文/丁淑紅 生特瑞(上海)工程顧問股份有限公司 上海 200335
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。
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:
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。
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。
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。
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。
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。
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:
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
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。
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。
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。