钢铁企业的工业循环冷却水系统节能设计探讨
1.概述
钢铁企业炼铁、炼钢、连铸、热轧、制氧、自备电厂等各单元均有大量的工业循环冷却水用户，工业循环冷却水系统如同主工艺生产的生命线，对于正常的生产和维护设备的安全起着至关重要的作用。工业循环冷却水系统具有系统复杂、用户多、水量大、循环水介质种类多等特点。循环冷却水系统能耗也极高，用电负荷约占整个单元项目用电量的20~30%，大型钢铁联合企业单元内循环冷却水系统的能耗可达数千甚至上万千瓦的电量。
在工业循环冷却水系统设计过程中，贯彻节能措施，开展节能设计，降低水系统的电耗，将有助于控制整个项目的能耗，对于节能减排有积极的意义。本文就如何进行钢铁企业工业循环冷却水系统的节能设计展开讨论，可作为实际工程的借鉴和参考。
2.工业循环冷却水系统的分类和组成
按循环水介质分类，钢铁企业工业循环冷却水系统通常可分为以下几类：纯水(或软水)密闭式循环水处理系统、敞开式工业净循环水处理系统、浊循环水处理系统等。
2.1纯水(或软水)密闭式循环水系统
纯水(或软水)密闭式循环水系统常用于关键设备的间接冷却。纯水(或软水)密闭式循环水系统内循环水基本与外界隔绝，以确保水质。
常用的纯水(或软水)密闭式循环水系统的工艺流程如下：
? 水处理站循环供水泵出水→工艺设备→板式换热器→回水至水处理站循环供水泵;
? 水处理站循环供水泵出水→工艺设备→蒸发空冷器→回水至水处理站循环供水泵。
2.2敞开式工业净循环水系统
敞开式工业净循环水系统常用于一般设备的间接冷却及作为换热器的冷媒水。工业净循环水系统为敞开式系统，也是最常见的循环水系统。
工业净循环水系统常用的工艺流程为：
? 水处理站循环供水泵出水→自清洗过滤器→工艺设备→冷却塔→冷水池→水处理站循环供水泵吸水;
? 换热器冷媒水出水(温度升高)→冷却塔→冷水池→换热器循环供水泵→自清洗过滤器→换热器冷媒水进水。
2.3浊循环水系统
浊循环水系统常用于冶金行业的炼铁、炼钢、连铸、热轧等单元的煤气清洗、冲渣、火焰切割、喷雾冷却、淬火冷却、精炼除尘等。
浊循环水系统常用的工艺流程如下。
? 煤气清洗浊循环水：废水→高架流槽→粗颗粒分离器→辐流式沉淀池→热水池→冷却塔→冷水池→回水至用户;
? 冲渣浊循环水：冲渣水→铁皮沟→旋流池→平流沉淀池(带撇油装置)→高速过滤器→冷却塔→冷水池→回水至用户;
? 淬火冷却浊循环水：用户回水→铁皮沟→热水池→部分水过滤→部分水上冷却塔→冷水池→与未冷却、过滤的水混合→回水至用户;
? 火焰切割与喷雾冷却浊循环水：用户回水→铁皮沟→旋流池→平流沉淀池(带撇油装置)或化学除油沉淀器→热水池→冷却塔→冷水池→高速过滤器→回水至用户;
? 精炼除尘浊循环水：用户回水→热井罐或热水池→混合池→反应池→平流沉淀池(或斜板沉淀池)→热水池→冷却塔→冷水池→回水至用户
3.工业循环冷却水系统能耗的组成
从上述各种工业循环冷却水系统流程分析来看，工业循环冷却水系统的能耗由以下几部分组成：水量能耗、水压能耗、用水方式能耗、热量能耗、距离能耗和水力不平衡能耗等。
3.1水量能耗
无论对于密闭式循环水系统、敞开式工业净循环水系统还是浊循环水系统，工艺设备用户都需要大量的循环冷却水，要供水则必须供电，用户多、水量大则用电需求量大，也意味着能耗高，拥护少、水量小则用电需求量小，也意味着能耗小。
3.2水压能耗
密闭式循环水系统、敞开式工业净循环水系统或是浊循环水系统，不同的工艺设备用户，其用水水压要求也不同，压力要求高则能耗高，压力要求低则能耗低。
就水压能耗而言，密闭式循环水系统所须增加的水压用于补偿整个管网系统水头损失(包括设备、管路、阀门等的水头损失);而敞开式工业净循环水系统和浊循环水系统存在泄压点，供水压力根据用户要求并计算沿程管路的水头损失而定。
敞开式工业净循环水系统虽然在车间工艺设备用户处是闭路管网，但到了水处理站有冷却塔，冷却塔就是敞开式工业净循环水系统的泄压点。浊循环水系统通常在工艺设备处就是泄压点，因为浊循环水一般是用来直接冷却工艺设备或冲洗用的，必然泄压。
所以，就水压能耗而言，由于敞开式工业净循环水系统和浊循环水系统都存在泄压泄能，因此密闭式循环水系统的水压能耗要远低于敞开式工业净循环水系统和浊循环水系统。
另外，在考虑水压能耗时，不仅要考虑供水压力的因素，也同时要考虑压力回水这一因素。对于循环水系统而言，有供水则必有回水。回水的压力必须能满足从主工艺单元车间回水至循环水处理站。
3.3用水方式能耗
用水方式能耗主要体现在用水制度上。用水制度分为连续用水制度和间断用水制度。连续用水制度用电量一定高于间断用水制度，连续用水制度能耗也一定高于间断用水制度能耗。
3.4热量能耗
工业循环冷却水，特别是闭式循环冷却水系统和敞开式工业净循环水系统，其主要作用是带走在生产过程中由工艺设备所产生的大量热量、冷却设备。对于工业循环冷却水系统而言，带走热量的主要途径是换热器、蒸发空冷器或是冷却塔，如果采用换热器作为间接冷却的手段，其最后起冷却作用的还是冷却塔。
冷却塔与蒸发空冷器要实现热量在循环水系统与大气之间的交换，势必也要消耗电力、消耗能量。循环水系统供回水温差越大，需要交换的热量就越大，风机的电耗也越大，能耗就越高。另外，如果用户要求的水温越低，也会直接导致冷却塔或蒸发空冷器用电量的增大和能耗的上升。
3.5距离能耗
距离能耗主要是指水处理站与主体工艺单元车间之间的管道距离所产生的水头损失。供水回水管路短，管道的水头损失就小，可以适当的降低供水水泵的电机功率，在长期的运行中可节约能源，以一座循环水量为10000m3/h的工业净循环水处理站为例，每缩短100m的供回水管路，约可节约用电40kW左右。
3.6水力不平衡能耗
钢铁企业工业循环冷却水系统复杂、水量大、用户多且分散，用户位置的高低、用水量的大小也往往不同，在调试和生产运行过程中，各用户之间水力不平衡的现象时有发生。有的工艺设备用水点的用水量和供水压力要求始终偏小得不到满足，通常采取以下措施来应对：①局部用户前增设新的加压泵场提高水压，如果直接从管网抽水则要求是被抽水的循环水总管管径足够大，不影响附近用户的用水，如果是增设水池，势必增加额外动能，同时也增加了土建的投资;②在整个循环水系统中增加总循环水量和水压。但这些都只是掩盖水力不平衡并没有真正解决问题。有的工艺设备用水点剩余水头过多，在大量泄水或处于超压状态，只能在管网上增设减压节流措施。水力不平衡不仅造成了循环水系统内部的混乱，影响生产，也大量浪费了能源，这就是所谓的水力不平衡能耗。
4.节能设计措施
要实施循环冷却水系统的节能，就要针对上述工业循环冷却水系统的能耗组成进行分析，对于各种能耗提出合理的节能建议和措施，具体如下。
4.1水量能耗
通常，钢铁企业工业循环冷却水系统的循环水量是通过汇总各工艺设备所需求的水量而成的。从表面看，水量似乎是确定的和唯一的，但实际上完全可以通过合理的技术分析，控制循环水量，降低水量能耗。
首先，对于各工艺设备用户而言，循环水的主要目的是为了带走热量、冷却设备。各工艺设备拥护所控制的主要指标也是温度，特别是进水水温。设定由循环冷却水系统所须带走的热量为W，进水水温为t1，出水水温为t2，循环水量为Q，水的比热为γ，则W=Q·γ·(t2-t1)。热量W是在工艺设备生产过程中产生的，一般是确定值，进水水温由于有较为严格的限定，也是确定的。如果能提高出水水温，则可以降低循环水水量，从而达到降低水量能耗的目的。如将工艺设备用户的进出水温差由10℃提高到15℃，可使循环水量降低1/3。
当然，提高了工艺设备的出水温度势必增加后续冷却塔或是蒸发空冷器的进水温度，造成热量能耗的上升，这一点在后文再做相关讨论。
4.2水压能耗
水压能耗包括供水水压能耗和回水水压能耗。一般循环水系统的类型是根据用户的重要程度和用户对供水水质的要求确定的。供水压力也是根据用户的需求确定的。因此降低水压能耗最为关键之处理在于如何处理好回水水压能耗的问题。
对于密闭式循环水系统和敞开式工业净循环水系统而言，回水压力即供水压力扣除工艺设备的水头损失后的余压，只要计算准确，确定了合理的供水压力也就确定了回水压力了。但对于浊循环水系统而言，情况就较为复杂了。浊循环水主要用于设备的直接冷却或冲洗等。经过用户后通常都会泄压。因此，要控制回水水压能耗，其实就是要尽量实施重力流回水。
要实施重力流回水，首先要判断从主工艺设备到循环水处理设施，两者的高程是否可以满足重力回水最基本的要求。其次，要对现场情况或是各专业施工图纸进行周密的分析，寻找合适合理的路由。目前，宝钢已经成功的实施了RH浊循环无压重力流回水，改变了以往RH浊循环回水采用热井泵提升送往水处理设施的做法，起到了良好的经济效果，大大的降低了RH的能耗。
4.3用水方式能耗
目前在实际生产过程中，大部分的用户都是间断用水，而从安全生产的角度出发，钢铁企业的循环冷却水系统无论从设计角度还是生产运行角度均按各用户连续用水考虑。循环冷却水系统均为恒压供水系统，常规的做法是，在循环水总管上设置旁通阀或是泄压阀，当用户用水需求量减小或是用户数量减少时，会造成管网压力的上升，这时开启旁通或是泄压阀，仍使恒定的流量通过循环冷却水系统回至水处理站。这样的做法造成了很大的能源浪费。因此，如何降低因用水方式造成的能耗必须加以研究。
随着国内技术的发展，国产变频技术已经日趋成熟可靠，设置变频水泵组或是在一组水泵内设置1~2台变频水泵应成为可靠的节能手段。
由GB12497《三相异步电动机经济运行》强制性国家标准实施监督指南中的计算公式，Ki为调速后的节电率，QN为额定流量，Q为实际流量，若流量的调节范围为Q=(0.5~1)QN，则调速后节电率为Ki=1-(Q/QN)3/[0.45+0.55(Q/QN)2]，节电率最高可达78.7%。
4.4热量能耗
热量能耗主要体现为在循环水系统中冷却塔或蒸发空冷器为冷却工业用水所消耗的动能。
冷却塔或蒸发空冷器所要带走的热量为在工艺生产过程中由设备传递给循环水的热量。冷却塔或蒸发空冷器所要带走的热量的多少也取决于设备传递给循环水的热量的多少。该热量值的多少决定了冷却塔或蒸发空冷器所须消耗的动能。
但是，决定冷却塔或蒸发空冷器所须消耗的动能值除了工艺设备在生产过程中产生的热量之外，冷却塔的出水温度即所需要冷却至某个温度指标的值对冷却塔能量消耗也起到了很大的作用。例如，带走同样的热量值，将循环水由50℃降低至40℃所需消耗的能量要远小于将循环水由43℃降低至33℃的能量。在工艺设备条件允许的前提下，应尽量提高循环冷却水的供水温度即冷却塔或蒸发空冷器的出水温度。
在前文水量能耗中提到提高工艺设备的出水水温，可以降低循环水水量，从而达到降低水量能耗的目的。但工艺设备的出水温度势必增加后续冷却塔或是蒸发空冷器的进水温度，造成热量能耗的上升。从工程实际来看，提高工艺设备的出水水温所增加的热量能耗要远小于通过降低循环水水量所节省的能耗。因此，在工艺允许范围内提高工艺设备的出水水温仍是有效的节能措施。
另外，在目前实际工程设计过程中，常有按照工艺设备最不利温度或温差作为冷却塔或蒸发空冷器选型依据的。实际上，循环水系统内有大量的循环水用户，有的用户供回水温差大，有的用户供回水温差小。因此，建议采用加权平均设计的方法，计算出综合的循环冷却水系统的供回水温差来进行冷却塔的选型。在循环水系统的温度和热量计算时，更多的采用热量平衡的设计方法而不是简单或机械的收集工艺设备的数据，这对于减少不必要的因计算过于富裕而产生的热量能耗起到了极其重要的作用。
4.5距离能耗
在条件许可的情况下，工业循环冷却水处理站的选址首先要尽量贴近主工艺、紧邻主要用户布置。
4.6水力不平衡能耗
水力不平衡通常分为四种情况：①由于设计不合理，将用水压力要求相差悬殊的用户设置在了一个循环水系统中，人为的造成了系统内部的水力不平衡;②由于管网水力计算的不合理，管径选取不当，使同一循环水系统内的不同用户之间的水头损失相差较大，导致的水力不平衡;③工业循环水用户本身的情况可能是在变化的，用水量的变化致使管道性能曲线和工作点不断变动，导致循环水系统的水泵的流量和扬程随之变化，造成了系统水力不平衡，这种情况对于密闭式循环冷却水系统的作用和影响尤为明显;④同一系统内的各用户本身的局限性所造成的不平衡，如距离水泵近或者位置较低的用户供水压力高、相对流量大，距离水泵远或者位置较高的用户供水压力低相对流量小，而工艺设备用户生产所需要的水量、水压是有一定要求的，造成了这种不平衡。
水力不平衡能耗实质上是因循环水系统的不合理或不完善所造成的能量浪费。在系统设计时实施水力平衡设计，是降低水力不平衡能耗的唯一途径和措施。具体如下：
①要求通过合理的系统划分与归并，使工程内工业循环冷却水系统数量最小化，以节约一次性工程造价和投资;②通过较为准确的水力计算，合理选择循环水管道的管径,避免循环水管网阻力过大或过小;③采取适当的水量、水压调节措施，使同一循环水系统中的不同的用户尽量少受距离水源远近或用户位置高低等外界因素的影响，系统内各用户相互之间的影响也最小化;④通过水源水泵的合理选型，使供水水源尽可能的具备一定的调节能力，符合生产的惯例。
通过上述工作，使循环水系统内部各用户用水量和供水水压的要求均能得到满足，且要符合节能的要求。
5.小结
钢铁企业的工业循环冷却水系统的节能设计是一项系统设计，需要对各个能耗环节进行分析、计算和不断的优化。
使用微信“扫一扫”功能添加“谷腾环保网”
