凌钢焦化初冷器余热回收供暖改造及分析

(凌源钢铁集团设计研究有限公司，辽宁凌源 122500)

1 概述

凌源钢铁集团公司位于辽宁省西部，是以钢铁为主业，轮胎化工、机械制造、新材料、新能源、矿产资源、金融等多元产业协同发展的大型钢铁企业，产钢能力为600 万t/a。近几年来，随着能源与环境问题的日益突出，凌钢对节能降耗的重视程度进一步提高，超低排放、余热利用工程也越来越多，包括烧结烟气余热发电、焦炉烟道气余热发电、干熄焦余热发电、饱和蒸汽发电、高炉冲渣水余热供暖、焦化初冷器余热供暖等，节能效果显著。凌钢焦化目前有3 台初冷器，并联运行。每台初冷器分为上中下3 段，运行方式为：夏季上段不运行，中段煤气冷却水由冷却塔降温，下段煤气冷却水由制冷机降温；冬季上段、中段煤气冷却水余热回收，为附近居民供热，下段煤气冷却水由冷却塔降温。

2 凌钢焦化初冷器余热回收利用

凌钢焦化厂焦炉配套了3 台横管初冷器，最初每台煤气初冷器的换热面积仅为1554 m2[1]。经过几次改造后，每台煤气初冷器的换热面积增加到了3300 m2，其中上段换热面积为453 m2，中段换热面积为1622 m2，下段换热面积为1225 m2，具体参数见表1。

表1 目前初冷器每段设计参数

2014 年以前，利用初冷器上段煤气冷却水作为采暖水为凌钢西生活区供暖，总采暖面积约为13万m2，采暖供回水温度为65/55 ℃，流量为500 t/h，供热量为5815.3 kW。基本上可以满足凌钢西区的供暖要求，实际供暖效果也是非常好。

2014 年以后，凌钢西生活区搬迁至凌源双园佳苑小区，职工的居住环境得到了很大的改善。采暖面积也由原来的13 万m2增到42 万m2，原来的初冷器余热回收方案不能满足现有的供暖要求，故需要对初冷器热回收进行改造。

对中段煤气冷却水进行余热回收，将初冷器中段9 个管程分出来6 个，冬季与上段并联运行用于供暖，3 台初冷器上段总计提供65/55 ℃的余热水500 t/h，供热量为5815.3 kW;3 台初冷器中段总计提供45/32 ℃的余热水900 t/h，供热量为13607.8 kW，两部分并联后再去除部分热损失，总供热量为17208.9 kW，总水量为1400 t/h，供回水温度为55/45 ℃。采暖热指标为41 W/m2，双园佳苑小区住宅属于节能住宅，所以热指标满足供暖要求。

同时，为了更好地满足供暖需求以及避免焦炉、初冷器停产检修的风险，对原有蒸汽换热站进行改造，通过3台蒸汽换热器对系统进行补热，并根据水力计算选择了3台热水循环泵（2用1备），每台热水循环泵的功率N=132 kW，流量Q=412-687-846 m³/h，扬程H=51-46-39 m，电机转速n=1480 r/min，满足检修工况下的暖气保供。

3 供热管网的计算与设计

双园佳苑小区采暖泵房距离凌钢厂区将近1 km，采暖水（煤气冷却水）由初冷器→蒸汽换热站（泵房）→双园佳苑小区采暖泵房→初冷器。单根管道总长为2.3 km，其中厂区内1.35 km 管道沿着原有管道支架架空敷设，厂区外0.95 km 管道沿着路边直埋敷设。通过计算，架空管道选用管径为D630×10 mm 的螺旋焊接钢管，采用玻璃棉管壳保温层，镀锌铁皮保护层，补偿器选用无约束波纹膨胀节；直埋管道采用管径为D630×10 mm的硬脂聚氨酯泡沫塑料预制保温管，补偿器选用全埋式焊接膨胀节。

3.1 直埋管道竖向和局部稳定性验算

当管道处于较大轴向应力的状态时，由于立柱效应，将出现整体失稳。这就必须使管道达到足够的埋深，以保证稳定性。因此，对于直埋热水供热管道应进行竖向稳定性验算，主要是判断管道上方的土壤重量是否足以克服垂直向上的反力，防止地下管道失稳后从地面拱起[2]。

管道在承受高轴向压应力和截面内存在缺陷部位可能会出现塑性变形的集中，直埋热水管道从整体上看属于杠杆，但是从局部上看又属于薄壁管壳，特别是大直径的管道。对于大管径、高温度、高压力的直埋热水管道，横截面受到较高的压应力作用，当最大压应变达到一个临界水平时便可能会发生局部弯曲，局部产生较大的变形，导致管道的局部褶皱而失效。因此，要对应力不连续、管壁有缺陷的部位进行局部稳定性验算。

参考《城镇供热直埋热水管道技术规程》CJJ/T81-2013,通过计算，局部稳定性验算满足要求，对于管径为D630×10 mm的供热管道，当管中心埋深为1.5 m时，满足竖向稳定性验算要求。

3.2 架空管道原有支架受力分析

3.2.1 垂直荷载

式中:W1——作用在支架上单位长度管道荷载，kg/m;

qz——管道自重，kg/m;

qw——管道保温层、保护层重量，kg/m;

qy——管道内采暖水重量，kg/m。

3.2.2 水平荷载

1）补偿器的弹性反力

无约束波纹膨胀节位移时产生的弹性反力FK

式中:ΔX——膨胀节的补偿量，mm;

FX——膨胀节的刚度，N/mm;

2）管道内压产生的盲板力FP

式中:P0——管道的最高工作压力，kg/mm2；

A——膨胀节的有效面积,mm2。

3）管道伸缩时支架与管托摩擦产生的摩擦力Ff

式中:WZ——膨胀节重量，kg;

L——管段内管道长度，m;

µ——管托与支架梁摩擦系数，钢与钢接触取0.3。

根据公式（1）～（4）对支架荷载详细计算，原有导向支架和滑动支架均满足垂直荷载的要求，原有固定支架均满足水平荷载和垂直荷载的要求。因此，不必对原有支架进行加固，节省了项目投资。

4 项目投资及效益分析

凌钢焦化初冷器余热回收供暖工程投资见图1。

图1 工程投资表（截图）

参考《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2012，辽宁省朝阳市冬季供暖期天数为145 天，凌钢峰谷平综合平均电价为0.57 元/（kWh），新水价格为0.396 元/t，饱和蒸汽价格为50元/GJ。焦化初冷器余热供暖系统年运行费用见表2。

表2 焦化初冷器余热供暖系统运行费用表

双园佳苑小区总采暖面积为42万m2，入住率为75%，取暖费为24 元/m2，每个取暖期可获得效益为420000×0.75×24=7560000 元。投资回收期为[8975976÷(7560000-1467950.66)]=1.47 年，投资回收后，每年可以为企业创效7560000-1467950.66=6092049.34元，利用焦化初冷器余热供暖，为企业创效，为市民创福，对凌钢具有显著的经济效益和社会效益。