太鋼不銹鋼冷軋廠房供暖通風(fēng)設(shè)計(jì)

摘 要

摘要：對(duì)某不銹鋼冷軋薄板廠房的供暖通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。對(duì)于需要供暖的車(chē)間，供暖設(shè)備選用落地式大型蒸汽暖風(fēng)機(jī)+廠房大門(mén)熱空氣幕，設(shè)置合理的通風(fēng)系統(tǒng)。對(duì)于余熱量較大的車(chē)間，
摘要：對(duì)某不銹鋼冷軋薄板廠房的供暖通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。對(duì)于需要供暖的車(chē)間，供暖設(shè)備選用落地式大型蒸汽暖風(fēng)機(jī)+廠房大門(mén)熱空氣幕，設(shè)置合理的通風(fēng)系統(tǒng)。對(duì)于余熱量較大的車(chē)間，只設(shè)置通風(fēng)系統(tǒng)，冬季利用大量余熱通過(guò)合理的氣流組織為相鄰車(chē)間提供部分熱量，夏季依靠自然通風(fēng)消除余熱。
關(guān)鍵詞：高大廠房；供暖；通風(fēng)；熱負(fù)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(tuán))有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)太鋼)新建150×104t/a不銹鋼冷軋薄板工程，主要生產(chǎn)鉻鎳系鋼AISl300系列2B產(chǎn)品及鉻系鋼AIS1400系列2B產(chǎn)品。工程建設(shè)的主要內(nèi)容有：寬幅熱線(xiàn)、寬幅冷線(xiàn)、直接軋制退火酸洗線(xiàn)、寬幅18輥軋機(jī)及20輥軋機(jī)、寬幅平整機(jī)、寬幅剪切機(jī)組、6m磨床和3m磨床；以及為以上生產(chǎn)機(jī)組配套的輔助設(shè)施，包括：廢酸處理、降壓站、變電所、水處理設(shè)施、消防系統(tǒng)、綜合管線(xiàn)、暖通空調(diào)設(shè)施等。由太原鋼鐵(集團(tuán))設(shè)計(jì)院(有限公司)承擔(dān)的太原鋼鐵(集團(tuán))有限公司150×104t/a不銹鋼冷軋工程設(shè)計(jì)獲得2008年度行業(yè)部級(jí)優(yōu)秀工程設(shè)計(jì)一等獎(jiǎng)。
    項(xiàng)目建設(shè)地點(diǎn)位于太鋼廠區(qū)，由于在太鋼老廠區(qū)進(jìn)行建設(shè)，項(xiàng)目場(chǎng)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(diǎn)，并結(jié)合場(chǎng)地實(shí)際情況，熱鋼卷由地下運(yùn)輸鏈直接運(yùn)至熱板坯車(chē)間，減少了兩個(gè)廠房的地面運(yùn)輸用地。
    不銹鋼冷軋薄板工程占地面積約14×104m2，廠房總長(zhǎng)度為690m，總寬度為204m，由相鄰的多跨車(chē)間組成。總建筑面積為12.861×104m2，其中熱板坯車(chē)間建筑面積為14490m2，該車(chē)間不供暖。其他車(chē)間建筑面積為11.412×104m2，為供暖區(qū)域。由于供暖區(qū)域內(nèi)包括磨輥間、變電站、成品庫(kù)等不需供暖的部位，因此為簡(jiǎn)化問(wèn)題，供暖面積按11×104m2考慮。不銹鋼冷軋薄板廠房設(shè)置及廠房?jī)?nèi)布置分別見(jiàn)圖1、2。
太原地區(qū)室外氣象參數(shù)見(jiàn)GB 50019—2003《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]。供暖區(qū)域的供暖室內(nèi)計(jì)算溫度為10～15℃，電氣室供暖室內(nèi)計(jì)算溫度為18℃；熱板坯車(chē)間夏季通風(fēng)室內(nèi)計(jì)算溫度為32℃，其他車(chē)間夏季通風(fēng)室內(nèi)計(jì)算溫度為30℃[2]。冬季熱板坯車(chē)間工作地點(diǎn)計(jì)算溫度為18℃。
 
2 供暖區(qū)域的設(shè)定
    各車(chē)間計(jì)算供暖熱負(fù)荷見(jiàn)表1。根據(jù)各車(chē)間的用途、工藝要求采用不同高度的廠房，并充分考慮了設(shè)備檢修及生產(chǎn)操作。
表1 各車(chē)間計(jì)算供暖熱負(fù)荷
車(chē)間
建筑面積/m
車(chē)間高度/m
熱負(fù)荷/kW
熱板坯車(chē)間
14490
12.0
1506.2
熱線(xiàn)車(chē)間
20700
30.0
9836.6
軋機(jī)車(chē)間
8550
17.5
1422.0
冷線(xiàn)車(chē)間
20700
30.0
9836.6
剪切包裝成品線(xiàn)1車(chē)間
22770
12.0
4647.8
剪切包裝成品線(xiàn)2車(chē)間
20700
12.0
4225.2
直接軋制退火酸洗線(xiàn)車(chē)間
20700
30.0
9836.6
① 熱板坯車(chē)間
設(shè)計(jì)中根據(jù)前期調(diào)研結(jié)合擬建車(chē)間的實(shí)際情況，熱板坯車(chē)間不設(shè)供暖設(shè)施。理由如下：從新建2250mm熱連軋送入熱板坯車(chē)間待用的熱鋼卷每天多達(dá)6000t，溫度為600℃，在熱板坯車(chē)間需停留1d，溫度仍維持在150℃左右。若考慮鋼卷在通過(guò)地下運(yùn)輸鏈輸送過(guò)程熱量的散失，進(jìn)入熱板坯車(chē)間的鋼卷溫度冬季按500℃、夏季按550℃計(jì)算，鋼卷在車(chē)間內(nèi)的散熱量：冬季為54.95MW，夏季為62.8MW。由計(jì)算結(jié)果可知，冬季鋼卷在熱板坯車(chē)間內(nèi)的散熱量(即車(chē)間得熱量)，遠(yuǎn)大于該車(chē)間的計(jì)算供暖熱負(fù)荷，據(jù)此認(rèn)為該車(chē)間不需要供暖，而且需要通過(guò)通風(fēng)系統(tǒng)帶走多余熱量。
   ② 其他車(chē)間
   在690m長(zhǎng)的熱線(xiàn)車(chē)間中，加熱爐段占據(jù)約180m，而且加熱爐向周邊環(huán)境散發(fā)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(xiàn)車(chē)間的首尾段設(shè)置供暖設(shè)施。冷線(xiàn)車(chē)間、直接SLN退火酸洗線(xiàn)車(chē)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(chē)間的首尾段設(shè)置供暖設(shè)施。軋機(jī)車(chē)間、剪切包裝成品線(xiàn)1、2車(chē)間無(wú)顯著發(fā)熱量，因此在供暖設(shè)計(jì)時(shí)考慮供暖室內(nèi)計(jì)算溫度為15℃。
3 供暖系統(tǒng)方案比選
3.1 供暖系統(tǒng)方案
   ① 方案1
   采用懸掛式蒸汽暖風(fēng)機(jī)+廠房大門(mén)熱空氣幕。經(jīng)測(cè)算，大約需要懸掛式8Q型蒸汽暖風(fēng)機(jī)330臺(tái)。該方案曾經(jīng)在太鋼其他項(xiàng)目中大量應(yīng)用，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)豐富。
   ② 方案2
   采用落地式大型蒸汽暖風(fēng)機(jī)+廠房大門(mén)熱空氣幕。經(jīng)測(cè)算，大約需要落地式大型蒸汽暖風(fēng)機(jī)75臺(tái)。暖風(fēng)機(jī)長(zhǎng)×寬×高為2500mm×1800mm×4000mm。
   ③ 方案3
   采用柔強(qiáng)遠(yuǎn)紅外輻射供暖系統(tǒng)。該系統(tǒng)燃料采用天然氣，經(jīng)測(cè)算，天然氣耗量約3760m3/h，大約需要500臺(tái)柔強(qiáng)遠(yuǎn)紅外輻射器。
   ④ 方案4
   采用組合式空氣加熱處理裝置，對(duì)空氣加熱后送往操作人員主要活動(dòng)區(qū)域，經(jīng)過(guò)初步測(cè)算在擬建需要供暖車(chē)間范圍內(nèi)，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(chē)間回風(fēng)余熱，為保持車(chē)間空氣的新鮮可混入20%～30%的新風(fēng)。夏季時(shí)利用新風(fēng)量強(qiáng)化室內(nèi)機(jī)械通風(fēng)，滿(mǎn)足車(chē)間通風(fēng)要求。
3.2 方案比較
    方案1的優(yōu)點(diǎn)是可利用太鋼蒸汽管網(wǎng)供汽，造價(jià)較低，啟停調(diào)節(jié)靈活。缺點(diǎn)是安裝的設(shè)備數(shù)量多，點(diǎn)多面廣，設(shè)備檢修量較大，且不利于凝結(jié)水回收，泄漏比較嚴(yán)重，暖風(fēng)機(jī)的噪聲較大。
    方案2的優(yōu)點(diǎn)是可利用太鋼蒸汽管網(wǎng)供汽，造價(jià)較低，啟停調(diào)節(jié)靈活，凝結(jié)水回收較方便，可以保證車(chē)間內(nèi)重點(diǎn)區(qū)域供暖要求。缺點(diǎn)是用汽點(diǎn)較多，設(shè)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(duì)流傳熱為主，因此必然存在高度方向的溫度梯度，當(dāng)工作區(qū)域溫度為15℃時(shí)，廠房上部溫度可達(dá)到25℃，甚至30℃。這將導(dǎo)致廠房上部圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱加強(qiáng)，導(dǎo)致無(wú)效能耗增加。
    方案3采用了輻射供暖，當(dāng)工作區(qū)域溫度為15℃時(shí)，廠房上部溫度只有19℃左右。廠房上部圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量較小。因此，方案3具有節(jié)能、環(huán)保、清潔、舒適、維護(hù)工作量小、啟停靈活的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是需要耗用高品質(zhì)的天然氣，造價(jià)較高，應(yīng)用易受氣源、燃料價(jià)格等諸多因素制約。
    方案4的優(yōu)點(diǎn)是可充分保證廠房空氣的新鮮，通過(guò)新回風(fēng)混合以及空氣熱交換器可有效降低供暖通風(fēng)的能耗。缺點(diǎn)為造價(jià)較高，設(shè)備以及風(fēng)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(zhì)量逾20t，必然增大廠房屋面結(jié)構(gòu)、柱的荷載，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)造價(jià)、檢修費(fèi)用的增加。若將空氣處理裝置安裝在地面，則主風(fēng)管無(wú)法布置，且觀感達(dá)不到業(yè)主要求。
    4種方案的系統(tǒng)造價(jià)、運(yùn)行費(fèi)用比較見(jiàn)表2。供暖時(shí)間為150d，電價(jià)為0.31元/(kW·h)，廠房平均高度按18m計(jì)算。經(jīng)過(guò)經(jīng)濟(jì)技術(shù)性比較，方案2的造價(jià)、運(yùn)行費(fèi)用較低，調(diào)節(jié)靈活，因此采用方案2。
表2 4種方案的系統(tǒng)造價(jià)、運(yùn)行費(fèi)用比較
方案
方案1、2
方案3
方案4
燃料價(jià)格/(元·GJ-1)
15.00
44.76
15.00
燃料消耗/(GJ·h-1)
180
126
180
日供暖時(shí)間/(h·d-1)
24
5
18
電力負(fù)荷/kW
200
10
1650
系統(tǒng)造價(jià)/元
350×104
1260×104
770×104
供暖期運(yùn)行費(fèi)用/元
994.32×104
423.23×104
1110.00×104
4 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1 熱板坯車(chē)間
經(jīng)計(jì)算得，熱板坯車(chē)間的余熱量為53.44MW。在冬季，為充分利用該余熱，考慮在該車(chē)間加強(qiáng)氣流組織，依靠自然通風(fēng)系統(tǒng)，在滿(mǎn)足該車(chē)間冬季室內(nèi)溫度要求外，對(duì)相鄰的熱線(xiàn)車(chē)間通過(guò)熱氣流組織，提供部分余熱，降低熱線(xiàn)車(chē)間的供暖能耗。冬夏季兩種工況下，熱板坯車(chē)間通風(fēng)氣流組織分別見(jiàn)圖3、4。在冬季，熱板坯車(chē)間電動(dòng)啟閉上、下百葉窗開(kāi)啟，屋頂通風(fēng)天窗、防風(fēng)沙外墻百葉窗關(guān)閉，熱氣流流向熱線(xiàn)車(chē)間。在夏季，電動(dòng)啟閉上百葉窗關(guān)閉，屋頂通風(fēng)天窗開(kāi)啟排風(fēng)，電動(dòng)啟閉下百葉窗及防風(fēng)沙外墻百葉窗開(kāi)啟進(jìn)風(fēng)，可將大量余熱排往室外，消除熱鋼卷散熱對(duì)熱板坯車(chē)間產(chǎn)生的高溫影響，保證現(xiàn)場(chǎng)工人身體健康。
 

通風(fēng)量的計(jì)算式為[2]：
 
式中qm——計(jì)算風(fēng)量，kg/h
    Ф——車(chē)間余熱量，kW
    tt——車(chē)間上部排風(fēng)溫度，℃
    ti——車(chē)間進(jìn)風(fēng)溫度，℃
    車(chē)間上部排風(fēng)溫度tt的計(jì)算式為：
    tn=tn+α(h+2)    (2)
式中tn——工作地點(diǎn)計(jì)算溫度，℃
    α——沿車(chē)間高度方向的溫度梯度，℃/m，取0.9℃/m
    h——地面至排風(fēng)窗孔中心高度，m
   ① 冬季
   冬季工況下的計(jì)算參數(shù)為：tn=18℃、ti=12℃、h=14m，由式(1)、(2)計(jì)算得，tt=32.4℃、qm=2619.8t/h。進(jìn)排風(fēng)面積采用熱壓法計(jì)算[2]，下百葉窗孔面積Aw,i的計(jì)算式為：
 
式中Aw,i——下百葉窗孔面積，m2
    μa——進(jìn)風(fēng)口的流量系數(shù)，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(jìn)入熱板坯車(chē)間的空氣密度，kg/m3
    ρw,av——冬季室內(nèi)平均溫度下的空氣密度，kg/m3
上百葉窗孔面積Aw,o的計(jì)算式為：
 
式中Aw,o——上百葉窗孔面積，m2
    μb——排風(fēng)口的流量系數(shù)，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(chē)間排風(fēng)空氣密度，kg/m3
   計(jì)算參數(shù)：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(guān)計(jì)算數(shù)據(jù)代入式(3)、(4)，計(jì)算得Aw,i=588m2、Aw,o=314m2。工程實(shí)際應(yīng)用中，受到熱板坯車(chē)間內(nèi)熱鋼卷擺放位置、到達(dá)停留時(shí)間、生產(chǎn)組織節(jié)奏等多種不確定因素的影響，上下百葉窗孔的實(shí)際面積裕量取計(jì)算值的10%～20%，以便根據(jù)實(shí)際情況加以調(diào)整。
    ② 夏季
    夏季工況下的計(jì)算參數(shù)為：tn=32℃、ti=28℃、h=16m，由式(1)、(2)計(jì)算得，tt=48.2℃、qm=3207.9t/h。熱板坯車(chē)間進(jìn)風(fēng)口(電動(dòng)啟閉下百葉窗、防風(fēng)沙外墻百葉窗)面積As,i的計(jì)算式為：
 
式中As,i——熱板坯車(chē)間進(jìn)風(fēng)口(電動(dòng)啟閉下百葉窗、防風(fēng)沙外墻百葉窗)面積，m2
    h3——熱板坯車(chē)間進(jìn)風(fēng)口至中和面高度，m
    ρs,i——夏季進(jìn)入熱板坯車(chē)間的空氣密度，kg/m3
    ρs,av——夏季室內(nèi)平均溫度下的空氣密度，kg/m3
 
式中As,o——屋頂通風(fēng)天窗面積，m2
    h4——屋頂通風(fēng)天窗至中和面高度，m
    ρs,o——夏季熱板坯車(chē)間排風(fēng)空氣密度，kg/m3
   計(jì)算參數(shù)：h3=6m、ρs,i=1.157kg/m3、ρs,av=1.128kg/m3、h4=10m、ρs,o=1.1kg/m3。將相關(guān)計(jì)算數(shù)據(jù)代入式(5)、(6)，計(jì)算得As,i=897m2、As,o=424m2。計(jì)算得到的進(jìn)排風(fēng)口面積，只是一個(gè)通過(guò)自然通消除車(chē)間余熱必須保證的最小值。工程實(shí)際應(yīng)用中，受到各種不確定因素的影響，實(shí)際進(jìn)排風(fēng)口面積應(yīng)大于計(jì)算值。
4.2 其他車(chē)間
   熱線(xiàn)、冷線(xiàn)、直接軋制退火酸洗線(xiàn)車(chē)間都有加熱爐存在，都會(huì)散發(fā)大量余熱，造成車(chē)間溫度的顯著上升。為此，上述車(chē)間都需要在加熱爐段設(shè)置通風(fēng)天窗。夏季通風(fēng)天窗全部開(kāi)啟排風(fēng)，依靠的下部周邊窗戶(hù)自然進(jìn)風(fēng)，消除余熱。冬季盡量關(guān)閉天窗，使熱氣流向下對(duì)流，不足熱負(fù)荷需考慮在車(chē)間的首尾段增設(shè)供暖設(shè)施。并考慮在高側(cè)墻設(shè)置軸流風(fēng)機(jī)強(qiáng)化通風(fēng)效果。
    軋機(jī)車(chē)間、剪切包裝成品線(xiàn)1、2車(chē)間的通風(fēng)考慮以自然通風(fēng)為主，這些車(chē)間基本位于廠房的中部，車(chē)間上部增設(shè)通風(fēng)天窗排風(fēng)，下部采用無(wú)組織進(jìn)風(fēng)。車(chē)間換氣次數(shù)結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)，按0.6～1.0次/h考慮。
5 結(jié)語(yǔ)
    通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行兩年來(lái)，取得較好效果，該項(xiàng)目榮獲2008年度行業(yè)部級(jí)優(yōu)秀工程設(shè)計(jì)一等獎(jiǎng)。
參考文獻(xiàn)：
[1] GB 50019—2003，采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].
[2] 蘇永森，劉錦梁.工業(yè)廠房通風(fēng)技術(shù)[M].天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，1985.
 
(本文作者：高曄明 太原鋼鐵(集團(tuán))設(shè)計(jì)院(有限公司) 山西太原 030009)