密閉式工業循環冷卻水系統設計要點淺析
來源： 閱讀：9303 更新時間：2009-10-22 14:351.概述
純水(或軟水)密閉式循環冷卻水系統常用于工業企業中關鍵設備的間接冷卻。密閉式循環水系統內循環水基本與外界隔絕，以確保水質以及系統的正常運行。
密閉式循環水系統常規流程為：水處理站循環供水泵出水→過濾器→工藝設備→換熱器(或蒸發空冷器)→至水處理站循環供水泵進水，統設有膨脹水箱或膨脹罐。
本文結合某大型鋼鐵企業煉鋼連鑄單元的純水循環水系統項目，對密閉式工業循環冷卻水系統的一些設計要點，如管路系統的設計、膨脹水箱的設置、循環水泵的選型及水泵進出口管路設計等做了初步的分析和探討，可作為相似工程的參考。
關于密閉式工業循環冷卻水系統的過濾、熱交換等水處理流程等問題，不在本文討論范圍之內。
2.項目概況
某大型鋼鐵聯合企業煉鋼連鑄單元設有氧槍純水密閉循環冷卻水系統，循環水量945m3/h；煉鋼機械設備純水密閉循環冷卻水系統，循環水量710m3/h；連鑄結晶器純水密閉循環冷卻水系統，循環水量861.5m3/h。所有工藝設備的純水循環冷卻回水從工藝主車間回水至車間外煉鋼連鑄凈循環水處理站，經板式換熱器換熱冷卻后，由循環水泵加壓，送水至工藝主車間。共3套循環水系統，6根循環給水和回水管道，循環水管徑均為DN500。
氧槍純水密閉循環冷卻水系統、煉鋼機械設備純水密閉循環冷卻水系統均設有高位安全水箱兼做膨脹水箱用，連鑄結晶器純水密閉循環冷卻水系統設密閉式膨脹罐，另設獨立的安全水箱。氧槍純水密閉循環冷卻水系統、煉鋼機械設備純水密閉循環冷卻水系統設專用補水泵，補水泵與水箱液位連鎖控制，高液位關泵，低液位開泵。連鑄結晶器純水密閉循環冷卻水系統由密閉式膨脹罐的補水泵補水。
3.設計要點分析
3.1管路系統的設計要點及工程實例分析
管路系統的設計要點包括水力平衡設計、管道設置方式、管材的選用以及管路系統的排氣等。
3.1.1水力平衡設計
一般情況下，一套密閉式工業循環冷卻水系統的用戶不可能是單一的，氧槍純水密閉循環冷卻水系統包括轉爐氧槍、轉爐副槍、RH機械設備等用戶；煉鋼機械設備純水密閉循環冷卻水系統包括轉爐爐口、爐帽、托圈、LF爐蓋、LF導電橫臂等用戶；連鑄結晶器純水密閉循環冷卻水系統用戶為連鑄結晶器。
各用戶之間的水力平衡是非常重要的，包括管網的水力計算、循環水泵流量、揚程等基本參數的確定以及流量、壓力的調節措施等。關于管路系統水力平衡設計部分可見由作者另外撰寫的《鋼鐵企業工業循環冷卻水系統水力平衡及水質平衡設計》一文的相關內容，本文不做另外的敘述。
3.1.2管道設置方式
管網漏失水量在所難免，但管道漏水對于密閉式管路系統的影響很大，循環水干管上少許的漏水就會引整個起管網壓力的巨大波動。這是因為密閉式管路系統循環水泵提供的壓力僅為克服管路系統的水頭損失，密閉式管路系統本身須提供基準壓力。如果循環水主干管道有漏水點，該處與大氣相通，就起到了泄壓的作用，將會直接使管網壓力大幅度下跌。
本項目連鑄結晶器密閉式工業循環冷卻水系統，埋地敷設的密閉式回水管路主干管上發生了多點漏水，漏水量約為4~5m3/h，不開啟膨脹水箱補水泵，僅過3~4min循環回水壓力由正常的0.6MPa下跌為0.2MPa，循環供水壓力由正常的1.5MPa下跌為1.1MPa。
由此可見，密閉式循環水系統管道設置應貫徹便于維護和檢修為原則，管道的設置方式應盡可能架空設計，如架空確有困難，按照管廊、管溝、埋地的次序執行設計。
在工藝主車間內，廠房柱網密布，設置架空管線較為便宜，管道架空敷設應為首先方式；如果有工藝設備阻擋，使架空管道無法通過，則采用管溝或管廊方式。在循環水處理站，管道可以架空敷設，也可以埋地設置或采用管溝方式。在循環水處理站與主車間之間的區域，如果管道數量較少，管道可以平面展開布置，則管道埋地敷設；如果管道數量較多，按單層展開平面布置占地面積太大無法布置，則應采用管廊方式。
本項目中，循環水處理站的管道采用架空、埋地、管溝相結合的方式；循環水處理站與主車間之間的區域，6根DN500的純水循環水管道如按平面展開敷設，需要約6m凈空，且另有其它水管道，因此，循環水管道設置在地下管廊內，多層敷設；煉鋼車間內的管道為架空敷設方式。
3.1.3管材選用
目前在工業系統的大型密閉式循環冷卻水系統中，焊接鋼管仍是最常用的管材。熱滾塑鋼管、碳鋼不銹鋼復合管、雙金屬涂塑焊接管、鋼骨架塑料復合管因其優異的耐腐蝕性能，在密閉式循環冷卻水系統中也得到了推廣和應用。
熱滾塑鋼管須用法蘭連接；碳鋼不銹鋼復合管采用焊接連接；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，長期工作溫度應在50℃以下，該管道為熱熔連接。
密閉式循環冷卻水系統管材的選用應根據具體的使用環境和使用條件確定，具體如下：
①焊接鋼管，在循環水系統投入使用前須進行管道的清洗和預膜處理，為保持循環水水質穩定，系統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、埋地等各種敷設方式；
②熱滾塑鋼管，可適用于架空、管廊、管溝的敷設方式；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，引發密封圈和墊片的問題，從而導致漏水；因此，建議熱滾塑鋼管一般不埋地敷設，如果要埋地，地基必須有一定的要求；
③碳鋼不銹鋼復合管，雙金屬涂塑焊接管，可適用于架空、管廊、管溝、埋地等各種敷設方式；
④鋼骨架塑料復合管，可適用于架空、管廊、管溝、埋地等各種敷設方式；但對于工藝主車間而言，因環境溫度較高，一般不做使用；另外，密閉式工業循環冷卻水系統的管道管徑大、循環供水管工作壓力高，鋼骨架塑料復合管的使用也受很大的限制。
本項目中，各純水密閉循環水系統的管道均采用了熱滾塑鋼管。
3.1.4管路系統的排氣
密閉式工業循環水管網中的積氣在所難免，主要來源于以下兩個方面：①管網系統充水時所殘留的空氣；②管道局部流速過高，導致水中空氣析出。
密閉式工業循環水管網的管路十分復雜，管道須要避讓工藝設備、水處理設備、其它管線以及土建的平臺、柱子、基礎等，因此管道的上下翻越是普遍的現象。管路本身又是密閉式的，管網中產生積氣后，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)產生影響，甚至會出現管道振動的現象。
因此，對于密閉式工業循環冷卻水系統而言，管路系統的排氣問題，必須在設計時加以注意。
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。
①排氣閥要設置在管路系統上翻容易積氣處；
②排氣閥要盡量設置在管路系統中最高處；
③排氣閥要盡量靠近車間邊緣設置，因為排氣閥在排氣的同時往往會帶有少量的水噴出，應盡量減小水排氣閥水噴出對生產的影響；
④排氣閥設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，應增設檢修平臺。
2).循環水處理站管道的排氣
循環水處理站密閉式管道的排氣相對方便，即使不設置專門的排氣閥，利用水處理站循環水泵殼頂部的旋塞，也可起到排氣的作用。這種排氣方式也同時伴隨著排水，需要運行或點檢人員專門的操作。
如需設置排氣閥，可在純水循環回水管接換熱器或蒸發空冷器處設置，該處一般為水處理站管網的最高處。
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水管道的管徑，在確定排氣閥口徑大小時，可參照下表執行[2]。
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3.2膨脹水箱的設置問題
密閉式工業循環冷卻水系統必須設置膨脹水箱。膨脹水箱有三個用途，一是收容和補償系統中水的脹縮量；二是向密閉式循環水系統提供穩定的壓力，起到系統穩壓的作用；三是作為系統補水泵的指示，通常由膨脹水箱發出信號啟動或關閉系統補水泵。
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，約為 0.0006(1/℃)，Δt為最大的水溫變化值(℃)，Vs為系統內的水容量，即系統中管道和設備內存水量的總和。
密閉式工業循環冷卻水系統一般供回水水溫變化值不超過15℃，以本項目為例，氧槍純水密閉循環冷卻水系統、煉鋼機械設備純水密閉循環冷卻水系統的供回水溫差為15℃，連鑄結晶器純水密閉循環冷卻水系統供回水溫差為10℃。
在實際確定膨脹水箱的有效容積時，還須用系統補水量對上述計算值進行校核。密閉式系統的補水量主要時考慮管網系統水量的漏損，一般工業企業如寶鋼，密閉式系統設計小時補水量為系統內的水容量的0.5%。為避免水泵啟動過于頻繁造成設備損壞，從而影響生產，工業企業一般要求膨脹水箱的有效容積應能保證補水泵啟動的次數在1~2次/h。
3.2.2膨脹水箱形式的確定
密閉式工業循環冷卻水系統常用的膨脹水箱有兩種。第一種，是借助工業系統的安全水塔或安全水箱兼做膨脹水箱用；工業系統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定壓力的可靠性而言，都是首選的方法。第二種，設置專門的閉式膨脹水箱；工業企業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(如氮氣等)的水箱；從生產安全和維護方便的角度出發，閉式膨脹水箱一般設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循環冷卻水流程圖，供參考。
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3.2.3工程實例分析
現從工程實際角度對膨脹水箱設置的問題進行分析。
本項目的氧槍純水密閉循環冷卻水系統、煉鋼機械設備純水密閉循環冷卻水系統在主車間的50m平臺和40m平臺上均設有高位安全水箱，容積均為75m3，因此采用了在循環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。連鑄結晶器純水密閉循環冷卻水系統雖也有安全水箱，但其設置在了別的車間，接膨脹管至該水箱不便，因此在循環水處理站設密閉式膨脹水箱。
氧槍純水密閉循環冷卻水系統、煉鋼機械設備純水密閉循環冷卻水系統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。現對連鑄結晶器純水密閉循環冷卻水系統的密閉式膨脹水箱做計算。
連鑄結晶器純水密閉循環冷卻水系統的總容積約為380m3，按管網系統漏損考慮，補水量應為1.9m3/h；按系統膨脹計算，膨脹水箱的有效容積應為2.28m3。按膨脹水箱有效容積校核補水量，水泵每小時啟動次數可以滿足要求。
3.3循環水泵的選型及水泵進出口管路的設計
密閉式工業循環水管網中積氣的一個重要因素是管道局部流速過高，導致水中空氣析出。在循環水泵及水泵進出口管路處，這種現象尤為突出，因此在循環水泵的選型及水泵進出口管路的設計中要加以注意。
3.3.1循環水泵選型時要注意的問題
水泵的流量和揚程應根據用戶需求和管網的水力計算確定，本文不再做詳細的介紹。
在密閉式工業循環水系統循環水泵的選型時應避免選擇轉速過高的水泵，水泵的轉速應控制在1450rpm的范圍內。水泵葉輪轉速過高，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積氣，如果再加上水泵進出口管路設計的不合理，嚴重情況下可促成水泵的斷軸。
本項目中，氧槍純水密閉循環冷卻水系統的循環水泵原先采用的是2900rpm，投運僅5個月就先后有5次斷軸，整改后采用了950rpm的水泵，這種現象才停止。
3.3.2水泵進出口管路的設計
在水泵進出口管路設計時，要盡量避免管道轉彎處距離水泵進出口太近，也就是管路急轉彎；另外，水泵進出口的異徑管的長度盡量加長，以求得穩定的水流，減少水中空氣從湍急的水流中分離出來的現象。
4.小結
總之，密閉式循環冷卻水系統十分復雜，在設計時必須進行周密的考慮和詳細的計算。
參考文獻
1 陸耀慶，《實用供熱空調設計手冊》，北京，中國建筑工業出版社，1996
2 寶山鋼鐵股份有限公司，寶山鋼鐵股份有限公司建設工程工廠設計統一技術規定，2002
作者簡介：金亞飚(1975.12- )，男，漢族，籍貫江蘇省常熟市，同濟大學環境工程學院給水排水工程專業本科畢業，學士學位，工程師，主要從事鋼鐵企業給排水設計工作。
