工業(yè)廠房高大空間采暖設(shè)計(jì)方案比選

朱佩璋

太鋼新建5萬(wàn)t不銹鋼無(wú)縫鋼管項(xiàng)目是太鋼公司為適應(yīng)新形式、搶占不銹鋼高端市場(chǎng)、走精品路線、打造企業(yè)核心價(jià)值觀、實(shí)現(xiàn)“建設(shè)全球最具競(jìng)爭(zhēng)力的不銹鋼企業(yè)”戰(zhàn)略目標(biāo)的重點(diǎn)工程。而容納所有生產(chǎn)設(shè)備和進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)的主廠房采暖設(shè)計(jì)直接影響到了鋼管廠的生產(chǎn)甚至經(jīng)營(yíng)。

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(dòng)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(yán)格限制，在設(shè)計(jì)之初就應(yīng)在各方面廣泛細(xì)致考慮采取節(jié)能措施，以達(dá)到降低生產(chǎn)成本、增強(qiáng)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力、滿足國(guó)家目前大力提倡的節(jié)能減排要求。而主廠房采暖無(wú)疑是鋼管廠一項(xiàng)能源消耗大戶，如何降低采暖能耗、以最低的投資達(dá)到滿意的采暖效果就是鋼管廠節(jié)能設(shè)計(jì)的重中之重。

1 主廠房采暖設(shè)計(jì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的要求

主廠房的采暖負(fù)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(dá)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(yīng)的節(jié)能措施。

根據(jù)鋼管廠熱源情況，對(duì)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(yīng)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(yīng)不大于0.673 W/(m2·℃);3)廠房側(cè)墻開窗面積應(yīng)不大于33.6 m2/柱距，總傳熱系數(shù)應(yīng)不大于5.931 W/(m2·℃);4)主廠房通風(fēng)應(yīng)采用機(jī)械通風(fēng)或可控自然通風(fēng)裝置，盡量不采用無(wú)控自然通風(fēng)，墻體外窗及爐區(qū)設(shè)置的天窗應(yīng)設(shè)置可在地面操控的電動(dòng)開閉裝置，以減少不可控的通風(fēng)量;5)所有廠房封閉接駁處應(yīng)盡量保持嚴(yán)密，不應(yīng)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(fēng)換氣次數(shù)冬季應(yīng)嚴(yán)格保持在0.5次/h，否則采暖熱負(fù)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?jī)?nèi)10℃，成品原料庫(kù)房5℃，修磨跨15℃)，對(duì)主廠房冬季采暖熱負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，計(jì)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(yīng)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(shí)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(shí)，蒸汽耗量為14.5 t/h;最大用量發(fā)生在生產(chǎn)初始運(yùn)行全部加注冷酸堿液時(shí)，此時(shí)耗量為21.3 t/h?？紤]到生產(chǎn)用汽最大量發(fā)生時(shí)間可以與冬季最冷期錯(cuò)開，亦可暫時(shí)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(shí)蒸汽總量應(yīng)該可以滿足最大量時(shí)的需求。

總計(jì)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(yīng)，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(yīng)量嚴(yán)重不足，缺口達(dá)46 t/h。

根據(jù)熱能需求量與供應(yīng)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(tái)，每臺(tái)蒸發(fā)量20 t，夏季1臺(tái)減負(fù)荷運(yùn)行，冬季3臺(tái)同時(shí)開啟運(yùn)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(diǎn)。當(dāng)廠房采暖采用熱水介質(zhì)時(shí)，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(diǎn):可充分保證廠區(qū)內(nèi)的所有蒸汽用量，同時(shí)，由于設(shè)備容量大于所需量，可同時(shí)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(wàn)元/臺(tái)×3臺(tái)=1038萬(wàn)元;鍋爐房(面積為33 m×20.4 m，高度10 m)建設(shè)費(fèi)用:80萬(wàn)元;換熱站建設(shè)投資:3臺(tái)14 MW換熱設(shè)備投資50萬(wàn)元/臺(tái)×3臺(tái)=150萬(wàn)元;20 t凝水回收裝置3套，投資為:18萬(wàn)元/套×3套 =54萬(wàn)元?？偼顿Y約為:1322萬(wàn)元。

2)利用余熱鍋爐補(bǔ)燃。由于廠房?jī)?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(jìn)行補(bǔ)燃，提高蒸汽產(chǎn)量，使其總體產(chǎn)量達(dá)到所需。此方案優(yōu)點(diǎn):占地小、能夠充分利用加熱爐煙氣余熱，回收部分熱能。缺點(diǎn)是:在冬季工藝生產(chǎn)不需開加熱爐時(shí)，為保證采暖，加熱爐也必須工作補(bǔ)燃。同時(shí)，為保證夏季補(bǔ)燃量小時(shí)能夠利用余熱產(chǎn)汽，單臺(tái)爐子補(bǔ)燃量不宜做得過(guò)大。經(jīng)了解，補(bǔ)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(wàn)元(僅含余熱鍋爐增加部分)，為供應(yīng)主廠房采暖熱水所需換熱機(jī)組投資約18萬(wàn)元/套×7套=126萬(wàn)元，凝水回收裝置投資為12萬(wàn)元/套×7套=84萬(wàn)元?？偼顿Y費(fèi)用為:2310萬(wàn)元。按照每臺(tái)加熱爐補(bǔ)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(yùn)行時(shí)散發(fā)的有害廢熱，通過(guò)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(dá)2569 m3/h，設(shè)計(jì)進(jìn)出口溫度(夏季最高溫):45℃/35℃。經(jīng)計(jì)算，冷卻水中含有的廢熱量最大可達(dá)29817 kW，折合蒸汽量達(dá)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(yīng)不足的局面，同時(shí)在節(jié)能減排、減少能耗、降低生產(chǎn)運(yùn)行成本方面起到關(guān)鍵作用。但是其中問(wèn)題也是極其明顯的:首先，循環(huán)水進(jìn)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(yùn)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(huì)增大散失，冷卻水溫度及溫差無(wú)法計(jì)算，參照冷軋廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運(yùn)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(dòng)，不宜作為穩(wěn)定熱源使用;同時(shí)，由循環(huán)水系統(tǒng)中切出一部分，會(huì)使該系統(tǒng)運(yùn)行復(fù)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(fēng)機(jī)采暖方式。根據(jù)主廠房熱負(fù)荷情況，可采用蒸汽暖風(fēng)機(jī)采暖方式。其中又可分為大型落地式暖風(fēng)機(jī)與小型暖風(fēng)機(jī)采暖方式兩種。

根據(jù)資料，目前大型落地式暖風(fēng)機(jī)最小的設(shè)備參數(shù)為風(fēng)量10000 m3/h，散熱量131 kW;由于其出口射流長(zhǎng)度不大于15 m，其熱風(fēng)覆蓋范圍為706 m2，相應(yīng)負(fù)荷僅需70 kW，遠(yuǎn)小于暖風(fēng)機(jī)散熱量，同時(shí)，此種暖風(fēng)機(jī)還存在價(jià)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(jì)不予推薦。

小型暖風(fēng)機(jī)方式:此方案采用單體設(shè)備體形較小的小型暖風(fēng)機(jī)，吊掛在柱上3.5 m～5 m標(biāo)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(diǎn)為此種設(shè)備出口風(fēng)速較低，暖風(fēng)覆蓋面小，但價(jià)格較低，冗余配置量可加大。故暖風(fēng)機(jī)采暖方案推薦采用小型蒸汽暖風(fēng)機(jī)。

蒸汽暖風(fēng)機(jī)采暖方案缺點(diǎn):a.無(wú)法減小廠房?jī)?nèi)高度方向的溫度梯度，將使采暖總熱負(fù)荷增大10%左右，需用蒸汽量運(yùn)行費(fèi)用亦隨之增加;b.鍋爐或者余熱鍋爐補(bǔ)燃量增大，運(yùn)行費(fèi)用較高;c.飽和蒸汽長(zhǎng)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(yù)計(jì)設(shè)置蒸汽暖風(fēng)機(jī)300臺(tái)，凝結(jié)水回收裝置約7套，總投資約為:暖風(fēng)機(jī)300臺(tái)×4200元/臺(tái)=126萬(wàn)元;凝水回收裝置:7套×12萬(wàn)元/套=84萬(wàn)元，總計(jì):210萬(wàn)元。

2)頂吹式暖風(fēng)機(jī)采暖方式。此方式為采用頂吹式熱水暖風(fēng)機(jī)形式，通過(guò)吊裝在屋頂上的暖風(fēng)機(jī)將熱風(fēng)豎直向下吹送至地面。此種暖風(fēng)機(jī)采用國(guó)外技術(shù)，具有可調(diào)節(jié)式下出風(fēng)口以調(diào)節(jié)下吹風(fēng)的風(fēng)速與風(fēng)量，避免了風(fēng)速過(guò)高產(chǎn)生的地面揚(yáng)塵的問(wèn)題。同時(shí)，此方式能夠有效改善廠房溫度梯度問(wèn)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(dá)到節(jié)能效果。根據(jù)實(shí)地考察結(jié)果，沈陽(yáng)市某機(jī)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(jì)算，僅采用頂吹方式的節(jié)能效果就能達(dá)到7%以上;加之采暖熱水直埋輸送價(jià)格遠(yuǎn)低于蒸汽，損耗量亦較小;同時(shí)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(bǔ)燃量或天然氣鍋爐出力，使鋼管廠的節(jié)能水平達(dá)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(fù)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(fēng)機(jī)進(jìn)行供暖。此方式優(yōu)點(diǎn)為:能夠直接利用循環(huán)水廢熱，節(jié)省大量設(shè)備與運(yùn)行費(fèi)用;缺點(diǎn)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(jì)，標(biāo)準(zhǔn)單體采暖設(shè)備發(fā)熱量?jī)H有25 kW)，故所需分布密度大，造成初投資較高，同時(shí)還會(huì)影響觀感質(zhì)量;由于熱源水溫低，故設(shè)備出風(fēng)溫度低，預(yù)計(jì)出風(fēng)溫度在23℃左右，若直接吹到人體，會(huì)有吹冷風(fēng)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(tái)頂吹暖風(fēng)機(jī)(工況85℃/60℃，散熱128 kW/臺(tái):110臺(tái);工況40℃/30℃，散熱40 kW/臺(tái):250臺(tái))，設(shè)備投資約為:1000萬(wàn)元～1800萬(wàn)元之間，電耗量為:1019 kW。b.通過(guò)水源熱泵方式提取循環(huán)冷卻水中熱量后再進(jìn)行供暖方式。

部分負(fù)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(fēng)機(jī)進(jìn)行供暖。此方式的優(yōu)點(diǎn)為:有效地回收了冷卻水的廢熱，節(jié)能效果可達(dá)到最高;由于進(jìn)入采暖系統(tǒng)水溫較高，故采暖效果能夠保證，無(wú)吹冷風(fēng)的不適感;同時(shí)，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(yùn)行費(fèi)用。缺點(diǎn)是:水源熱泵設(shè)備投資昂貴，運(yùn)行需耗費(fèi)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(tái)頂吹暖風(fēng)機(jī)(工況60℃/40℃，散熱64 kW)，末端設(shè)備投資約為:1800萬(wàn)元;水源熱泵設(shè)備投資:2000萬(wàn)元，站房投資:100萬(wàn)元，電耗量為:1019 kW+5000 kW。

3)燃?xì)饧t外線輻射采暖形式。此方式為:在廠房?jī)?nèi)吊裝天然氣紅外輻射采暖裝置，預(yù)計(jì)采用約500臺(tái)(單體功率50 kW)此裝置。這種采暖方式優(yōu)點(diǎn)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(dá)95%以上)，加熱方式為敷設(shè)加熱，可減少?gòu)S房高度方向上的溫度梯度;缺點(diǎn)為:a.由于燃燒設(shè)施位于廠房?jī)?nèi)，環(huán)境較為污濁，極易污染燃燒設(shè)備上的火焰探測(cè)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(yǔ)

根據(jù)數(shù)個(gè)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(fēng)機(jī)的方式從采暖效果、運(yùn)行費(fèi)用等方面均有較大優(yōu)勢(shì)，同時(shí)盡量利用了生產(chǎn)當(dāng)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(fù)雜，管理調(diào)節(jié)控制繁瑣的缺點(diǎn)，在本工程當(dāng)中亦不失為最優(yōu)選的方案。

[1]陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)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.