鋼鐵企業(yè)的工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)探討
1.概述
鋼鐵企業(yè)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(yè)循環(huán)冷卻水用戶，工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)如同主工藝生產(chǎn)的生命線，對(duì)于正常的生產(chǎn)和維護(hù)設(shè)備的安全起著至關(guān)重要的作用。工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)具有系統(tǒng)復(fù)雜、用戶多、水量大、循環(huán)水介質(zhì)種類多等特點(diǎn)。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)能耗也極高，用電負(fù)荷約占整個(gè)單元項(xiàng)目用電量的20~30%，大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)單元內(nèi)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的能耗可達(dá)數(shù)千甚至上萬(wàn)千瓦的電量。
在工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，貫徹節(jié)能措施，開(kāi)展節(jié)能設(shè)計(jì)，降低水系統(tǒng)的電耗，將有助于控制整個(gè)項(xiàng)目的能耗，對(duì)于節(jié)能減排有積極的意義。本文就如何進(jìn)行鋼鐵企業(yè)工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)展開(kāi)討論，可作為實(shí)際工程的借鑒和參考。
2.工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的分類和組成
按循環(huán)水介質(zhì)分類，鋼鐵企業(yè)工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)通常可分為以下幾類：純水(或軟水)密閉式循環(huán)水處理系統(tǒng)、敞開(kāi)式工業(yè)凈循環(huán)水處理系統(tǒng)、濁循環(huán)水處理系統(tǒng)等。
2.1純水(或軟水)密閉式循環(huán)水系統(tǒng)
純水(或軟水)密閉式循環(huán)水系統(tǒng)常用于關(guān)鍵設(shè)備的間接冷卻。純水(或軟水)密閉式循環(huán)水系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)水基本與外界隔絕，以確保水質(zhì)。
常用的純水(或軟水)密閉式循環(huán)水系統(tǒng)的工藝流程如下：
? 水處理站循環(huán)供水泵出水→工藝設(shè)備→板式換熱器→回水至水處理站循環(huán)供水泵;
? 水處理站循環(huán)供水泵出水→工藝設(shè)備→蒸發(fā)空冷器→回水至水處理站循環(huán)供水泵。
2.2敞開(kāi)式工業(yè)凈循環(huán)水系統(tǒng)
敞開(kāi)式工業(yè)凈循環(huán)水系統(tǒng)常用于一般設(shè)備的間接冷卻及作為換熱器的冷媒水。工業(yè)凈循環(huán)水系統(tǒng)為敞開(kāi)式系統(tǒng)，也是最常見(jiàn)的循環(huán)水系統(tǒng)。
工業(yè)凈循環(huán)水系統(tǒng)常用的工藝流程為：
? 水處理站循環(huán)供水泵出水→自清洗過(guò)濾器→工藝設(shè)備→冷卻塔→冷水池→水處理站循環(huán)供水泵吸水;
? 換熱器冷媒水出水(溫度升高)→冷卻塔→冷水池→換熱器循環(huán)供水泵→自清洗過(guò)濾器→換熱器冷媒水進(jìn)水。
2.3濁循環(huán)水系統(tǒng)
濁循環(huán)水系統(tǒng)常用于冶金行業(yè)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(huán)水系統(tǒng)常用的工藝流程如下。
? 煤氣清洗濁循環(huán)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;
? 沖渣濁循環(huán)水：沖渣水→鐵皮溝→旋流池→平流沉淀池(帶撇油裝置)→高速過(guò)濾器→冷卻塔→冷水池→回水至用戶;
? 淬火冷卻濁循環(huán)水：用戶回水→鐵皮溝→熱水池→部分水過(guò)濾→部分水上冷卻塔→冷水池→與未冷卻、過(guò)濾的水混合→回水至用戶;
? 火焰切割與噴霧冷卻濁循環(huán)水：用戶回水→鐵皮溝→旋流池→平流沉淀池(帶撇油裝置)或化學(xué)除油沉淀器→熱水池→冷卻塔→冷水池→高速過(guò)濾器→回水至用戶;
? 精煉除塵濁循環(huán)水：用戶回水→熱井罐或熱水池→混合池→反應(yīng)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(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)能耗的組成
從上述各種工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)流程分析來(lái)看，工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)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(wú)論對(duì)于密閉式循環(huán)水系統(tǒng)、敞開(kāi)式工業(yè)凈循環(huán)水系統(tǒng)還是濁循環(huán)水系統(tǒng)，工藝設(shè)備用戶都需要大量的循環(huán)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(hù)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(huán)水系統(tǒng)、敞開(kāi)式工業(yè)凈循環(huán)水系統(tǒng)或是濁循環(huán)水系統(tǒng)，不同的工藝設(shè)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(huán)水系統(tǒng)所須增加的水壓用于補(bǔ)償整個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)水頭損失(包括設(shè)備、管路、閥門等的水頭損失);而敞開(kāi)式工業(yè)凈循環(huán)水系統(tǒng)和濁循環(huán)水系統(tǒng)存在泄壓點(diǎn)，供水壓力根據(jù)用戶要求并計(jì)算沿程管路的水頭損失而定。
敞開(kāi)式工業(yè)凈循環(huán)水系統(tǒng)雖然在車間工藝設(shè)備用戶處是閉路管網(wǎng)，但到了水處理站有冷卻塔，冷卻塔就是敞開(kāi)式工業(yè)凈循環(huán)水系統(tǒng)的泄壓點(diǎn)。濁循環(huán)水系統(tǒng)通常在工藝設(shè)備處就是泄壓點(diǎn)，因?yàn)闈嵫h(huán)水一般是用來(lái)直接冷卻工藝設(shè)備或沖洗用的，必然泄壓。
所以，就水壓能耗而言，由于敞開(kāi)式工業(yè)凈循環(huán)水系統(tǒng)和濁循環(huán)水系統(tǒng)都存在泄壓泄能，因此密閉式循環(huán)水系統(tǒng)的水壓能耗要遠(yuǎn)低于敞開(kāi)式工業(yè)凈循環(huán)水系統(tǒng)和濁循環(huán)水系統(tǒng)。
另外，在考慮水壓能耗時(shí)，不僅要考慮供水壓力的因素，也同時(shí)要考慮壓力回水這一因素。對(duì)于循環(huán)水系統(tǒng)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(huán)水處理站。
3.3用水方式能耗
用水方式能耗主要體現(xiàn)在用水制度上。用水制度分為連續(xù)用水制度和間斷用水制度。連續(xù)用水制度用電量一定高于間斷用水制度，連續(xù)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(yè)循環(huán)冷卻水，特別是閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)和敞開(kāi)式工業(yè)凈循環(huán)水系統(tǒng)，其主要作用是帶走在生產(chǎn)過(guò)程中由工藝設(shè)備所產(chǎn)生的大量熱量、冷卻設(shè)備。對(duì)于工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)而言，帶走熱量的主要途徑是換熱器、蒸發(fā)空冷器或是冷卻塔，如果采用換熱器作為間接冷卻的手段，其最后起冷卻作用的還是冷卻塔。
冷卻塔與蒸發(fā)空冷器要實(shí)現(xiàn)熱量在循環(huán)水系統(tǒng)與大氣之間的交換，勢(shì)必也要消耗電力、消耗能量。循環(huán)水系統(tǒng)供回水溫差越大，需要交換的熱量就越大，風(fēng)機(jī)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(huì)直接導(dǎo)致冷卻塔或蒸發(fā)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(chǎn)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(dāng)?shù)慕档凸┧玫碾姍C(jī)功率，在長(zhǎng)期的運(yùn)行中可節(jié)約能源，以一座循環(huán)水量為10000m3/h的工業(yè)凈循環(huán)水處理站為例，每縮短100m的供回水管路，約可節(jié)約用電40kW左右。
3.6水力不平衡能耗
鋼鐵企業(yè)工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)復(fù)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(diào)試和生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，各用戶之間水力不平衡的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。有的工藝設(shè)備用水點(diǎn)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(lái)應(yīng)對(duì)：①局部用戶前增設(shè)新的加壓泵場(chǎng)提高水壓，如果直接從管網(wǎng)抽水則要求是被抽水的循環(huán)水總管管徑足夠大，不影響附近用戶的用水，如果是增設(shè)水池，勢(shì)必增加額外動(dòng)能，同時(shí)也增加了土建的投資;②在整個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)中增加總循環(huán)水量和水壓。但這些都只是掩蓋水力不平衡并沒(méi)有真正解決問(wèn)題。有的工藝設(shè)備用水點(diǎn)剩余水頭過(guò)多，在大量泄水或處于超壓狀態(tài)，只能在管網(wǎng)上增設(shè)減壓節(jié)流措施。水力不平衡不僅造成了循環(huán)水系統(tǒng)內(nèi)部的混亂，影響生產(chǎn)，也大量浪費(fèi)了能源，這就是所謂的水力不平衡能耗。
4.節(jié)能設(shè)計(jì)措施
要實(shí)施循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的節(jié)能，就要針對(duì)上述工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的能耗組成進(jìn)行分析，對(duì)于各種能耗提出合理的節(jié)能建議和措施，具體如下。
4.1水量能耗
通常，鋼鐵企業(yè)工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的循環(huán)水量是通過(guò)匯總各工藝設(shè)備所需求的水量而成的。從表面看，水量似乎是確定的和唯一的，但實(shí)際上完全可以通過(guò)合理的技術(shù)分析，控制循環(huán)水量，降低水量能耗。
首先，對(duì)于各工藝設(shè)備用戶而言，循環(huán)水的主要目的是為了帶走熱量、冷卻設(shè)備。各工藝設(shè)備擁護(hù)所控制的主要指標(biāo)也是溫度，特別是進(jìn)水水溫。設(shè)定由循環(huán)冷卻水系統(tǒng)所須帶走的熱量為W，進(jìn)水水溫為t1，出水水溫為t2，循環(huán)水量為Q，水的比熱為γ，則W=Q·γ·(t2-t1)。熱量W是在工藝設(shè)備生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的，一般是確定值，進(jìn)水水溫由于有較為嚴(yán)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(huán)水水量，從而達(dá)到降低水量能耗的目的。如將工藝設(shè)備用戶的進(jìn)出水溫差由10℃提高到15℃，可使循環(huán)水量降低1/3。
當(dāng)然，提高了工藝設(shè)備的出水溫度勢(shì)必增加后續(xù)冷卻塔或是蒸發(fā)空冷器的進(jìn)水溫度，造成熱量能耗的上升，這一點(diǎn)在后文再做相關(guān)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(huán)水系統(tǒng)的類型是根據(jù)用戶的重要程度和用戶對(duì)供水水質(zhì)的要求確定的。供水壓力也是根據(jù)用戶的需求確定的。因此降低水壓能耗最為關(guān)鍵之處理在于如何處理好回水水壓能耗的問(wèn)題。
對(duì)于密閉式循環(huán)水系統(tǒng)和敞開(kāi)式工業(yè)凈循環(huán)水系統(tǒng)而言，回水壓力即供水壓力扣除工藝設(shè)備的水頭損失后的余壓，只要計(jì)算準(zhǔn)確，確定了合理的供水壓力也就確定了回水壓力了。但對(duì)于濁循環(huán)水系統(tǒng)而言，情況就較為復(fù)雜了。濁循環(huán)水主要用于設(shè)備的直接冷卻或沖洗等。經(jīng)過(guò)用戶后通常都會(huì)泄壓。因此，要控制回水水壓能耗，其實(shí)就是要盡量實(shí)施重力流回水。
要實(shí)施重力流回水，首先要判斷從主工藝設(shè)備到循環(huán)水處理設(shè)施，兩者的高程是否可以滿足重力回水最基本的要求。其次，要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況或是各專業(yè)施工圖紙進(jìn)行周密的分析，尋找合適合理的路由。目前，寶鋼已經(jīng)成功的實(shí)施了RH濁循環(huán)無(wú)壓重力流回水，改變了以往RH濁循環(huán)回水采用熱井泵提升送往水處理設(shè)施的做法，起到了良好的經(jīng)濟(jì)效果，大大的降低了RH的能耗。
4.3用水方式能耗
目前在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，大部分的用戶都是間斷用水，而從安全生產(chǎn)的角度出發(fā)，鋼鐵企業(yè)的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)無(wú)論從設(shè)計(jì)角度還是生產(chǎn)運(yùn)行角度均按各用戶連續(xù)用水考慮。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)均為恒壓供水系統(tǒng)，常規(guī)的做法是，在循環(huán)水總管上設(shè)置旁通閥或是泄壓閥，當(dāng)用戶用水需求量減小或是用戶數(shù)量減少時(shí)，會(huì)造成管網(wǎng)壓力的上升，這時(shí)開(kāi)啟旁通或是泄壓閥，仍使恒定的流量通過(guò)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)回至水處理站。這樣的做法造成了很大的能源浪費(fèi)。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(guó)內(nèi)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)產(chǎn)變頻技術(shù)已經(jīng)日趨成熟可靠，設(shè)置變頻水泵組或是在一組水泵內(nèi)設(shè)置1~2臺(tái)變頻水泵應(yīng)成為可靠的節(jié)能手段。
由GB12497《三相異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施監(jiān)督指南中的計(jì)算公式，Ki為調(diào)速后的節(jié)電率，QN為額定流量，Q為實(shí)際流量，若流量的調(diào)節(jié)范圍為Q=(0.5~1)QN，則調(diào)速后節(jié)電率為Ki=1-(Q/QN)3/[0.45+0.55(Q/QN)2]，節(jié)電率最高可達(dá)78.7%。
4.4熱量能耗
熱量能耗主要體現(xiàn)為在循環(huán)水系統(tǒng)中冷卻塔或蒸發(fā)空冷器為冷卻工業(yè)用水所消耗的動(dòng)能。
冷卻塔或蒸發(fā)空冷器所要帶走的熱量為在工藝生產(chǎn)過(guò)程中由設(shè)備傳遞給循環(huán)水的熱量。冷卻塔或蒸發(fā)空冷器所要帶走的熱量的多少也取決于設(shè)備傳遞給循環(huán)水的熱量的多少。該熱量值的多少?zèng)Q定了冷卻塔或蒸發(fā)空冷器所須消耗的動(dòng)能。
但是，決定冷卻塔或蒸發(fā)空冷器所須消耗的動(dòng)能值除了工藝設(shè)備在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的熱量之外，冷卻塔的出水溫度即所需要冷卻至某個(gè)溫度指標(biāo)的值對(duì)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(huán)水由50℃降低至40℃所需消耗的能量要遠(yuǎn)小于將循環(huán)水由43℃降低至33℃的能量。在工藝設(shè)備條件允許的前提下，應(yīng)盡量提高循環(huán)冷卻水的供水溫度即冷卻塔或蒸發(fā)空冷器的出水溫度。
在前文水量能耗中提到提高工藝設(shè)備的出水水溫，可以降低循環(huán)水水量，從而達(dá)到降低水量能耗的目的。但工藝設(shè)備的出水溫度勢(shì)必增加后續(xù)冷卻塔或是蒸發(fā)空冷器的進(jìn)水溫度，造成熱量能耗的上升。從工程實(shí)際來(lái)看，提高工藝設(shè)備的出水水溫所增加的熱量能耗要遠(yuǎn)小于通過(guò)降低循環(huán)水水量所節(jié)省的能耗。因此，在工藝允許范圍內(nèi)提高工藝設(shè)備的出水水溫仍是有效的節(jié)能措施。
另外，在目前實(shí)際工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，常有按照工藝設(shè)備最不利溫度或溫差作為冷卻塔或蒸發(fā)空冷器選型依據(jù)的。實(shí)際上，循環(huán)水系統(tǒng)內(nèi)有大量的循環(huán)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(quán)平均設(shè)計(jì)的方法，計(jì)算出綜合的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的供回水溫差來(lái)進(jìn)行冷卻塔的選型。在循環(huán)水系統(tǒng)的溫度和熱量計(jì)算時(shí)，更多的采用熱量平衡的設(shè)計(jì)方法而不是簡(jiǎn)單或機(jī)械的收集工藝設(shè)備的數(shù)據(jù)，這對(duì)于減少不必要的因計(jì)算過(guò)于富裕而產(chǎn)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(yè)循環(huán)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(shè)計(jì)不合理，將用水壓力要求相差懸殊的用戶設(shè)置在了一個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)中，人為的造成了系統(tǒng)內(nèi)部的水力不平衡;②由于管網(wǎng)水力計(jì)算的不合理，管徑選取不當(dāng)，使同一循環(huán)水系統(tǒng)內(nèi)的不同用戶之間的水頭損失相差較大，導(dǎo)致的水力不平衡;③工業(yè)循環(huán)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(diǎn)不斷變動(dòng)，導(dǎo)致循環(huán)水系統(tǒng)的水泵的流量和揚(yáng)程隨之變化，造成了系統(tǒng)水力不平衡，這種情況對(duì)于密閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的作用和影響尤為明顯;④同一系統(tǒng)內(nèi)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(duì)流量大，距離水泵遠(yuǎn)或者位置較高的用戶供水壓力低相對(duì)流量小，而工藝設(shè)備用戶生產(chǎn)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(shí)質(zhì)上是因循環(huán)水系統(tǒng)的不合理或不完善所造成的能量浪費(fèi)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)實(shí)施水力平衡設(shè)計(jì)，是降低水力不平衡能耗的唯一途徑和措施。具體如下：
①要求通過(guò)合理的系統(tǒng)劃分與歸并，使工程內(nèi)工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)數(shù)量最小化，以節(jié)約一次性工程造價(jià)和投資;②通過(guò)較為準(zhǔn)確的水力計(jì)算，合理選擇循環(huán)水管道的管徑,避免循環(huán)水管網(wǎng)阻力過(guò)大或過(guò)小;③采取適當(dāng)?shù)乃俊⑺畨赫{(diào)節(jié)措施，使同一循環(huán)水系統(tǒng)中的不同的用戶盡量少受距離水源遠(yuǎn)近或用戶位置高低等外界因素的影響，系統(tǒng)內(nèi)各用戶相互之間的影響也最小化;④通過(guò)水源水泵的合理選型，使供水水源盡可能的具備一定的調(diào)節(jié)能力，符合生產(chǎn)的慣例。
通過(guò)上述工作，使循環(huán)水系統(tǒng)內(nèi)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(jié)能的要求。
5.小結(jié)
鋼鐵企業(yè)的工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需要對(duì)各個(gè)能耗環(huán)節(jié)進(jìn)行分析、計(jì)算和不斷的優(yōu)化。
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