高炉密闭循环冷却水系统的设计

王大中，马维国，赵锐锐
北京钢铁设计研究总院，北京　100053

　　摘　要：为了将高炉在冶炼过程中产生大量的热量散掉，需对高炉进行冷却。密闭循环冷却系统优于敞开式循环冷却水系统。通过设计实例，简要介绍了软水密闭循环冷却水系统在高炉循环冷却中的应用及设计要点。
　　关键词：高炉；循环冷却水；冷却器
　　中图分类号：TU991.41
　　文献标识码：B
　　文章编号： 1009-2455(2000)02-0016-03

概况

　　高炉在冶炼过程中产生大量的热，如果不及时将这些热量散掉，高炉的炉衬就会被侵蚀，直接影响高炉的寿命，因此，改善高炉冷却效果是延长高炉寿命的重要因素。
　　传统的高炉冷却都是利用工业水作为冷却介质。采用敞开式循环冷却水系统。由于系统蒸发、风吹、排污等原因水量损失较大，不宜使用成本高的优质水作为冷却水。即使循环冷却水处理技术可以使敞开循环冷却水系统的水垢沉积、腐蚀速度减缓，但这种系统仍不能根除结垢和腐蚀之患。
　　密闭式循环冷却水系统采用优质的软化水或除盐水作为冷却介质冷却设备为空气／水或水／水热交换器，这些都是间接换热设备。
　　采用空冷器的密闭式循环冷却水系统与敞开系统相比有以下优点：
　　① 冷却构件表面无水垢沉积，传热效率高，保证了高炉有效地冷却，延长了高炉的寿命。如一座采用密闭循环冷却水系统冷却的高炉，一代寿命可达10年以上，中间无需中修。
　　② 节水效果显著。系统除了渗漏以外，无其它损失，一般认为，补充水量仅为系统容积的0.1％，我院在某高炉进行的有关试验，实测的补水量小于0.1％，仅占相同循环水量敞开系统补水量的0.09％，这对于我国北方缺水地区是很有意义的。
　　另外，由于补充水量少，所以水处理药剂费用也少。外排废水少，对环境污染也小。
　　③ 节能。密闭循环回水不泄压，因此节约动能，如系统循环水量为3500m³／h，密闭系统每年能耗为6.92×10⁶kWh，而敞开系统为8.33×10⁶kWh。

1　密闭循环冷却水系统的构成

　　高炉密闭循环冷却水系统由高炉水冷却构件、给水围管、回水集管、膨胀罐、空气／水或水／水换热器、循环水泵站及给水和回水管路所组成。
1.1　水冷构件
　　高炉的水冷构件有多种，如冷却壁、冷却箱、风口套、炉底等。
1.2　给水围管与集水围管
　　给水围管位于高炉下部，共有4圈，都是自循环水系统给水总管来水。冷却壁的4根冷却水管由相应的给水围管供水。
　　集水围管位于高炉上部，有4圈，收集冷却壁4根冷却水管的回水。当膨胀罐位于炉顶时，4个集水围管分别与相应的膨胀罐相连。
1.3　膨胀罐
　　膨胀罐系密闭容器，其下部为循环冷却水，上部空间充有氮气。膨胀罐用于调节循环水温度变化引起的体积变化。如果循环水因过热而汽化，膨胀罐亦可起汽水分离作用（指置于炉顶的情况）。膨胀罐上部充氮可以维持系统所需工作压力，同时还可避免氧气进入系统。
　　向系统补充水可通过膨胀罐的水位变化进行，当因水损失、膨胀罐内水位下降至设定水位时，即向系统内补水。当氮气压力超过设定值，即通过安全阀放散。
　　当膨胀罐水位下降，氮气容积扩大，而压力下降，此时为维持设定之氮压，氮气自动充入罐内。
1.4　换热设备
　　常用的有空气/水和水/水热交换器两种。
　　空气/水换热设备常用空气冷却器。冷却水于翅片管内流动，空气于管外吹过，将冷却水的热量带走。
　　水/水换热设备常用板式换热器。?
1.5　循环水泵
　　密闭式系统的水泵与敞开式系统要求不同。密闭系统要求水泵蜜蜂良好，不漏水，因之应该选用机械蜜蜂水泵。另外，水泵进口处又回水余压和较高的系统工作压力，所以整个泵壳强度要高。
1.6　补水设施与加药设施
　　补水设施包括补水箱、补水泵等。要求补水泵的出水压力高于循环水系统的工作压力。加药设施包括溶药槽、溶液槽与计量泵等，用以将缓蚀剂加入循环水系统中。

2　高炉密闭循环冷却水系统设计中需注意的几个方面

2.1　循环水泵的选择
　　选择水泵的依据
　　① 流量：根据高炉各冷却部件所需冷却水量的统计数字，各冷却元件的水量往往按避免水在冷却元件内汽化所要求的流速与过水断面尺寸确定。例如冷却壁，如流速为1.3m／s，铸入的水管为直径70mm×6.3mm，流量为12.1m³／h，每块冷却壁铸4根水管，如有34块冷却壁，即12.1m×34m×4m＝1645m³／h。
　　② 扬程：密闭系统与敞开系统不同，系统内冷却水不与大气接触，因此可以保持系统内的压力。当系统静止时，最高一个冷却不见的工作压力如为1×10⁵Pa，其与地面高差为40m，即当膨胀罐设于地面时，罐内的氮压力为5×10⁵Pa，此时水泵的前后压力都是5×10⁵Pa。但为了使水在环路内循环流动，则需利用水泵给水以流速水头，克服系统全部阻力损失。系统的水头△P是可以估算的。一般系统的△P为2×10⁵Pa～4×10⁵Pa。系统总的阻力损失△P就是选择水泵扬程的依据。工作水泵一般为2台，备用水泵往往是1台，占总水量50％。另设有柴油机驱动的水泵1或2台，作为事故备用水泵。
2.2　补充水泵
　　补充水一般由锅炉房软化水直接输送注入膨胀罐中，压力略高于膨胀罐压力即可。此管管径一般设计成φ100mm。这是考虑系统开始运行时充水的需要，用4～6h就能充满系统。
　　如果没有这样的条件，就要设软水箱和补充水泵。补充水泵可设2台，能力按充水时流量考虑。出口压力略高于膨胀罐或系统的压力。
2.3　安全供水
2.3.1　循环水泵的电源
　　水泵站要由两路电源供电，常常是由两个电网供电。当一路供电发生故障，则自动转换到另一路电源继续工作。
2.3.2　柴油机驱动水泵
　　在两路电源发生故障时，虽然高炉休风，为了保证高炉不致烧毁，仍要不间断供水。对于密闭系统适于设置柴油机水泉，在两路电源停止供电时立即启动，继续供水。
　　直接连接于水泵的柴油机没有减速装置，启动迅速，能在1s内立即启动，在10s内可使水泵出水管水压正常。柴油机应处于良好的备用状态。
2.4　换热设备
2.4.1　空冷器
　　空冷器管束一般为钢管。高炉使用的空冷器通常为钢翅片。钢翅片的优点在于其刚度好，当用高压水冲洗时不致变形。
　　空冷器要定期清洗，清洗的方式是用高压水冲洗。在冲洗问题上垂直式的管束布置优点较为显著。
　　空冷器的设计按最高热负荷和夏季环境气温。
2.4.2　水／水热交换器
　　只在下列条件下推荐使用水／水热交换器；有足够的水源，二次水能实现直流系统，最好不搞二次循环水设施，水源水质含泥砂不多，无需处理。
　　板式热交换器的特点是热交换效率高，体积小，而且清理方便，与空冷器相比，造价便宜。
2.5　膨胀罐
　　膨胀罐的工作压力与容积按以下公式确定。
　　① 膨胀罐的工作压力
　　静态时：P_g＝P₁＋P_h　　　　　　　　　?(1)?
　　式中：P_g — 膨胀罐的工作压力
　　　　　P₁ — 最高水冷构件所需工作压力；
　　　　　P_h — 最高水冷构件至膨胀罐的高差。当膨胀罐设于炉顶时，Ph为负值；
　　当膨胀罐设于地面时，P_h为正值。
　　动态时，除按式(1)计算外，还要考虑系统的水头损失。
　　② 膨胀罐的容积
　　系统内水的膨胀容积是根据系统总的水容积和最高水温确定的。
　　△V＝V(αt₂－αt₁)?　　　　　　　　　　?(2)?
　　式中：△V — 系统内水的膨胀容积；
　　　　　V — 系统总的水容积；
　　　　　αt₂ — 水在最高工作水温时的比容；
　　　　　αt₁ — 水在4℃时的比容。

3　某高炉密闭循环冷却水系统简介

　　工程地处华北。
3.1　炉体冷却系统的流程

3.2　水冷设备的选择
　　水冷却设备选用了空冷器。这是由于水/水热交换器要设有敞开式二次循环冷却水系统，工程不允许设二次冷却系统的构筑物，如冷却塔、水池、循环泵等。另外当地供水紧张，需尽可能节约用水。
3.3　高炉炉体冷却系统的设计参数
　　循环水量：　　　　　　2200 m³／h
　　冷却水供水水温：　　　55℃
　　冷却水回水水温：　　　65℃
　　水泵扬程：　　　　　　45m
3.4　补充水设施
　　① 补充水量
　　在正常情况下，补充水量可按系统容积的0.1％考虑。设计中我们还考虑了事故补水量与向系统充水的时间，因此补水设备的能力应适当加大，设定在4～6 h内充满系统。
　　② 补充水水质
　　密闭循环水系统的补充水系软化水。补充水不脱氧。
　　③ 补充水设备
　　由2台40m³软化水箱，机械密封补水泵(4DA－8×9)及压力补水罐(ZS1400－10)组成。当膨胀罐中水位因循环系统的泄漏而下降到低位庙宇点时会发出信号，这时找开处于高炉下部的补水阀门，补充水即注入循环系统。
3.4.1　空冷器的设备选型
　　按照提出的要求，选择立式管束空冷器。管束高9m，置于泵房屋顶，面积38m×12m。为了能适应水力冲洗管束上的积尘，提高翅片的刚度，设计采用了钢翅片，并考虑了防腐措施，将翅片管进行整体浸锌。
3.4.2　空冷器的设计参数
　　冷却水量：　　　　　　 2200m³／h
　　冷却水系统工作压力：　 12×10⁵Pa
　　空冷器进水温度： 平均63.6℃最高65.6℃
　　空冷器出水温度：　　　　≤55℃
　　冷却水水质：中压锅炉软化水加缓蚀剂
3.4.3　空冷器的性能
　　高炉密闭循环冷却水系统所用空冷器是国内首次采用的新型立式空冷器。投产运行几年来，冷却效果良好，空冷器的主要性能为：
　　管束：立式，高9000mm，宽2700mm，型号9×2.7-4-130-16-15.6／R，数量24片，设计压力16×10⁵Pa，试验压力24×10⁵Pa。
　　风机：风量450000m³／h，风压17×9.8Pa，电机45kW共12台。
　　清洗装置：大车运行速度：0.2m／s
　　　　　　 小车运行速度：0.05m／s
　　　　　　 加压水泵：Ｄ12－50×6型
3.5 快速启动柴油机驱动事故应急水泵机组的开发
3.5.1　快速启动柴油机
　　所谓“快速启动”实际上是由柴油机与水泵之间的离合器实现的。对于发动机本身，要求输出功率与水泵匹配，而且灵敏可靠，易于维修保养。经过多方面比较，最后采用柴油机型号为TBD234V8。
3.5.2　事故应急水泵
　　事故应急水泵与常规水泵有所区别。常规水泵在启动时出口阀门关闭，当电机运转正常后，才开启阀门，带上负荷。而事故应急水泵，在失电的情况下，不易做到随时启闭阀门，所以机组一经启动，就可能带上负荷。因此要求泵的叶轮和轴应能适应较大的扭矩。本工程采用的应急泵采用了高强度材料的轴。同时为了适应泵壳内压增大，加强了泵壳的强度。实际运行与测试结果表明，此机组的开发是成功的。柴油机可以10s内达到全负荷运行，且在停电或人为保养运转启动时，灵敏可靠。此项技术达到世界先进水平，填补了国内空白。

作者简介：王大中：（1933-），男，教授级高级工程师
　　　　　马维国：（1953-），男，高级工程师，室付主任
　　　　　赵锐锐：（1959-），女，高级工程师，室付主任