運(yùn)礦采暖區(qū)域電加熱器設(shè)備改造的探析

王子鳴 唐俊強(qiáng) 李世平

鞍鋼集團(tuán)本鋼南芬露天鐵礦

0 背景

為響應(yīng)國(guó)家和各級(jí)部門低碳環(huán)保、節(jié)能減排、零污染、零排放等產(chǎn)業(yè)政策的要求，結(jié)合露天礦采暖區(qū)域分散、熱耗水平相對(duì)不高的特點(diǎn)，逐步取締露天礦燃煤鍋爐的工作勢(shì)在必行。隨著電加熱器科技的不斷創(chuàng)新發(fā)展，其清潔性、安全性和高效性不斷提高，其無污染、易于控制、維護(hù)成本低和占地面積小等優(yōu)點(diǎn)也更為突出，有助于采用電加熱器改造。

1 工程概況

本鋼南芬露天鐵礦原運(yùn)礦燃煤鍋爐為2臺(tái)4 t/h蒸汽鍋爐，保證了運(yùn)礦區(qū)域（供暖面積為5 250 m2）的生活和工業(yè)生產(chǎn)采暖用熱。為保證煙氣排放達(dá)標(biāo)（在基準(zhǔn)氧含量6%條件下，煙塵、SO2和NOx排放濃度分別不高于10 mg/m3、35 mg/m3、50 mg/m3），露天礦已于2020年取締原燃煤鍋爐。

運(yùn)礦采暖區(qū)域新改造的電加熱器站，進(jìn)行了重新選址，并充分利用了運(yùn)礦作業(yè)區(qū)原充電室、洗衣間和兩間小庫(kù)房作為加熱器站廠房［1］。

2 改造方案

2.1 主要改造方案

露天礦對(duì)當(dāng)前技術(shù)工況的電加熱器提出如下改造方案［2，3］：

1）在采暖所屬區(qū)域內(nèi)另行選址，新建電加熱器鍋爐采暖、洗浴用水加熱站，配備存儲(chǔ)軟化水箱、控制電源及開關(guān)、電加熱器、補(bǔ)水泵和循環(huán)水泵、板式熱交換器、電子水自動(dòng)處理儀、循環(huán)熱水輸送管路、暖氣片等。

2）進(jìn)行電加熱器功率選型、電加熱管規(guī)格/型號(hào)選擇；根據(jù)用電容量判斷變壓器容量是否足夠，配置好電源開關(guān)；做好電加熱器系統(tǒng)測(cè)試、調(diào)試、驗(yàn)收，保證熱工PID自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，設(shè)置電加熱器加熱組數(shù)、加熱時(shí)間、自動(dòng)/手動(dòng)運(yùn)行模式等。

3）保證電加熱器及相關(guān)部件供貨質(zhì)量，核對(duì)其外觀、尺寸、形狀、表面質(zhì)量，保證電加熱管材質(zhì)（不銹鋼Cr19Ni10）、法蘭尺寸、法蘭孔布置方式、額定工作電壓380 V、額定功率、發(fā)熱區(qū)長(zhǎng)度、電氣接線端子位置和布置方式等。

4）進(jìn)行電加熱采暖系統(tǒng)熱量平衡和水量平衡測(cè)試，對(duì)熱力管道進(jìn)行防腐保溫，排查熱能和水的泄漏點(diǎn)并進(jìn)行封堵，排查因供水水質(zhì)不好造成熱力管路、電加熱器鍋筒、電加熱管的結(jié)垢，并及時(shí)進(jìn)行周期性清洗，必要時(shí)對(duì)相應(yīng)部件進(jìn)行返廠維修、更換或退貨等。

5）停止原燃煤鍋爐運(yùn)行，將鏈條爐爐排上燃煤燒凈和走盡，將鍋爐、管路內(nèi)存水排凈及時(shí)清理燃燒廢渣。

2.2 功率設(shè)計(jì)理論計(jì)算

露天礦根據(jù)電加熱器初始加熱所需的熱量、維持介質(zhì)溫度加熱到設(shè)定溫度所需的熱量、實(shí)際采暖面積、建筑物層數(shù)和高度等來綜合選擇電加熱器理論設(shè)計(jì)額定功率。加熱器加熱理論功率計(jì)算校核要考慮啟動(dòng)時(shí)的功率、運(yùn)行時(shí)的功率、系統(tǒng)熱損失、最低環(huán)境溫度、最高運(yùn)行溫度、最短運(yùn)行周期、加熱介質(zhì)的最大重量或流量等。

1）根據(jù)式（1）可得出初始加熱所需功率P初：

式(1)中：P初——初始加熱所需功率，kW；

Q容——容器自身加熱所需熱量，kJ；

Q介——容器內(nèi)介質(zhì)加熱所需熱量，kJ；

Q介損——介質(zhì)平均表面熱損失，kJ；

Q溫?fù)p——保溫層平均表面熱損失，kJ；

H——初始溫度加熱到設(shè)定溫度所需時(shí)間，s。

2）根據(jù)式(2)可得出維持介質(zhì)溫度所需功率P維：

式中：P維——維持介質(zhì)溫度所需功率，kW；

Q補(bǔ)介——加熱補(bǔ)充介質(zhì)所需熱量，kJ；

Q補(bǔ)介損——加熱補(bǔ)充介質(zhì)的表面熱損失，kJ；

Q補(bǔ)溫?fù)p——加熱補(bǔ)充介質(zhì)保溫層表面熱損失，kJ；

H補(bǔ)——補(bǔ)充介質(zhì)所需時(shí)間，s。

根據(jù)室外環(huán)境溫度，電加熱器加熱采暖供水溫度控制在40～60 ℃，電加熱器加熱洗浴用供水溫度不超過40～50 ℃，加熱器運(yùn)行功率為額定功率的80%，有專項(xiàng)要求時(shí)理論采暖換算系數(shù)可取1.2，因此可確定各采暖區(qū)域所需電加熱器的理論熱負(fù)荷。

2.3 設(shè)備實(shí)際選型和技術(shù)要求

電加熱器采暖設(shè)備實(shí)際選型是根據(jù)露天礦各采暖區(qū)域所需采暖面積、建筑物結(jié)構(gòu)、供熱管網(wǎng)布置、管線敷設(shè)方式、保溫狀況、熱效率和熱效比等綜合決定。電加熱器實(shí)際選型見表1。標(biāo)準(zhǔn)型電加熱器熱水循環(huán)系統(tǒng)圖見圖1。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)型電加熱器熱水循環(huán)系統(tǒng)圖

表1 電加熱器實(shí)際選型

運(yùn)礦電加熱器系統(tǒng)設(shè)備改造技術(shù)要求及參數(shù)包括：

1）運(yùn)礦作業(yè)區(qū)供暖面積3 500 m2，管網(wǎng)布置高差6 m。供暖主管道總長(zhǎng)200 m，其中管徑DN159 mm長(zhǎng)度60 m、管徑DN108 mm長(zhǎng)度80 m、管徑DN80 mm長(zhǎng)度60 m。

2）供暖房間建筑總高10 m，共2 層，房間最高層的高度為6 m。

3）供暖主管道布置形式：30%為地溝內(nèi)無保溫布置，50%為室外明管架空采用巖棉保溫布置，20%為室內(nèi)布置。

4）辦公室及職工餐廳、休息室、生產(chǎn)操作間、油庫(kù)等采暖面積為500 m2，外護(hù)及門窗散熱較大，散熱器按房間標(biāo)準(zhǔn)配置。

5）冬季室外最低溫度-30 ℃，平均風(fēng)速2.5 m/s，供暖天數(shù)150天。電價(jià)峰值為0.76元/kWh，谷值為0.26 元/kWh，平值為 0.56 元/kWh。設(shè)備應(yīng)充分利用夜間低谷運(yùn)行，平價(jià)時(shí)補(bǔ)充加熱，極端天氣適當(dāng)補(bǔ)充。

6）供暖用水源由運(yùn)礦作業(yè)區(qū)水車按需要為室內(nèi)10 m3儲(chǔ)水箱加水，確保冬季供暖需要。

7）連接線路和進(jìn)入鍋爐的1臺(tái)利舊630 kVA變壓器，總配電柜和電子式多功能電表1套。

8）常壓電加熱器。

（1）2臺(tái)250 kW電加熱設(shè)備，加熱管組合安裝，出水溫度可在30～85 ℃間任意調(diào)節(jié)，回水溫度25 ℃。

（2）電加熱設(shè)備：PLC觸摸屏、人機(jī)界面。

（3）低壓電器元件采用TCL元件。

（4）故障聯(lián)鎖安全保護(hù)功能應(yīng)達(dá)到自動(dòng)補(bǔ)水，缺水、超溫、超壓、過流、過載、短路、缺相自動(dòng)斷電報(bào)警等。

9）水箱。

（1）不銹鋼蓄熱水箱60 m3，含內(nèi)層（底板3 mm、側(cè)板2.5 mm、頂板1.2 mm)，第二層（5 cm 聚氨酯發(fā)泡保溫），第三層（不銹鋼壓型裝飾板），包括水位顯示、溫度顯示和檢修梯。

（2）不銹鋼儲(chǔ)水箱 10 m3（底板2.5 mm、側(cè)板2.5 mm、頂板1.2 mm)，包括水位顯示和檢修梯。

（3）水箱底部標(biāo)高+100 mm，安裝排污閥。

10）循環(huán)泵。

（1）供暖外網(wǎng)立式管道循環(huán)泵2臺(tái)。

（2）加熱器與蓄熱水箱立式管道循環(huán)泵2臺(tái)。

（3）蓄熱水箱與交換器立式管道循環(huán)泵2臺(tái)。

（4）外網(wǎng)補(bǔ)水立式管道循環(huán)泵2臺(tái)。

11）板式交換器20 m21臺(tái)。

12）全自動(dòng)水處理設(shè)備1 套，軟化水保證降到0.03 mmol/L以下。

13）閥件管路。

（1）管道采用相應(yīng)管徑焊接連接，配套專用閥件。

（2）按工藝標(biāo)準(zhǔn)安裝止回閥、啟閉閥、壓力表、電接點(diǎn)壓力表、金屬套溫度計(jì)和傳感器等。

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 改造后經(jīng)濟(jì)綜合評(píng)價(jià)

電加熱器系統(tǒng)設(shè)備改造要從施工安裝費(fèi)、維修費(fèi)（人工費(fèi)、材料費(fèi)、備件費(fèi)和施工機(jī)具費(fèi)）、運(yùn)行費(fèi)（電耗、油耗、煤耗和水耗）等進(jìn)行經(jīng)濟(jì)綜合評(píng)價(jià)估算。改造前后費(fèi)用估算對(duì)比見表2。

表2 改造前后費(fèi)用估算對(duì)比

通過改造前后運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用對(duì)比，電加熱器費(fèi)用估算低于燃煤鍋爐。考慮目前國(guó)家允許運(yùn)行的燃煤鍋爐最低容量為35 t/h，且需配套脫硫工程，但各分散供熱區(qū)域只需使用小容量鍋爐。新建大型燃煤鍋爐需占用大量的場(chǎng)地，需購(gòu)置和安裝鍋爐、引風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、布袋除塵器、省煤器、分汽缸、汽包、樹脂罐、脫硫塔等設(shè)備，需配備大量的運(yùn)行、檢修和維護(hù)人員，辦理各種環(huán)保手續(xù)，繳納污染物排放環(huán)保稅，而上述費(fèi)用遠(yuǎn)超過新建電加熱器采暖系統(tǒng)的費(fèi)用（需約27.5萬元）。

3.2 改造后技術(shù)綜合評(píng)價(jià)

燃煤鍋爐改造為電加熱器采暖，技術(shù)優(yōu)勢(shì)包括［4］：

1）對(duì)比原燃煤鍋爐，電加熱管型電加熱器熱效比可達(dá)1.5 以上，加熱器熱效率提高到95%以上（燃煤鍋爐僅為20%～30%），消除了不完全燃燒、廢渣、廢液和廢氣帶走的熱損失，大幅降低了大量室外架空、管溝和直埋敷設(shè)管路保溫的散失熱量。

2）熱效率高，加熱速度快，加熱均勻，操作容易，實(shí)現(xiàn)電氣自動(dòng)化。

3）綠色環(huán)保，直接消除了大量非清潔能源動(dòng)力煤的燃燒，消除了燃煤鍋爐的環(huán)境污染物排放，包括：煙氣［含顆粒物（PM2.5等）、SO2、NOx、CO和CO2等］、污水排放、燃煤排渣等。

以運(yùn)礦采暖區(qū)域年耗量進(jìn)行估算：取燃煤鍋爐效率85%、標(biāo)煤熱值29 307 kJ/kg、電力折標(biāo)系數(shù)0.122 9 kgce/(kWh)；電加熱器加熱效率98%、實(shí)際運(yùn)行功率為額定值的80%，每天PLC自動(dòng)控制運(yùn)行22 h，采暖期150 天。運(yùn)礦采暖區(qū)域能耗估算對(duì)比見表3。

表3 運(yùn)礦采暖區(qū)域能耗估算對(duì)比

4）取消了大量上煤和燃煤鍋爐設(shè)備的投入、維護(hù)和使用，包括鏟車、上煤料斗、斗式提升機(jī)、傳送皮帶、汽包、除氧器、鍋爐、分汽缸、省煤器、除渣機(jī)、樹脂罐和除塵器等，減少了鍋爐運(yùn)行、維護(hù)等專業(yè)技術(shù)、檢修和特種設(shè)備操作人員的配備。

5）可降低鍋爐設(shè)備、熱力管網(wǎng)局部故障停機(jī)，避免了故障時(shí)對(duì)熱交換站、熱力管網(wǎng)進(jìn)行整體停機(jī)、排水，避免了由于設(shè)備故障停機(jī)而造成熱力管路大面積凍結(jié)，避免了大故障時(shí)需整體設(shè)備停機(jī)，降低了管路整體和分段故障及隱患排查的工作量。

4 結(jié)論

通過對(duì)運(yùn)礦電加熱器采暖系統(tǒng)設(shè)備改造工程的研究，其技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益顯著，近幾年來供暖效果良好，包括：

1）為其它采暖區(qū)域的電加熱器改造、主要方案擬定、功率理論設(shè)計(jì)計(jì)算、功率實(shí)際選擇和技術(shù)要求確定提供了理論和技術(shù)支持。

2）對(duì)運(yùn)礦燃煤鍋爐和電加熱器進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)分析，電加熱器采暖系統(tǒng)改造遠(yuǎn)優(yōu)于原燃煤鍋爐。