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西安印钞厂集中供热系统设计
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内容提示：本文分析了西安印钞厂用汽及热电厂供汽状况，简述了蒸汽减压系统、蒸汽减温系统、厂区热力管网改造和凝结水综合利用设计思路及优化方案，并对集中供热系统进行了效益分析。
摘要：本文分析了西安印钞厂用汽及热电厂供汽状况，简述了蒸汽减压系统、蒸汽减温系统、厂区热力管网改造和凝结水综合利用设计思路及优化方案，并对集中供热系统进行了效益分析。（参考《建筑中文网》）
关键词：蒸汽 温度 压力 流量
1概况 西安印钞厂原由自备锅炉房供应厂区热力，安装有两台SZL10-1.27-P型燃煤链条锅炉，冬季运行两台锅炉，夏季运行一台锅炉，冬季最大蒸汽流量15t/h，夏季最大蒸汽流量4.14t/h。因西安市西郊热电厂建成投产，热电厂集中供热管道已敷设至西安印钞厂围墙外，为减少环境污染、提高企业经济效益,决定采用热电厂蒸汽对厂区进行集中供热。
热电厂供汽为压力0.65-0.92Mpa、温度170-220℃的过热蒸汽，热电厂不回收凝结水。因厂区用汽设备使用压力0.6Mpa、温度164.9℃的饱和蒸汽，故热电厂过热蒸汽需经减温减压后方可使用。进户热力管道及计量装置由热电厂设计施工，减温减压装置及厂区热力管网和凝结水回收利用改造由西安印钞厂设计施工。
西安印钞厂主要用汽点为：热交换站、凹印污水处理站、浴室、空调加湿器、溴化锂吸收式制冷机，生产为两班制，用汽流量变化较大，为保障设计成功，对西安印钞厂用汽流量和热电厂供汽情况进行了详细的调研，分析了冬季和夏季日24小时运行情况，热电厂供汽压力、温度和西安印钞厂用汽流量见表1所示：
表1热电厂供汽温度、压力及印钞厂用汽流量表
| 时间（24小时） | 热电厂夏季供汽压力（Mpa） | 热电厂夏季供汽温度（℃） | 印钞厂夏季用汽流量（t/h） | 热电厂冬季供汽压力（Mpa） | 热电厂冬季供汽温度（℃） | 印钞厂冬季用汽流量（t/h） |
| 0 | 0.87 | 181 | 1.26 | 0.92 | 187 | 1.10 |
| 1 | 0.86 | 179 | 0.82 | 0.90 | 189 | 0.70 |
| 2 | 0.87 | 180 | 0.51 | 0.88 | 192 | 0.60 |
| 3 | 0.88 | 181 | 0.20 | 0.92 | 197 | 0.60 |
| 4 | 0.88 | 181 | 0.00 | 0.88 | 209 | 0.40 |
| 5 | 0.85 | 183 | 0.00 | 0.79 | 207 | 0.30 |
| 6 | 0.79 | 180 | 0.23 | 0.74 | 206 | 8.10 |
| 7 | 0.72 | 177 | 2.04 | 0.72 | 207 | 9.70 |
| 8 | 0.66 | 176 | 4.14 | 0.66 | 208 | 8.60 |
| 9 | 0.69 | 170 | 2.92 | 0.62 | 213 | 9.30 |
| 10 | 0.80 | 171 | 2.69 | 0.63 | 219 | 12.90 |
| 11 | 0.80 | 175 | 2.89 | 0.70 | 219 | 10.80 |
| 12 | 0.84 | 177 | 2.51 | 0.66 | 219 | 9.36 |
| 13 | 0.79 | 179 | 2.81 | 0.67 | 221 | 8.45 |
| 14 | 0.74 | 178 | 2.74 | 0.66 | 219 | 12.67 |
| 15 | 0.78 | 174 | 2.29 | 0.69 | 218 | 14.58 |
| 16 | 0.76 | 174 | 3.35 | 0.68 | 219 | 8.84 |
| 17 | 0.74 | 176 | 3.50 | 0.62 | 218 | 6.49 |
| 18 | 0.72 | 173 | 3.68 | 0.71 | 223 | 7.32 |
| 19 | 0.74 | 174 | 4.05 | 0.76 | 212 | 7.05 |
| 20 | 0.76 | 175 | 2.80 | 0.81 | 211 | 6.39 |
| 21 | 0.73 | 173 | 3.15 | 0.86 | 205 | 2.17 |
| 22 | 0.81 | 173 | 2.90 | 0.91 | 198 | 1.25 |
| 23 | 0.85 | 174 | 2.05 | 0.90 | 192 | 1.02 |
由上表可以看出，热电厂供汽温度在170-223℃范围内波动，热电厂供汽压力在0.65-0.92Mpa范围内波动，印钞厂用汽流量在0.2-15t/h范围内波动，热电厂供汽压力、温度及西安印钞厂用汽流量波动范围较大，给蒸汽减温减压系统的设计带来了较大的难度，查阅了国内多家减温减压器生产厂家产品样本，其减温减压特性不能满足我厂技术要求，主要反映在流量变化范围，我厂蒸汽流量在0.2t/h-15t/h范围内变化，变化幅度为1.3%-100%，目前生产的减温减压器其压力、温度可在20%-100%流量范围内控制，超过流量范围则温度、压力失控，即流量小于3t/h则不能满足生产控制工艺要求。因此需自行设计蒸汽减温减压系统。
蒸汽减压是通过流体在阀门中节流实现的，流体通过减压阀时的流动过程为绝热节流过程，这种过程是不可逆的绝热膨胀等焓流动，对于过热蒸汽，节流后焓值不变，温度有所降低，比容和熵都有所增加。目前工程上通常采用机械式蒸汽减压阀和电动蒸汽调节阀对蒸汽进行减压。
3.1机械式蒸汽减压阀
机械式蒸汽减压阀靠调节阀芯与阀座流通截面积以稳定阀后压力的稳定，阿姆斯壮公司生产的GP2000型蒸汽减压阀为先导式隔膜减压阀，由压力反馈管把阀后压力传递至膜盒，膜盒产生位移使阀芯与阀座流通截面积改变而维持阀后压力稳定在一定范围内，机械式蒸汽减压阀有以下特点：
a、阀门阻力较大，阀门前后最小压降ΔP≥0.1Mpa，如阀门前压力为0.65 Mpa时阀后压力为0.55 Mpa，不能满足我厂供汽要求。
b、阀门在小流量下后端压力变化较小，在小流量大压差工况下减压效果较好。
c、阀门在大流量情况下阀后压力下降较大。
3.2蒸汽电动调节阀
3.2.1蒸汽压力电动调节系统工作原理
由压力传感器将阀后压力信号转换成4-20MA电流信号送至PID调节器，在PID调节器内设定阀后压力，由PID调节器经过计算向电动蒸汽调节阀输出4-20MA控制信号，控制阀门开启度，以维持阀后压力稳定。
3.2.2电动蒸汽调节阀的工作流量特性
调节阀的工作流量特性是指调节阀在前后压差随流量变化的工作条件下，调节阀相对开度与相对流量之间的关系。由于热电厂供汽压力不稳定，当热电厂供汽压力为0.65MPa时，阀后压力需要调节至0.6MPa则阀门全开时压降为0.05MPa，阀后的压力用以克服全厂供热系统管道及设备阻力，阀门的S值为0.083（S为阀权度，表示调节阀全开时压降占该支路全部压降的百分数），这时阀门的工作流量偏离理想流量特性。电动调节阀具有以下特点：
a.在蒸汽流量较小时（<1.5t/h）电动调节阀不能精确控制流量和阀后压力。
b.在蒸汽流量较大时（>5t/h）电动调节阀控制蒸汽流量和阀后压力较为精确。
c. 蒸汽电动调节阀开度较大时阻力较小，压降<0.05Mpa。
3.2.3蒸汽电动调节阀选型
为合理选定调节阀，应正确计算调节阀的流通能力，否则会使调节阀的口径选得过大或过小。如果口径选得过大，不仅浪费投资，而且会使阀门经常处于小开度位置，从而造成调节品质下降。反之，如果口径选得过小，即使阀门处于全开状态，也不能适应最大负荷的需要，使调节系统失灵。
流通能力的定义是：当阀门全开，阀两端的压力降为0.1Mpa，流体的密度为1g/cm3时，每小时流经调节阀的流量。用符号C来表示，单位为m3/h。对于蒸汽C值按下式计算：
C=λGMAX/（ρ2（P1-P2））1/2
式中：λ----流量系数，m4/（kg*h），取10
GMAX----蒸汽流量，kg/h
ρ2----阀后蒸汽密度，kg/m3
P1-----阀前蒸汽绝对压力，Pa
P2-----阀后蒸汽绝对压力，Pa
按照上式，GMAX蒸汽流量取15000kg/h，ρ2阀后蒸汽密度查过热蒸汽密度表得出3.65kg/m3，P1阀前蒸汽绝对压力取7.5*105Pa，P2阀后蒸汽绝对压力取7.0*105Pa，代入上式得，C=351.12m3/h。
根据C值，查阅阀门样本，选择DN150电动蒸汽调节阀，阀门最大流量系数CMAX=410m3/h。
3.3减压系统优化方案
为保证厂供热系统压力稳定,根据机械式蒸汽减压阀和电动蒸汽阀的不同特性,集中供热减压系统采用机械式蒸汽减压阀和电动蒸汽调节阀联合调节的控制方式，系统图如下:
当流量较小时机械式蒸汽减压阀对蒸汽进行减压,压力设定值0.62MPa,这时电动调节阀关闭,当蒸汽流量逐步增加时, 机械式蒸汽减压阀不能满足要求,阀后压力下降当阀内压力下降至0.6Mpa以下时, 电动蒸汽调节阀开启,将压力稳定控制在0.6Mpa。
蒸汽减温的目的是将减压后的过热蒸汽温度降低成饱和蒸汽温度，以符合工艺参数。采用向蒸汽中喷入减温水与过热蒸汽混合，水与过热蒸汽混合后汽化变成蒸汽，吸收热量以降低过热蒸汽温度，这种减温方案是目前工程上普遍采用的减温方案，本次集中供热系统设计也采用此减温方案。
4.1 蒸汽减温器的热力计算
减温器热力计算的目的是确定在不同蒸汽流量下所需要的减温水量Dj。
在进行减温器热力计算时,已知数据为:减温前蒸汽绝对压力P1和温度t1，减温前蒸汽流量D1，减温后蒸汽温度t2和流量D2，减温水热焓hj，减温器局部热力系统示意图如图2
质量和热量平衡式如下:
D1 +Dj =D2
D1 h1 +Dj hj =D2 h2
式中：D1-----减温前蒸汽流量，kg/h
h1-----减温前蒸汽热焓，kJ/kg
Dj-----减温水量，kg/h
hj-----减温水热焓，kJ/kg
D2-----减温后蒸汽流量，kg/h
h2-----减温后蒸汽热焓，kJ/kg
根据上式， 可计算出在不同蒸汽温度和流量下所需要的减温水量。
4.2减温水控制方案
为保证减温后蒸汽温度恒定,需根据蒸汽流量和温度的不同控制减温水喷入量,减温水流量控制系统如下图:
由温度传感器将减温后蒸汽温度信号传至PID调节器,在PID调节器上设定蒸汽温度,由PID调节器根据蒸汽温度设定值和实际值比较计算,给电动调节阀输出信号,控制电动调节阀开度,使减温后蒸汽温度恒定。
厂区蒸汽凝结水每天最高回水量约80m3，回水温度约80℃，其中蕴涵着大量热能，应加以充分利用。
厂区浴室每日耗水200吨左右，每日耗汽约16吨，是一个用水用汽大户，浴室开放时间为每日下午16时至晚23时。
厂区蒸汽凝结水经取样化验，其水质符合自来水卫生指标，可用作浴室洗浴用水。
将凝结水用于浴室洗浴，既可以节约水，又可以利用凝结水中的热能，是一种较为合理的利用途径。
全厂蒸汽凝结水每时每刻均在产生，而浴室是定时开放，故应将凝结水回收储存，考虑到浴室用水时蒸汽凝结水仍在产生，这一部分凝结水及时用掉不需存储，凝结水蓄水池蓄水量需60m3，待浴室使用时将凝结水用凝结水泵供入浴室热交换器。
集中供热不但具有良好的社会效益，还具有持续可观的经济效益。其社会效益有：提高了社会能源的综合利用率，消除了锅炉运行的不安全因素，彻底解决了锅炉产生的废气、废渣、废水、噪声的环境污染问题。
其经济效益有：厂自产蒸汽成本为61.15元/吨，2000年全厂耗汽28413吨，合计成本为173.75万元； 热电厂供热蒸汽售价为61.43元/吨，因热电厂供热蒸汽为过热蒸汽，其压力和温度均高于厂自产蒸汽，故其每吨蒸汽含热量高于厂自产蒸汽，虽然2001年生产任务比去年多，加班加点又多于2000年，但2001年汽耗较上年仍有下降，2001年全厂耗汽23459吨，合计成本为144.11万元，较2000年减少用汽4954吨，年节约蒸汽合计成本29.64万元。
7.1通过一年多时间的运行，集中供热系统设计合理，供汽压力、温度稳定，满足了厂生产生活用汽需要。
7.2蒸汽减压方案采用机械式蒸汽减压阀和电动蒸汽调节阀联合调节，可适应供汽压力不稳和用汽量变化较大的工况。
7.3蒸汽减温方案采用减温水与过热蒸汽直接混合减温方案，通过电动调节阀调节减温水量控制蒸汽温度，通过变频器改变水泵转速控制调节阀前水压，减温水采用蒸汽凝结水适当补充软水。
7.4厂区蒸汽管网改造时，最远用汽点压降不得超过供汽压力10%，管网蒸汽流速在30—45m/s较为经济可行。
7.5将凝结水用于浴室洗浴，既可以节约水，又可以利用凝结水中的热能，是一种较为合理的利用途径。
7.6采用集中供热有较好的社会效益和经济效益。
夏敏文.热能工程设计手册.北京：化学工业出版社，2000
陆耀庆.供暖通风设计手册.北京：中国建筑工业出版社，1987
曾志诚.城市冷、暖、汽三联供手册. 北京：中国建筑工业出版社，1995
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200607/8646.htm
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