太钢不锈钢冷轧厂房供暖通风设计

摘 要

摘要：对某不锈钢冷轧薄板厂房的供暖通风系统进行了设计。对于需要供暖的车间，供暖设备选用落地式大型蒸汽暖风机+厂房大门热空气幕，设置合理的通风系统。对于余热量较大的车间，
摘要：对某不锈钢冷轧薄板厂房的供暖通风系统进行了设计。对于需要供暖的车间，供暖设备选用落地式大型蒸汽暖风机+厂房大门热空气幕，设置合理的通风系统。对于余热量较大的车间，只设置通风系统，冬季利用大量余热通过合理的气流组织为相邻车间提供部分热量，夏季依靠自然通风消除余热。
关键词：高大厂房；供暖；通风；热负荷
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 工程概况
   太原钢铁(集团)有限公司(以下简称太钢)新建150×104t/a不锈钢冷轧薄板工程，主要生产铬镍系钢AISl300系列2B产品及铬系钢AIS1400系列2B产品。工程建设的主要内容有：宽幅热线、宽幅冷线、直接轧制退火酸洗线、宽幅18辊轧机及20辊轧机、宽幅平整机、宽幅剪切机组、6m磨床和3m磨床；以及为以上生产机组配套的辅助设施，包括：废酸处理、降压站、变电所、水处理设施、消防系统、综合管线、暖通空调设施等。由太原钢铁(集团)设计院(有限公司)承担的太原钢铁(集团)有限公司150×104t/a不锈钢冷轧工程设计获得2008年度行业部级优秀工程设计一等奖。
    项目建设地点位于太钢厂区，由于在太钢老厂区进行建设，项目场地狭窄，在总图布置上考虑了新建2250mm热连轧与新建不锈钢冷轧主工艺流程的特点，并结合场地实际情况，热钢卷由地下运输链直接运至热板坯车间，减少了两个厂房的地面运输用地。
    不锈钢冷轧薄板工程占地面积约14×104m2，厂房总长度为690m，总宽度为204m，由相邻的多跨车间组成。总建筑面积为12.861×104m2，其中热板坯车间建筑面积为14490m2，该车间不供暖。其他车间建筑面积为11.412×104m2，为供暖区域。由于供暖区域内包括磨辊间、变电站、成品库等不需供暖的部位，因此为简化问题，供暖面积按11×104m2考虑。不锈钢冷轧薄板厂房设置及厂房内布置分别见图1、2。
太原地区室外气象参数见GB 50019—2003《采暖通风与空气调节设计规范》[1]。供暖区域的供暖室内计算温度为10～15℃，电气室供暖室内计算温度为18℃；热板坯车间夏季通风室内计算温度为32℃，其他车间夏季通风室内计算温度为30℃[2]。冬季热板坯车间工作地点计算温度为18℃。
 
2 供暖区域的设定
    各车间计算供暖热负荷见表1。根据各车间的用途、工艺要求采用不同高度的厂房，并充分考虑了设备检修及生产操作。
表1 各车间计算供暖热负荷
车间
建筑面积/m
车间高度/m
热负荷/kW
热板坯车间
14490
12.0
1506.2
热线车间
20700
30.0
9836.6
轧机车间
8550
17.5
1422.0
冷线车间
20700
30.0
9836.6
剪切包装成品线1车间
22770
12.0
4647.8
剪切包装成品线2车间
20700
12.0
4225.2
直接轧制退火酸洗线车间
20700
30.0
9836.6
① 热板坯车间
设计中根据前期调研结合拟建车间的实际情况，热板坯车间不设供暖设施。理由如下：从新建2250mm热连轧送入热板坯车间待用的热钢卷每天多达6000t，温度为600℃，在热板坯车间需停留1d，温度仍维持在150℃左右。若考虑钢卷在通过地下运输链输送过程热量的散失，进入热板坯车间的钢卷温度冬季按500℃、夏季按550℃计算，钢卷在车间内的散热量：冬季为54.95MW，夏季为62.8MW。由计算结果可知，冬季钢卷在热板坯车间内的散热量(即车间得热量)，远大于该车间的计算供暖热负荷，据此认为该车间不需要供暖，而且需要通过通风系统带走多余热量。
   ② 其他车间
   在690m长的热线车间中，加热炉段占据约180m，而且加热炉向周边环境散发大量热量，散热量为7.74MW。因此，加热炉段不需要供暖，但需考虑在热线车间的首尾段设置供暖设施。冷线车间、直接SLN退火酸洗线车间加热炉段散热量较大，分别为7.78MW。因此，加热炉段不需要供暖，但需考虑在车间的首尾段设置供暖设施。轧机车间、剪切包装成品线1、2车间无显著发热量，因此在供暖设计时考虑供暖室内计算温度为15℃。
3 供暖系统方案比选
3.1 供暖系统方案
   ① 方案1
   采用悬挂式蒸汽暖风机+厂房大门热空气幕。经测算，大约需要悬挂式8Q型蒸汽暖风机330台。该方案曾经在太钢其他项目中大量应用，应用经验丰富。
   ② 方案2
   采用落地式大型蒸汽暖风机+厂房大门热空气幕。经测算，大约需要落地式大型蒸汽暖风机75台。暖风机长×宽×高为2500mm×1800mm×4000mm。
   ③ 方案3
   采用柔强远红外辐射供暖系统。该系统燃料采用天然气，经测算，天然气耗量约3760m3/h，大约需要500台柔强远红外辐射器。
   ④ 方案4
   采用组合式空气加热处理装置，对空气加热后送往操作人员主要活动区域，经过初步测算在拟建需要供暖车间范围内，新建该装置22套，每套装置空气处理能力为12×104m3/h，加热能力为1900kW。该装置主要利用车间回风余热，为保持车间空气的新鲜可混入20%～30%的新风。夏季时利用新风量强化室内机械通风，满足车间通风要求。
3.2 方案比较
    方案1的优点是可利用太钢蒸汽管网供汽，造价较低，启停调节灵活。缺点是安装的设备数量多，点多面广，设备检修量较大，且不利于凝结水回收，泄漏比较严重，暖风机的噪声较大。
    方案2的优点是可利用太钢蒸汽管网供汽，造价较低，启停调节灵活，凝结水回收较方便，可以保证车间内重点区域供暖要求。缺点是用汽点较多，设备外形较大，占用空间大。由于本工程厂房高大、工程所在地的冬季比较寒冷，且方案1、2的供暖方式以对流传热为主，因此必然存在高度方向的温度梯度，当工作区域温度为15℃时，厂房上部温度可达到25℃，甚至30℃。这将导致厂房上部围护结构的传热加强，导致无效能耗增加。
    方案3采用了辐射供暖，当工作区域温度为15℃时，厂房上部温度只有19℃左右。厂房上部围护结构的传热量较小。因此，方案3具有节能、环保、清洁、舒适、维护工作量小、启停灵活的优点。缺点是需要耗用高品质的天然气，造价较高，应用易受气源、燃料价格等诸多因素制约。
    方案4的优点是可充分保证厂房空气的新鲜，通过新回风混合以及空气热交换器可有效降低供暖通风的能耗。缺点为造价较高，设备以及风管占地太大。若将空气处理装置放置于厂房顶部，由于每套装置质量逾20t，必然增大厂房屋面结构、柱的荷载，导致钢结构造价、检修费用的增加。若将空气处理装置安装在地面，则主风管无法布置，且观感达不到业主要求。
    4种方案的系统造价、运行费用比较见表2。供暖时间为150d，电价为0.31元/(kW·h)，厂房平均高度按18m计算。经过经济技术性比较，方案2的造价、运行费用较低，调节灵活，因此采用方案2。
表2 4种方案的系统造价、运行费用比较
方案
方案1、2
方案3
方案4
燃料价格/(元·GJ-1)
15.00
44.76
15.00
燃料消耗/(GJ·h-1)
180
126
180
日供暖时间/(h·d-1)
24
5
18
电力负荷/kW
200
10
1650
系统造价/元
350×104
1260×104
770×104
供暖期运行费用/元
994.32×104
423.23×104
1110.00×104
4 通风系统设计
4.1 热板坯车间
经计算得，热板坯车间的余热量为53.44MW。在冬季，为充分利用该余热，考虑在该车间加强气流组织，依靠自然通风系统，在满足该车间冬季室内温度要求外，对相邻的热线车间通过热气流组织，提供部分余热，降低热线车间的供暖能耗。冬夏季两种工况下，热板坯车间通风气流组织分别见图3、4。在冬季，热板坯车间电动启闭上、下百叶窗开启，屋顶通风天窗、防风沙外墙百叶窗关闭，热气流流向热线车间。在夏季，电动启闭上百叶窗关闭，屋顶通风天窗开启排风，电动启闭下百叶窗及防风沙外墙百叶窗开启进风，可将大量余热排往室外，消除热钢卷散热对热板坯车间产生的高温影响，保证现场工人身体健康。
 

通风量的计算式为[2]：
 
式中qm——计算风量，kg/h
    Ф——车间余热量，kW
    tt——车间上部排风温度，℃
    ti——车间进风温度，℃
    车间上部排风温度tt的计算式为：
    tn=tn+α(h+2)    (2)
式中tn——工作地点计算温度，℃
    α——沿车间高度方向的温度梯度，℃/m，取0.9℃/m
    h——地面至排风窗孔中心高度，m
   ① 冬季
   冬季工况下的计算参数为：tn=18℃、ti=12℃、h=14m，由式(1)、(2)计算得，tt=32.4℃、qm=2619.8t/h。进排风面积采用热压法计算[2]，下百叶窗孔面积Aw,i的计算式为：
 
式中Aw,i——下百叶窗孔面积，m2
    μa——进风口的流量系数，取0.5
    g——重力加速度，m/s2
    h1——下百叶窗孔中心至中和面高度，m
    ρw,i——冬季进入热板坯车间的空气密度，kg/m3
    ρw,av——冬季室内平均温度下的空气密度，kg/m3
上百叶窗孔面积Aw,o的计算式为：
 
式中Aw,o——上百叶窗孔面积，m2
    μb——排风口的流量系数，取0.84
    h2——上百叶窗孔中心至中和面高度，m
    ρw,o——冬季热板坯车间排风空气密度，kg/m3
   计算参数：g=9.8m/s2、h1=6m、ρw,i=1.239kg/m3、ρw,av=1.197kg/m3、h2=8m、ρw,o =1.155kg/m3。将相关计算数据代入式(3)、(4)，计算得Aw,i=588m2、Aw,o=314m2。工程实际应用中，受到热板坯车间内热钢卷摆放位置、到达停留时间、生产组织节奏等多种不确定因素的影响，上下百叶窗孔的实际面积裕量取计算值的10%～20%，以便根据实际情况加以调整。
    ② 夏季
    夏季工况下的计算参数为：tn=32℃、ti=28℃、h=16m，由式(1)、(2)计算得，tt=48.2℃、qm=3207.9t/h。热板坯车间进风口(电动启闭下百叶窗、防风沙外墙百叶窗)面积As,i的计算式为：
 
式中As,i——热板坯车间进风口(电动启闭下百叶窗、防风沙外墙百叶窗)面积，m2
    h3——热板坯车间进风口至中和面高度，m
    ρs,i——夏季进入热板坯车间的空气密度，kg/m3
    ρs,av——夏季室内平均温度下的空气密度，kg/m3
 
式中As,o——屋顶通风天窗面积，m2
    h4——屋顶通风天窗至中和面高度，m
    ρs,o——夏季热板坯车间排风空气密度，kg/m3
   计算参数：h3=6m、ρs,i=1.157kg/m3、ρs,av=1.128kg/m3、h4=10m、ρs,o=1.1kg/m3。将相关计算数据代入式(5)、(6)，计算得As,i=897m2、As,o=424m2。计算得到的进排风口面积，只是一个通过自然通消除车间余热必须保证的最小值。工程实际应用中，受到各种不确定因素的影响，实际进排风口面积应大于计算值。
4.2 其他车间
   热线、冷线、直接轧制退火酸洗线车间都有加热炉存在，都会散发大量余热，造成车间温度的显著上升。为此，上述车间都需要在加热炉段设置通风天窗。夏季通风天窗全部开启排风，依靠的下部周边窗户自然进风，消除余热。冬季尽量关闭天窗，使热气流向下对流，不足热负荷需考虑在车间的首尾段增设供暖设施。并考虑在高侧墙设置轴流风机强化通风效果。
    轧机车间、剪切包装成品线1、2车间的通风考虑以自然通风为主，这些车间基本位于厂房的中部，车间上部增设通风天窗排风，下部采用无组织进风。车间换气次数结合以往工程经验，按0.6～1.0次/h考虑。
5 结语
    通风系统运行两年来，取得较好效果，该项目荣获2008年度行业部级优秀工程设计一等奖。
参考文献：
[1] GB 50019—2003，采暖通风与空气调节设计规范[S].
[2] 苏永森，刘锦梁.工业厂房通风技术[M].天津：天津科学技术出版社，1985.
 
(本文作者：高晔明 太原钢铁(集团)设计院(有限公司) 山西太原 030009)