太鋼不銹鋼冷軋廠房供暖通風設計

摘 要

摘要：對某不銹鋼冷軋薄板廠房的供暖通風系統進行了設計。對于需要供暖的車間，供暖設備選用落地式大型蒸汽暖風機+廠房大門熱空氣幕，設置合理的通風系統。對于余熱量較大的車間，
摘要：對某不銹鋼冷軋薄板廠房的供暖通風系統進行了設計。對于需要供暖的車間，供暖設備選用落地式大型蒸汽暖風機+廠房大門熱空氣幕，設置合理的通風系統。對于余熱量較大的車間，只設置通風系統，冬季利用大量余熱通過合理的氣流組織為相鄰車間提供部分熱量，夏季依靠自然通風消除余熱。
關鍵詞：高大廠房；供暖；通風；熱負荷
Design of Heating and Ventilation of Stainless Steel Cold Rolled Sheet Plant Building in Taiyuan Iron and Steel Group
GAO Ye-ming
Abstract：A heating and ventilation system for the building of a stainless steel cold rolled sheet plant is designed. For workshops needing heating，floor-standing large-type steam unit heaters plus hot air curtain at the building entrance are used as heating device，and a reasonable ventilation system is set. For workshops with large quantity of residual heat，a ventilation system is only set. In winter，abundant residual heat is used for heating other adjacent workshops by rationally distributing the exhaust flow. In summer，the residual heat is eliminated by natural ventilation.
Key words：tall plant building；heating；ventilation；heat load
1 工程概況
   太原鋼鐵(集團)有限公司(以下簡稱太鋼)新建150×104t/a不銹鋼冷軋薄板工程，主要生產鉻鎳系鋼AISl300系列2B產品及鉻系鋼AIS1400系列2B產品。工程建設的主要內容有：寬幅熱線、寬幅冷線、直接軋制退火酸洗線、寬幅18輥軋機及20輥軋機、寬幅平整機、寬幅剪切機組、6m磨床和3m磨床；以及為以上生產機組配套的輔助設施，包括：廢酸處理、降壓站、變電所、水處理設施、消防系統、綜合管線、暖通空調設施等。由太原鋼鐵(集團)設計院(有限公司)承擔的太原鋼鐵(集團)有限公司150×104t/a不銹鋼冷軋工程設計獲得2008年度行業部級優秀工程設計一等獎。
    項目建設地點位于太鋼廠區，由于在太鋼老廠區進行建設，項目場地狹窄，在總圖布置上考慮了新建2250mm熱連軋與新建不銹鋼冷軋主工藝流程的特點，并結合場地實際情況，熱鋼卷由地下運輸鏈直接運至熱板坯車間，減少了兩個廠房的地面運輸用地。
    不銹鋼冷軋薄板工程占地面積約14×104m2，廠房總長度為690m，總寬度為204m，由相鄰的多跨車間組成。總建筑面積為12.861×104m2，其中熱板坯車間建筑面積為14490m2，該車間不供暖。其他車間建筑面積為11.412×104m2，為供暖區域。由于供暖區域內包括磨輥間、變電站、成品庫等不需供暖的部位，因此為簡化問題，供暖面積按11×104m2考慮。不銹鋼冷軋薄板廠房設置及廠房內布置分別見圖1、2。
太原地區室外氣象參數見GB 50019—2003《采暖通風與空氣調節設計規范》[1]。供暖區域的供暖室內計算溫度為10～15℃，電氣室供暖室內計算溫度為18℃；熱板坯車間夏季通風室內計算溫度為32℃，其他車間夏季通風室內計算溫度為30℃[2]。冬季熱板坯車間工作地點計算溫度為18℃。
 
2 供暖區域的設定
    各車間計算供暖熱負荷見表1。根據各車間的用途、工藝要求采用不同高度的廠房，并充分考慮了設備檢修及生產操作。
表1 各車間計算供暖熱負荷
車間
建筑面積/m
車間高度/m
熱負荷/kW
熱板坯車間
14490
12.0
1506.2
熱線車間
20700
30.0
9836.6
軋機車間
8550
17.5
1422.0
冷線車間
20700
30.0
9836.6
剪切包裝成品線1車間
22770
12.0
4647.8
剪切包裝成品線2車間
20700
12.0
4225.2
直接軋制退火酸洗線車間
20700
30.0
9836.6
① 熱板坯車間
設計中根據前期調研結合擬建車間的實際情況，熱板坯車間不設供暖設施。理由如下：從新建2250mm熱連軋送入熱板坯車間待用的熱鋼卷每天多達6000t，溫度為600℃，在熱板坯車間需停留1d，溫度仍維持在150℃左右。若考慮鋼卷在通過地下運輸鏈輸送過程熱量的散失，進入熱板坯車間的鋼卷溫度冬季按500℃、夏季按550℃計算，鋼卷在車間內的散熱量：冬季為54.95MW，夏季為62.8MW。由計算結果可知，冬季鋼卷在熱板坯車間內的散熱量(即車間得熱量)，遠大于該車間的計算供暖熱負荷，據此認為該車間不需要供暖，而且需要通過通風系統帶走多余熱量。
   ② 其他車間
   在690m長的熱線車間中，加熱爐段占據約180m，而且加熱爐向周邊環境散發大量熱量，散熱量為7.74MW。因此，加熱爐段不需要供暖，但需考慮在熱線車間的首尾段設置供暖設施。冷線車間、直接SLN退火酸洗線車間加熱爐段散熱量較大，分別為7.78MW。因此，加熱爐段不需要供暖，但需考慮在車間的首尾段設置供暖設施。軋機車間、剪切包裝成品線1、2車間無顯著發熱量，因此在供暖設計時考慮供暖室內計算溫度為15℃。
3 供暖系統方案比選
3.1 供暖系統方案
   ① 方案1
   采用懸掛式蒸汽暖風機+廠房大門熱空氣幕。經測算，大約需要懸掛式8Q型蒸汽暖風機330臺。該方案曾經在太鋼其他項目中大量應用，應用經驗豐富。
   ② 方案2
   采用落地式大型蒸汽暖風機+廠房大門熱空氣幕。經測算，大約需要落地式大型蒸汽暖風機75臺。暖風機長×寬×高為2500mm×1800mm×4000mm。
   ③ 方案3
   采用柔強遠紅外輻射供暖系統。該系統燃料采用天然氣，經測算，天然氣耗量約3760m3/h，大約需要500臺柔強遠紅外輻射器。
   ④ 方案4
   采用組合式空氣加熱處理裝置，對空氣加熱后送往操作人員主要活動區域，經過初步測算在擬建需要供暖車間范圍內，新建該裝置22套，每套裝置空氣處理能力為12×104m3/h，加熱能力為1900kW。該裝置主要利用車間回風余熱，為保持車間空氣的新鮮可混入20%～30%的新風。夏季時利用新風量強化室內機械通風，滿足車間通風要求。
3.2 方案比較
    方案1的優點是可利用太鋼蒸汽管網供汽，造價較低，啟停調節靈活。缺點是安裝的設備數量多，點多面廣，設備檢修量較大，且不利于凝結水回收，泄漏比較嚴重，暖風機的噪聲較大。
    方案2的優點是可利用太鋼蒸汽管網供汽，造價較低，啟停調節靈活，凝結水回收較方便，可以保證車間內重點區域供暖要求。缺點是用汽點較多，設備外形較大，占用空間大。由于本工程廠房高大、工程所在地的冬季比較寒冷，且方案1、2的供暖方式以對流傳熱為主，因此必然存在高度方向的溫度梯度，當工作區域溫度為15℃時，廠房上部溫度可達到25℃，甚至30℃。這將導致廠房上部圍護結構的傳熱加強，導致無效能耗增加。
    方案3采用了輻射供暖，當工作區域溫度為15℃時，廠房上部溫度只有19℃左右。廠房上部圍護結構的傳熱量較小。因此，方案3具有節能、環保、清潔、舒適、維護工作量小、啟停靈活的優點。缺點是需要耗用高品質的天然氣，造價較高，應用易受氣源、燃料價格等諸多因素制約。
    方案4的優點是可充分保證廠房空氣的新鮮，通過新回風混合以及空氣熱交換器可有效降低供暖通風的能耗。缺點為造價較高，設備以及風管占地太大。若將空氣處理裝置放置于廠房頂部，由于每套裝置質量逾20t，必然增大廠房屋面結構、柱的荷載，導致鋼結構造價、檢修費用的增加。若將空氣處理裝置安裝在地面，則主風管無法布置，且觀感達不到業主要求。
    4種方案的系統造價、運行費用比較見表2。供暖時間為150d，電價為0.31元/(kW·h)，廠房平均高度按18m計算。經過經濟技術性比較，方案2的造價、運行費用較低，調節靈活，因此采用方案2。
表2 4種方案的系統造價、運行費用比較
方案
方案1、2
方案3
方案4
燃料價格/(元·GJ-1)
15.00
44.76
15.00
燃料消耗/(GJ·h-1)
180
126
180
日供暖時間/(h·d-1)
24
5
18
電力負荷/kW
200
10
1650
系統造價/元
350×104
1260×104
770×104
供暖期運行費用/元
994.32×104
423.23×104
1110.00×104
4 通風系統設計
4.1 熱板坯車間
經計算得，熱板坯車間的余熱量為53.44MW。在冬季，為充分利用該余熱，考慮在該車間加強氣流組織，依靠自然通風系統，在滿足該車間冬季室內溫度要求外，對相鄰的熱線車間通過熱氣流組織，提供部分余熱，降低熱線車間的供暖能耗。冬夏季兩種工況下，熱板坯車間通風氣流組織分別見圖3、4。在冬季，熱板坯車間電動啟閉上、下百葉窗開啟，屋頂通風天窗、防風沙外墻百葉窗關閉，熱氣流流向熱線車間。在夏季，電動啟閉上百葉窗關閉，屋頂通風天窗開啟排風，電動啟閉下百葉窗及防風沙外墻百葉窗開啟進風，可將大量余熱排往室外，消除熱鋼卷散熱對熱板坯車間產生的高溫影響，保證現場工人身體健康。
 

通風量的計算式為[2]：
 
式中qm——計算風量，kg/h
    Ф——車間余熱量，kW
    tt——車間上部排風溫度，℃
    ti——車間進風溫度，℃
    車間上部排風溫度tt的計算式為：
    tn=tn+α(h+2)    (2)
式中tn——工作地點計算溫度，℃
    α——沿車間高度方向的溫度梯度，℃/m，取0.9℃/m
    h——地面至排風窗孔中心高度，m
   ① 冬季
   冬季工況下的計算參數為：tn=18℃、ti=12℃、h=14m，由式(1)、(2)計算得，tt=32.4℃、qm=2619.8t/h。進排風面積采用熱壓法計算[2]，下百葉窗孔面積Aw,i的計算式為：
 
式中Aw,i——下百葉窗孔面積，m2
    μa——進風口的流量系數，取0.5
    g——重力加速度，m/s2
    h1——下百葉窗孔中心至中和面高度，m
    ρw,i——冬季進入熱板坯車間的空氣密度，kg/m3
    ρw,av——冬季室內平均溫度下的空氣密度，kg/m3
上百葉窗孔面積Aw,o的計算式為：
 
式中Aw,o——上百葉窗孔面積，m2
    μb——排風口的流量系數，取0.84
    h2——上百葉窗孔中心至中和面高度，m
    ρw,o——冬季熱板坯車間排風空氣密度，kg/m3
   計算參數：g=9.8m/s2、h1=6m、ρw,i=1.239kg/m3、ρw,av=1.197kg/m3、h2=8m、ρw,o =1.155kg/m3。將相關計算數據代入式(3)、(4)，計算得Aw,i=588m2、Aw,o=314m2。工程實際應用中，受到熱板坯車間內熱鋼卷擺放位置、到達停留時間、生產組織節奏等多種不確定因素的影響，上下百葉窗孔的實際面積裕量取計算值的10%～20%，以便根據實際情況加以調整。
    ② 夏季
    夏季工況下的計算參數為：tn=32℃、ti=28℃、h=16m，由式(1)、(2)計算得，tt=48.2℃、qm=3207.9t/h。熱板坯車間進風口(電動啟閉下百葉窗、防風沙外墻百葉窗)面積As,i的計算式為：
 
式中As,i——熱板坯車間進風口(電動啟閉下百葉窗、防風沙外墻百葉窗)面積，m2
    h3——熱板坯車間進風口至中和面高度，m
    ρs,i——夏季進入熱板坯車間的空氣密度，kg/m3
    ρs,av——夏季室內平均溫度下的空氣密度，kg/m3
 
式中As,o——屋頂通風天窗面積，m2
    h4——屋頂通風天窗至中和面高度，m
    ρs,o——夏季熱板坯車間排風空氣密度，kg/m3
   計算參數：h3=6m、ρs,i=1.157kg/m3、ρs,av=1.128kg/m3、h4=10m、ρs,o=1.1kg/m3。將相關計算數據代入式(5)、(6)，計算得As,i=897m2、As,o=424m2。計算得到的進排風口面積，只是一個通過自然通消除車間余熱必須保證的最小值。工程實際應用中，受到各種不確定因素的影響，實際進排風口面積應大于計算值。
4.2 其他車間
   熱線、冷線、直接軋制退火酸洗線車間都有加熱爐存在，都會散發大量余熱，造成車間溫度的顯著上升。為此，上述車間都需要在加熱爐段設置通風天窗。夏季通風天窗全部開啟排風，依靠的下部周邊窗戶自然進風，消除余熱。冬季盡量關閉天窗，使熱氣流向下對流，不足熱負荷需考慮在車間的首尾段增設供暖設施。并考慮在高側墻設置軸流風機強化通風效果。
    軋機車間、剪切包裝成品線1、2車間的通風考慮以自然通風為主，這些車間基本位于廠房的中部，車間上部增設通風天窗排風，下部采用無組織進風。車間換氣次數結合以往工程經驗，按0.6～1.0次/h考慮。
5 結語
    通風系統運行兩年來，取得較好效果，該項目榮獲2008年度行業部級優秀工程設計一等獎。
參考文獻：
[1] GB 50019—2003，采暖通風與空氣調節設計規范[S].
[2] 蘇永森，劉錦梁.工業廠房通風技術[M].天津：天津科學技術出版社，1985.
 
(本文作者：高曄明 太原鋼鐵(集團)設計院(有限公司) 山西太原 030009)