鋼鐵企業(yè)密閉式工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計要點(diǎn)淺析

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摘要 純水(或軟水)密閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)常用于鋼鐵企業(yè)中關(guān)鍵設(shè)備的間接冷卻。本文結(jié)合某大型鋼鐵企業(yè)煉鋼連鑄單元的純水循環(huán)水系統(tǒng)項目，對密閉式工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的一些設(shè)計要點(diǎn)，如管路系統(tǒng)的設(shè)計、膨脹水箱的設(shè)置、循環(huán)水泵的選型及水泵進(jìn)出口管路設(shè)計等做了初步的分析和探討，可作為相似工程的參考。

關(guān)鍵詞 密閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)   管路   膨脹水箱

1.概述

純水(或軟水)密閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)常用于鋼鐵企業(yè)中關(guān)鍵設(shè)備的間接冷卻。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)以及系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

密閉式循環(huán)水系統(tǒng)常規(guī)流程為：水處理站循環(huán)供水泵出水→過濾器→工藝設(shè)備→換熱器(或蒸發(fā)空冷器)→至水處理站循環(huán)供水泵進(jìn)水，統(tǒng)設(shè)有膨脹水箱或膨脹罐。

本文結(jié)合某大型鋼鐵企業(yè)煉鋼連鑄單元的純水循環(huán)水系統(tǒng)項目，對密閉式工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的一些設(shè)計要點(diǎn)，如管路系統(tǒng)的設(shè)計、膨脹水箱的設(shè)置、循環(huán)水泵的選型及水泵進(jìn)出口管路設(shè)計等做了初步的分析和探討，可作為相似工程的參考。

關(guān)于密閉式工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的過濾、熱交換等水處理流程等問題，不在本文討論范圍之內(nèi)。

2.項目概況

某大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)煉鋼連鑄單元設(shè)有氧槍純水密閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，循環(huán)水量945m3/h；煉鋼機(jī)械設(shè)備純水密閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，循環(huán)水量710m3/h；連鑄結(jié)晶器純水密閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，循環(huán)水量861.5m3/h。所有工藝設(shè)備的純水循環(huán)冷卻回水從工藝主車間回水至車間外煉鋼連鑄凈循環(huán)水處理站，經(jīng)板式換熱器換熱冷卻后，由循環(huán)水泵加壓，送水至工藝主車間。共3套循環(huán)水系統(tǒng)，6根循環(huán)給水和回水管道，循環(huán)水管徑均為DN500。

氧槍純水密閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、煉鋼機(jī)械設(shè)備純水密閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)均設(shè)有高位安全水箱兼做膨脹水箱用，連鑄結(jié)晶器純水密閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)密閉式膨脹罐，另設(shè)獨(dú)立的安全水箱。氧槍純水密閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、煉鋼機(jī)械設(shè)備純水密閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)專用補(bǔ)水泵，補(bǔ)水泵與水箱液位連鎖控制，高液位關(guān)泵，低液位開泵。連鑄結(jié)晶器純水密閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)由密閉式膨脹罐的補(bǔ)水泵補(bǔ)水。

3.設(shè)計要點(diǎn)分析

3.1管路系統(tǒng)的設(shè)計要點(diǎn)及工程實例分析

管路系統(tǒng)的設(shè)計要點(diǎn)包括水力平衡設(shè)計、管道設(shè)置方式、管材的選用以及管路系統(tǒng)的排氣等。

3.1.1水力平衡設(shè)計

一般情況下，一套密閉式工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的用戶不可能是單一的，氧槍純水密閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)爐氧槍、轉(zhuǎn)爐副槍、RH機(jī)械設(shè)備等用戶；煉鋼機(jī)械設(shè)備純水密閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)爐爐口、爐帽、托圈、LF爐蓋、LF導(dǎo)電橫臂等用戶；連鑄結(jié)晶器純水密閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)用戶為連鑄結(jié)晶器。

各用戶之間的水力平衡是非常重要的，包括管網(wǎng)的水力計算、循環(huán)水泵流量、揚(yáng)程等基本參數(shù)的確定以及流量、壓力的調(diào)節(jié)措施等。關(guān)于管路系統(tǒng)水力平衡設(shè)計部分可見由作者另外撰寫的《鋼鐵企業(yè)工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水力平衡設(shè)計》(《給水排水》2008年第3期)一文的相關(guān)內(nèi)容，本文不做另外的敘述。

3.1.2管道設(shè)置方式

管網(wǎng)漏失水量在所難免，但管道漏水對于密閉式管路系統(tǒng)的影響很大，循環(huán)水干管上少許的漏水就會引整個起管網(wǎng)壓力的巨大波動。這是因為密閉式管路系統(tǒng)循環(huán)水泵提供的壓力僅為克服管路系統(tǒng)的水頭損失，密閉式管路系統(tǒng)本身須提供基準(zhǔn)壓力。如果循環(huán)水主干管道有漏水點(diǎn)，該處與大氣相通，就起到了泄壓的作用，將會直接使管網(wǎng)壓力大幅度下跌。

本項目連鑄結(jié)晶器密閉式工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，埋地敷設(shè)的密閉式回水管路主干管上發(fā)生了多點(diǎn)漏水，漏水量約為4~5m3/h，不開啟膨脹水箱補(bǔ)水泵，僅過3~4min循環(huán)回水壓力由正常的0.6MPa下跌為0.2MPa，循環(huán)供水壓力由正常的1.5MPa下跌為1.1MPa。

由此可見，密閉式循環(huán)水系統(tǒng)管道設(shè)置應(yīng)貫徹便于維護(hù)和檢修為原則，管道的設(shè)置方式應(yīng)盡可能架空設(shè)計，如架空確有困難，按照管廊、管溝、埋地的次序執(zhí)行設(shè)計。

在工藝主車間內(nèi)，廠房柱網(wǎng)密布，設(shè)置架空管線較為便宜，管道架空敷設(shè)應(yīng)為首先方式；如果有工藝設(shè)備阻擋，使架空管道無法通過，則采用管溝或管廊方式。在循環(huán)水處理站，管道可以架空敷設(shè)，也可以埋地設(shè)置或采用管溝方式。在循環(huán)水處理站與主車間之間的區(qū)域，如果管道數(shù)量較少，管道可以平面展開布置，則管道埋地敷設(shè)；如果管道數(shù)量較多，按單層展開平面布置占地面積太大無法布置，則應(yīng)采用管廊方式。

本項目中，循環(huán)水處理站的管道采用架空、埋地、管溝相結(jié)合的方式；循環(huán)水處理站與主車間之間的區(qū)域，6根DN500的純水循環(huán)水管道如按平面展開敷設(shè)，需要約6m凈空，且另有其它水管道，因此，循環(huán)水管道設(shè)置在地下管廊內(nèi)，多層敷設(shè)；煉鋼車間內(nèi)的管道為架空敷設(shè)方式。

3.1.3管材選用

目前在工業(yè)系統(tǒng)的大型密閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，焊接鋼管仍是最常用的管材。熱滾塑鋼管、碳鋼不銹鋼復(fù)合管、鋼骨架塑料復(fù)合管因其優(yōu)異的耐腐蝕性能，在密閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中也得到了推廣和應(yīng)用。

熱滾塑鋼管須用法蘭連接，碳鋼不銹鋼復(fù)合管采用焊接連接。鋼骨架塑料復(fù)合管，DN250口徑以下最大工作壓力通常在1.6Mpa，超過DN250口徑最大工作壓力在1.0Mpa，長期工作溫度應(yīng)在50℃以下，該管道為熱熔連接。

密閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)管材的選用應(yīng)根據(jù)具體的使用環(huán)境和使用條件確定，具體如下：

①焊接鋼管，在循環(huán)水系統(tǒng)投入使用前須進(jìn)行管道的清洗和預(yù)膜處理，為保持循環(huán)水水質(zhì)穩(wěn)定，系統(tǒng)另須投加緩蝕劑和阻垢劑等；該管道可適用于架空、管廊、管溝、埋地等各種敷設(shè)方式；

②熱滾塑鋼管，可適用于架空、管廊、管溝的敷設(shè)方式；對于埋地的工況，由于熱滾塑鋼管為法蘭連接，管道沉降容易引起連接口處錯位，引發(fā)密封圈和墊片的問題，從而導(dǎo)致漏水；因此，建議熱滾塑鋼管一般不埋地敷設(shè)，如果要埋地，地基必須有一定的要求；

③碳鋼不銹鋼復(fù)合管，可適用于架空、管廊、管溝、埋地等各種敷設(shè)方式；

④鋼骨架塑料復(fù)合管，可適用于架空、管廊、管溝、埋地等各種敷設(shè)方式；但對于工藝主車間而言，因環(huán)境溫度較高，一般不做使用；另外，密閉式工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的管道管徑大、循環(huán)供水管工作壓力高，鋼骨架塑料復(fù)合管的使用也受很大的限制。

本項目中，各純水密閉循環(huán)水系統(tǒng)的管道均采用了熱滾塑鋼管。

3.1.4管路系統(tǒng)的排氣

密閉式工業(yè)循環(huán)水管網(wǎng)中的積氣在所難免，主要來源于以下兩個方面：①管網(wǎng)系統(tǒng)充水時所殘留的空氣；②管道局部流速過高，導(dǎo)致水中空氣析出。

密閉式工業(yè)循環(huán)水管網(wǎng)的管路十分復(fù)雜，管道須要避讓工藝設(shè)備、水處理設(shè)備、其它管線以及土建的平臺、柱子、基礎(chǔ)等，因此管道的上下翻越是普遍的現(xiàn)象。管路本身又是密閉式的，管網(wǎng)中產(chǎn)生積氣后，往往難于迅速排除，就會造成局部氣阻或氣蝕，對正常的管道水流工況(包括流量和壓力)產(chǎn)生影響，甚至?xí)霈F(xiàn)管道振動的現(xiàn)象。

因此，對于密閉式工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)而言，管路系統(tǒng)的排氣問題，必須在設(shè)計時加以注意。

1).主工藝車間架空管道的排氣

密閉式管路系統(tǒng)上的安全膨脹水箱可以起到一定的排氣作用，但更多的排氣是依靠設(shè)置自動排氣閥。

在確定主工藝車間排氣閥的安裝位置時要注意以下幾點(diǎn)。

①排氣閥要設(shè)置在管路系統(tǒng)上翻容易積氣處；

②排氣閥要盡量設(shè)置在管路系統(tǒng)中最高處；

③排氣閥要盡量靠近車間邊緣設(shè)置，因為排氣閥在排氣的同時往往會帶有少量的水噴出，應(yīng)盡量減小水排氣閥水噴出對生產(chǎn)的影響；

④排氣閥設(shè)置的位置要便于檢修，如在地面或平臺上檢修人員無法靠近排氣閥，應(yīng)增設(shè)檢修平臺。

2).循環(huán)水處理站管道的排氣

循環(huán)水處理站密閉式管道的排氣相對方便，即使不設(shè)置專門的排氣閥，利用水處理站循環(huán)水泵殼頂部的旋塞，也可起到排氣的作用。這種排氣方式也同時伴隨著排水，需要運(yùn)行或點(diǎn)檢人員專門的操作。

如需設(shè)置排氣閥，可在純水循環(huán)回水管接換熱器或蒸發(fā)空冷器處設(shè)置，該處一般為水處理站管網(wǎng)的最高處。

3).排氣閥口徑大小的確定

    排氣閥口徑的大小取決與安裝位置所處的循環(huán)水管道的管徑，在確定排氣閥口徑大小時，可參照下表執(zhí)行[2]。

管道公稱直徑DN
 排氣閥公稱口徑DN
 
<150

200~350

400~500

600~700

800~900

1000
 50

80

100

100

150

150
 

3.2膨脹水箱的設(shè)置問題

密閉式工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)必須設(shè)置膨脹水箱。膨脹水箱有三個用途，一是收容和補(bǔ)償系統(tǒng)中水的脹縮量；二是向密閉式循環(huán)水系統(tǒng)提供穩(wěn)定的壓力，起到系統(tǒng)穩(wěn)壓的作用；三是作為系統(tǒng)補(bǔ)水泵的指示，通常由膨脹水箱發(fā)出信號啟動或關(guān)閉系統(tǒng)補(bǔ)水泵。

3.2.1膨脹水箱有效容積的計算

膨脹水箱有效容積可均采用下面的公式確定[1]：

Vp=ɑ·Δt·Vs(m3)，其中Vp為膨脹水箱有效容積(m3)，ɑ為水的體積膨脹系數(shù)，約為 0.0006(1/℃)，Δt為最大的水溫變化值(℃)，Vs為系統(tǒng)內(nèi)的水容量，即系統(tǒng)中管道和設(shè)備內(nèi)存水量的總和。

密閉式工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)一般供回水水溫變化值不超過15℃，以本項目為例，氧槍純水密閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、煉鋼機(jī)械設(shè)備純水密閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的供回水溫差為15℃，連鑄結(jié)晶器純水密閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)供回水溫差為10℃。

在實際確定膨脹水箱的有效容積時，還須用系統(tǒng)補(bǔ)水量對上述計算值進(jìn)行校核。密閉式系統(tǒng)的補(bǔ)水量主要時考慮管網(wǎng)系統(tǒng)水量的漏損，一般工業(yè)企業(yè)如寶鋼，密閉式系統(tǒng)設(shè)計小時補(bǔ)水量為系統(tǒng)內(nèi)的水容量的0.5%。為避免水泵啟動過于頻繁造成設(shè)備損壞，從而影響生產(chǎn)，工業(yè)企業(yè)一般要求膨脹水箱的有效容積應(yīng)能保證補(bǔ)水泵啟動的次數(shù)在1~2次/h。

3.2.2膨脹水箱形式的確定

    密閉式工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)常用的膨脹水箱有兩種。第一種，是借助工業(yè)系統(tǒng)的安全水塔或安全水箱兼做膨脹水箱用；工業(yè)系統(tǒng)安全水塔或安全水箱小則幾十立方米，大則幾百立方米，安全水塔或水箱均設(shè)置于距離地面幾十米的地方，無論是從膨脹水箱的容積還是從穩(wěn)定壓力的可靠性而言，都是首選的方法。第二種，設(shè)置專門的閉式膨脹水箱；工業(yè)企業(yè)一般不采用一次充氣式的膨脹水箱，而是采用外接可靠氣源(如氮?dú)獾?的水箱；從生產(chǎn)安全和維護(hù)方便的角度出發(fā)，閉式膨脹水箱一般設(shè)置于車間地坪上或是水處理站。附圖1是典型的密閉式工業(yè)循環(huán)冷卻水流程圖，供參考。

3.2.3工程實例分析

現(xiàn)從工程實際角度對膨脹水箱設(shè)置的問題進(jìn)行分析。

本項目的氧槍純水密閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、煉鋼機(jī)械設(shè)備純水密閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)在主車間的50m平臺和40m平臺上均設(shè)有高位安全水箱，容積均為75m3，因此采用了在循環(huán)冷卻水回水管上直接接膨脹管與高位安全水箱接通，以高位安全水箱兼做膨脹水箱。連鑄結(jié)晶器純水密閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)雖也有安全水箱，但其設(shè)置在了別的車間，接膨脹管至該水箱不便，因此在循環(huán)水處理站設(shè)密閉式膨脹水箱。

氧槍純水密閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、煉鋼機(jī)械設(shè)備純水密閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的膨脹兼高位安全水箱因容積較大，不再對其有效容積做校核計算?，F(xiàn)對連鑄結(jié)晶器純水密閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的密閉式膨脹水箱做計算。

連鑄結(jié)晶器純水密閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的總?cè)莘e約為380m3，按管網(wǎng)系統(tǒng)漏損考慮，補(bǔ)水量應(yīng)為1.9m3/h；按系統(tǒng)膨脹計算，膨脹水箱的有效容積應(yīng)為2.28m3。按膨脹水箱有效容積校核補(bǔ)水量，水泵每小時啟動次數(shù)可以滿足要求。

3.3循環(huán)水泵的選型及水泵進(jìn)出口管路的設(shè)計

密閉式工業(yè)循環(huán)水管網(wǎng)中積氣的一個重要因素是管道局部流速過高，導(dǎo)致水中空氣析出。在循環(huán)水泵及水泵進(jìn)出口管路處，這種現(xiàn)象尤為突出，因此在循環(huán)水泵的選型及水泵進(jìn)出口管路的設(shè)計中要加以注意。

3.3.1循環(huán)水泵選型時要注意的問題

    水泵的流量和揚(yáng)程應(yīng)根據(jù)用戶需求和管網(wǎng)的水力計算確定，本文不再做詳細(xì)的介紹。

在密閉式工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)循環(huán)水泵的選型時應(yīng)避免選擇轉(zhuǎn)速過高的水泵，水泵的轉(zhuǎn)速應(yīng)控制在1450rpm的范圍內(nèi)。水泵葉輪轉(zhuǎn)速過高，高速葉輪切削水流，更容易造成水中空氣的析出，造成水泵氣蝕和管網(wǎng)積氣，如果再加上水泵進(jìn)出口管路設(shè)計的不合理，嚴(yán)重情況下可促成水泵的斷軸。

本項目中，氧槍純水密閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的循環(huán)水泵原先采用的是2900rpm，投運(yùn)僅5個月就先后有5次斷軸，整改后采用了950rpm的水泵，這種現(xiàn)象才停止。

3.3.2水泵進(jìn)出口管路的設(shè)計

    在水泵進(jìn)出口管路設(shè)計時，要盡量避免管道轉(zhuǎn)彎處距離水泵進(jìn)出口太近，也就是管路急轉(zhuǎn)彎；另外，水泵進(jìn)出口的異徑管的長度盡量加長，以求得穩(wěn)定的水流，減少水中空氣從湍急的水流中分離出來的現(xiàn)象。

4.小結(jié)

總之，密閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)十分復(fù)雜，在設(shè)計時必須進(jìn)行周密的考慮和詳細(xì)的計算。