醫藥廠房蒸汽凝結水熱回收的設計與探討

文／丁淑紅 生特瑞（上海）工程顧問股份有限公司 上海 200335

引言：

在醫藥廠房的運行中，蒸汽作為一種常見的能源，一般用于純水或注射水的制備，工藝設備消毒，空調加濕及空調供熱等。大量蒸汽經換熱后變成的凝結水，仍有20～30%的蒸汽熱量。

經調查，當市政供汽時，較多醫藥廠房未對蒸汽凝結水進行回收利用，而是直接排入市政污水管網，只有小部分企業將其冷卻作為工業冷卻塔補水。

本文以某醫藥廠房的蒸汽凝結水熱回收設計為例，介紹了凝結水的回收情況，并從可靠性、經濟性、節能性對凝結水熱回收方式的選擇，控制邏輯的選用、二次蒸汽的處理等進行了分析及經驗總結。

1、工程概述

本項目為地處無錫市，總建筑面積為41100m，建筑功能主要為潔凈生產廠房、倉庫、實驗區等。

市政蒸汽為過熱蒸汽，蒸汽表壓為0.7MPa，溫度215℃，無市政凝結水回收管網。一二期共用一套蒸汽系統，蒸汽主管由廠區內蒸汽站接管至北邊的熱力機房內，熱力機房位于一期倉庫二層。各期蒸汽及凝結水量如下：

2、凝結水回收的難點

2.1 回收方式的確定

凝結水回收系統的方式，根據凝結水箱是否與大氣相通，分為開式回水及閉式回水。

閉式系統因其不與大氣相通，凝結水管道和附件的腐蝕相對較輕，凝結水水質好，常用于補水量大的產汽設備，如蒸汽鍋爐等。開式回水，由于凝結水與大氣相通，管道和附件易被腐蝕且凝結水質較差，但其系統簡單，投資較低，也有較多企業采用。

根據回收動力形式，凝結水回收方式的主要有三種：重力回水，余壓回水，機械加壓回水。

（1）重力回水，利用凝結水管與凝結水箱的高差作為動力，對凝結水進行回收的方式。此方式只適用于地勢平坦且坡向凝集水箱的場合，凝結水箱需低于凝結水回收干管，一般用于小型蒸汽系統。

（2）余壓回水，用汽設備的凝結水利用疏水閥后的背壓回收至凝結水箱的方式。此方式對坡度及坡向無嚴格要求，但由于余壓回水的凝結水管中常是汽、水兩相流動，極易產生水擊，且當壓力相差較大的凝結水合流時，會相互干擾，故一般用于作用半徑不大、凝結水量不多、用戶分散的中小型廠區。

（3）機械加壓回水，當無法采用重力或余壓回水方式時，采用水泵對凝結水進行加壓回收至凝結水箱的方式。此種方式使用于任何場合，但水泵需消耗能源且存在汽蝕問題。

本項目總凝結水箱位于倉庫二樓熱力站內，其中一期生產樓最遠點凝結水距離總凝結水箱170m，二期生產樓最遠點凝結水距離總凝結水箱360m，空調換熱器距離凝結水箱15m。由于蒸汽凝結水分散，且距離相差大，故如何合理得確定回水方式，保證凝結水回收量的穩定及回收量最大化，對凝結水熱回收的經濟效益至關重要。

此外，不同的回水方式，其產生的閃蒸蒸汽量也不同，如何合理得收集和利用閃蒸蒸汽，解決冬天“白龍”的現象，也直接影響熱回收的經濟和環保效益。

2.2 凝結水的冷卻

由于空調熱水回水溫度為50℃，凝結水回收溫度為85～90℃，凝結水與空調熱水回水熱交換后，其水溫一般在55℃左右，由于凝結水排放溫度不得大于40℃，故凝結水進行熱回收后，不可直接排放，需降溫至40℃以下才可排放。

工業廠房常用的降溫措施有兩種：一是在廠內設置一個自然降溫池，二是混入其他低溫廢水或污水。自然降溫池存在占地較大，冬天冒白汽，影響廠區環境的問題；廢水混水降溫的方式，當凝結水水溫高且水量較大時不適用。因此需采用一種更合理的高效冷卻方式來解決凝結水的排放問題。

2.3 其他問題

如何確定凝結水箱的形式尺寸，熱回收換熱器一次側、二次側水泵選型，熱回收的控制邏輯，需結合凝結水最小及最大回收量，機房面積，凝結水的降溫排放、空調熱水流量等因素統一考慮。

3、凝結水回收設計

3.1 回收方式設計

本項目的凝結水80%的凝結水由熱力站（倉庫）內用于產生空調熱水的蒸汽-水板式換熱器產生，20%由一期、二期生產樓的工藝設備及純水制備等產生。

本項目為市政蒸汽，凝結水不需回收至市政熱力站，即對凝結水回水水質無要求。由于閉式回收系統復雜，投資較大，且容易發生汽蝕，故本項目采用開式回水方式。

由于大部分的凝結水產生在熱力機房內，靠近凝結水箱，考慮經濟性，熱力機房內的凝結水全部采用余壓回水，直接回收至凝結水箱；一二期生產樓的凝結水皆采用開式汽動型凝結水回收泵組回收至凝集水箱，回收流程圖如下：

圖1 蒸汽凝結水回收流程圖

汽動型凝結水泵，主要由開式集水罐, 動力機械泵，浮球式疏水閥，過濾器，止回閥等組成，如下圖2：

圖2 汽動凝結水回收泵組

當機械泵內水位達到設計值時，浮球結構聯動關閉排氣口，打開進汽口，將泵內凝結水壓至回收管網。

本項目生產樓的瞬時最大凝結回水量為1～2t/h，輸送揚程為6～10m，而當凝結水回收泵組以0.4MPa 的蒸汽為動力介質時，最大瞬時回收量可達20t/h，最大揚程可至30m，因此可選用汽動凝結水回收泵。

選用汽動凝結水回收泵對凝結水進行回收，不但有效地解決了醫藥廠房長距離輸送問題，還有如下優點非常適用于醫藥廠房：

（1）汽動凝結水回收泵不需消耗電能，只需提供少量蒸汽即可，因此該系統不但能節約電能，還不受停電的影響。

（2）機械泵不存在汽蝕問題，設備故障率低，系統可靠性及穩定性大幅提高。

3.2 閃蒸蒸汽的處理

本項目的閃蒸蒸汽主要產生在凝結水回收泵組的開式集水罐及熱力機房的凝結水箱。為解決閃蒸蒸汽導致的“白龍”現象，在開式集水罐及凝結水箱的通氣管上增設一個冷卻換熱器。冷卻換熱器的一次側為通氣管內的閃蒸蒸汽，二次側為少量自來水，通過自來水將閃蒸蒸汽冷卻至液態，同時將加熱后的自來水接至熱回收凝結水箱，從而解決閃蒸蒸汽問題。

4、熱回收設計

4.1 熱回收流程

本項目將凝結水集中回收后，通過水-水板式換熱器及高溫水泵對凝結水的余熱進行回收利用。板式換熱器的一次側為凝結水箱及凝結水回收水泵，二次側為部分空調熱水回水及熱水回收泵。

二次側的部分50℃的熱水從集水器經熱水回水泵加壓輸送至水-水板換熱器中，與一次側凝結水進行逆流熱交換后，再與剩下的熱水回水混合，進入蒸汽-水換熱器，熱回收圖流程圖如下：

4.2 回收熱量計算

由表1知，考慮同時系數為0.9 時，凝結水最大瞬時回收量為9351kg/h（冬季），最小回收量為6681kg/h（夏季及過渡季）。凝結水溫度為85～90℃，空調熱水回水溫度為50℃，板式換熱器的效率取90%，一次側出水溫度為55℃，二次側出水溫度為70℃。

表1 各期蒸汽及凝結水量匯總表

最小回收熱量為=4.2×6681×（85-55）／36 00×0.9=211kw；

最大回收熱量為=4.2×9351×（90-55）／36 00×0.9=344kw。

工廠蒸汽耗量谷值運行天數為210 天，峰值運行為140 天，每天運行16 小時，則每年回收熱量為：

=（211×210+344×140）×16=158×10kW·h

換算成蒸汽耗量，則為每年將節約蒸汽耗量：

=56.9×10÷（2707-251）÷0.9=2575t

無錫市的蒸汽價格為180 元/噸，則本項目每年節約的蒸汽費用約為：

180×2575=463500 元

4.3 熱回收控制設計

根據凝結水的最小瞬時回收量及最大瞬時回收量，并結合考慮機房面積，本項目設置一個30m的組合式凝結水箱。此水箱由兩個分隔水箱組成，詳見圖3。

圖3 凝結水熱回收流程圖

其中水箱A 體積設計為20m，水箱B 體積設計為10 m，水箱A 與水箱B 之間由一根溢流管道連通。當水箱A 高度超過極限液位時（取9.5m），通過溢流管流至水箱B。

水箱A 設置液位傳感器，其中液位不低于水箱A 供回水管之間容積的1/3，取6.5m。凝結水回收泵設計流量取凝結水最大瞬時回收量9.6m/h（9351kg/h），即水泵選型額定流量附加10%為10.6m/h。為防止二次側出水溫度過高，二次側熱水回水泵設計流量取，當水箱A液位達到低液位時，開啟凝結水回收泵，同時連鎖開啟熱回收換熱器二次側的熱水回收泵。

為保證最大化回收凝結熱，凝結水回收管接至水箱A底部，同時凝結水泵從水箱A 底部抽取凝結水送往熱回收換熱器，然后回水至水箱頂部，可保證溢流到水箱B 的為低溫凝結水。

5、凝結水的冷卻及排放

水箱B 設置液位傳感器，當水箱液位超過限定值時開啟凝結水冷卻泵，將凝結水輸送至加濕型風冷冷卻器，當凝結水冷卻至32℃后，回至水箱B 頂部。當水箱B 液位高于溢流管時，通過溢流管排出，詳見圖4：

圖4 凝結水冷卻流程圖

同時水箱B 設置一路自來水，防止凝結水冷卻系統故障或來不及冷卻至40℃時，將凝結水混水至40℃以下排放。

結語：

本文通過實際工程項目，對醫藥廠房的蒸汽凝結水回收及利用進行了詳述，通過此次設計，本人的經驗總結及建議如下：

（1）對于蒸汽用量相對穩定且用量較大的醫藥廠房，合理得回收及利用蒸汽凝結水，將帶來顯著的經濟效益。本項目通過對凝結水的熱回收，工廠將每年節約46.4 萬元的蒸汽費用。

（2）蒸汽的凝結水回收方式，應根據回水量、距離，造價，系統穩定性進行確定，對于凝結水不用作補水或凝結水回收水質要求不高，可采用開式凝結水箱回水；

（3）醫藥廠房的凝結水回收可采用余壓回水與機械回水相結合的方式。當工藝凝結水回收量不大于20t/h，回收揚程不大于30m 時，可采用汽動型凝結水回收泵組回收凝結水，可防止水泵汽蝕且不需消耗電能；換熱凝結水一般離凝結水箱較近，可采用余壓回水。

（4）開式水箱的閃蒸蒸汽，可在通氣管處增設冷卻換熱器，以解決水箱的“白龍”現象。

（5）需統籌考慮凝結水箱的形式及尺寸，熱回收的設備的選型及控制邏輯，凝結水冷卻設備的形式，供回水管的接管等，以最大化凝結水熱回收量和保證凝結水水排放溫度滿足環保及規范要求。