作者：机械工业第六设计研究院有限公司 张桂生 钟顺林 张海舟 高洪澜
工程概况
本工程为宝石机械锻造车间余热回收利用系统建设项目，项目位于陕西省宝鸡市。本系统是对宝石机械有限责任公司锻造车间 23 台锻造炉所排出的高温烟气余热进行回收利用。高温烟气通过热管换热器进行气 – 水换热，将回收的余热用于该厂区内涂装车间的生产用热，以及整个厂区内的生活用热。该系统土建工程共设计有两个气—水换热站，一个中央控制室、一个水泵房、两个蓄热水池（一个生产蓄热水池，一个生活蓄热水池）以及地下烟气地沟等，总建筑面积约 850m2。其中气 – 水换热站和中央控制室为地上建筑，建筑高度 7.2m；水泵房为半地下建筑，建筑高度 10.2m；蓄热水池为地下建筑，生产蓄热水池容积为 1000m3，生活蓄热水池容积为200m3。
主要设计参数
本系统共分为四个大的部分，余热回收部分、余热贮蓄部分、余热利用及中央控制部分。
（ 1）余热回收部分：每台锻造炉排除的热烟气经炉内热回收装置一次热回收后，烟气温度约为400℃~700℃，本系统是对锻造炉排除的烟气进行二次热回收，以降低排烟温度，最大限度回收利用烟气余热。高温烟气经烟气地沟送至气 – 水换热站内，高温热管换热器进行烟气 – 水换热，烟气温度降低至150℃经高温变频离心风机及烟囱高空排放，同时热水经热管换热器将系统回水加热至 110℃，再经变频热水泵、板式换热器进行二次换热，完成对烟气余热的回收。本项目共设计 4 套烟气 – 水换热系统对全车间 23 台锻造炉的热烟气的余热进行回收，以锻造炉的集中放置位置进行系统划分。每套烟气 – 水换热系统设置一台高温热管换热器。在烟气侧两台变频高温离心风机，考虑到回收系统的稳定运行，风机采用一用一备配置，每个换热系统设置一个高空排放的烟囱，同时为保证锻造炉正常运行，确保工艺生产，系统设置有烟气不经高温热管换热器的旁通运行工况。在高温热水侧，每个换热系统配置有两台变频高温热水泵，热水泵采用一用一备，保证系统正常运行以及高温热管换热器的使用寿命，高温侧水系统采用闭式循环，与余热贮蓄部分采用板式换热器分隔。系统设计总烟气量为：35800Nm3/h，回收余热： 4680kW，高温水设计出进水温度 70/110℃，设计总循环流量 100m3/h。
图 1 余热回收利用系统原理图
（ 2）余热贮蓄部分：通常情况下余热回收和余热利用在时间和量上的不匹配，特别是当余热用在生产用途时，余热回收的时间往往不一定是余热需求的时间，余热回收热量大时往往也不一定是余热利用量大时。解决这一问题是整个系统能够体现系统最大效益的关键所在。为此本系统配置具有合理、足量蓄热能力的蓄热水池，通过热量的贮蓄与释放，平衡余热的回收和利用，使系统具有更好的抗波动性和实用性，实现余热在工艺生产等多方面的综合利用。由热管换热器产生的 110℃ 的高温热水，通过板式换热器将生产用蓄热水池的热水加热至 95℃经变频热水泵输送至生产蓄热水池储存热量，以备生产所需。同时另一组板式换热器将自来水加热至60℃，经变频热水泵输送至生活蓄热水池以备生活所需。为降低系统投资，生产用蓄热水池采用分层蓄热技术，即利用高温水与低温水之间的密度差，让热水之间形成自然分层，实现蓄热水池容积的最大利用。蓄热时水泵从蓄热水池底部提取低温热水，经与高温侧热水换热后，温度升高均匀送至蓄热水池顶部空间，直至全池水温均升至设计温度，蓄热水池热量储存完毕。用热时，系统热水泵从蓄热水池顶部取热，经板式换热器加热末端用热设备回水至设计温度 85℃，送至涂装车间生产用热，同时水温降低至设计温度 65℃，均匀送至水池底部。同时考虑到系统余热的产热和利用的同时运行，系统设置有不经蓄热水池的旁通系统保证，满足整个系统在不同工况下的稳定运行。蓄热水池总容积设计为1000m3，设计尺寸为 10×10×10m，理论蓄存热量为100.53GJ，保证回收热量约 8h 贮存。为提高蓄热水池利用效率，尽量减小斜温层的厚度，采取有以下措施。在蓄热水池上、下部分别设置有均匀布水器，布水器采用 H 型结构，系统蓄热及取热时热水均通过该均匀布水器，降低水流对热水分层的扰动；提高水池的高径比，整个蓄热水池被均分为四个部分，四部分上部下部联通，中间部分由钢筋混凝土结构隔开。为保证贮蓄部分的独立、稳定运行，降低控制难度，该部分与余热回收、余热利用部分均由板式换热器分隔。树上鸟教育暖通设计在线教学杜老师。
（ 3）余热利用部分：生产用热时，由涂装车间空调加热机组发出用热需求指令，由变频热水泵将生产蓄热水池上部 95℃ 热水输送至板式换热机组进行换热，将用热端循环水加热至 85℃，经变频热水泵输送至涂装车间空调加热机组降温至 50℃，完成余热利用。同时蓄热水池上层 95℃ 热水降至 65℃回至蓄热水池下部。生活用热时，由生活热水泵直接从生活热水池抽取生活热水输送至各用热端用热。
图 2 均匀布水器平面布置图
（ 4）中央控制部分：整个系统控制采用四分一集的控制方式，四分包括余热回收部分控制、余热贮蓄部分控制、余热利用部分控制以及系统维护、故障控制，四个子控制系统独立运行，分别控制。一集是将四个子系统的控制结果全部纳入中央控制室进行监控及操作，方便管理人员维护与管理，同时预留有厂区后期能源系统的集中智慧化管理。余热回收部分控制：通过检测末端锻造炉烟气出口压差控制高温变频离心风机频率变化，保证锻造炉正常运行。实时监测系统的烟气温度及流量变化，当系统内烟气温度较低（低于 150℃ 时）或烟气量较小时（小于系统总设计流量的 15%）烟气自动切换至旁通模式不经换热器直接排至室外。余热贮蓄部分控制：通过检测蓄热水池进出口温度，控制变频热水泵转速，严格控制蓄热水池进出水温度，以使分层蓄热水池稳定运行。余热利用部分控制：由用热端发出使用信号，设备自动运行，通过检测末端供回水压差及供水温度控制末端变频热水泵转速，以确保用热端的用热稳定和用热品质。系统维护、故障控制：系统设有设备故障自诊断及自我保护功能，使系统在最大限度回收热量的同时安全可靠的运行。
余热回收利用
技术经济指标
该余热回收利用系统是对本厂区锻造车间 23台锻造炉的高温烟气余热进行回收利用，设计锻造炉的排烟温度为 400℃~700℃（具体每个系统烟气温度各不相同），设计总烟气量为： 35800Nm3/h，收集余热： 4680kW。年收集余热量约为4480GJ，折算标准煤约为 2890T；而系统耗电电量仅为风机及水泵耗电量，设计最大耗电量约220kW，年耗电量约为： 105 万千瓦时，折算标准煤约为 130T，即总节约标准煤约 2760T。设备运行后年节省费用约500 万元，项目总投资（包括土建投资及设备投资）1200 万元，投资回报年限 2.4 年。项目建成后不仅具有很大的经济效益，同时具有很大的环境效益，每年减少二氧化碳排放量约 6880T，减少粉尘排放量约 1880T，年减少二氧化硫排放量约 207T。
工程设计特点
（ 1）采用分子系统方式以使系统高效、稳定运行。本项目工业炉数量较多、位置较为分散、各炉体所排烟气温度和最大负荷运行时间不尽相同，针对这一特点，将炉群分为四个子系统，每个子系统单独设置余热回收装置、高温风机及配套控制系统等设施。每个子系统独立运行，使得当整个炉群仅有个别炉子开启而有少量余热排出时，系统也可通过该炉子所在采热子系统的即时运行回收该部分热量，采热及时而灵活。各子系统所生产的高温热水通过集水器、分水器进行并联集成，从而完成对整个工业炉群的余热回收功能；采集到的热水在集水器汇总后，再根据用热端的需求，对各用途热水进行统筹分配，实现热水或热能的统筹使用或贮蓄。由于各子系统可独立运行，使得当整个炉群仅有个别炉子开启而有少量余热排出时，系统也可通过该炉子所在采热子系统的即时运行回收该部分热量，采热及时而灵活。各采热子系统并联集成使用，实现了整个系统的模块化和大型化，回收余热能力大幅提升，满足了工艺生产较大用热量的需求，为余热在生产等多方面的应用提供了保障。采集的热水汇总后统筹分配使用或存取，很好的平衡了各用热系统间的不均衡性，实现了余热高效、多用途的综合利用。
余热回收应用
（ 2）采用分层蓄热技术解决余热回收与利用间的不平衡问题。
（ 3）系统采用集成控制技术确保系统安全稳定及后期管理维护简便。整个系统实施智能化控制，实时监测各个产热系统的烟气温度及流量变化，高温离心风机、热水泵均采用变频控制，严格控制进出水温度，以使分层蓄热水池稳定运行。同时系统设有设备故障自诊断及自我保护功能，使系统在最大限度回收热量的同时安全可靠的运行。再有本系统通过 PLC 加触摸屏实现生产线的实时监视和“一键精灵”式的程序化控制，使用单位后期管理维护简便。
主要设备选择
（ 1）余热回收装置采用热管换热器：针对高温烟气的余热回收，本系统采用技术先进的热管换热器，使得采热具有如下优点：
① 热交换效率高；
② 抗腐蚀力强。因烟侧管壁温度高，可有效避免因烟气结露产生的酸腐蚀，设备使用寿命长；
③ 防堵灰性能好。热管翅片形状为开齿状，当气流流经翅片时会形成紊流，从而减轻烟灰集聚；
④ 安全性能好。气 – 水双重隔离，烟气与被加热的水无交叉污染，即使单支热管损坏，整个烟气余热回收装置仍能正常工作。
余热回收应用
（ 2）高温变频离心风机：由于系统较大，锻造炉产生的高温烟气输送至气 – 水换换热站有一定距离，同时高温烟气再经热管换热器亦有阻力损失，仅靠烟囱产生的抽力已不能满足系统正常运行要求。因此增设高温变频离心风机，风机采用变频控制，在满足系统的稳定运行的同时降低系统能耗。
（ 3）变频热水泵：水泵采用变频控制，在满足系统的稳定运行的同时降低系统能耗。
（ 4）板式换热器：采用板式换热器换效率高、体积小，减小设备安装空间，同时降低土建投资。
（ 5）集、分水器：由于系统较大，因此系统将采热部分分为四个子系统，为更好的分配各子系统间的水量设置该设备，以确保系统稳定。
（ 6）全自动软水处理装置：为防止设备内结垢，影响系统效率，本系统除生活热水外均采用软化水。
（ 7）定压补水装置：由于采热端 110℃ 的高温热水系统和涂装车间用热端均采用闭式系统，因此选用此设备为以上两个水系统补水定压以保证系统稳定运行。
系统运行总结
项目自 2013 年投入运行以来，未出现较大设备故障，系统运行稳定。实际运行后烟气经热管换热器后排烟温度约 135℃，系统能稳定提供 85℃ 热水供厂区涂装车间使用，系统各参数基本满足设计要求。
由于厂区内涂装车间设备未完全投入使用，用热端使用能力不足，导致系统产生的大量余热暂时未被完成利用，使系统的最大效益未能全部发挥，当时设计未考虑系统在冬季并入厂区内采暖系统，如后期改造将其并入厂区内冬季采暖系统，将满足厂区内建筑面积约 6 万 m2 的办公、厂房冬季采暖空需求，将极大的体现系统的经济价值和环境效益。
閱讀更多 暖通設計杜老師 的文章
