1、前言

鋼鐵工業(yè)是國民經(jīng)濟的重要基礎產(chǎn)業(yè)，包括從采礦、選礦、燒結(jié)(球團)、焦化、煉鐵、煉鋼、軋鋼，直到金屬制品及輔料等生產(chǎn)工序。為推動鋼鐵工業(yè)轉(zhuǎn)型升級，走中國特色的新型工業(yè)化道路，工業(yè)和信息化部印發(fā)《鋼鐵工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》，規(guī)劃明確指出要深入推進鋼鐵工業(yè)節(jié)能減排。在鋼鐵工業(yè)鏈上各生產(chǎn)工序中，工業(yè)冷卻水的循環(huán)使用非常普遍。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是工藝生產(chǎn)主線的生命保障線，對于生產(chǎn)正常運行及設備安全運轉(zhuǎn)起著至關重要的作用。因此，有必要對循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)進行分析，促進系統(tǒng)安全、節(jié)能運行。中冶南方(武漢)威仕工業(yè)爐有限公司以為客戶提供“用能設備的全生命周期服務”的理念，提供包括工業(yè)爐及鋼鐵全流程中終端用能設備的節(jié)能技術(shù)服務。

2、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)能量使用

2.1循環(huán)冷卻水系統(tǒng)構(gòu)成

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)依據(jù)系統(tǒng)輸送介質(zhì)不同，有密閉式和敞開式兩種系統(tǒng)。以較常用的敞開式系統(tǒng)為例，包括電源裝置、傳動系統(tǒng)、循環(huán)水泵組、管網(wǎng)、換熱裝置、冷卻塔等，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。其中電源裝置提供了整個系統(tǒng)的能源供給，如機械輸送設備、傳動控制系統(tǒng)及自動化控制系統(tǒng)等；自動化控制系統(tǒng)包括電氣自動化(如變頻調(diào)速控制)及儀表自動化(如管網(wǎng)上流量調(diào)節(jié)閥)；冷卻塔通常有風機及驅(qū)動電機等子設備；冷卻水使用設備包括在廣義的循環(huán)系統(tǒng)管網(wǎng)中，沒有分別列出。

圖1典型循環(huán)冷卻水系統(tǒng)示意圖

2.2系統(tǒng)能量輸入與轉(zhuǎn)化

電能輸入。如圖1中的電源裝置，通過工廠電網(wǎng)將電能輸入到循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。水泵配用的電機、風機配用電機、以及系統(tǒng)中自動化控制設備均需輸入電能來保證設備運行與運轉(zhuǎn)。能量轉(zhuǎn)化。由電機驅(qū)動循環(huán)水水泵，電機將電能轉(zhuǎn)化為水泵的動能，進而通過水泵轉(zhuǎn)換為循環(huán)水的動能；電機將電能轉(zhuǎn)化為冷卻塔上風機的動能，進而通過風機轉(zhuǎn)換為冷卻風的動能；控制閥通過電、氣驅(qū)動，實現(xiàn)自動化系統(tǒng)對水壓、流量及冷卻溫度的自動調(diào)節(jié)。

2.3系統(tǒng)能量消耗

依據(jù)能量守恒，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中能量消耗是在能量的轉(zhuǎn)移與轉(zhuǎn)化過程中的損耗。如循環(huán)水系統(tǒng)中的電機、水泵和風機等實現(xiàn)了電能、機械能及動能的能量轉(zhuǎn)化；連接器(機械接手及變速齒輪)、換熱器等完成了能量的傳遞與轉(zhuǎn)移。能量在轉(zhuǎn)移與轉(zhuǎn)化的過程中不可避免發(fā)生能量的損耗，因此，要提高循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的運行效率，就要從系統(tǒng)對能量使用的各設備的運行效率進行優(yōu)化提升。

3、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)

構(gòu)成冷卻水系統(tǒng)的各裝置上的能量損失因各自的工作原理、系統(tǒng)控制方法、設備制造工藝及安裝方式等的不同，其對能量的轉(zhuǎn)移與轉(zhuǎn)換效率不同，從而產(chǎn)生了不同節(jié)能技術(shù)。除對電源裝置本身的優(yōu)化外，廣泛采用的節(jié)能技術(shù)主要有三種：變頻調(diào)速、高效水泵及水動能。其中變頻調(diào)速控制是從系統(tǒng)控制優(yōu)化角度進行節(jié)能優(yōu)化；水泵節(jié)能是通過設備設計與制造的改善來實現(xiàn)節(jié)能；水動能冷卻塔則是充分利用管網(wǎng)中水動能余量進行能量二次利用。

3.1變頻調(diào)速控制技術(shù)

變頻調(diào)速在冷卻水系統(tǒng)中的應用主要針對驅(qū)動水泵的電機進行變頻調(diào)速控制，可以有效實現(xiàn)：①流量調(diào)節(jié)。通常，由于循環(huán)水系統(tǒng)額定流量基于生產(chǎn)工況最大流量來選用相應的循環(huán)水泵，通過調(diào)整水泵電機的運轉(zhuǎn)速度，進行循環(huán)水量的調(diào)節(jié)，以保證生產(chǎn)工況變化時的需要。②替代控制閥。利用控制閥的開度進行循環(huán)水系統(tǒng)運行狀態(tài)，如壓力和流量等參數(shù)的調(diào)整來滿足現(xiàn)場工況，是非常普遍的方案。由于變頻器技術(shù)的快速發(fā)展，其運用也越來越廣泛。用變頻控制實現(xiàn)控制閥的控制功能已有了成熟的解決方案。

采用變頻調(diào)速控制節(jié)能技術(shù)主要優(yōu)點有：通過調(diào)整轉(zhuǎn)速，滿足生產(chǎn)需求，無附加損耗，高效節(jié)能；電機完全在空載下啟動，大幅降低啟動電流，減少對電機、電纜、開關及電網(wǎng)等的沖擊，同時具備軟啟動功能；變頻調(diào)速避免對設備不利沖擊，延長電機等設備使用壽命，減輕軸承磨損，降低設備維護成本，有利于設備靠運行；提高自動化水平，減輕操作人員勞動強度。其局限性是因為變頻器本身要消耗能量，也存在自身效率的差異，在進行技術(shù)改造時對現(xiàn)場有一定的技術(shù)要求，且改造后需進行專業(yè)維護。

3.2高效節(jié)能水泵技術(shù)

水泵的節(jié)能原理是通過提高水泵的運行效率實現(xiàn)完成同等送水量時能量消耗降低。自七十年代電子計算機得到廣泛應用后，以被世界公認為葉輪機械三元流動理論的奠基人吳仲華教授的“葉輪機械三元流動理論”得以運用于葉輪機械產(chǎn)品的設計與制造上來。1976年美國數(shù)十位泵專家合著的權(quán)威工具書《泵手冊》，把葉輪機械三元流動理論列為泵設計的最先進方法。這種泵內(nèi)含射流－尾跡模型的三元流動計算方法，把葉輪內(nèi)部的三元立體空間無限地分割，通過對葉輪流道內(nèi)的各工作點的分析，建立起完整、真實的葉輪內(nèi)流動的數(shù)學模型。通過這一方法，我們對葉輪流道分析可以做得最準確，反映流體的流場、壓力分布也最接近實際。由于葉輪出口為射流和尾跡(漩渦)的流動特征，在設計計算中得以體現(xiàn)。因此，在此基礎上設計制造的葉輪也就能更好地滿足工況要求，效率顯著提高。

基于同樣的理論，從局部管網(wǎng)優(yōu)化的角度出發(fā)，在水泵的進水通道上，增加一組(多片)三元流體曲面引流葉片，以優(yōu)化泵體內(nèi)流場力學模型，減少流體在泵體內(nèi)部的運動阻力，從而達到降低水泵的氣蝕現(xiàn)象對水泵效能的影響，提升水泵內(nèi)的流體效率，在流量、揚程不變的情況下，降低損耗，提升系統(tǒng)的節(jié)能空間。

3.3水動能冷卻塔技術(shù)

傳統(tǒng)冷卻塔一般由電動機通過聯(lián)軸器、傳動軸和減速機構(gòu)來驅(qū)動冷卻塔的風機。風機抽風使進塔水流快速散熱冷卻，并經(jīng)水泵加壓將冷卻后的水重新輸送到需要用水冷卻的設備。通過不斷循環(huán)，達到冷卻水反復使用。新型水動能冷卻塔是是以水輪機取代電機作為風機動力源。水輪機的工作動力來自系統(tǒng)的富余流量和富余揚程。主要有：

(1)設計余量。設計人員選水泵型號時，由于水量及系統(tǒng)各環(huán)節(jié)阻力很難被精確的計算出來，為了安全生產(chǎn)及各方面的因素考慮，依據(jù)核定冷卻水量及阻力數(shù)值的基礎上至少加10%～20%的余量。

(2)勢能。水輪機將布水器釋放掉的冷卻塔與換熱設備的絕對高度之差勢能充分地利用起來，轉(zhuǎn)化為水輪機做功的能量。

(3)水泵的自身調(diào)節(jié)能力。水泵的流量和揚程是互為關聯(lián)的。在不增大水泵功率的前提下，流量和揚程可以相互轉(zhuǎn)化以滿足水輪機所需的實際壓頭。

(4)動能。一般水輪機的入口流速為10～20m/s，能夠產(chǎn)生很可觀的動能和推動水輪機葉輪做功的揚程。在最初沖擊水輪機葉輪時，風葉的轉(zhuǎn)速和電機啟動時基本一樣，轉(zhuǎn)速越來越快，當達到設定轉(zhuǎn)速時，風葉和葉輪本身也產(chǎn)生巨大的轉(zhuǎn)動慣量，此時所需要的驅(qū)動水頭大大降低。

(5)閥門開啟度的余量。在整個循環(huán)管道系統(tǒng)中，由于沿途設計余量的存在，系統(tǒng)中調(diào)節(jié)控制閥門在大絕大部份運行時間內(nèi)處在非全開的狀態(tài)，導致整個循環(huán)水閉路系統(tǒng)并不是暢通，致使流量和揚程損失巨大。

水動能冷卻塔節(jié)能技術(shù)主要優(yōu)勢在于：能實現(xiàn)100%節(jié)電；大大降低冷卻塔的震動和噪聲，減少對環(huán)境的污染；水動風機冷卻塔省去了電機、連軸節(jié)、減速箱、電控、電纜等，減少日常的維修保養(yǎng)費用；隨著季節(jié)的變化，水動風機的轉(zhuǎn)速隨著水的壓力的增減而增減，風量也隨之增減，使冷卻塔的氣水比穩(wěn)定在最佳的狀態(tài)，以達到冷卻的最佳效果。其局限性在于“富余能量”不一定永遠存在，如勢能和閥門開啟度這兩種能量根據(jù)現(xiàn)場實際情況可能不存在。

4、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)節(jié)能實踐

湖北新冶鋼有限公司由動力事業(yè)部對各循環(huán)水

系統(tǒng)實施集中管控。威仕爐公司作為首批央企節(jié)能服務公司，組織專業(yè)人員對其2#連鑄水處理系統(tǒng)、3#連鑄水處理系統(tǒng)、7#電爐水處理系統(tǒng)、8#電爐水處理系統(tǒng)、一軋廠水處理系統(tǒng)、制氧廠水處理系統(tǒng)、凈水處理系統(tǒng)及水源站八個水系統(tǒng)進行現(xiàn)場測試與運行數(shù)據(jù)采集。調(diào)查測試了共80臺水泵，分析了34臺開機運行的現(xiàn)場水泵數(shù)據(jù)。根據(jù)最保守的計算模型，平均節(jié)電率在20%以上，每年節(jié)約電費約400萬元。以下針對制氧廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)實施高效節(jié)能水泵技術(shù)進行節(jié)能技改重點分析。

4.1現(xiàn)場運行狀況

鋼鐵生產(chǎn)工藝中制氧是以空氣為原料，通過空氣過濾、壓縮、冷卻、精餾等工序，分離空氣中的氧氣與氮氣來作為重要的冶金原料。冶鋼20000m3/h制氧冷卻機組是以循環(huán)冷卻水實現(xiàn)制氧過程中的冷卻功能?，F(xiàn)場共配置3臺循環(huán)冷卻水水泵，兩用一備。制氧循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水泵現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)如表1所示。

表1制氧循環(huán)冷卻水泵現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)

4.2技術(shù)方案要點

調(diào)查結(jié)果表明，制氧循環(huán)冷卻水系統(tǒng)能耗較高，在“高效流體輸送技術(shù)”進行技改方案中，以水泵節(jié)能技術(shù)為首選。主要包括高效節(jié)能水泵及管網(wǎng)優(yōu)化設備，調(diào)整更換原輸送設備；通過安裝預旋流整流控制裝置，優(yōu)化輸送管網(wǎng)效率；解決原系統(tǒng)運行流量偏差所導致的無效功耗；優(yōu)化糾正原系統(tǒng)不合理的運行模式，降低系統(tǒng)運行能耗，達到節(jié)能降耗的目的。

(1)對現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)科學計算。利用工程流體力學相關理論，依據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行流動阻力及能量損失推導計算。應用計算機模擬仿真、實驗研究，較準確推導出管阻特性，計算出能量損失最小值。

(2)節(jié)能水泵設計與制造。采用國外最先進的“CFD”整體數(shù)據(jù)模擬技術(shù)及三元流理論進行最優(yōu)水泵設計，通過“CFD”泵與管路系統(tǒng)裝置整體數(shù)值模擬技術(shù)，計算不同工況下泵裝置內(nèi)部流場，提高泵裝置設計與運行效率，如圖2所示。

圖2高效水泵模擬設計示意圖

4.3節(jié)能方案分析

節(jié)能量測算。實施技改的制氧冷卻水系統(tǒng)水泵組，泵開機時間為24h/d、365d/a，電費按0.65元/kW·h。技改后流量及揚程數(shù)據(jù)為現(xiàn)場用戶確認生產(chǎn)要求數(shù)據(jù)。年節(jié)約用電145.5萬kW·h，(見表2)年直接節(jié)約約100萬元。

表2制氧循環(huán)冷卻水泵節(jié)能量計算表

方案實施模式。合同能源管理模式(EPC)是節(jié)能服務公司實施節(jié)能服務項目的重要模式。即節(jié)能服務公司與用能單位以契約形式約定節(jié)能項目的節(jié)能目標，節(jié)能服務公司為實現(xiàn)節(jié)能目標向用能單位提供技術(shù)服務，用能單位以節(jié)能效益支付節(jié)能服務，公司的投入及其合理利潤的節(jié)能服務機制。綜合考慮節(jié)能改造現(xiàn)場施工、節(jié)能效益等因素，對制氧廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水泵裝置以EPC模式實施技術(shù)改造。合同能源管理模式實施要點有：

(1)某公司負責從節(jié)能方案到方案實施的全流程的技術(shù)、資金及項目管理內(nèi)容，冶鋼方面負責項目實施時的工程協(xié)作；

(2)某公司保證節(jié)能技改實施后噸水節(jié)電率不低于20%；

(3)冶鋼在某公司節(jié)能技術(shù)達到節(jié)電目標前提下，以節(jié)電收益按期支付項目費用。

5、結(jié)論

循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能是對終端用能設備(或機組)進行一種有效的節(jié)能改造手段，也是當前節(jié)能的主要手段之一，總結(jié)有以下特點：

(1)與工序節(jié)能不同，循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能是對諸如冷卻塔水輪機、水泵或變頻控制器等終端用能設備的局部性改造，因此，節(jié)能改造的工期短，施工靈活，基本不影響正常生產(chǎn)。

(2)通過縝密的現(xiàn)場調(diào)查，依據(jù)對現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)的科學計算與評估，設計合理的節(jié)能技術(shù)改造方案。針對系統(tǒng)組成的不同單元的數(shù)據(jù)分析，采用的節(jié)能技術(shù)會有所不同。因此，對同一現(xiàn)場，可以設計不同的節(jié)能方案，并從中選擇投入與產(chǎn)出最優(yōu)的方案作為執(zhí)行方案。

(3)節(jié)能水泵的技術(shù)方案，是對實際流量及系統(tǒng)阻力精確計算后進行精確設計的結(jié)果，節(jié)能量的測算值有確定的范圍。