凌鋼焦化初冷器余熱回收供暖改造及分析

(凌源鋼鐵集團設計研究有限公司，遼寧凌源 122500)

1 概述

凌源鋼鐵集團公司位于遼寧省西部，是以鋼鐵為主業，輪胎化工、機械制造、新材料、新能源、礦產資源、金融等多元產業協同發展的大型鋼鐵企業，產鋼能力為600 萬t/a。近幾年來，隨著能源與環境問題的日益突出，凌鋼對節能降耗的重視程度進一步提高，超低排放、余熱利用工程也越來越多，包括燒結煙氣余熱發電、焦爐煙道氣余熱發電、干熄焦余熱發電、飽和蒸汽發電、高爐沖渣水余熱供暖、焦化初冷器余熱供暖等，節能效果顯著。凌鋼焦化目前有3 臺初冷器，并聯運行。每臺初冷器分為上中下3 段，運行方式為：夏季上段不運行，中段煤氣冷卻水由冷卻塔降溫，下段煤氣冷卻水由制冷機降溫；冬季上段、中段煤氣冷卻水余熱回收，為附近居民供熱，下段煤氣冷卻水由冷卻塔降溫。

2 凌鋼焦化初冷器余熱回收利用

凌鋼焦化廠焦爐配套了3 臺橫管初冷器，最初每臺煤氣初冷器的換熱面積僅為1554 m2[1]。經過幾次改造后，每臺煤氣初冷器的換熱面積增加到了3300 m2，其中上段換熱面積為453 m2，中段換熱面積為1622 m2，下段換熱面積為1225 m2，具體參數見表1。

表1 目前初冷器每段設計參數

2014 年以前，利用初冷器上段煤氣冷卻水作為采暖水為凌鋼西生活區供暖，總采暖面積約為13萬m2，采暖供回水溫度為65/55 ℃，流量為500 t/h，供熱量為5815.3 kW。基本上可以滿足凌鋼西區的供暖要求，實際供暖效果也是非常好。

2014 年以后，凌鋼西生活區搬遷至凌源雙園佳苑小區，職工的居住環境得到了很大的改善。采暖面積也由原來的13 萬m2增到42 萬m2，原來的初冷器余熱回收方案不能滿足現有的供暖要求，故需要對初冷器熱回收進行改造。

對中段煤氣冷卻水進行余熱回收，將初冷器中段9 個管程分出來6 個，冬季與上段并聯運行用于供暖，3 臺初冷器上段總計提供65/55 ℃的余熱水500 t/h，供熱量為5815.3 kW;3 臺初冷器中段總計提供45/32 ℃的余熱水900 t/h，供熱量為13607.8 kW，兩部分并聯后再去除部分熱損失，總供熱量為17208.9 kW，總水量為1400 t/h，供回水溫度為55/45 ℃。采暖熱指標為41 W/m2，雙園佳苑小區住宅屬于節能住宅，所以熱指標滿足供暖要求。

同時，為了更好地滿足供暖需求以及避免焦爐、初冷器停產檢修的風險，對原有蒸汽換熱站進行改造，通過3臺蒸汽換熱器對系統進行補熱，并根據水力計算選擇了3臺熱水循環泵（2用1備），每臺熱水循環泵的功率N=132 kW，流量Q=412-687-846 m3/h，揚程H=51-46-39 m，電機轉速n=1480 r/min，滿足檢修工況下的暖氣保供。

3 供熱管網的計算與設計

雙園佳苑小區采暖泵房距離凌鋼廠區將近1 km，采暖水（煤氣冷卻水）由初冷器→蒸汽換熱站（泵房）→雙園佳苑小區采暖泵房→初冷器。單根管道總長為2.3 km，其中廠區內1.35 km 管道沿著原有管道支架架空敷設，廠區外0.95 km 管道沿著路邊直埋敷設。通過計算，架空管道選用管徑為D630×10 mm 的螺旋焊接鋼管，采用玻璃棉管殼保溫層，鍍鋅鐵皮保護層，補償器選用無約束波紋膨脹節；直埋管道采用管徑為D630×10 mm的硬脂聚氨酯泡沫塑料預制保溫管，補償器選用全埋式焊接膨脹節。

3.1 直埋管道豎向和局部穩定性驗算

當管道處于較大軸向應力的狀態時，由于立柱效應，將出現整體失穩。這就必須使管道達到足夠的埋深，以保證穩定性。因此，對于直埋熱水供熱管道應進行豎向穩定性驗算，主要是判斷管道上方的土壤重量是否足以克服垂直向上的反力，防止地下管道失穩后從地面拱起[2]。

管道在承受高軸向壓應力和截面內存在缺陷部位可能會出現塑性變形的集中，直埋熱水管道從整體上看屬于杠桿，但是從局部上看又屬于薄壁管殼，特別是大直徑的管道。對于大管徑、高溫度、高壓力的直埋熱水管道，橫截面受到較高的壓應力作用，當最大壓應變達到一個臨界水平時便可能會發生局部彎曲，局部產生較大的變形，導致管道的局部褶皺而失效。因此，要對應力不連續、管壁有缺陷的部位進行局部穩定性驗算。

參考《城鎮供熱直埋熱水管道技術規程》CJJ/T81-2013,通過計算，局部穩定性驗算滿足要求，對于管徑為D630×10 mm的供熱管道，當管中心埋深為1.5 m時，滿足豎向穩定性驗算要求。

3.2 架空管道原有支架受力分析

3.2.1 垂直荷載

式中:W1——作用在支架上單位長度管道荷載，kg/m;

qz——管道自重，kg/m;

qw——管道保溫層、保護層重量，kg/m;

qy——管道內采暖水重量，kg/m。

3.2.2 水平荷載

1）補償器的彈性反力

無約束波紋膨脹節位移時產生的彈性反力FK

式中:ΔX——膨脹節的補償量，mm;

FX——膨脹節的剛度，N/mm;

2）管道內壓產生的盲板力FP

式中:P0——管道的最高工作壓力，kg/mm2；

A——膨脹節的有效面積,mm2。

3）管道伸縮時支架與管托摩擦產生的摩擦力Ff

式中:WZ——膨脹節重量，kg;

L——管段內管道長度，m;

μ——管托與支架梁摩擦系數，鋼與鋼接觸取0.3。

根據公式（1）～（4）對支架荷載詳細計算，原有導向支架和滑動支架均滿足垂直荷載的要求，原有固定支架均滿足水平荷載和垂直荷載的要求。因此，不必對原有支架進行加固，節省了項目投資。

4 項目投資及效益分析

凌鋼焦化初冷器余熱回收供暖工程投資見圖1。

圖1 工程投資表（截圖）

參考《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》GB50736-2012，遼寧省朝陽市冬季供暖期天數為145 天，凌鋼峰谷平綜合平均電價為0.57 元/（kWh），新水價格為0.396 元/t，飽和蒸汽價格為50元/GJ。焦化初冷器余熱供暖系統年運行費用見表2。

表2 焦化初冷器余熱供暖系統運行費用表

雙園佳苑小區總采暖面積為42萬m2，入住率為75%，取暖費為24 元/m2，每個取暖期可獲得效益為420000×0.75×24=7560000 元。投資回收期為[8975976÷(7560000-1467950.66)]=1.47 年，投資回收后，每年可以為企業創效7560000-1467950.66=6092049.34元，利用焦化初冷器余熱供暖，為企業創效，為市民創福，對凌鋼具有顯著的經濟效益和社會效益。