醫(yī)藥廠房蒸汽凝結水熱回收的設計與探討

文／丁淑紅 生特瑞（上海）工程顧問股份有限公司 上海 200335

引言：

在醫(yī)藥廠房的運行中，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)換熱后變成的凝結水，仍有20～30%的蒸汽熱量。

經(jīng)調(diào)查，當市政供汽時，較多醫(yī)藥廠房未對蒸汽凝結水進行回收利用，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)冷卻塔補水。

本文以某醫(yī)藥廠房的蒸汽凝結水熱回收設計為例，介紹了凝結水的回收情況，并從可靠性、經(jīng)濟性、節(jié)能性對凝結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行了分析及經(jīng)驗總結。

1、工程概述

本項目為地處無錫市，總建筑面積為41100m，建筑功能主要為潔凈生產(chǎn)廠房、倉庫、實驗區(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房內(nèi)，熱力機房位于一期倉庫二層。各期蒸汽及凝結水量如下：

2、凝結水回收的難點

2.1 回收方式的確定

凝結水回收系統(tǒng)的方式，根據(jù)凝結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，凝結水管道和附件的腐蝕相對較輕，凝結水水質好，常用于補水量大的產(chǎn)汽設備，如蒸汽鍋爐等。開式回水，由于凝結水與大氣相通，管道和附件易被腐蝕且凝結水質較差，但其系統(tǒng)簡單，投資較低，也有較多企業(yè)采用。

根據(jù)回收動力形式，凝結水回收方式的主要有三種：重力回水，余壓回水，機械加壓回水。

（1）重力回水，利用凝結水管與凝結水箱的高差作為動力，對凝結水進行回收的方式。此方式只適用于地勢平坦且坡向凝集水箱的場合，凝結水箱需低于凝結水回收干管，一般用于小型蒸汽系統(tǒng)。

（2）余壓回水，用汽設備的凝結水利用疏水閥后的背壓回收至凝結水箱的方式。此方式對坡度及坡向無嚴格要求，但由于余壓回水的凝結水管中常是汽、水兩相流動，極易產(chǎn)生水擊，且當壓力相差較大的凝結水合流時，會相互干擾，故一般用于作用半徑不大、凝結水量不多、用戶分散的中小型廠區(qū)。

（3）機械加壓回水，當無法采用重力或余壓回水方式時，采用水泵對凝結水進行加壓回收至凝結水箱的方式。此種方式使用于任何場合，但水泵需消耗能源且存在汽蝕問題。

本項目總凝結水箱位于倉庫二樓熱力站內(nèi)，其中一期生產(chǎn)樓最遠點凝結水距離總凝結水箱170m，二期生產(chǎn)樓最遠點凝結水距離總凝結水箱360m，空調(diào)換熱器距離凝結水箱15m。由于蒸汽凝結水分散，且距離相差大，故如何合理得確定回水方式，保證凝結水回收量的穩(wěn)定及回收量最大化，對凝結水熱回收的經(jīng)濟效益至關重要。

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)濟和環(huán)保效益。

2.2 凝結水的冷卻

由于空調(diào)熱水回水溫度為50℃，凝結水回收溫度為85～90℃，凝結水與空調(diào)熱水回水熱交換后，其水溫一般在55℃左右，由于凝結水排放溫度不得大于40℃，故凝結水進行熱回收后，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)設置一個自然降溫池，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，當凝結水水溫高且水量較大時不適用。因此需采用一種更合理的高效冷卻方式來解決凝結水的排放問題。

2.3 其他問題

如何確定凝結水箱的形式尺寸，熱回收換熱器一次側、二次側水泵選型，熱回收的控制邏輯，需結合凝結水最小及最大回收量，機房面積，凝結水的降溫排放、空調(diào)熱水流量等因素統(tǒng)一考慮。

3、凝結水回收設計

3.1 回收方式設計

本項目的凝結水80%的凝結水由熱力站（倉庫）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)樓的工藝設備及純水制備等產(chǎn)生。

本項目為市政蒸汽，凝結水不需回收至市政熱力站，即對凝結水回水水質無要求。由于閉式回收系統(tǒng)復雜，投資較大，且容易發(fā)生汽蝕，故本項目采用開式回水方式。

由于大部分的凝結水產(chǎn)生在熱力機房內(nèi)，靠近凝結水箱，考慮經(jīng)濟性，熱力機房內(nèi)的凝結水全部采用余壓回水，直接回收至凝結水箱；一二期生產(chǎn)樓的凝結水皆采用開式汽動型凝結水回收泵組回收至凝集水箱，回收流程圖如下：

圖1 蒸汽凝結水回收流程圖

汽動型凝結水泵，主要由開式集水罐, 動力機械泵，浮球式疏水閥，過濾器，止回閥等組成，如下圖2：

圖2 汽動凝結水回收泵組

當機械泵內(nèi)水位達到設計值時，浮球結構聯(lián)動關閉排氣口，打開進汽口，將泵內(nèi)凝結水壓至回收管網(wǎng)。

本項目生產(chǎn)樓的瞬時最大凝結回水量為1～2t/h，輸送揚程為6～10m，而當凝結水回收泵組以0.4MPa 的蒸汽為動力介質時，最大瞬時回收量可達20t/h，最大揚程可至30m，因此可選用汽動凝結水回收泵。

選用汽動凝結水回收泵對凝結水進行回收，不但有效地解決了醫(yī)藥廠房長距離輸送問題，還有如下優(yōu)點非常適用于醫(yī)藥廠房：

（1）汽動凝結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）機械泵不存在汽蝕問題，設備故障率低，系統(tǒng)可靠性及穩(wěn)定性大幅提高。

3.2 閃蒸蒸汽的處理

本項目的閃蒸蒸汽主要產(chǎn)生在凝結水回收泵組的開式集水罐及熱力機房的凝結水箱。為解決閃蒸蒸汽導致的“白龍”現(xiàn)象，在開式集水罐及凝結水箱的通氣管上增設一個冷卻換熱器。冷卻換熱器的一次側為通氣管內(nèi)的閃蒸蒸汽，二次側為少量自來水，通過自來水將閃蒸蒸汽冷卻至液態(tài)，同時將加熱后的自來水接至熱回收凝結水箱，從而解決閃蒸蒸汽問題。

4、熱回收設計

4.1 熱回收流程

本項目將凝結水集中回收后，通過水-水板式換熱器及高溫水泵對凝結水的余熱進行回收利用。板式換熱器的一次側為凝結水箱及凝結水回收水泵，二次側為部分空調(diào)熱水回水及熱水回收泵。

二次側的部分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，與一次側凝結水進行逆流熱交換后，再與剩下的熱水回水混合，進入蒸汽-水換熱器，熱回收圖流程圖如下：

4.2 回收熱量計算

由表1知，考慮同時系數(shù)為0.9 時，凝結水最大瞬時回收量為9351kg/h（冬季），最小回收量為6681kg/h（夏季及過渡季）。凝結水溫度為85～90℃，空調(diào)熱水回水溫度為50℃，板式換熱器的效率取90%，一次側出水溫度為55℃，二次側出水溫度為70℃。

表1 各期蒸汽及凝結水量匯總表

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行天數(shù)為210 天，峰值運行為140 天，每天運行16 小時，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

無錫市的蒸汽價格為180 元/噸，則本項目每年節(jié)約的蒸汽費用約為：

180×2575=463500 元

4.3 熱回收控制設計

根據(jù)凝結水的最小瞬時回收量及最大瞬時回收量，并結合考慮機房面積，本項目設置一個30m的組合式凝結水箱。此水箱由兩個分隔水箱組成，詳見圖3。

圖3 凝結水熱回收流程圖

其中水箱A 體積設計為20m，水箱B 體積設計為10 m，水箱A 與水箱B 之間由一根溢流管道連通。當水箱A 高度超過極限液位時（取9.5m），通過溢流管流至水箱B。

水箱A 設置液位傳感器，其中液位不低于水箱A 供回水管之間容積的1/3，取6.5m。凝結水回收泵設計流量取凝結水最大瞬時回收量9.6m/h（9351kg/h），即水泵選型額定流量附加10%為10.6m/h。為防止二次側出水溫度過高，二次側熱水回水泵設計流量取，當水箱A液位達到低液位時，開啟凝結水回收泵，同時連鎖開啟熱回收換熱器二次側的熱水回收泵。

為保證最大化回收凝結熱，凝結水回收管接至水箱A底部，同時凝結水泵從水箱A 底部抽取凝結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 的為低溫凝結水。

5、凝結水的冷卻及排放

水箱B 設置液位傳感器，當水箱液位超過限定值時開啟凝結水冷卻泵，將凝結水輸送至加濕型風冷冷卻器，當凝結水冷卻至32℃后，回至水箱B 頂部。當水箱B 液位高于溢流管時，通過溢流管排出，詳見圖4：

圖4 凝結水冷卻流程圖

同時水箱B 設置一路自來水，防止凝結水冷卻系統(tǒng)故障或來不及冷卻至40℃時，將凝結水混水至40℃以下排放。

結語：

本文通過實際工程項目，對醫(yī)藥廠房的蒸汽凝結水回收及利用進行了詳述，通過此次設計，本人的經(jīng)驗總結及建議如下：

（1）對于蒸汽用量相對穩(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水，將帶來顯著的經(jīng)濟效益。本項目通過對凝結水的熱回收，工廠將每年節(jié)約46.4 萬元的蒸汽費用。

（2）蒸汽的凝結水回收方式，應根據(jù)回水量、距離，造價，系統(tǒng)穩(wěn)定性進行確定，對于凝結水不用作補水或凝結水回收水質要求不高，可采用開式凝結水箱回水；

（3）醫(yī)藥廠房的凝結水回收可采用余壓回水與機械回水相結合的方式。當工藝凝結水回收量不大于20t/h，回收揚程不大于30m 時，可采用汽動型凝結水回收泵組回收凝結水，可防止水泵汽蝕且不需消耗電能；換熱凝結水一般離凝結水箱較近，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)籌考慮凝結水箱的形式及尺寸，熱回收的設備的選型及控制邏輯，凝結水冷卻設備的形式，供回水管的接管等，以最大化凝結水熱回收量和保證凝結水水排放溫度滿足環(huán)保及規(guī)范要求。