作者：機械工業第六設計研究院有限公司 張桂生 鍾順林 張海舟 高洪瀾
工程概況
本工程為寶石機械鍛造車間餘熱回收利用系統建設項目，項目位於陝西省寶雞市。本系統是對寶石機械有限責任公司鍛造車間 23 臺鍛造爐所排出的高溫煙氣餘熱進行回收利用。高溫煙氣通過熱管換熱器進行氣 – 水換熱，將回收的餘熱用於該廠區內塗裝車間的生產用熱，以及整個廠區內的生活用熱。該系統土建工程共設計有兩個氣—水換熱站，一箇中央控制室、一個水泵房、兩個蓄熱水池（一個生產蓄熱水池，一個生活蓄熱水池）以及地下煙氣地溝等，總建築面積約 850m2。其中氣 – 水換熱站和中央控制室為地上建築，建築高度 7.2m；水泵房為半地下建築，建築高度 10.2m；蓄熱水池為地下建築，生產蓄熱水池容積為 1000m3，生活蓄熱水池容積為200m3。
主要設計參數
本系統共分為四個大的部分，餘熱回收部分、餘熱貯蓄部分、餘熱利用及中央控制部分。
（ 1）餘熱回收部分：每臺鍛造爐排除的熱煙氣經爐內熱回收裝置一次熱回收後，煙氣溫度約為400℃~700℃，本系統是對鍛造爐排除的煙氣進行二次熱回收，以降低排煙溫度，最大限度回收利用煙氣餘熱。高溫煙氣經煙氣地溝送至氣 – 水換熱站內，高溫熱管換熱器進行煙氣 – 水換熱，煙氣溫度降低至150℃經高溫變頻離心風機及煙囪高空排放，同時熱水經熱管換熱器將系統回水加熱至 110℃，再經變頻熱水泵、板式換熱器進行二次換熱，完成對煙氣餘熱的回收。本項目共設計 4 套煙氣 – 水換熱系統對全車間 23 臺鍛造爐的熱煙氣的餘熱進行回收，以鍛造爐的集中放置位置進行系統劃分。每套煙氣 – 水換熱系統設置一臺高溫熱管換熱器。在煙氣側兩臺變頻高溫離心風機，考慮到回收系統的穩定運行，風機採用一用一備配置，每個換熱系統設置一個高空排放的煙囪，同時為保證鍛造爐正常運行，確保工藝生產，系統設置有煙氣不經高溫熱管換熱器的旁通運行工況。在高溫熱水側，每個換熱系統配置有兩臺變頻高溫熱水泵，熱水泵採用一用一備，保證系統正常運行以及高溫熱管換熱器的使用壽命，高溫側水系統採用閉式循環，與餘熱貯蓄部分採用板式換熱器分隔。系統設計總煙氣量為：35800Nm3/h，回收餘熱： 4680kW，高溫水設計出進水溫度 70/110℃，設計總循環流量 100m3/h。
圖 1 餘熱回收利用系統原理圖
（ 2）餘熱貯蓄部分：通常情況下餘熱回收和餘熱利用在時間和量上的不匹配，特別是當餘熱用在生產用途時，餘熱回收的時間往往不一定是餘熱需求的時間，餘熱回收熱量大時往往也不一定是餘熱利用量大時。解決這一問題是整個系統能夠體現系統最大效益的關鍵所在。為此本系統配置具有合理、足量蓄熱能力的蓄熱水池，通過熱量的貯蓄與釋放，平衡餘熱的回收和利用，使系統具有更好的抗波動性和實用性，實現餘熱在工藝生產等多方面的綜合利用。由熱管換熱器產生的 110℃ 的高溫熱水，通過板式換熱器將生產用蓄熱水池的熱水加熱至 95℃經變頻熱水泵輸送至生產蓄熱水池儲存熱量，以備生產所需。同時另一組板式換熱器將自來水加熱至60℃，經變頻熱水泵輸送至生活蓄熱水池以備生活所需。為降低系統投資，生產用蓄熱水池採用分層蓄熱技術，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，實現蓄熱水池容積的最大利用。蓄熱時水泵從蓄熱水池底部提取低溫熱水，經與高溫側熱水換熱後，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計溫度，蓄熱水池熱量儲存完畢。用熱時，系統熱水泵從蓄熱水池頂部取熱，經板式換熱器加熱末端用熱設備回水至設計溫度 85℃，送至塗裝車間生產用熱，同時水溫降低至設計溫度 65℃，均勻送至水池底部。同時考慮到系統餘熱的產熱和利用的同時運行，系統設置有不經蓄熱水池的旁通系統保證，滿足整個系統在不同工況下的穩定運行。蓄熱水池總容積設計為1000m3，設計尺寸為 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，儘量減小斜溫層的厚度，採取有以下措施。在蓄熱水池上、下部分別設置有均勻布水器，布水器採用 H 型結構，系統蓄熱及取熱時熱水均通過該均勻布水器，降低水流對熱水分層的擾動；提高水池的高徑比，整個蓄熱水池被均分為四個部分，四部分上部下部聯通，中間部分由鋼筋混凝土結構隔開。為保證貯蓄部分的獨立、穩定運行，降低控制難度，該部分與餘熱回收、餘熱利用部分均由板式換熱器分隔。樹上鳥教育暖通設計在線教學杜老師。
（ 3）餘熱利用部分：生產用熱時，由塗裝車間空調加熱機組發出用熱需求指令，由變頻熱水泵將生產蓄熱水池上部 95℃ 熱水輸送至板式換熱機組進行換熱，將用熱端循環水加熱至 85℃，經變頻熱水泵輸送至塗裝車間空調加熱機組降溫至 50℃，完成餘熱利用。同時蓄熱水池上層 95℃ 熱水降至 65℃回至蓄熱水池下部。生活用熱時，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 均勻布水器平面佈置圖
（ 4）中央控制部分：整個系統控制採用四分一集的控制方式，四分包括餘熱回收部分控制、餘熱貯蓄部分控制、餘熱利用部分控制以及系統維護、故障控制，四個子控制系統獨立運行，分別控制。一集是將四個子系統的控制結果全部納入中央控制室進行監控及操作，方便管理人員維護與管理，同時預留有廠區後期能源系統的集中智慧化管理。餘熱回收部分控制：通過檢測末端鍛造爐煙氣出口壓差控制高溫變頻離心風機頻率變化，保證鍛造爐正常運行。實時監測系統的煙氣溫度及流量變化，當系統內煙氣溫度較低（低於 150℃ 時）或煙氣量較小時（小於系統總設計流量的 15%）煙氣自動切換至旁通模式不經換熱器直接排至室外。餘熱貯蓄部分控制：通過檢測蓄熱水池進出口溫度，控制變頻熱水泵轉速，嚴格控制蓄熱水池進出水溫度，以使分層蓄熱水池穩定運行。餘熱利用部分控制：由用熱端發出使用信號，設備自動運行，通過檢測末端供回水壓差及供水溫度控制末端變頻熱水泵轉速，以確保用熱端的用熱穩定和用熱品質。系統維護、故障控制：系統設有設備故障自診斷及自我保護功能，使系統在最大限度回收熱量的同時安全可靠的運行。
餘熱回收利用
技術經濟指標
該餘熱回收利用系統是對本廠區鍛造車間 23臺鍛造爐的高溫煙氣餘熱進行回收利用，設計鍛造爐的排煙溫度為 400℃~700℃（具體每個系統煙氣溫度各不相同），設計總煙氣量為： 35800Nm3/h，收集餘熱： 4680kW。年收集餘熱量約為4480GJ，折算標準煤約為 2890T；而系統耗電電量僅為風機及水泵耗電量，設計最大耗電量約220kW，年耗電量約為： 105 萬千瓦時，折算標準煤約為 130T，即總節約標準煤約 2760T。設備運行後年節省費用約500 萬元，項目總投資（包括土建投資及設備投資）1200 萬元，投資回報年限 2.4 年。項目建成後不僅具有很大的經濟效益，同時具有很大的環境效益，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。
工程設計特點
（ 1）採用分子系統方式以使系統高效、穩定運行。本項目工業爐數量較多、位置較為分散、各爐體所排煙氣溫度和最大負荷運行時間不盡相同，針對這一特點，將爐群分為四個子系統，每個子系統單獨設置餘熱回收裝置、高溫風機及配套控制系統等設施。每個子系統獨立運行，使得當整個爐群僅有個別爐子開啟而有少量餘熱排出時，系統也可通過該爐子所在採熱子系統的即時運行回收該部分熱量，採熱及時而靈活。各子系統所生產的高溫熱水通過集水器、分水器進行並聯集成，從而完成對整個工業爐群的餘熱回收功能；採集到的熱水在集水器彙總後，再根據用熱端的需求，對各用途熱水進行統籌分配，實現熱水或熱能的統籌使用或貯蓄。由於各子系統可獨立運行，使得當整個爐群僅有個別爐子開啟而有少量餘熱排出時，系統也可通過該爐子所在採熱子系統的即時運行回收該部分熱量，採熱及時而靈活。各採熱子系統並聯集成使用，實現了整個系統的模塊化和大型化，回收餘熱能力大幅提升，滿足了工藝生產較大用熱量的需求，為餘熱在生產等多方面的應用提供了保障。採集的熱水彙總後統籌分配使用或存取，很好的平衡了各用熱系統間的不均衡性，實現了餘熱高效、多用途的綜合利用。
餘熱回收應用
（ 2）採用分層蓄熱技術解決餘熱回收與利用間的不平衡問題。
（ 3）系統採用集成控制技術確保系統安全穩定及後期管理維護簡便。整個系統實施智能化控制，實時監測各個產熱系統的煙氣溫度及流量變化，高溫離心風機、熱水泵均採用變頻控制，嚴格控制進出水溫度，以使分層蓄熱水池穩定運行。同時系統設有設備故障自診斷及自我保護功能，使系統在最大限度回收熱量的同時安全可靠的運行。再有本系統通過 PLC 加觸摸屏實現生產線的實時監視和“一鍵精靈”式的程序化控制，使用單位後期管理維護簡便。
主要設備選擇
（ 1）餘熱回收裝置採用熱管換熱器：針對高溫煙氣的餘熱回收，本系統採用技術先進的熱管換熱器，使得采熱具有如下優點：
① 熱交換效率高；
② 抗腐蝕力強。因煙側管壁溫度高，可有效避免因煙氣結露產生的酸腐蝕，設備使用壽命長；
③ 防堵灰性能好。熱管翅片形狀為開齒狀，當氣流流經翅片時會形成紊流，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汙染，即使單支熱管損壞，整個煙氣餘熱回收裝置仍能正常工作。
餘熱回收應用
（ 2）高溫變頻離心風機：由於系統較大，鍛造爐產生的高溫煙氣輸送至氣 – 水換換熱站有一定距離，同時高溫煙氣再經熱管換熱器亦有阻力損失，僅靠煙囪產生的抽力已不能滿足系統正常運行要求。因此增設高溫變頻離心風機，風機採用變頻控制，在滿足系統的穩定運行的同時降低系統能耗。
（ 3）變頻熱水泵：水泵採用變頻控制，在滿足系統的穩定運行的同時降低系統能耗。
（ 4）板式換熱器：採用板式換熱器換效率高、體積小，減小設備安裝空間，同時降低土建投資。
（ 5）集、分水器：由於系統較大，因此係統將採熱部分分為四個子系統，為更好的分配各子系統間的水量設置該設備，以確保系統穩定。
（ 6）全自動軟水處理裝置：為防止設備內結垢，影響系統效率，本系統除生活熱水外均採用軟化水。
（ 7）定壓補水裝置：由於採熱端 110℃ 的高溫熱水系統和塗裝車間用熱端均採用閉式系統，因此選用此設備為以上兩個水系統補水定壓以保證系統穩定運行。
系統運行總結
項目自 2013 年投入運行以來，未出現較大設備故障，系統運行穩定。實際運行後煙氣經熱管換熱器後排煙溫度約 135℃，系統能穩定提供 85℃ 熱水供廠區塗裝車間使用，系統各參數基本滿足設計要求。
由於廠區內塗裝車間設備未完全投入使用，用熱端使用能力不足，導致系統產生的大量餘熱暫時未被完成利用，使系統的最大效益未能全部發揮，當時設計未考慮系統在冬季併入廠區內採暖系統，如後期改造將其併入廠區內冬季採暖系統，將滿足廠區內建築面積約 6 萬 m2 的辦公、廠房冬季採暖空需求，將極大的體現系統的經濟價值和環境效益。
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