某生物制藥廠．廠區(qū)內(nèi)設(shè)有一臺(tái)15 t燃?xì)庹羝仩t為整個(gè)廠區(qū)供暖及生產(chǎn)提供蒸汽．高溫蒸汽分為4個(gè)系統(tǒng):一是供暖用汽水換熱器(一用一備),換熱后為質(zhì)檢樓辦公區(qū)、胰島素車間外圍走廊、動(dòng)力車間、動(dòng)物房、甲類倉庫提供熱水;二是空調(diào)用汽水換熱器(一用一備),換熱后為質(zhì)檢樓內(nèi)風(fēng)機(jī)盤管、新風(fēng)機(jī)組和胰島素車間風(fēng)機(jī)盤管、吊頂式空氣處理機(jī)組、吊頂式新風(fēng)機(jī)組提供熱水;三是為胰島素車間、質(zhì)檢樓組合式空調(diào)器提供熱源;四是車間內(nèi)的生產(chǎn)用汽(該部分用汽最多時(shí)僅占總蒸汽量10%,且由于該部分蒸汽使用時(shí)間、用量均不穩(wěn)定,產(chǎn)生的冷凝水量也時(shí)多時(shí)少,所以該部分冷凝水量不計(jì)入計(jì)算)．各用汽點(diǎn)產(chǎn)生冷凝水量見表1．

表1 廠區(qū)內(nèi)冷凝水量匯總

2 節(jié)能改造方案

2.1 問題分析

蒸汽冷凝水熱量能夠達(dá)到蒸汽熱量的20 %～30 %[3],是一種節(jié)能潛力巨大的余熱回收利用資源．本項(xiàng)目企業(yè)的鍋爐產(chǎn)生的蒸汽主要用于廠區(qū)的采暖與空調(diào)系統(tǒng),90 %的熱負(fù)荷是采用蒸汽—水換熱的熱水提供．原設(shè)計(jì)為滿足工藝10%的用氣量,設(shè)計(jì)采用一臺(tái)15 t燃?xì)庹羝仩t,是一種不節(jié)能的設(shè)計(jì)方式[4]．另外,原設(shè)計(jì)供暖換熱器和空調(diào)換熱器以及車間的空調(diào)機(jī)組內(nèi)換熱器產(chǎn)生的冷凝水都是就地直接排放,沒有有效地回收利用,也是造成本項(xiàng)目能源浪費(fèi)的另一個(gè)主要因素．

本項(xiàng)目鍋爐投入使用不到3 年,企業(yè)建議本次節(jié)能改造少投資、低成本,改造符合節(jié)能設(shè)計(jì)理念．基于此,本次改造經(jīng)方案比較[5-7]采用冷凝水混水供熱方案．

2.2 冷凝水混水供暖流量分析

廠區(qū)現(xiàn)狀經(jīng)換熱器換熱后,冷凝水溫度為80 ℃．廠區(qū)散熱器系統(tǒng)供回水溫度實(shí)際溫度為50 ℃/43 ℃,設(shè)計(jì)采用混水方式[8-12]．

2.2.1 混水量的確定 以胰島素車間為例,冷凝水混水供暖系統(tǒng)流程見圖1．

G1g:冷凝水供水量;G2g:散熱器系統(tǒng)循環(huán)水量;Gh:混合水量;G1h:鍋爐回水量;t1g:冷凝水溫度;t2g:散熱器系統(tǒng)供水溫度;t2h:散熱器系統(tǒng)回水溫度;th:混水溫度;t1h:鍋爐回水溫度.

圖1散熱器混水供水模式系統(tǒng)

Fig.1 The radiator mixed water supply mode system

根據(jù)熱平衡原理得到混合比公式:

(1)

將數(shù)據(jù)帶入公式(1)后得到混合水量Gh=5 520 kg·h-1;冷凝水供水量G1g=1 287 kg·h-1;混合比U=4.29．通過計(jì)算后得到胰島素車間、質(zhì)檢樓、甲類倉庫、動(dòng)物房、動(dòng)力中心散熱器系統(tǒng)流量數(shù)值,見表2．

表2 各個(gè)建筑物散熱器供暖系統(tǒng)參數(shù)

注：括號(hào)內(nèi)為胰島素車間、動(dòng)力車間散熱器系統(tǒng)處于值班供暖狀態(tài)下的數(shù)據(jù).

2.2.2 水泵流量和揚(yáng)程的確定 散熱器供水管道上的水泵和鍋爐回水管路上的水泵流量和揚(yáng)程見表3,其中胰島素車間、動(dòng)力中心存在值班供暖工況,所以上述水泵為大小2種型號(hào)并聯(lián)分工況運(yùn)行．

表3 各混水供暖系統(tǒng)水泵匹配

2.2.3 冷凝水量供需對(duì)比 通過對(duì)各個(gè)建筑物產(chǎn)生冷凝水量以及轉(zhuǎn)換成冷凝水混水供散熱器系統(tǒng)所需冷凝水量對(duì)比分析后,確定工作期間(白天)胰島素車間、甲類倉庫、動(dòng)物房散熱器系統(tǒng)改由高溫冷凝水混水供水,多余冷凝水儲(chǔ)存于閉式冷凝水箱中;非工作期間(晚上)產(chǎn)生的冷凝水量很少,核算后將胰島素車間、甲類倉庫改由冷凝水混水作為散熱器系統(tǒng)供水．工作期間與非工作期間冷凝水量關(guān)系見表4、5．

表4 工作期間(白天)8 h冷凝水供需對(duì)比

表5 非工作期間(夜晚)14 h冷凝水供需對(duì)比

2.3 節(jié)能改造方案

通過對(duì)冷凝水水量數(shù)據(jù)的分析和廠區(qū)內(nèi)現(xiàn)有供暖管道的利用,冷凝水混水供暖系統(tǒng)流程見圖2．

1.胰島素車間組合式空調(diào)器系統(tǒng);2.生產(chǎn)用水制備設(shè)備;3.胰島素車間散熱器系統(tǒng);4.冷凝水箱A;5.甲類倉庫散熱器系統(tǒng);6.動(dòng)物房散熱器系統(tǒng);7.動(dòng)力車間散熱器系統(tǒng);8.燃?xì)忮仩t;9.蒸汽分汽缸;10.散熱器用汽水換熱器;11.空調(diào)用汽水換熱器;12.鍋爐補(bǔ)水箱;13.冷凝水箱B;14.冬季供暖空調(diào)末端;15.質(zhì)檢樓散熱器系統(tǒng);16.質(zhì)檢樓組合式空調(diào)器系統(tǒng).

圖2冷凝水回收利用流程

Fig.2 Flow chart of condensate water recovery and utilization

工作期間胰島素車間組合式空調(diào)器和生產(chǎn)用水制備車間產(chǎn)生的冷凝水經(jīng)疏水閥進(jìn)入冷凝水箱A,經(jīng)過混水系統(tǒng)后作為胰島素車間、甲類倉庫、動(dòng)物房的散熱器系統(tǒng)的熱水．該熱水經(jīng)過散熱器系統(tǒng)散熱后,部分回水(混水管的混水量)通過混水系統(tǒng)與冷凝水混合后再次供入散熱器系統(tǒng),另一部分回水(冷凝水量)通過管道進(jìn)入燃?xì)忮仩t補(bǔ)水箱．動(dòng)力車間內(nèi)供暖用汽水換熱器和空調(diào)用汽水換熱器以及質(zhì)檢樓組合式空調(diào)器產(chǎn)生的冷凝水進(jìn)入冷凝水箱B儲(chǔ)存一部分送入冷凝水箱A,一部分進(jìn)入燃?xì)忮仩t的補(bǔ)水箱．冷凝水箱A和冷凝水箱B均采用液位控制,當(dāng)冷凝水量超過最高液位線后送入燃?xì)忮仩t補(bǔ)水箱作為燃?xì)忮仩t補(bǔ)水．由于動(dòng)物房供熱負(fù)荷較大,夜晚冷凝水量較少,不足以為動(dòng)物房散熱器系統(tǒng)提供足夠的冷凝水量,所以夜晚切換為蒸汽—水換熱供暖系統(tǒng)．

對(duì)于胰島素車間、甲類倉庫和動(dòng)物房的散熱器供暖系統(tǒng),將蒸汽-水換熱供暖系統(tǒng)作為備用系統(tǒng),在冷凝水量不足時(shí)仍能滿足供暖需求．在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),為保證2種供暖系統(tǒng)不會(huì)互相干擾,需要在胰島素車間、甲類倉庫、動(dòng)物房散熱器回水交叉處設(shè)立閥門轉(zhuǎn)換系統(tǒng)．具體回水閥門轉(zhuǎn)換系統(tǒng)分別見圖3、4,閥門開啟情況見表6、7．

閥門轉(zhuǎn)換系統(tǒng)1中甲類倉庫或者動(dòng)物房處的回水只進(jìn)入鍋爐補(bǔ)水箱而胰島素車間的散熱器回水出現(xiàn)2種工況．工況一:胰島素車間散熱器系統(tǒng)采用冷凝水混水供暖,部分回水進(jìn)入鍋爐補(bǔ)水箱．工況二:胰島素車間采用蒸汽—水換熱系統(tǒng)供暖,散熱器系統(tǒng)回水回到汽水換熱器進(jìn)行換熱．

動(dòng)物房白天夜晚供暖模式不同,白天通過高溫冷凝水進(jìn)行供暖,夜晚依靠汽水換熱器供暖,所以在回水系統(tǒng)上需要與甲類倉庫的散熱器系統(tǒng)相互獨(dú)立．工作期間為工況一:甲類倉庫和動(dòng)物房均采用冷凝水混水供暖,散熱器系統(tǒng)部分回水均送入鍋爐補(bǔ)水箱．非工作期間為工況二:甲類倉庫采用冷凝水混水供暖,散熱器部分回水送入鍋爐補(bǔ)水箱;動(dòng)物房采用蒸汽-水供熱系統(tǒng),其散熱器回水回到汽水換熱器進(jìn)行換熱．當(dāng)冷凝水不足時(shí)為工況三:甲類倉庫和動(dòng)物房均采用蒸汽-水供熱系統(tǒng),其散熱器回水回到汽水換熱器進(jìn)行換熱．

Fig.3 Heating backwater conversion system 1 of Insulin work-shop

Fig.4 Heating backwater conversion system 2 of class A ware-house and animal room

表6 閥門轉(zhuǎn)換系統(tǒng)1

表7 閥門轉(zhuǎn)換系統(tǒng)2

2.4 冷凝水箱容積的確定

冷凝水箱A和冷凝水箱B均是閉式水箱,不與空氣接觸,這樣能夠保證冷凝水中含氧量很低,使得冷凝水水質(zhì)滿足鍋爐、散熱器系統(tǒng)的水質(zhì)要求．冷凝水箱作為一個(gè)暫時(shí)的儲(chǔ)存單元,需要保證冷凝水水溫穩(wěn)定和水量充足．

由表5我們可以得到,冷凝水量需大于供．所以在冷凝水箱需要儲(chǔ)存滿足夜晚14 h供暖的冷凝水量的同時(shí)不能影響第二天散熱器系統(tǒng)的使用．考慮到一定的安全問題,胰島素車間內(nèi)的冷凝水箱A采用規(guī)格為3 m×3 m×2 m．當(dāng)冷凝水箱A內(nèi)水位超過1.6 m最高水位線時(shí),通過溢水管道送入燃?xì)忮仩t補(bǔ)水箱內(nèi)．

工作期間由胰島素車間組合式空調(diào)產(chǎn)生的冷凝水量要少于胰島素車間、動(dòng)物房、甲類倉庫散熱器系統(tǒng)所需,所以需要從動(dòng)力車間進(jìn)行轉(zhuǎn)輸．動(dòng)力車間的冷凝水箱B僅起到一個(gè)儲(chǔ)存轉(zhuǎn)輸?shù)墓δ?容積由產(chǎn)生的冷凝水量與轉(zhuǎn)輸冷凝水量差值來確定,即冷凝水箱B每小時(shí)至少儲(chǔ)存2.5 m3冷凝水,為了便于制作和容積安全等問題采用規(guī)格為1 m×2 m×2 m．當(dāng)冷凝水箱B內(nèi)水位超過1.6 m最高水位線時(shí),通過溢水管道送入燃?xì)忮仩t補(bǔ)水箱內(nèi)．

3 效益分析

對(duì)廠區(qū)內(nèi)冷凝水回收利用系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析[13]:按照工作期間(白天)供暖8 h,非工作期間(夜晚)供暖14 h,供暖季120 d計(jì)算;水價(jià)按照5.0 元/m3計(jì);天然氣價(jià)格按3.7 元/m3,熱值為9 000 kcal/m3,熱效率為90 %計(jì)．

3.1 減少蒸汽使用節(jié)約天然氣費(fèi)用

改造完成后胰島素車間、甲類倉庫、動(dòng)物房(白天)散熱器供暖系統(tǒng)不再使用蒸汽換熱,該部分能夠節(jié)約大量天然氣,每個(gè)采暖季節(jié)約費(fèi)用如下:

P氣=P0·(G1×8+G2×14)×120×K1·K2·

K3,

(2)

其中:

P氣—節(jié)省天然氣費(fèi)用;

P0—天然氣單價(jià),3.7元/m3;

G1—工作期間(白天)每小時(shí)減少蒸汽量,0.36 m3/h;

G2—非工作期間(夜晚)每小時(shí)減少蒸汽量,0.08 m3/h;

K1—蒸汽與天然氣的換算系數(shù);生產(chǎn)1 m3蒸汽需要80 m3天然氣;

K2—供暖負(fù)荷變化系數(shù),取0.8;

K3—蒸汽—水換熱損失系數(shù),取1.05．

將數(shù)據(jù)帶入公式(2)可得到節(jié)約天然氣3.2萬m3,節(jié)約費(fèi)用11.9萬元．

3.2 提高補(bǔ)水溫度節(jié)約天然氣費(fèi)用

冷凝水回收利用改造完成后,工作期間有2 981 kg/h的80 ℃高溫冷凝水和5 615 kg/h的43 ℃散熱器回水經(jīng)過混合后進(jìn)入鍋爐補(bǔ)水箱,混合后水溫為56 ℃．非工作期間有1 292 kg/h 43℃的散熱器回水進(jìn)入鍋爐補(bǔ)水箱,但是送入鍋爐的水量為660 kg/h(非工作期間蒸汽消耗量)．

(3)

其中:

P0—天然氣單價(jià),3.7元/m3;

Q1—工作期間鍋爐補(bǔ)水由10℃提高到56℃所需熱量,kJ；

Q2—非工作期間鍋爐補(bǔ)水由10℃提高到43℃所需熱量,kJ；

a—千焦與大卡之間換算系數(shù),取0.238 9．

將數(shù)據(jù)帶入公式(3)得到提高補(bǔ)水溫度后可節(jié)約4.24萬m3天然氣,節(jié)約費(fèi)用15.7萬元．

3.3 冷凝水補(bǔ)水節(jié)約自來水費(fèi)用

自來水的損耗主要是來自于冷凝水的直接排放,廠區(qū)內(nèi)用汽設(shè)備工作期間產(chǎn)生冷凝水量8.9 m3/h、非工作期間產(chǎn)生冷凝水量0.7 m3/h．

P水=P1·(G1×14+G4×8)×120×K2，

(4)

其中:

P水—節(jié)省自來水費(fèi)用;

P1—自來水單價(jià),5.0元/m3;

G3—工作期間產(chǎn)生冷凝水量,8.9 m3/h;

G4—非工作期間產(chǎn)生冷凝水量,0.7 m3/h．

將數(shù)據(jù)帶入公式(4)得到節(jié)約自來水7 776 m3,節(jié)約費(fèi)用3.9萬元．

3.4 節(jié)能方案效益分析

本方案與改造前相比較,其運(yùn)行費(fèi)用比較見表8,投資及節(jié)能效益比較見表9．

表8改造方案運(yùn)行費(fèi)用比較

Tab.8 Comparisons of operating costs of transformation project

項(xiàng)目消耗天然氣/萬m3改造前改造后運(yùn)行費(fèi)用/萬元改造前改造后 工作期間55.848.8206.6180.7 非工作時(shí)間8.57.031.626 總計(jì)64.455.8238.2206.7

表9改造方案初投資及效益比較

Tab.9 Initial investment and benefit comparison of transforma-tion project

項(xiàng)目初投資/萬元節(jié)能效益/萬元投資回收期 改造方案4831.51.5個(gè)采暖季

本方案改造完成后能夠最大限度地減少廠區(qū)內(nèi)供暖消耗的蒸汽量和產(chǎn)生的冷凝水量．可實(shí)現(xiàn)每個(gè)采暖季節(jié)省7.44萬m3天然氣,折合約96.7 t標(biāo)準(zhǔn)煤,減少CO2排放148 kg[14]．

4 結(jié)論與建議

該生物制藥廠區(qū)供暖系統(tǒng)節(jié)能改造完成后,在滿足日常供暖需求的同時(shí)又能提高能源利用率,實(shí)現(xiàn)了能源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展．本文根據(jù)廠區(qū)內(nèi)供暖即有設(shè)備提出了將高溫冷凝水應(yīng)用于散熱器系統(tǒng)后再回收至燃?xì)忮仩t的節(jié)能改造方案,通過與改造前供暖情況相比較,得到以下結(jié)論:

(1)本文提出的節(jié)能改造方案完成后與改造前相比,每個(gè)采暖季降低供暖運(yùn)行費(fèi)用31.5萬元,降低幅度達(dá)13.2%,能夠有效地提高能源利用率．一個(gè)供暖季節(jié)省7.44萬m3天然氣,減少CO2排放148 kg,具有非常明顯的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益．

(2)本文所提出的改造方案能夠充分利用高溫冷凝水所含有的熱能,提高了能源利用率．對(duì)具有蒸汽冷凝水回收和蒸汽—水換熱供暖的工業(yè)廠區(qū)節(jié)能改造提供了一種思路,具有一定的借鑒意義和推廣價(jià)值．