某生物制藥廠蒸汽冷凝水節(jié)能改造與效益分析

張瑞豐,喬玲敏,吳曉龍,周榮超,口妍君

(煙臺大學土木工程學院,山東 煙臺 264005)

1 項目概況

該項目為煙臺某生物制藥廠．廠區(qū)內設有一臺15 t燃氣蒸汽鍋爐為整個廠區(qū)供暖及生產(chǎn)提供蒸汽．高溫蒸汽分為4個系統(tǒng):一是供暖用汽水換熱器(一用一備),換熱后為質檢樓辦公區(qū)、胰島素車間外圍走廊、動力車間、動物房、甲類倉庫提供熱水;二是空調用汽水換熱器(一用一備),換熱后為質檢樓內風機盤管、新風機組和胰島素車間風機盤管、吊頂式空氣處理機組、吊頂式新風機組提供熱水;三是為胰島素車間、質檢樓組合式空調器提供熱源;四是車間內的生產(chǎn)用汽(該部分用汽最多時僅占總蒸汽量10%,且由于該部分蒸汽使用時間、用量均不穩(wěn)定,產(chǎn)生的冷凝水量也時多時少,所以該部分冷凝水量不計入計算)．各用汽點產(chǎn)生冷凝水量見表1．

表1 廠區(qū)內冷凝水量匯總

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)的采暖與空調系統(tǒng),90 %的熱負荷是采用蒸汽—水換熱的熱水提供．原設計為滿足工藝10%的用氣量,設計采用一臺15 t燃氣蒸汽鍋爐,是一種不節(jié)能的設計方式[4]．另外,原設計供暖換熱器和空調換熱器以及車間的空調機組內換熱器產(chǎn)生的冷凝水都是就地直接排放,沒有有效地回收利用,也是造成本項目能源浪費的另一個主要因素．

本項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)能設計理念．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)供回水溫度實際溫度為50 ℃/43 ℃,設計采用混水方式[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．通過計算后得到胰島素車間、質檢樓、甲類倉庫、動物房、動力中心散熱器系統(tǒng)流量數(shù)值,見表2．

表2 各個建筑物散熱器供暖系統(tǒng)參數(shù)

注：括號內為胰島素車間、動力車間散熱器系統(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程見表3,其中胰島素車間、動力中心存在值班供暖工況,所以上述水泵為大小2種型號并聯(lián)分工況運行．

表3 各混水供暖系統(tǒng)水泵匹配

2.2.3 冷凝水量供需對比 通過對各個建筑物產(chǎn)生冷凝水量以及轉換成冷凝水混水供散熱器系統(tǒng)所需冷凝水量對比分析后,確定工作期間(白天)胰島素車間、甲類倉庫、動物房散熱器系統(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系見表4、5．

表4 工作期間(白天)8 h冷凝水供需對比

表5 非工作期間(夜晚)14 h冷凝水供需對比

2.3 節(jié)能改造方案

通過對冷凝水水量數(shù)據(jù)的分析和廠區(qū)內現(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器系統(tǒng);2.生產(chǎn)用水制備設備;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.動物房散熱器系統(tǒng);7.動力車間散熱器系統(tǒng);8.燃氣鍋爐;9.蒸汽分汽缸;10.散熱器用汽水換熱器;11.空調用汽水換熱器;12.鍋爐補水箱;13.冷凝水箱B;14.冬季供暖空調末端;15.質檢樓散熱器系統(tǒng);16.質檢樓組合式空調器系統(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器和生產(chǎn)用水制備車間產(chǎn)生的冷凝水經(jīng)疏水閥進入冷凝水箱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)通過管道進入燃氣鍋爐補水箱．動力車間內供暖用汽水換熱器和空調用汽水換熱器以及質檢樓組合式空調器產(chǎn)生的冷凝水進入冷凝水箱B儲存一部分送入冷凝水箱A,一部分進入燃氣鍋爐的補水箱．冷凝水箱A和冷凝水箱B均采用液位控制,當冷凝水量超過最高液位線后送入燃氣鍋爐補水箱作為燃氣鍋爐補水．由于動物房供熱負荷較大,夜晚冷凝水量較少,不足以為動物房散熱器系統(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)．

對于胰島素車間、甲類倉庫和動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),在冷凝水量不足時仍能滿足供暖需求．在系統(tǒng)運行時,為保證2種供暖系統(tǒng)不會互相干擾,需要在胰島素車間、甲類倉庫、動物房散熱器回水交叉處設立閥門轉換系統(tǒng)．具體回水閥門轉換系統(tǒng)分別見圖3、4,閥門開啟情況見表6、7．

閥門轉換系統(tǒng)1中甲類倉庫或者動物房處的回水只進入鍋爐補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,部分回水進入鍋爐補水箱．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行換熱．

動物房白天夜晚供暖模式不同,白天通過高溫冷凝水進行供暖,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)相互獨立．工作期間為工況一:甲類倉庫和動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水箱;動物房采用蒸汽-水供熱系統(tǒng),其散熱器回水回到汽水換熱器進行換熱．當冷凝水不足時為工況三:甲類倉庫和動物房均采用蒸汽-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 閥門轉換系統(tǒng)1

表7 閥門轉換系統(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,使得冷凝水水質滿足鍋爐、散熱器系統(tǒng)的水質要求．冷凝水箱作為一個暫時的儲存單元,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存滿足夜晚14 h供暖的冷凝水量的同時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,胰島素車間內的冷凝水箱A采用規(guī)格為3 m×3 m×2 m．當冷凝水箱A內水位超過1.6 m最高水位線時,通過溢水管道送入燃氣鍋爐補水箱內．

工作期間由胰島素車間組合式空調產(chǎn)生的冷凝水量要少于胰島素車間、動物房、甲類倉庫散熱器系統(tǒng)所需,所以需要從動力車間進行轉輸．動力車間的冷凝水箱B僅起到一個儲存轉輸?shù)墓δ?容積由產(chǎn)生的冷凝水量與轉輸冷凝水量差值來確定,即冷凝水箱B每小時至少儲存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．當冷凝水箱B內水位超過1.6 m最高水位線時,通過溢水管道送入燃氣鍋爐補水箱內．

3 效益分析

對廠區(qū)內冷凝水回收利用系統(tǒng)進行經(jīng)濟分析[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計算;水價按照5.0 元/m3計;天然氣價格按3.7 元/m3,熱值為9 000 kcal/m3,熱效率為90 %計．

3.1 減少蒸汽使用節(jié)約天然氣費用

改造完成后胰島素車間、甲類倉庫、動物房(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,每個采暖季節(jié)約費用如下:

P氣=P0·(G1×8+G2×14)×120×K1·K2·

K3,

(2)

其中:

P氣—節(jié)省天然氣費用;

P0—天然氣單價,3.7元/m3;

G1—工作期間(白天)每小時減少蒸汽量,0.36 m3/h;

G2—非工作期間(夜晚)每小時減少蒸汽量,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)約費用11.9萬元．

3.2 提高補水溫度節(jié)約天然氣費用

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)過混合后進入鍋爐補水箱,混合后水溫為56 ℃．非工作期間有1 292 kg/h 43℃的散熱器回水進入鍋爐補水箱,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,3.7元/m3;

Q1—工作期間鍋爐補水由10℃提高到56℃所需熱量,kJ；

Q2—非工作期間鍋爐補水由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)得到提高補水溫度后可節(jié)約4.24萬m3天然氣,節(jié)約費用15.7萬元．

3.3 冷凝水補水節(jié)約自來水費用

自來水的損耗主要是來自于冷凝水的直接排放,廠區(qū)內用汽設備工作期間產(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)省自來水費用;

P1—自來水單價,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,其運行費用比較見表8,投資及節(jié)能效益比較見表9．

表8改造方案運行費用比較

Tab.8 Comparisons of operating costs of transformation project

項目消耗天然氣/萬m3改造前改造后運行費用/萬元改造前改造后 工作期間55.848.8206.6180.7 非工作時間8.57.031.626 總計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個采暖季

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

4 結論與建議

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又能提高能源利用率,實現(xiàn)了能源、經(jīng)濟、環(huán)境的協(xié)調發(fā)展．本文根據(jù)廠區(qū)內供暖即有設備提出了將高溫冷凝水應用于散熱器系統(tǒng)后再回收至燃氣鍋爐的節(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,每個采暖季降低供暖運行費用31.5萬元,降低幅度達13.2%,能夠有效地提高能源利用率．一個供暖季節(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、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值．