王大中，馬維國，趙銳銳
北京鋼鐵設計研究總院，北京　100053

　　摘　要：為了將高爐在冶煉過程中產生大量的熱量散掉，需對高爐進行冷卻。密閉循環冷卻系統優于敞開式循環冷卻水系統。通過設計實例，簡要介紹了軟水密閉循環冷卻水系統在高爐循環冷卻中的應用及設計要點。
　　關鍵詞：高爐；循環冷卻水；冷卻器
　　中圖分類號：TU991.41
　　文獻標識碼：B
　　文章編號： 1009-2455(2000)02-0016-03

概況

　　高爐在冶煉過程中產生大量的熱，如果不及時將這些熱量散掉，高爐的爐襯就會被侵蝕，直接影響高爐的壽命，因此，改善高爐冷卻效果是延長高爐壽命的重要因素。
　　傳統的高爐冷卻都是利用工業水作為冷卻介質。采用敞開式循環冷卻水系統。由于系統蒸發、風吹、排污等原因水量損失較大，不宜使用成本高的優質水作為冷卻水。即使循環冷卻水處理技術可以使敞開循環冷卻水系統的水垢沉積、腐蝕速度減緩，但這種系統仍不能根除結垢和腐蝕之患。
　　密閉式循環冷卻水系統采用優質的軟化水或除鹽水作為冷卻介質冷卻設備為空氣／水或水／水熱交換器，這些都是間接換熱設備。
　　采用空冷器的密閉式循環冷卻水系統與敞開系統相比有以下優點：
　?、? 冷卻構件表面無水垢沉積，傳熱效率高，保證了高爐有效地冷卻，延長了高爐的壽命。如一座采用密閉循環冷卻水系統冷卻的高爐，一代壽命可達10年以上，中間無需中修。
　?、? 節水效果顯著。系統除了滲漏以外，無其它損失，一般認為，補充水量僅為系統容積的0.1％，我院在某高爐進行的有關試驗，實測的補水量小于0.1％，僅占相同循環水量敞開系統補水量的0.09％，這對于我國北方缺水地區是很有意義的。
　　另外，由于補充水量少，所以水處理藥劑費用也少。外排廢水少，對環境污染也小。
　?、? 節能。密閉循環回水不泄壓，因此節約動能，如系統循環水量為3500m³／h，密閉系統每年能耗為6.92×10⁶kWh，而敞開系統為8.33×10⁶kWh。

1　密閉循環冷卻水系統的構成

　　高爐密閉循環冷卻水系統由高爐水冷卻構件、給水圍管、回水集管、膨脹罐、空氣／水或水／水換熱器、循環水泵站及給水和回水管路所組成。
1.1　水冷構件
　　高爐的水冷構件有多種，如冷卻壁、冷卻箱、風口套、爐底等。
1.2　給水圍管與集水圍管
　　給水圍管位于高爐下部，共有4圈，都是自循環水系統給水總管來水。冷卻壁的4根冷卻水管由相應的給水圍管供水。
　　集水圍管位于高爐上部，有4圈，收集冷卻壁4根冷卻水管的回水。當膨脹罐位于爐頂時，4個集水圍管分別與相應的膨脹罐相連。
1.3　膨脹罐
　　膨脹罐系密閉容器，其下部為循環冷卻水，上部空間充有氮氣。膨脹罐用于調節循環水溫度變化引起的體積變化。如果循環水因過熱而汽化，膨脹罐亦可起汽水分離作用（指置于爐頂的情況）。膨脹罐上部充氮可以維持系統所需工作壓力，同時還可避免氧氣進入系統。
　　向系統補充水可通過膨脹罐的水位變化進行，當因水損失、膨脹罐內水位下降至設定水位時，即向系統內補水。當氮氣壓力超過設定值，即通過安全閥放散。
　　當膨脹罐水位下降，氮氣容積擴大，而壓力下降，此時為維持設定之氮壓，氮氣自動充入罐內。
1.4　換熱設備
　　常用的有空氣/水和水/水熱交換器兩種。
　　空氣/水換熱設備常用空氣冷卻器。冷卻水于翅片管內流動，空氣于管外吹過，將冷卻水的熱量帶走。
　　水/水換熱設備常用板式換熱器。?
1.5　循環水泵
　　密閉式系統的水泵與敞開式系統要求不同。密閉系統要求水泵蜜蜂良好，不漏水，因之應該選用機械蜜蜂水泵。另外，水泵進口處又回水余壓和較高的系統工作壓力，所以整個泵殼強度要高。
1.6　補水設施與加藥設施
　　補水設施包括補水箱、補水泵等。要求補水泵的出水壓力高于循環水系統的工作壓力。加藥設施包括溶藥槽、溶液槽與計量泵等，用以將緩蝕劑加入循環水系統中。

2　高爐密閉循環冷卻水系統設計中需注意的幾個方面

2.1　循環水泵的選擇
　　選擇水泵的依據
　?、? 流量：根據高爐各冷卻部件所需冷卻水量的統計數字，各冷卻元件的水量往往按避免水在冷卻元件內汽化所要求的流速與過水斷面尺寸確定。例如冷卻壁，如流速為1.3m／s，鑄入的水管為直徑70mm×6.3mm，流量為12.1m³／h，每塊冷卻壁鑄4根水管，如有34塊冷卻壁，即12.1m×34m×4m＝1645m³／h。
　?、? 揚程：密閉系統與敞開系統不同，系統內冷卻水不與大氣接觸，因此可以保持系統內的壓力。當系統靜止時，最高一個冷卻不見的工作壓力如為1×10⁵Pa，其與地面高差為40m，即當膨脹罐設于地面時，罐內的氮壓力為5×10⁵Pa，此時水泵的前后壓力都是5×10⁵Pa。但為了使水在環路內循環流動，則需利用水泵給水以流速水頭，克服系統全部阻力損失。系統的水頭△P是可以估算的。一般系統的△P為2×10⁵Pa～4×10⁵Pa。系統總的阻力損失△P就是選擇水泵揚程的依據。工作水泵一般為2臺，備用水泵往往是1臺，占總水量50％。另設有柴油機驅動的水泵1或2臺，作為事故備用水泵。
2.2　補充水泵
　　補充水一般由鍋爐房軟化水直接輸送注入膨脹罐中，壓力略高于膨脹罐壓力即可。此管管徑一般設計成φ100mm。這是考慮系統開始運行時充水的需要，用4～6h就能充滿系統。
　　如果沒有這樣的條件，就要設軟水箱和補充水泵。補充水泵可設2臺，能力按充水時流量考慮。出口壓力略高于膨脹罐或系統的壓力。
2.3　安全供水
2.3.1　循環水泵的電源
　　水泵站要由兩路電源供電，常常是由兩個電網供電。當一路供電發生故障，則自動轉換到另一路電源繼續工作。
2.3.2　柴油機驅動水泵
　　在兩路電源發生故障時，雖然高爐休風，為了保證高爐不致燒毀，仍要不間斷供水。對于密閉系統適于設置柴油機水泉，在兩路電源停止供電時立即啟動，繼續供水。
　　直接連接于水泵的柴油機沒有減速裝置，啟動迅速，能在1s內立即啟動，在10s內可使水泵出水管水壓正常。柴油機應處于良好的備用狀態。
2.4　換熱設備
2.4.1　空冷器
　　空冷器管束一般為鋼管。高爐使用的空冷器通常為鋼翅片。鋼翅片的優點在于其剛度好，當用高壓水沖洗時不致變形。
　　空冷器要定期清洗，清洗的方式是用高壓水沖洗。在沖洗問題上垂直式的管束布置優點較為顯著。
　　空冷器的設計按最高熱負荷和夏季環境氣溫。
2.4.2　水／水熱交換器
　　只在下列條件下推薦使用水／水熱交換器；有足夠的水源，二次水能實現直流系統，最好不搞二次循環水設施，水源水質含泥砂不多，無需處理。
　　板式熱交換器的特點是熱交換效率高，體積小，而且清理方便，與空冷器相比，造價便宜。
2.5　膨脹罐
　　膨脹罐的工作壓力與容積按以下公式確定。
　?、?膨脹罐的工作壓力
　　靜態時：P_g＝P₁＋P_h　　　　　　　　　?(1)?
　　式中：P_g — 膨脹罐的工作壓力
　　　　　P₁ — 最高水冷構件所需工作壓力；
　　　　　P_h — 最高水冷構件至膨脹罐的高差。當膨脹罐設于爐頂時，Ph為負值；
　　當膨脹罐設于地面時，P_h為正值。
　　動態時，除按式(1)計算外，還要考慮系統的水頭損失。
　?、?膨脹罐的容積
　　系統內水的膨脹容積是根據系統總的水容積和最高水溫確定的。
　　△V＝V(αt₂－αt₁)?　　　　　　　　　　?(2)?
　　式中：△V — 系統內水的膨脹容積；
　　　　　V — 系統總的水容積；
　　　　　αt₂ — 水在最高工作水溫時的比容；
　　　　　αt₁ — 水在4℃時的比容。

3　某高爐密閉循環冷卻水系統簡介

　　工程地處華北。
3.1　爐體冷卻系統的流程

3.2　水冷設備的選擇
　　水冷卻設備選用了空冷器。這是由于水/水熱交換器要設有敞開式二次循環冷卻水系統，工程不允許設二次冷卻系統的構筑物，如冷卻塔、水池、循環泵等。另外當地供水緊張，需盡可能節約用水。
3.3　高爐爐體冷卻系統的設計參數
　　循環水量：　　　　　　2200 m³／h
　　冷卻水供水水溫：　　　55℃
　　冷卻水回水水溫：　　　65℃
　　水泵揚程：　　　　　　45m
3.4　補充水設施
　　① 補充水量
　　在正常情況下，補充水量可按系統容積的0.1％考慮。設計中我們還考慮了事故補水量與向系統充水的時間，因此補水設備的能力應適當加大，設定在4～6 h內充滿系統。
　?、?補充水水質
　　密閉循環水系統的補充水系軟化水。補充水不脫氧。
　?、?補充水設備
　　由2臺40m³軟化水箱，機械密封補水泵(4DA－8×9)及壓力補水罐(ZS1400－10)組成。當膨脹罐中水位因循環系統的泄漏而下降到低位廟宇點時會發出信號，這時找開處于高爐下部的補水閥門，補充水即注入循環系統。
3.4.1　空冷器的設備選型
　　按照提出的要求，選擇立式管束空冷器。管束高9m，置于泵房屋頂，面積38m×12m。為了能適應水力沖洗管束上的積塵，提高翅片的剛度，設計采用了鋼翅片，并考慮了防腐措施，將翅片管進行整體浸鋅。
3.4.2　空冷器的設計參數
　　冷卻水量：　　　　　　 2200m³／h
　　冷卻水系統工作壓力：　 12×10⁵Pa
　　空冷器進水溫度： 平均63.6℃最高65.6℃
　　空冷器出水溫度：　　　　≤55℃
　　冷卻水水質：中壓鍋爐軟化水加緩蝕劑
3.4.3　空冷器的性能
　　高爐密閉循環冷卻水系統所用空冷器是國內首次采用的新型立式空冷器。投產運行幾年來，冷卻效果良好，空冷器的主要性能為：
　　管束：立式，高9000mm，寬2700mm，型號9×2.7-4-130-16-15.6／R，數量24片，設計壓力16×10⁵Pa，試驗壓力24×10⁵Pa。
　　風機：風量450000m³／h，風壓17×9.8Pa，電機45kW共12臺。
　　清洗裝置：大車運行速度：0.2m／s
　　　　　　 小車運行速度：0.05m／s
　　　　　　 加壓水泵：Ｄ12－50×6型
3.5 快速啟動柴油機驅動事故應急水泵機組的開發
3.5.1　快速啟動柴油機
　　所謂“快速啟動”實際上是由柴油機與水泵之間的離合器實現的。對于發動機本身，要求輸出功率與水泵匹配，而且靈敏可靠，易于維修保養。經過多方面比較，最后采用柴油機型號為TBD234V8。
3.5.2　事故應急水泵
　　事故應急水泵與常規水泵有所區別。常規水泵在啟動時出口閥門關閉，當電機運轉正常后，才開啟閥門，帶上負荷。而事故應急水泵，在失電的情況下，不易做到隨時啟閉閥門，所以機組一經啟動，就可能帶上負荷。因此要求泵的葉輪和軸應能適應較大的扭矩。本工程采用的應急泵采用了高強度材料的軸。同時為了適應泵殼內壓增大，加強了泵殼的強度。實際運行與測試結果表明，此機組的開發是成功的。柴油機可以10s內達到全負荷運行，且在停電或人為保養運轉啟動時，靈敏可靠。此項技術達到世界先進水平，填補了國內空白。

作者簡介：王大中：（1933-），男，教授級高級工程師
　　　　　馬維國：（1953-），男，高級工程師，室付主任
　　　　　趙銳銳：（1959-），女，高級工程師，室付主任