作者：機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司 張桂生 鐘順林 張海舟 高洪瀾

工程概況

本工程為寶石機(jī)械鍛造車間余熱回收利用系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目,，項(xiàng)目位于陜西省寶雞市。本系統(tǒng)是對(duì)寶石機(jī)械有限責(zé)任公司鍛造車間 23 臺(tái)鍛造爐所排出的高溫?zé)煔庥酂徇M(jìn)行回收利用,。高溫?zé)煔馔ㄟ^熱管換熱器進(jìn)行氣 – 水換熱,，將回收的余熱用于該廠區(qū)內(nèi)涂裝車間的生產(chǎn)用熱，以及整個(gè)廠區(qū)內(nèi)的生活用熱,。該系統(tǒng)土建工程共設(shè)計(jì)有兩個(gè)氣—水換熱站,，一個(gè)中央控制室、一個(gè)水泵房,、兩個(gè)蓄熱水池（一個(gè)生產(chǎn)蓄熱水池,，一個(gè)生活蓄熱水池）以及地下煙氣地溝等，總建筑面積約 850m2,。其中氣 – 水換熱站和中央控制室為地上建筑,，建筑高度 7.2m；水泵房為半地下建筑,，建筑高度 10.2m,；蓄熱水池為地下建筑，生產(chǎn)蓄熱水池容積為 1000m3,，生活蓄熱水池容積為200m3,。

主要設(shè)計(jì)參數(shù)

本系統(tǒng)共分為四個(gè)大的部分，余熱回收部分,、余熱貯蓄部分,、余熱利用及中央控制部分。

（ 1）余熱回收部分：每臺(tái)鍛造爐排除的熱煙氣經(jīng)爐內(nèi)熱回收裝置一次熱回收后,，煙氣溫度約為400℃~700℃,，本系統(tǒng)是對(duì)鍛造爐排除的煙氣進(jìn)行二次熱回收，以降低排煙溫度,，最大限度回收利用煙氣余熱,。高溫?zé)煔饨?jīng)煙氣地溝送至氣 – 水換熱站內(nèi)，高溫?zé)峁軗Q熱器進(jìn)行煙氣 – 水換熱,，煙氣溫度降低至150℃經(jīng)高溫變頻離心風(fēng)機(jī)及煙囪高空排放,，同時(shí)熱水經(jīng)熱管換熱器將系統(tǒng)回水加熱至 110℃，再經(jīng)變頻熱水泵,、板式換熱器進(jìn)行二次換熱,，完成對(duì)煙氣余熱的回收。本項(xiàng)目共設(shè)計(jì) 4 套煙氣 – 水換熱系統(tǒng)對(duì)全車間 23 臺(tái)鍛造爐的熱煙氣的余熱進(jìn)行回收,，以鍛造爐的集中放置位置進(jìn)行系統(tǒng)劃分,。每套煙氣 – 水換熱系統(tǒng)設(shè)置一臺(tái)高溫?zé)峁軗Q熱器,。在煙氣側(cè)兩臺(tái)變頻高溫離心風(fēng)機(jī)，考慮到回收系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,，風(fēng)機(jī)采用一用一備配置,，每個(gè)換熱系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)高空排放的煙囪，同時(shí)為保證鍛造爐正常運(yùn)行,，確保工藝生產(chǎn),，系統(tǒng)設(shè)置有煙氣不經(jīng)高溫?zé)峁軗Q熱器的旁通運(yùn)行工況。在高溫?zé)崴畟?cè),，每個(gè)換熱系統(tǒng)配置有兩臺(tái)變頻高溫?zé)崴?，熱水泵采用一用一備，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行以及高溫?zé)峁軗Q熱器的使用壽命,，高溫側(cè)水系統(tǒng)采用閉式循環(huán),，與余熱貯蓄部分采用板式換熱器分隔。系統(tǒng)設(shè)計(jì)總煙氣量為：35800Nm3/h,，回收余熱： 4680kW,，高溫水設(shè)計(jì)出進(jìn)水溫度 70/110℃,，設(shè)計(jì)總循環(huán)流量 100m3/h,。

圖 1 余熱回收利用系統(tǒng)原理圖

（ 2）余熱貯蓄部分：通常情況下余熱回收和余熱利用在時(shí)間和量上的不匹配，特別是當(dāng)余熱用在生產(chǎn)用途時(shí),，余熱回收的時(shí)間往往不一定是余熱需求的時(shí)間,，余熱回收熱量大時(shí)往往也不一定是余熱利用量大時(shí)。解決這一問題是整個(gè)系統(tǒng)能夠體現(xiàn)系統(tǒng)最大效益的關(guān)鍵所在,。為此本系統(tǒng)配置具有合理,、足量蓄熱能力的蓄熱水池，通過熱量的貯蓄與釋放,，平衡余熱的回收和利用,，使系統(tǒng)具有更好的抗波動(dòng)性和實(shí)用性，實(shí)現(xiàn)余熱在工藝生產(chǎn)等多方面的綜合利用,。由熱管換熱器產(chǎn)生的 110℃ 的高溫?zé)崴?，通過板式換熱器將生產(chǎn)用蓄熱水池的熱水加熱至 95℃經(jīng)變頻熱水泵輸送至生產(chǎn)蓄熱水池儲(chǔ)存熱量，以備生產(chǎn)所需,。同時(shí)另一組板式換熱器將自來水加熱至60℃,，經(jīng)變頻熱水泵輸送至生活蓄熱水池以備生活所需。為降低系統(tǒng)投資,，生產(chǎn)用蓄熱水池采用分層蓄熱技術(shù),，即利用高溫水與低溫水之間的密度差，讓熱水之間形成自然分層,，實(shí)現(xiàn)蓄熱水池容積的最大利用,。蓄熱時(shí)水泵從蓄熱水池底部提取低溫?zé)崴?，?jīng)與高溫側(cè)熱水換熱后，溫度升高均勻送至蓄熱水池頂部空間,，直至全池水溫均升至設(shè)計(jì)溫度,，蓄熱水池?zé)崃績(jī)?chǔ)存完畢。用熱時(shí),，系統(tǒng)熱水泵從蓄熱水池頂部取熱,，經(jīng)板式換熱器加熱末端用熱設(shè)備回水至設(shè)計(jì)溫度 85℃，送至涂裝車間生產(chǎn)用熱,，同時(shí)水溫降低至設(shè)計(jì)溫度 65℃,，均勻送至水池底部。同時(shí)考慮到系統(tǒng)余熱的產(chǎn)熱和利用的同時(shí)運(yùn)行,，系統(tǒng)設(shè)置有不經(jīng)蓄熱水池的旁通系統(tǒng)保證,，滿足整個(gè)系統(tǒng)在不同工況下的穩(wěn)定運(yùn)行。蓄熱水池總?cè)莘e設(shè)計(jì)為1000m3,，設(shè)計(jì)尺寸為 10×10×10m,，理論蓄存熱量為100.53GJ，保證回收熱量約 8h 貯存,。為提高蓄熱水池利用效率,，盡量減小斜溫層的厚度，采取有以下措施,。在蓄熱水池上,、下部分別設(shè)置有均勻布水器，布水器采用 H 型結(jié)構(gòu),，系統(tǒng)蓄熱及取熱時(shí)熱水均通過該均勻布水器,，降低水流對(duì)熱水分層的擾動(dòng)；提高水池的高徑比,，整個(gè)蓄熱水池被均分為四個(gè)部分,，四部分上部下部聯(lián)通，中間部分由鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)隔開,。為保證貯蓄部分的獨(dú)立,、穩(wěn)定運(yùn)行，降低控制難度,，該部分與余熱回收,、余熱利用部分均由板式換熱器分隔。樹上鳥教育暖通設(shè)計(jì)在線教學(xué)杜老師,。

（ 3）余熱利用部分：生產(chǎn)用熱時(shí),，由涂裝車間空調(diào)加熱機(jī)組發(fā)出用熱需求指令，由變頻熱水泵將生產(chǎn)蓄熱水池上部 95℃ 熱水輸送至板式換熱機(jī)組進(jìn)行換熱，將用熱端循環(huán)水加熱至 85℃,，經(jīng)變頻熱水泵輸送至涂裝車間空調(diào)加熱機(jī)組降溫至 50℃,，完成余熱利用。同時(shí)蓄熱水池上層 95℃ 熱水降至 65℃回至蓄熱水池下部,。生活用熱時(shí),，由生活熱水泵直接從生活熱水池抽取生活熱水輸送至各用熱端用熱。

圖 2 均勻布水器平面布置圖

（ 4）中央控制部分：整個(gè)系統(tǒng)控制采用四分一集的控制方式,，四分包括余熱回收部分控制,、余熱貯蓄部分控制、余熱利用部分控制以及系統(tǒng)維護(hù),、故障控制,，四個(gè)子控制系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，分別控制,。一集是將四個(gè)子系統(tǒng)的控制結(jié)果全部納入中央控制室進(jìn)行監(jiān)控及操作,，方便管理人員維護(hù)與管理，同時(shí)預(yù)留有廠區(qū)后期能源系統(tǒng)的集中智慧化管理,。余熱回收部分控制：通過檢測(cè)末端鍛造爐煙氣出口壓差控制高溫變頻離心風(fēng)機(jī)頻率變化,，保證鍛造爐正常運(yùn)行。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的煙氣溫度及流量變化,，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)煙氣溫度較低（低于 150℃ 時(shí)）或煙氣量較小時(shí)（小于系統(tǒng)總設(shè)計(jì)流量的 15%）煙氣自動(dòng)切換至旁通模式不經(jīng)換熱器直接排至室外,。余熱貯蓄部分控制：通過檢測(cè)蓄熱水池進(jìn)出口溫度，控制變頻熱水泵轉(zhuǎn)速,，嚴(yán)格控制蓄熱水池進(jìn)出水溫度,，以使分層蓄熱水池穩(wěn)定運(yùn)行,。余熱利用部分控制：由用熱端發(fā)出使用信號(hào),，設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行，通過檢測(cè)末端供回水壓差及供水溫度控制末端變頻熱水泵轉(zhuǎn)速,，以確保用熱端的用熱穩(wěn)定和用熱品質(zhì),。系統(tǒng)維護(hù)、故障控制：系統(tǒng)設(shè)有設(shè)備故障自診斷及自我保護(hù)功能,，使系統(tǒng)在最大限度回收熱量的同時(shí)安全可靠的運(yùn)行,。

余熱回收利用

技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

該余熱回收利用系統(tǒng)是對(duì)本廠區(qū)鍛造車間 23臺(tái)鍛造爐的高溫?zé)煔庥酂徇M(jìn)行回收利用，設(shè)計(jì)鍛造爐的排煙溫度為 400℃~700℃（具體每個(gè)系統(tǒng)煙氣溫度各不相同）,，設(shè)計(jì)總煙氣量為： 35800Nm3/h,，收集余熱： 4680kW。年收集余熱量約為4480GJ,，折算標(biāo)準(zhǔn)煤約為 2890T,；而系統(tǒng)耗電電量?jī)H為風(fēng)機(jī)及水泵耗電量，設(shè)計(jì)最大耗電量約220kW，年耗電量約為： 105 萬千瓦時(shí),，折算標(biāo)準(zhǔn)煤約為 130T,，即總節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約 2760T。設(shè)備運(yùn)行后年節(jié)省費(fèi)用約500 萬元,，項(xiàng)目總投資（包括土建投資及設(shè)備投資）1200 萬元,，投資回報(bào)年限 2.4 年。項(xiàng)目建成后不僅具有很大的經(jīng)濟(jì)效益,，同時(shí)具有很大的環(huán)境效益,，每年減少二氧化碳排放量約 6880T，減少粉塵排放量約 1880T,，年減少二氧化硫排放量約 207T,。

工程設(shè)計(jì)特點(diǎn)

（ 1）采用分子系統(tǒng)方式以使系統(tǒng)高效、穩(wěn)定運(yùn)行,。本項(xiàng)目工業(yè)爐數(shù)量較多,、位置較為分散、各爐體所排煙氣溫度和最大負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間不盡相同,，針對(duì)這一特點(diǎn),，將爐群分為四個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)置余熱回收裝置,、高溫風(fēng)機(jī)及配套控制系統(tǒng)等設(shè)施,。每個(gè)子系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，使得當(dāng)整個(gè)爐群僅有個(gè)別爐子開啟而有少量余熱排出時(shí),，系統(tǒng)也可通過該爐子所在采熱子系統(tǒng)的即時(shí)運(yùn)行回收該部分熱量,，采熱及時(shí)而靈活。各子系統(tǒng)所生產(chǎn)的高溫?zé)崴ㄟ^集水器,、分水器進(jìn)行并聯(lián)集成,，從而完成對(duì)整個(gè)工業(yè)爐群的余熱回收功能；采集到的熱水在集水器匯總后,，再根據(jù)用熱端的需求,，對(duì)各用途熱水進(jìn)行統(tǒng)籌分配，實(shí)現(xiàn)熱水或熱能的統(tǒng)籌使用或貯蓄,。由于各子系統(tǒng)可獨(dú)立運(yùn)行,，使得當(dāng)整個(gè)爐群僅有個(gè)別爐子開啟而有少量余熱排出時(shí)，系統(tǒng)也可通過該爐子所在采熱子系統(tǒng)的即時(shí)運(yùn)行回收該部分熱量,，采熱及時(shí)而靈活,。各采熱子系統(tǒng)并聯(lián)集成使用，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的模塊化和大型化,，回收余熱能力大幅提升,，滿足了工藝生產(chǎn)較大用熱量的需求,，為余熱在生產(chǎn)等多方面的應(yīng)用提供了保障。采集的熱水匯總后統(tǒng)籌分配使用或存取,，很好的平衡了各用熱系統(tǒng)間的不均衡性,，實(shí)現(xiàn)了余熱高效、多用途的綜合利用,。

余熱回收應(yīng)用

（ 2）采用分層蓄熱技術(shù)解決余熱回收與利用間的不平衡問題,。

（ 3）系統(tǒng)采用集成控制技術(shù)確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定及后期管理維護(hù)簡(jiǎn)便。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)施智能化控制,，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)產(chǎn)熱系統(tǒng)的煙氣溫度及流量變化,，高溫離心風(fēng)機(jī)、熱水泵均采用變頻控制,，嚴(yán)格控制進(jìn)出水溫度,，以使分層蓄熱水池穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)系統(tǒng)設(shè)有設(shè)備故障自診斷及自我保護(hù)功能,，使系統(tǒng)在最大限度回收熱量的同時(shí)安全可靠的運(yùn)行,。再有本系統(tǒng)通過 PLC 加觸摸屏實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)監(jiān)視和“一鍵精靈”式的程序化控制，使用單位后期管理維護(hù)簡(jiǎn)便,。

主要設(shè)備選擇

（ 1）余熱回收裝置采用熱管換熱器：針對(duì)高溫?zé)煔獾挠酂峄厥?，本系統(tǒng)采用技術(shù)先進(jìn)的熱管換熱器，使得采熱具有如下優(yōu)點(diǎn)：
① 熱交換效率高,；
② 抗腐蝕力強(qiáng),。因煙側(cè)管壁溫度高，可有效避免因煙氣結(jié)露產(chǎn)生的酸腐蝕,，設(shè)備使用壽命長(zhǎng),；
③ 防堵灰性能好。熱管翅片形狀為開齒狀,，當(dāng)氣流流經(jīng)翅片時(shí)會(huì)形成紊流,，從而減輕煙灰集聚；
④ 安全性能好,。氣 – 水雙重隔離,，煙氣與被加熱的水無交叉污染，即使單支熱管損壞,，整個(gè)煙氣余熱回收裝置仍能正常工作。

余熱回收應(yīng)用

（ 2）高溫變頻離心風(fēng)機(jī)：由于系統(tǒng)較大,，鍛造爐產(chǎn)生的高溫?zé)煔廨斔椭翚?– 水換換熱站有一定距離,，同時(shí)高溫?zé)煔庠俳?jīng)熱管換熱器亦有阻力損失，僅靠煙囪產(chǎn)生的抽力已不能滿足系統(tǒng)正常運(yùn)行要求,。因此增設(shè)高溫變頻離心風(fēng)機(jī),，風(fēng)機(jī)采用變頻控制，在滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)降低系統(tǒng)能耗。

（ 3）變頻熱水泵：水泵采用變頻控制,，在滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)降低系統(tǒng)能耗,。

（ 4）板式換熱器：采用板式換熱器換效率高、體積小,，減小設(shè)備安裝空間,，同時(shí)降低土建投資。

（ 5）集,、分水器：由于系統(tǒng)較大,，因此系統(tǒng)將采熱部分分為四個(gè)子系統(tǒng)，為更好的分配各子系統(tǒng)間的水量設(shè)置該設(shè)備,，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定,。

（ 6）全自動(dòng)軟水處理裝置：為防止設(shè)備內(nèi)結(jié)垢，影響系統(tǒng)效率,，本系統(tǒng)除生活熱水外均采用軟化水,。

（ 7）定壓補(bǔ)水裝置：由于采熱端 110℃ 的高溫?zé)崴到y(tǒng)和涂裝車間用熱端均采用閉式系統(tǒng)，因此選用此設(shè)備為以上兩個(gè)水系統(tǒng)補(bǔ)水定壓以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行,。

系統(tǒng)運(yùn)行總結(jié)

項(xiàng)目自 2013 年投入運(yùn)行以來,，未出現(xiàn)較大設(shè)備故障，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,。實(shí)際運(yùn)行后煙氣經(jīng)熱管換熱器后排煙溫度約 135℃,，系統(tǒng)能穩(wěn)定提供 85℃ 熱水供廠區(qū)涂裝車間使用，系統(tǒng)各參數(shù)基本滿足設(shè)計(jì)要求,。

由于廠區(qū)內(nèi)涂裝車間設(shè)備未完全投入使用,，用熱端使用能力不足，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生的大量余熱暫時(shí)未被完成利用,，使系統(tǒng)的最大效益未能全部發(fā)揮,，當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)未考慮系統(tǒng)在冬季并入廠區(qū)內(nèi)采暖系統(tǒng)，如后期改造將其并入廠區(qū)內(nèi)冬季采暖系統(tǒng),，將滿足廠區(qū)內(nèi)建筑面積約 6 萬 m2 的辦公,、廠房冬季采暖空需求，將極大的體現(xiàn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和環(huán)境效益,。