1、概述

 

　　鋼鐵企業煉鐵、煉鋼、連鑄、熱軋、制氧、自備電廠等各單元均有大量的工業循環冷卻水用戶，工業循環冷卻水系統如同主工藝生產的生命線，對于正常的生產和維護設備的安全起著至關重要的作用。工業循環冷卻水系統具有系統復雜、用戶多、水量大、循環水介質種類多等特點。循環冷卻水系統能耗也*，用電負荷約占整個單元項目用電量的20~30%，大型鋼鐵聯合企業單元內循環冷卻水系統的能耗可達數千甚至上萬千瓦的電量。

 

　　在工業循環冷卻水系統設計過程中，貫徹節能措施，開展節能設計，降低水系統的電耗，將有助于控制整個項目的能耗，對于節能減排有積極的意義。本文就如何進行鋼鐵企業工業循環冷卻水系統的節能設計展開討論，可作為實際工程的借鑒和參考。

 

　　2、工業循環冷卻水系統的分類和組成

 

　　按循環水介質分類，鋼鐵企業工業循環冷卻水系統通常可分為以下幾類：純水(或軟水)密閉式循環水處理系統、敞開式工業凈循環水處理系統、濁循環水處理系統等。

 

　　2.1純水(或軟水)密閉式循環水系統

 

　　純水(或軟水)密閉式循環水系統常用于關鍵設備的間接冷卻。純水(或軟水)密閉式循環水系統內循環水基本與外界隔絕，以確保水質。

 

　　常用的純水(或軟水)密閉式循環水系統的工藝流程如下：

 

　　Ø水處理站循環供水泵出水→工藝設備→板式換熱器→回水至水處理站循環供水泵；

 

　　Ø水處理站循環供水泵出水→工藝設備→蒸發空冷器→回水至水處理站循環供水泵。

 

　　2.2敞開式工業凈循環水系統

 

　　敞開式工業凈循環水系統常用于一般設備的間接冷卻及作為換熱器的冷媒水。工業凈循環水系統為敞開式系統，也是zui常見的循環水系統。

 

　　工業凈循環水系統常用的工藝流程為：

 

　　Ø水處理站循環供水泵出水→自清洗過濾器→工藝設備→冷卻塔→冷水池→水處理站循環供水泵吸水；

 

　　Ø換熱器冷媒水出水(溫度升高)→冷卻塔→冷水池→換熱器循環供水泵→自清洗過濾器→換熱器冷媒水進水。

 

　　2.3濁循環水系統

 

　　濁循環水系統常用于冶金行業的煉鐵、煉鋼、連鑄、熱軋等單元的煤氣清洗、沖渣、火焰切割、噴霧冷卻、淬火冷卻、精煉除塵等。

 

　　濁循環水系統常用的工藝流程如下。

 

　　Ø煤氣清洗濁循環水：廢水→高架流槽→粗顆粒分離器→輻流式沉淀池→熱水池→冷卻塔→冷水池→回水至用戶；

 

　　Ø沖渣濁循環水：沖渣水→鐵皮溝→旋流池→平流沉淀池(帶撇油裝置)→高速過濾器→冷卻塔→冷水池→回水至用戶；

 

　　Ø淬火冷卻濁循環水：用戶回水→鐵皮溝→熱水池→部分水過濾→部分水上冷卻塔→冷水池→與未冷卻、過濾的水混合→回水至用戶；

 

　　Ø火焰切割與噴霧冷卻濁循環水：用戶回水→鐵皮溝→旋流池→平流沉淀池(帶撇油裝置)或化學除油沉淀器→熱水池→冷卻塔→冷水池→高速過濾器→回水至用戶；

 

　　Ø精煉除塵濁循環水：用戶回水→熱井罐或熱水池→混合池→反應池→平流沉淀池(或斜板沉淀池)→熱水池→冷卻塔→冷水池→回水至用戶

 

　　3、工業循環冷卻水系統能耗的組成

 

　　從上述各種工業循環冷卻水系統流程分析來看，工業循環冷卻水系統的能耗由以下幾部分組成：水量能耗、水壓能耗、用水方式能耗、熱量能耗、距離能耗和水力不平衡能耗等。

 

　　3.1水量能耗

 

　　無論對于密閉式循環水系統、敞開式工業凈循環水系統還是濁循環水系統，工藝設備用戶都需要大量的循環冷卻水，要供水則必須供電，用戶多、水量大則用電需求量大，也意味著能耗高，擁護少、水量小則用電需求量小，也意味著能耗小。

 

　　3.2水壓能耗

 

　　密閉式循環水系統、敞開式工業凈循環水系統或是濁循環水系統，不同的工藝設備用戶，其用水水壓要求也不同，壓力要求高則能耗高，壓力要求低則能耗低。就水壓能耗而言，密閉式循環水系統所須增加的水壓用于補償整個管網系統水頭損失(包括設備、管路、閥門等的水頭損失)；而敞開式工業凈循環水系統和濁循環水系統存在泄壓點，供水壓力根據用戶要求并計算沿程管路的水頭損失而定。敞開式工業凈循環水系統雖然在車間工藝設備用戶處是閉路管網，但到了水處理站有冷卻塔，冷卻塔就是敞開式工業凈循環水系統的泄壓點。濁循環水系統通常在工藝設備處就是泄壓點，因為濁循環水一般是用來直接冷卻工藝設備或沖洗用的，必然泄壓。

 

　　所以，就水壓能耗而言，由于敞開式工業凈循環水系統和濁循環水系統都存在泄壓泄能，因此密閉式循環水系統的水壓能耗要遠低于敞開式工業凈循環水系統和濁循環水系統。

 

　　另外，在考慮水壓能耗時，不僅要考慮供水壓力的因素，也同時要考慮壓力回水這一因素。對于循環水系統而言，有供水則必有回水。回水的壓力必須能滿足從主工藝單元車間回水至循環水處理站。

 

　　3.3用水方式能耗

 

　　用水方式能耗主要體現在用水制度上。用水制度分為連續用水制度和間斷用水制度。連續用水制度用電量一定高于間斷用水制度，連續用水制度能耗也一定高于間斷用水制度能耗。

 

　　3.4熱量能耗

 

　　工業循環冷卻水，特別是閉式循環冷卻水系統和敞開式工業凈循環水系統，其主要作用是帶走在生產過程中由工藝設備所產生的大量熱量、冷卻設備。對于工業循環冷卻水系統而言，帶走熱量的主要途徑是換熱器、蒸發空冷器或是冷卻塔，如果采用換熱器作為間接冷卻的手段，其zui后起冷卻作用的還是冷卻塔。冷卻塔與蒸發空冷器要實現熱量在循環水系統與大氣之間的交換，勢必也要消耗電力、消耗能量。循環水系統供回水溫差越大，需要交換的熱量就越大，風機的電耗也越大，能耗就越高。另外，如果用戶要求的水溫越低，也會直接導致冷卻塔或蒸發空冷器用電量的增大和能耗的上升。

 

　　3.5距離能耗

 

　　距離能耗主要是指水處理站與主體工藝單元車間之間的管道距離所產生的水頭損失。供水回水管路短，管道的水頭損失就小，可以適當的降低供水水泵的電機功率，在長期的運行中可節約能源，以一座循環水量為10000m3/h的工業凈循環水處理站為例，每縮短100m的供回水管路，約可節約用電40kW左右。

 

　　3.6水力不平衡能耗

 

　　鋼鐵企業工業循環冷卻水系統復雜、水量大、用戶多且分散，用戶位置的高低、用水量的大小也往往不同，在調試和生產運行過程中，各用戶之間水力不平衡的現象時有發生。有的工藝設備用水點的用水量和供水壓力要求始終偏小得不到滿足，通常采取以下措施來應對：①局部用戶前增設新的加壓泵場提高水壓，如果直接從管網抽水則要求是被抽水的循環水總管管徑足夠大，不影響附近用戶的用水，如果是增設水池，勢必增加額外動能，同時也增加了土建的投資；②在整個循環水系統中增加總循環水量和水壓。但這些都只是掩蓋水力不平衡并沒有真正解決問題。有的工藝設備用水點剩余水頭過多，在大量泄水或處于超壓狀態，只能在管網上增設減壓節流措施。水力不平衡不僅造成了循環水系統內部的混亂，影響生產，也大量浪費了能源，這就是所謂的水力不平衡能耗[1]。

 

　　4、節能設計措施

 

　　要實施循環冷卻水系統的節能，就要針對上述工業循環冷卻水系統的能耗組成進行分析，對于各種能耗提出合理的節能建議和措施，具體如下。

 

　　4.1水量能耗

 

　　通常，鋼鐵企業工業循環冷卻水系統的循環水量是通過匯總各工藝設備所需求的水量而成的。從表面看，水量似乎是確定的和*的，但實際上*可以通過合理的技術分析，控制循環水量，降低水量能耗。

 

　　首先，對于各工藝設備用戶而言，循環水的主要目的是為了帶走熱量、冷卻設備。各工藝設備擁護所控制的主要指標也是溫度，特別是進水水溫。設定由循環冷卻水系統所須帶走的熱量為W，進水水溫為t1，出水水溫為t2，循環水量為Q，水的比熱為γ，則W=Q·γ·(t2-t1)。熱量W是在工藝設備生產過程中產生的，一般是確定值，進水水溫由于有較為嚴格的限定，也是確定的。如果能提高出水水溫，則可以降低循環水水量，從而達到降低水量能耗的目的。如將工藝設備用戶的進出水溫差由10℃提高到15℃，可使循環水量降低1/3。

 

　　當然，提高了工藝設備的出水溫度勢必增加后續冷卻塔或是蒸發空冷器的進水溫度，造成熱量能耗的上升，這一點在后文再做相關討論。

 

　　4.2水壓能耗

 

　　水壓能耗包括供水水壓能耗和回水水壓能耗。一般循環水系統的類型是根據用戶的重要程度和用戶對供水水質的要求確定的。供水壓力也是根據用戶的需求確定的。因此降低水壓能耗zui為關鍵之處理在于如何處理好回水水壓能耗的問題。

 

　　對于密閉式循環水系統和敞開式工業凈循環水系統而言，回水壓力即供水壓力扣除工藝設備的水頭損失后的余壓，只要計算準確，確定了合理的供水壓力也就確定了回水壓力了。但對于濁循環水系統而言，情況就較為復雜了。濁循環水主要用于設備的直接冷卻或沖洗等。經過用戶后通常都會泄壓。因此，要控制回水水壓能耗，其實就是要盡量實施重力流回水。

 

　　要實施重力流回水，首先要判斷從主工藝設備到循環水處理設施，兩者的高程是否可以滿足重力回水zui基本的要求。其次，要對現場情況或是各專業施工圖紙進行周密的分析，尋找合適合理的路由。目前，寶鋼已經成功的實施了RH濁循環無壓重力流回水，改變了以往RH濁循環回水采用熱井泵提升送往水處理設施的做法，起到了良好的經濟效果，大大的降低了RH的能耗。

 

　　4.3用水方式能耗

 

　　目前在實際生產過程中，大部分的用戶都是間斷用水，而從安全生產的角度出發，鋼鐵企業的循環冷卻水系統無論從設計角度還是生產運行角度均按各用戶連續用水考慮。循環冷卻水系統均為恒壓供水系統，常規的做法是，在循環水總管上設置旁通閥或是泄壓閥，當用戶用水需求量減小或是用戶數量減少時，會造成管網壓力的上升，這時開啟旁通或是泄壓閥，仍使恒定的流量通過循環冷卻水系統回至水處理站。這樣的做法造成了很大的能源浪費。因此，如何降低因用水方式造成的能耗必須加以研究。隨著國內技術的發展，國產變頻技術已經日趨成熟可靠，設置變頻水泵組或是在一組水泵內設置1~2臺變頻水泵應成為可靠的節能手段。

 

　　由GB12497《三相異步電動機經濟運行》強制性國家標準實施監督指南中的計算公式，Ki為調速后的節電率，QN為額定流量，Q為實際流量，若流量的調節范圍為Q=(0.5~1)QN，則調速后節電率為Ki=1-(Q/QN)3/[0.45+0.55(Q/QN)2]，節電率zui高可達78.7%。

 

　　4.4熱量能耗

 

　　熱量能耗主要體現為在循環水系統中冷卻塔或蒸發空冷器為冷卻工業用水所消耗的動能。

 

　　冷卻塔或蒸發空冷器所要帶走的熱量為在工藝生產過程中由設備傳遞給循環水的熱量。冷卻塔或蒸發空冷器所要帶走的熱量的多少也取決于設備傳遞給循環水的熱量的多少。該熱量值的多少決定了冷卻塔或蒸發空冷器所須消耗的動能。但是，決定冷卻塔或蒸發空冷器所須消耗的動能值除了工藝設備在生產過程中產生的熱量之外，冷卻塔的出水溫度即所需要冷卻至某個溫度指標的值對冷卻塔能量消耗也起到了很大的作用。例如，帶走同樣的熱量值，將循環水由50℃降低至40℃所需消耗的能量要遠小于將循環水由43℃降低至33℃的能量。在工藝設備條件允許的前提下，應盡量提高循環冷卻水的供水溫度即冷卻塔或蒸發空冷器的出水溫度。

 

　　在前文水量能耗中提到提高工藝設備的出水水溫，可以降低循環水水量，從而達到降低水量能耗的目的。但工藝設備的出水溫度勢必增加后續冷卻塔或是蒸發空冷器的進水溫度，造成熱量能耗的上升。從工程實際來看，提高工藝設備的出水水溫所增加的熱量能耗要遠小于通過降低循環水水量所節省的能耗。因此，在工藝允許范圍內提高工藝設備的出水水溫仍是有效的節能措施。

 

　　另外，在目前實際工程設計過程中，常有按照工藝設備zui不利溫度或溫差作為冷卻塔或蒸發空冷器選型依據的。實際上，循環水系統內有大量的循環水用戶，有的用戶供回水溫差大，有的用戶供回水溫差小。因此，建議采用加權平均設計的方法，計算出綜合的循環冷卻水系統的供回水溫差來進行冷卻塔的選型。在循環水系統的溫度和熱量計算時，更多的采用熱量平衡的設計方法而不是簡單或機械的收集工藝設備的數據，這對于減少不必要的因計算過于富裕而產生的熱量能耗起到了極其重要的作用。

 

　　4.5距離能耗

 

　　在條件許可的情況下，工業循環冷卻水處理站的選址首先要盡量貼近主工藝、緊鄰主要用戶布置。

 

　　4.6水力不平衡能耗

 

　　水力不平衡通常分為四種情況：①由于設計不合理，將用水壓力要求相差懸殊的用戶設置在了一個循環水系統中，人為的造成了系統內部的水力不平衡；②由于管網水力計算的不合理，管徑選取不當，使同一循環水系統內的不同用戶之間的水頭損失相差較大，導致的水力不平衡；③工業循環水用戶本身的情況可能是在變化的，用水量的變化致使管道性能曲線和工作點不斷變動，導致循環水系統的水泵的流量和揚程隨之變化，造成了系統水力不平衡，這種情況對于密閉式循環冷卻水系統的作用和影響尤為明顯；④同一系統內的各用戶本身的局限性所造成的不平衡，如距離水泵近或者位置較低的用戶供水壓力高、相對流量大，距離水泵遠或者位置較高的用戶供水壓力低相對流量小，而工藝設備用戶生產所需要的水量、水壓是有一定要求的，造成了這種不平衡。

 

　　水力不平衡能耗實質上是因循環水系統的不合理或不完善所造成的能量浪費。在系統設計時實施水力平衡設計，是降低水力不平衡能耗的*途徑和措施。具體如下：

 

　　①要求通過合理的系統劃分與歸并，使工程內工業循環冷卻水系統數量zui小化，以節約一次性工程造價和投資；

 

　　②通過較為準確的水力計算，合理選擇循環水管道的管徑,避免循環水管網阻力過大或過小；

 

　　③采取適當的水量、水壓調節措施，使同一循環水系統中的不同的用戶盡量少受距離水源遠近或用戶位置高低等外界因素的影響，系統內各用戶相互之間的影響也zui小化；

 

　　④通過水源水泵的合理選型，使供水水源盡可能的具備一定的調節能力，符合生產的慣例。

 

　　通過上述工作，使循環水系統內部各用戶用水量和供水水壓的要求均能得到滿足，且要符合節能的要求。