(凌源鋼鐵集團(tuán)設(shè)計研究有限公司，遼寧凌源 122500)

1 概述

凌源鋼鐵集團(tuán)公司位于遼寧省西部，是以鋼鐵為主業(yè)，輪胎化工、機(jī)械制造、新材料、新能源、礦產(chǎn)資源、金融等多元產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展的大型鋼鐵企業(yè)，產(chǎn)鋼能力為600 萬t/a。近幾年來，隨著能源與環(huán)境問題的日益突出，凌鋼對節(jié)能降耗的重視程度進(jìn)一步提高，超低排放、余熱利用工程也越來越多，包括燒結(jié)煙氣余熱發(fā)電、焦?fàn)t煙道氣余熱發(fā)電、干熄焦余熱發(fā)電、飽和蒸汽發(fā)電、高爐沖渣水余熱供暖、焦化初冷器余熱供暖等，節(jié)能效果顯著。凌鋼焦化目前有3 臺初冷器，并聯(lián)運(yùn)行。每臺初冷器分為上中下3 段，運(yùn)行方式為：夏季上段不運(yùn)行，中段煤氣冷卻水由冷卻塔降溫，下段煤氣冷卻水由制冷機(jī)降溫；冬季上段、中段煤氣冷卻水余熱回收，為附近居民供熱，下段煤氣冷卻水由冷卻塔降溫。

2 凌鋼焦化初冷器余熱回收利用

凌鋼焦化廠焦?fàn)t配套了3 臺橫管初冷器，最初每臺煤氣初冷器的換熱面積僅為1554 m2[1]。經(jīng)過幾次改造后，每臺煤氣初冷器的換熱面積增加到了3300 m2，其中上段換熱面積為453 m2，中段換熱面積為1622 m2，下段換熱面積為1225 m2，具體參數(shù)見表1。

表1 目前初冷器每段設(shè)計參數(shù)

2014 年以前，利用初冷器上段煤氣冷卻水作為采暖水為凌鋼西生活區(qū)供暖，總采暖面積約為13萬m2，采暖供回水溫度為65/55 ℃，流量為500 t/h，供熱量為5815.3 kW?；旧峡梢詽M足凌鋼西區(qū)的供暖要求，實際供暖效果也是非常好。

2014 年以后，凌鋼西生活區(qū)搬遷至凌源雙園佳苑小區(qū)，職工的居住環(huán)境得到了很大的改善。采暖面積也由原來的13 萬m2增到42 萬m2，原來的初冷器余熱回收方案不能滿足現(xiàn)有的供暖要求，故需要對初冷器熱回收進(jìn)行改造。

對中段煤氣冷卻水進(jìn)行余熱回收，將初冷器中段9 個管程分出來6 個，冬季與上段并聯(lián)運(yùn)行用于供暖，3 臺初冷器上段總計提供65/55 ℃的余熱水500 t/h，供熱量為5815.3 kW;3 臺初冷器中段總計提供45/32 ℃的余熱水900 t/h，供熱量為13607.8 kW，兩部分并聯(lián)后再去除部分熱損失，總供熱量為17208.9 kW，總水量為1400 t/h，供回水溫度為55/45 ℃。采暖熱指標(biāo)為41 W/m2，雙園佳苑小區(qū)住宅屬于節(jié)能住宅，所以熱指標(biāo)滿足供暖要求。

同時，為了更好地滿足供暖需求以及避免焦?fàn)t、初冷器停產(chǎn)檢修的風(fēng)險，對原有蒸汽換熱站進(jìn)行改造，通過3臺蒸汽換熱器對系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)熱，并根據(jù)水力計算選擇了3臺熱水循環(huán)泵（2用1備），每臺熱水循環(huán)泵的功率N=132 kW，流量Q=412-687-846 m3/h，揚(yáng)程H=51-46-39 m，電機(jī)轉(zhuǎn)速n=1480 r/min，滿足檢修工況下的暖氣保供。

3 供熱管網(wǎng)的計算與設(shè)計

雙園佳苑小區(qū)采暖泵房距離凌鋼廠區(qū)將近1 km，采暖水（煤氣冷卻水）由初冷器→蒸汽換熱站（泵房）→雙園佳苑小區(qū)采暖泵房→初冷器。單根管道總長為2.3 km，其中廠區(qū)內(nèi)1.35 km 管道沿著原有管道支架架空敷設(shè)，廠區(qū)外0.95 km 管道沿著路邊直埋敷設(shè)。通過計算，架空管道選用管徑為D630×10 mm 的螺旋焊接鋼管，采用玻璃棉管殼保溫層，鍍鋅鐵皮保護(hù)層，補(bǔ)償器選用無約束波紋膨脹節(jié)；直埋管道采用管徑為D630×10 mm的硬脂聚氨酯泡沫塑料預(yù)制保溫管，補(bǔ)償器選用全埋式焊接膨脹節(jié)。

3.1 直埋管道豎向和局部穩(wěn)定性驗算

當(dāng)管道處于較大軸向應(yīng)力的狀態(tài)時，由于立柱效應(yīng)，將出現(xiàn)整體失穩(wěn)。這就必須使管道達(dá)到足夠的埋深，以保證穩(wěn)定性。因此，對于直埋熱水供熱管道應(yīng)進(jìn)行豎向穩(wěn)定性驗算，主要是判斷管道上方的土壤重量是否足以克服垂直向上的反力，防止地下管道失穩(wěn)后從地面拱起[2]。

管道在承受高軸向壓應(yīng)力和截面內(nèi)存在缺陷部位可能會出現(xiàn)塑性變形的集中，直埋熱水管道從整體上看屬于杠桿，但是從局部上看又屬于薄壁管殼，特別是大直徑的管道。對于大管徑、高溫度、高壓力的直埋熱水管道，橫截面受到較高的壓應(yīng)力作用，當(dāng)最大壓應(yīng)變達(dá)到一個臨界水平時便可能會發(fā)生局部彎曲，局部產(chǎn)生較大的變形，導(dǎo)致管道的局部褶皺而失效。因此，要對應(yīng)力不連續(xù)、管壁有缺陷的部位進(jìn)行局部穩(wěn)定性驗算。

參考《城鎮(zhèn)供熱直埋熱水管道技術(shù)規(guī)程》CJJ/T81-2013,通過計算，局部穩(wěn)定性驗算滿足要求，對于管徑為D630×10 mm的供熱管道，當(dāng)管中心埋深為1.5 m時，滿足豎向穩(wěn)定性驗算要求。

3.2 架空管道原有支架受力分析

3.2.1 垂直荷載

式中:W1——作用在支架上單位長度管道荷載，kg/m;

qz——管道自重，kg/m;

qw——管道保溫層、保護(hù)層重量，kg/m;

qy——管道內(nèi)采暖水重量，kg/m。

3.2.2 水平荷載

1）補(bǔ)償器的彈性反力

無約束波紋膨脹節(jié)位移時產(chǎn)生的彈性反力FK

式中:ΔX——膨脹節(jié)的補(bǔ)償量，mm;

FX——膨脹節(jié)的剛度，N/mm;

2）管道內(nèi)壓產(chǎn)生的盲板力FP

式中:P0——管道的最高工作壓力，kg/mm2；

A——膨脹節(jié)的有效面積,mm2。

3）管道伸縮時支架與管托摩擦產(chǎn)生的摩擦力Ff

式中:WZ——膨脹節(jié)重量，kg;

L——管段內(nèi)管道長度，m;

μ——管托與支架梁摩擦系數(shù)，鋼與鋼接觸取0.3。

根據(jù)公式（1）～（4）對支架荷載詳細(xì)計算，原有導(dǎo)向支架和滑動支架均滿足垂直荷載的要求，原有固定支架均滿足水平荷載和垂直荷載的要求。因此，不必對原有支架進(jìn)行加固，節(jié)省了項目投資。

4 項目投資及效益分析

凌鋼焦化初冷器余熱回收供暖工程投資見圖1。

圖1 工程投資表（截圖）

參考《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》GB50736-2012，遼寧省朝陽市冬季供暖期天數(shù)為145 天，凌鋼峰谷平綜合平均電價為0.57 元/（kWh），新水價格為0.396 元/t，飽和蒸汽價格為50元/GJ。焦化初冷器余熱供暖系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用見表2。

表2 焦化初冷器余熱供暖系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用表

雙園佳苑小區(qū)總采暖面積為42萬m2，入住率為75%，取暖費(fèi)為24 元/m2，每個取暖期可獲得效益為420000×0.75×24=7560000 元。投資回收期為[8975976÷(7560000-1467950.66)]=1.47 年，投資回收后，每年可以為企業(yè)創(chuàng)效7560000-1467950.66=6092049.34元，利用焦化初冷器余熱供暖，為企業(yè)創(chuàng)效，為市民創(chuàng)福，對凌鋼具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。