廣西，南寧，桂林，來賓，崇左，北海，百色，柳州，賀州，欽州，梧州，河池，貴港，防城港
殺菌滅藻劑、緩蝕阻垢劑、冷凝器除垢劑、換熱器除垢劑、空調(diào)除垢劑、鍋爐除垢劑、中央空調(diào)管道清洗、冷凝器清洗、重型空氣預(yù)熱器管路清洗、中央空調(diào)、蒸發(fā)式冷凝器、凝汽器、冷凝器、換熱器、鍋爐（包括導(dǎo)熱油爐）、大型化工企業(yè)的工藝管路清洗、鍋爐管道清洗、消泡劑、殺菌劑、滅藻劑、緩蝕劑、阻垢劑、清洗劑、除垢劑、緩蝕除垢劑、除垢緩蝕劑、阻垢緩蝕劑、氧化性殺菌滅藻劑、非氧化性殺菌滅藻劑、中央空調(diào)清洗、油煙管道清洗、換熱器、凝汽器、冷油器、油罐、工藝管線的化學(xué)清洗、物理清洗、及水處理工程
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密閉式工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)淺析
摘要 純水(或軟水)密閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)常用于工業(yè)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(xiàng)目，對密閉式工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的一些設(shè)計(jì)要點(diǎn)，如管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、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(jì)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
Discussion about the design difficulties of the industry closed recirculation cooling water system
Abstract The industry closed recirculation cooling water system is very important. The design difficulties of the water system are discussed. It also can be used for reference in the similar engineering.
Keywords closed recirculation cooling water system pipe system expansion tank
1.概述
純水(或軟水)密閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)常用于工業(yè)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(xiàng)目，對密閉式工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的一些設(shè)計(jì)要點(diǎn)，如管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、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(jì)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(xiàng)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(jì)要點(diǎn)分析
3.1管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及工程實(shí)例分析
管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括水力平衡設(shè)計(jì)、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(jì)
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(jì)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(jì)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)水力平衡及水質(zhì)平衡設(shè)計(jì)》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(huì)引整個(gè)起管網(wǎng)壓力的巨大波動(dòng)。這是因?yàn)槊荛]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(huì)直接使管網(wǎng)壓力大幅度下跌。
本項(xiàng)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(jì)，如架空確有困難，按照管廊、管溝、埋地的次序執(zhí)行設(shè)計(jì)。
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(xiàng)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、雙金屬涂塑焊接管、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；雙金屬涂塑焊接管，采用雙金屬焊接。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(cuò)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，雙金屬涂塑焊接管，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(xiàng)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(gè)方面：①管網(wǎng)系統(tǒng)充水時(shí)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(huì)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(dòng)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(jì)時(shí)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(dòng)排氣閥。
在確定主工藝車間排氣閥的安裝位置時(shí)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?yàn)榕艢忾y在排氣的同時(shí)往往會(huì)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(shí)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(shí)，可參照下表執(zhí)行[2]。
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管道公稱直徑DN |
排氣閥公稱口徑DN |
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<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(gè)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(dòng)或關(guān)閉系統(tǒng)補(bǔ)水泵。
3.2.1膨脹水箱有效容積的計(jì)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(xiàng)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(shí)際確定膨脹水箱的有效容積時(shí)，還須用系統(tǒng)補(bǔ)水量對上述計(jì)算值進(jìn)行校核。密閉式系統(tǒng)的補(bǔ)水量主要時(shí)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(jì)小時(shí)補(bǔ)水量為系統(tǒng)內(nèi)的水容量的0.5%。為避免水泵啟動(dòng)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(dòng)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(shí)例分析
現(xiàn)從工程實(shí)際角度對膨脹水箱設(shè)置的問題進(jìn)行分析。
本項(xiàng)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(jì)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(jì)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(jì)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(shí)啟動(dòng)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(jì)
密閉式工業(yè)循環(huán)水管網(wǎng)中積氣的一個(gè)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(jì)中要加以注意。
3.3.1循環(huán)水泵選型時(shí)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(jì)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(shí)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(jì)的不合理，嚴(yán)重情況下可促成水泵的斷軸。
本項(xiàng)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(gè)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(jì)
在水泵進(jìn)出口管路設(shè)計(jì)時(shí)，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(jì)時(shí)必須進(jìn)行周密的考慮和詳細(xì)的計(jì)算。
