文/丁淑紅 生特瑞(上海)工程顧問股份有限公司 上海 200335
在醫(yī)藥廠房的運(yùn)行中,蒸汽作為一種常見的能源,一般用于純水或注射水的制備,工藝設(shè)備消毒,空調(diào)加濕及空調(diào)供熱等。大量蒸汽經(jīng)換熱后變成的凝結(jié)水,仍有20~30%的蒸汽熱量。
經(jīng)調(diào)查,當(dāng)市政供汽時(shí),較多醫(yī)藥廠房未對(duì)蒸汽凝結(jié)水進(jìn)行回收利用,而是直接排入市政污水管網(wǎng),只有小部分企業(yè)將其冷卻作為工業(yè)冷卻塔補(bǔ)水。
本文以某醫(yī)藥廠房的蒸汽凝結(jié)水熱回收設(shè)計(jì)為例,介紹了凝結(jié)水的回收情況,并從可靠性、經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性對(duì)凝結(jié)水熱回收方式的選擇,控制邏輯的選用、二次蒸汽的處理等進(jìn)行了分析及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。
本項(xiàng)目為地處無錫市,總建筑面積為41100m,建筑功能主要為潔凈生產(chǎn)廠房、倉(cāng)庫(kù)、實(shí)驗(yàn)區(qū)等。
市政蒸汽為過熱蒸汽,蒸汽表壓為0.7MPa,溫度215℃,無市政凝結(jié)水回收管網(wǎng)。一二期共用一套蒸汽系統(tǒng),蒸汽主管由廠區(qū)內(nèi)蒸汽站接管至北邊的熱力機(jī)房?jī)?nèi),熱力機(jī)房位于一期倉(cāng)庫(kù)二層。各期蒸汽及凝結(jié)水量如下:
凝結(jié)水回收系統(tǒng)的方式,根據(jù)凝結(jié)水箱是否與大氣相通,分為開式回水及閉式回水。
閉式系統(tǒng)因其不與大氣相通,凝結(jié)水管道和附件的腐蝕相對(duì)較輕,凝結(jié)水水質(zhì)好,常用于補(bǔ)水量大的產(chǎn)汽設(shè)備,如蒸汽鍋爐等。開式回水,由于凝結(jié)水與大氣相通,管道和附件易被腐蝕且凝結(jié)水質(zhì)較差,但其系統(tǒng)簡(jiǎn)單,投資較低,也有較多企業(yè)采用。
根據(jù)回收動(dòng)力形式,凝結(jié)水回收方式的主要有三種:重力回水,余壓回水,機(jī)械加壓回水。
(1)重力回水,利用凝結(jié)水管與凝結(jié)水箱的高差作為動(dòng)力,對(duì)凝結(jié)水進(jìn)行回收的方式。此方式只適用于地勢(shì)平坦且坡向凝集水箱的場(chǎng)合,凝結(jié)水箱需低于凝結(jié)水回收干管,一般用于小型蒸汽系統(tǒng)。
(2)余壓回水,用汽設(shè)備的凝結(jié)水利用疏水閥后的背壓回收至凝結(jié)水箱的方式。此方式對(duì)坡度及坡向無嚴(yán)格要求,但由于余壓回水的凝結(jié)水管中常是汽、水兩相流動(dòng),極易產(chǎn)生水擊,且當(dāng)壓力相差較大的凝結(jié)水合流時(shí),會(huì)相互干擾,故一般用于作用半徑不大、凝結(jié)水量不多、用戶分散的中小型廠區(qū)。
(3)機(jī)械加壓回水,當(dāng)無法采用重力或余壓回水方式時(shí),采用水泵對(duì)凝結(jié)水進(jìn)行加壓回收至凝結(jié)水箱的方式。此種方式使用于任何場(chǎng)合,但水泵需消耗能源且存在汽蝕問題。
本項(xiàng)目總凝結(jié)水箱位于倉(cāng)庫(kù)二樓熱力站內(nèi),其中一期生產(chǎn)樓最遠(yuǎn)點(diǎn)凝結(jié)水距離總凝結(jié)水箱170m,二期生產(chǎn)樓最遠(yuǎn)點(diǎn)凝結(jié)水距離總凝結(jié)水箱360m,空調(diào)換熱器距離凝結(jié)水箱15m。由于蒸汽凝結(jié)水分散,且距離相差大,故如何合理得確定回水方式,保證凝結(jié)水回收量的穩(wěn)定及回收量最大化,對(duì)凝結(jié)水熱回收的經(jīng)濟(jì)效益至關(guān)重要。
此外,不同的回水方式,其產(chǎn)生的閃蒸蒸汽量也不同,如何合理得收集和利用閃蒸蒸汽,解決冬天“白龍”的現(xiàn)象,也直接影響熱回收的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。
由于空調(diào)熱水回水溫度為50℃,凝結(jié)水回收溫度為85~90℃,凝結(jié)水與空調(diào)熱水回水熱交換后,其水溫一般在55℃左右,由于凝結(jié)水排放溫度不得大于40℃,故凝結(jié)水進(jìn)行熱回收后,不可直接排放,需降溫至40℃以下才可排放。
工業(yè)廠房常用的降溫措施有兩種:一是在廠內(nèi)設(shè)置一個(gè)自然降溫池,二是混入其他低溫廢水或污水。自然降溫池存在占地較大,冬天冒白汽,影響廠區(qū)環(huán)境的問題;廢水混水降溫的方式,當(dāng)凝結(jié)水水溫高且水量較大時(shí)不適用。因此需采用一種更合理的高效冷卻方式來解決凝結(jié)水的排放問題。
如何確定凝結(jié)水箱的形式尺寸,熱回收換熱器一次側(cè)、二次側(cè)水泵選型,熱回收的控制邏輯,需結(jié)合凝結(jié)水最小及最大回收量,機(jī)房面積,凝結(jié)水的降溫排放、空調(diào)熱水流量等因素統(tǒng)一考慮。
本項(xiàng)目的凝結(jié)水80%的凝結(jié)水由熱力站(倉(cāng)庫(kù))內(nèi)用于產(chǎn)生空調(diào)熱水的蒸汽-水板式換熱器產(chǎn)生,20%由一期、二期生產(chǎn)樓的工藝設(shè)備及純水制備等產(chǎn)生。
本項(xiàng)目為市政蒸汽,凝結(jié)水不需回收至市政熱力站,即對(duì)凝結(jié)水回水水質(zhì)無要求。由于閉式回收系統(tǒng)復(fù)雜,投資較大,且容易發(fā)生汽蝕,故本項(xiàng)目采用開式回水方式。
由于大部分的凝結(jié)水產(chǎn)生在熱力機(jī)房?jī)?nèi),靠近凝結(jié)水箱,考慮經(jīng)濟(jì)性,熱力機(jī)房?jī)?nèi)的凝結(jié)水全部采用余壓回水,直接回收至凝結(jié)水箱;一二期生產(chǎn)樓的凝結(jié)水皆采用開式汽動(dòng)型凝結(jié)水回收泵組回收至凝集水箱,回收流程圖如下:
圖1 蒸汽凝結(jié)水回收流程圖
汽動(dòng)型凝結(jié)水泵,主要由開式集水罐, 動(dòng)力機(jī)械泵,浮球式疏水閥,過濾器,止回閥等組成,如下圖2:
圖2 汽動(dòng)凝結(jié)水回收泵組
當(dāng)機(jī)械泵內(nèi)水位達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí),浮球結(jié)構(gòu)聯(lián)動(dòng)關(guān)閉排氣口,打開進(jìn)汽口,將泵內(nèi)凝結(jié)水壓至回收管網(wǎng)。
本項(xiàng)目生產(chǎn)樓的瞬時(shí)最大凝結(jié)回水量為1~2t/h,輸送揚(yáng)程為6~10m,而當(dāng)凝結(jié)水回收泵組以0.4MPa 的蒸汽為動(dòng)力介質(zhì)時(shí),最大瞬時(shí)回收量可達(dá)20t/h,最大揚(yáng)程可至30m,因此可選用汽動(dòng)凝結(jié)水回收泵。
選用汽動(dòng)凝結(jié)水回收泵對(duì)凝結(jié)水進(jìn)行回收,不但有效地解決了醫(yī)藥廠房長(zhǎng)距離輸送問題,還有如下優(yōu)點(diǎn)非常適用于醫(yī)藥廠房:
(1)汽動(dòng)凝結(jié)水回收泵不需消耗電能,只需提供少量蒸汽即可,因此該系統(tǒng)不但能節(jié)約電能,還不受停電的影響。
(2)機(jī)械泵不存在汽蝕問題,設(shè)備故障率低,系統(tǒng)可靠性及穩(wěn)定性大幅提高。
本項(xiàng)目的閃蒸蒸汽主要產(chǎn)生在凝結(jié)水回收泵組的開式集水罐及熱力機(jī)房的凝結(jié)水箱。為解決閃蒸蒸汽導(dǎo)致的“白龍”現(xiàn)象,在開式集水罐及凝結(jié)水箱的通氣管上增設(shè)一個(gè)冷卻換熱器。冷卻換熱器的一次側(cè)為通氣管內(nèi)的閃蒸蒸汽,二次側(cè)為少量自來水,通過自來水將閃蒸蒸汽冷卻至液態(tài),同時(shí)將加熱后的自來水接至熱回收凝結(jié)水箱,從而解決閃蒸蒸汽問題。
本項(xiàng)目將凝結(jié)水集中回收后,通過水-水板式換熱器及高溫水泵對(duì)凝結(jié)水的余熱進(jìn)行回收利用。板式換熱器的一次側(cè)為凝結(jié)水箱及凝結(jié)水回收水泵,二次側(cè)為部分空調(diào)熱水回水及熱水回收泵。
二次側(cè)的部分50℃的熱水從集水器經(jīng)熱水回水泵加壓輸送至水-水板換熱器中,與一次側(cè)凝結(jié)水進(jìn)行逆流熱交換后,再與剩下的熱水回水混合,進(jìn)入蒸汽-水換熱器,熱回收?qǐng)D流程圖如下:
由表1知,考慮同時(shí)系數(shù)為0.9 時(shí),凝結(jié)水最大瞬時(shí)回收量為9351kg/h(冬季),最小回收量為6681kg/h(夏季及過渡季)。凝結(jié)水溫度為85~90℃,空調(diào)熱水回水溫度為50℃,板式換熱器的效率取90%,一次側(cè)出水溫度為55℃,二次側(cè)出水溫度為70℃。
表1 各期蒸汽及凝結(jié)水量匯總表
最小回收熱量為=4.2×6681×(85-55)/36 00×0.9=211kw;
最大回收熱量為=4.2×9351×(90-55)/36 00×0.9=344kw。
工廠蒸汽耗量谷值運(yùn)行天數(shù)為210 天,峰值運(yùn)行為140 天,每天運(yùn)行16 小時(shí),則每年回收熱量為:
=(211×210+344×140)×16=158×10kW·h
換算成蒸汽耗量,則為每年將節(jié)約蒸汽耗量:
=56.9×10÷(2707-251)÷0.9=2575t
無錫市的蒸汽價(jià)格為180 元/噸,則本項(xiàng)目每年節(jié)約的蒸汽費(fèi)用約為:
180×2575=463500 元
根據(jù)凝結(jié)水的最小瞬時(shí)回收量及最大瞬時(shí)回收量,并結(jié)合考慮機(jī)房面積,本項(xiàng)目設(shè)置一個(gè)30m的組合式凝結(jié)水箱。此水箱由兩個(gè)分隔水箱組成,詳見圖3。
圖3 凝結(jié)水熱回收流程圖
其中水箱A 體積設(shè)計(jì)為20m,水箱B 體積設(shè)計(jì)為10 m,水箱A 與水箱B 之間由一根溢流管道連通。當(dāng)水箱A 高度超過極限液位時(shí)(取9.5m),通過溢流管流至水箱B。
水箱A 設(shè)置液位傳感器,其中液位不低于水箱A 供回水管之間容積的1/3,取6.5m。凝結(jié)水回收泵設(shè)計(jì)流量取凝結(jié)水最大瞬時(shí)回收量9.6m/h(9351kg/h),即水泵選型額定流量附加10%為10.6m/h。為防止二次側(cè)出水溫度過高,二次側(cè)熱水回水泵設(shè)計(jì)流量取,當(dāng)水箱A液位達(dá)到低液位時(shí),開啟凝結(jié)水回收泵,同時(shí)連鎖開啟熱回收換熱器二次側(cè)的熱水回收泵。
為保證最大化回收凝結(jié)熱,凝結(jié)水回收管接至水箱A底部,同時(shí)凝結(jié)水泵從水箱A 底部抽取凝結(jié)水送往熱回收換熱器,然后回水至水箱頂部,可保證溢流到水箱B 的為低溫凝結(jié)水。
水箱B 設(shè)置液位傳感器,當(dāng)水箱液位超過限定值時(shí)開啟凝結(jié)水冷卻泵,將凝結(jié)水輸送至加濕型風(fēng)冷冷卻器,當(dāng)凝結(jié)水冷卻至32℃后,回至水箱B 頂部。當(dāng)水箱B 液位高于溢流管時(shí),通過溢流管排出,詳見圖4:
圖4 凝結(jié)水冷卻流程圖
同時(shí)水箱B 設(shè)置一路自來水,防止凝結(jié)水冷卻系統(tǒng)故障或來不及冷卻至40℃時(shí),將凝結(jié)水混水至40℃以下排放。
本文通過實(shí)際工程項(xiàng)目,對(duì)醫(yī)藥廠房的蒸汽凝結(jié)水回收及利用進(jìn)行了詳述,通過此次設(shè)計(jì),本人的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)及建議如下:
(1)對(duì)于蒸汽用量相對(duì)穩(wěn)定且用量較大的醫(yī)藥廠房,合理得回收及利用蒸汽凝結(jié)水,將帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。本項(xiàng)目通過對(duì)凝結(jié)水的熱回收,工廠將每年節(jié)約46.4 萬元的蒸汽費(fèi)用。
(2)蒸汽的凝結(jié)水回收方式,應(yīng)根據(jù)回水量、距離,造價(jià),系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行確定,對(duì)于凝結(jié)水不用作補(bǔ)水或凝結(jié)水回收水質(zhì)要求不高,可采用開式凝結(jié)水箱回水;
(3)醫(yī)藥廠房的凝結(jié)水回收可采用余壓回水與機(jī)械回水相結(jié)合的方式。當(dāng)工藝凝結(jié)水回收量不大于20t/h,回收揚(yáng)程不大于30m 時(shí),可采用汽動(dòng)型凝結(jié)水回收泵組回收凝結(jié)水,可防止水泵汽蝕且不需消耗電能;換熱凝結(jié)水一般離凝結(jié)水箱較近,可采用余壓回水。
(4)開式水箱的閃蒸蒸汽,可在通氣管處增設(shè)冷卻換熱器,以解決水箱的“白龍”現(xiàn)象。
(5)需統(tǒng)籌考慮凝結(jié)水箱的形式及尺寸,熱回收的設(shè)備的選型及控制邏輯,凝結(jié)水冷卻設(shè)備的形式,供回水管的接管等,以最大化凝結(jié)水熱回收量和保證凝結(jié)水水排放溫度滿足環(huán)保及規(guī)范要求。