（电气工程专业论文）大功率硅整流柜冷却水自动补给系统设计.pdf

工程碗_ l + 学位论文 摘要 目前，国内外大功率硅整流柜的冷却基本上全部采用水冷却。随着整流电压 的升高，电解电流的增大，对冷却水系统的要求也越来越高，除了对水压、水温、 流量的要求外，对水质的要求也更加严格。 大电流硅整流装置因电流大、功率损耗大、发热量火，所以冷却是其很重要 的问题。冷却方式可分为：风冷、油冷和水冷三种。在电解用大电流硅整流装置中 最为普遍使用的是水冷方式。因为整流柜对循环冷却水水质的要求高，所以整个 整流柜循环冷却系统改为闭式循环冷却系统，即由2 个水系统组成：二次水系统和 一次水系统，两系统通过板式热交换器实现热力上的换热和水力上的隔绝。 p l c 技术的发展将能更加满足工业自动化的需要，能够为自动化控制应用提 供安全可靠和比较完善的解决方案。而在本系统设计过程中，根据系统功能要求 及其它因素，如本系统模拟量、开关量的点数不多，应用功能相对简单，综合考 虑p l c 为主控制系统在本行业具有比较成熟的应用经验，故最终确定以p l c 控制为 主的自动化控制系统。 本文的主要内容是利用p l c 自动控制技术对循环水水质进行时实采集和实现 自动补水，并对补水设备及元器件的状态进行在线检测，通过声光信号通知控制 窀监控人员做出响应，进一步提高整流柜运行的i j j 靠性。 关键词：大功率硅整流柜冷却水p l c自动控制 奎些兰堡竺塑堑堡塑查塑堡! ! 竺墨竺堡生 一 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ec o o l i n go ft h eb i gp o w e rs i l i c o nr e c t i f y i n gt a n ku s ew a t e rc o o l i n g b a s i c a l l yi nc i v i la n dj n t e r n a t i o n a l w i t ht h er e c t j f y i n gv o l t a g ea n dt h ee l e c t r o l y s i s c u r r e n tt og ou pt ot h er e q u e s tt h a tt h ec o o l i n gw a t e rs y s t e mi sa i s om o r ea n dm o r e h i g h ，i na d d i t i o nt ot h er e q u e s to ft h ew a t e rp r e s s u r e ，w a t e rt e m p e r a t u r ea n dn u x ，i sa l s o m o r es t r i c tt ot h er e q u e s to ft h ew a t e rq u a l i t y t ot h eb i gc u r r e n ts i l i c o nr e c t i f y i n ge q u i p m e n t ，b e c a u s ei t sc u r r e n t ，p o w e r e x h a u s ta n dp r o d u c i n gh e a ti sg r e a t ly ，s oi t sc o o h n gi sv e r yi m p o n a mp t o b l e m n s c o o l i n gm e a n sd i v i d e di n t ot h r e es o r t s t h ew i n dc o o l i n g ，t h eo i ic o o i i n ga n dt h e 、v a t e r c o o l i n g t h em o s tw i d e s p r e a dc o o l i n gm o d ew h a tt ou s ew a t e rc o o l i n gi nt h e e j e c t r 0 1 y s sw i t ht h eb i gc u h e n ls i l j c o nt e c t i f y ；n ge q u i p m e n t b e c a u s et h er e c t i f y i n g t a n kh a sh i 曲r e q u i r e m e n t st oi t sc i r c u l a t i o nc o o l i n gs y s t e m ，s oa d o p tt h es h u tt y p e c i r c u l a t i o nc o o l i n gs y s t e m ，n a m e l yi n c 】u d e2w a t e rs y s t e m s ：t h et w i c ew a t e rs y s t e m s a n dt h eo n c ew a t e rs y s t e m ，t w os y s t e m si s o l a t et h e r m o d y n a m i ce n e r g ya n dw a t e r p o w e r b yt h ep l a n kt y p eh e a ie x c h a n g e rt h ec h a n g eo f a n dw a t e rp o w e l p l ct e c h n i c a ld e v e l o p m e n tc a ns a t i s f vm o r ed e m a n d so ft h ei n d u s t n a l a u t o m a t i z a t i o n ，c a na l s op r o v i d eas a f cd e p e j l d a b l ea n dm o r ep e r f e c ts o l u t i o nf o rt h e a u t o m a t i o na p p l i c a t i o n b u ti nt h ed e s l g nt h ep m c e s so ft h i ss y s t e m ，a c c o r d i n gt ot h e s y s t e mf u n c t i o nr e q u e s ta n do t h e rf a c t o r s ，t - o re x a m p l e ，t h es y s t e ma n a l o ga n ds w ；t c h n o d e sn o tm u c h ，a p p l yf u n c t i o ni so p p o s i t es i m p l e ，c o m p r e h e n s i v ec o n s i d e rt h a tp l c a c ta st h em a s t e rc 0 1 1 t r o ls y s t e mh a sm a t u r ea p p l i e de x p e r i e n c e si nt h ei n d u s t r y s o m a k ec e n a i nt h ep l ca sm a s t e ra u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e m m a i nc o n t e n t so ft h ep a p e ri n c l u d et om a k e su s eo fp l ca n t o m a i i cc o n t r o 】 t e c h n o l o g y t or e a l t i m ec o u e c tt ot h e c i r c u l a t i n g w a t e r q u a n t y a 矗d s u p p l y a u t o m a t i c a l l y ，a n do n l i n ej n s p e c ts t a t e so f t h es u p p i yw a t e re q u i p m e n t sa n dp a r t s p a s s t h es o u n da n dl i g h ts i g n a in o t i c ec o n t r o lr o o ms u p e r v i s o r s ；t h ef h r t h e re n h a n c et h e r u n n i n gc r e d i b i l i t yo f c 1 1 er e c t i f y i n ge q u i p m e n t s k e yw o r d s ： s i l i c o nr e c t i f y i n gt a n k ，c o o l i n gw a t er p l c ，a u t o m a t i cc o n t r o l v 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导帅的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要页 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：1 乒砻锸 臼期：炒6 年6 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使川学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入自关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编小学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适月j 术授权书。 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“”) 鳓“ 洲“ 澎 工程硕| ：学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景和意义 1 ，1 1 课题研究背景 我国的电解铝行业在上个世纪基本上一直沿用着前苏联7 0 年代的生产方式 和生产工艺，自动化水平低，能耗大，污染严重，且各大铝厂的生产规模都在1 5 万吨以下l lj 。9 0 年代初，国内对铝型材需求的快速增长给铝行业的发展带来了前 所未有的机遇，年产量6 万吨以f 的小型电解铝厂遍地开花，几个国有大中型铝 电解企业也在原有的基础进行了扩建，但好景不长，随着能源、原料价格的不断 上涨，电解铝的利润越来越低，加上进口铝的冲击和国内需求的缓和，9 0 年代后 期国内铝电解企业逐渐陷入了亏损行列，举步维艰。为了扭转这种不利局面，使 电解铝向节能、高效、规模、环保的方向发展，国内铝行业从设计院到各个铝电 解企业都在积极探索研究和引进新的生产工艺、技术，逐步进行改造扩建，关停 效率低、能耗大、污染严重的旧的小型自焙阳极电解槽，采用大型预焙阳极电解 槽，电解电流从以前的7 5 k a 增至2 0 0 k a 、3 2 0 k a ，甚至更高企业产能从6 万 吨、1 0 万吨增大到3 0 万吨、4 0 万吨，甚至6 0 万吨，与之配套的整流设备的容量 也随之不断增大，单机组容量从x x m v a 增大至y y m v a ，整流柜的结构形式也 在不断的改进，单柜容量从原来的5 k a 、6 k a 增大到2 0 k a 、3 0 k a ，直流电压从 原来的8 0 0 v 升至1 2 0 0 v 。随着整流元件、快速熔断器制造技术的发展，整流元件 的导电能力越来越大，承受的反向电压越来越高，熔断器的分断能力也越来越强， 这就使得整流柜在减少元件的情况下增大容量成为现实。例如，与同容量的原来 的旧式柜子相比，原来采用2 0 0 a 硅元件的整流柜单臂并联元件多达1 6 只，而采 用3 0 0 0 a 的元件后单臂并联元件只有2 只，极大的降低了整流柜的附加损耗。虽 然大功率整流元件的生产技术的改进大大降低了整流柜的附加损耗，但整流枢容 量的增大、电场强度的增强及整流臂并联元件数的减少给保证整流元件的均流度 带来了一定的困难。均流度是保证大功率整流柜安全运行的一个关键指标，整流 臂上并联元件越少，要求的均流度越高( 理想情况是每个整流臂一个元件，均流 度1 0 0 ，即不存在均流度问题) 。均流度的降低导致整流臂i j 并联的硅元件通过 的电流会严重不均匀，有的元件上将长期通过超过其额定值的电流，这将成为硅 整流元件发生热击穿短路的个极大隐患f2 1 。而影响整流柜均流度的主要因素足 整流悸的结构却置方式( 电场的影响) 、整流臂并联硅元件数、硅元件的f 向导逊 大功牢硅整流柜冷却水自动补给系统设汁 压降及硅元件的压紧力( 接触电阻的影响) ，实际上整流柜定型生产后整流臂的结 构掘置方式、整流臂并联硅元件数即己固定，要保证整流柜的均流度就必须调整 硅元件的压紧力和匹配特性相同的硅元件，由于硅元件的特性分散性很大，若要 靠匹配元件来改善均流度困难很大，浪费很大，所以实际生产运行中主要靠调整 硅元件的压紧力来保证均流度，但调整元件压紧力势必会造成部分元件的接触电 阻增大，接触电阻又成为一个附加的热源。因此，整流设备增容后，整流柜的散 热问题就越发的突现出来，成为影响整流柜安全运行的一个关键因素。 1 1 2 课题研究目的 水是人类生存的血液，合理使用水资源是获得合理血液的必要手段1 3 】。随着 社会的发展，工业用水量的剧增，水资源取之不尽用之不绝的时代已经过去，人 类面l 临着全球性的淡水资源枯竭。在此形势下，以安全生产节省资源为目的的工 业供水系统专业化集中管理成为各供水厂提高效益的重要因素。 我国的水资源总量约为2 8 万亿立方米居世界第6 位，但按人口计算人均水 资源仅有2 3 3 0 立方米，只有世界人均占有量的l 4 列世界8 8 位，被联合国卫生组织 列为1 3 个贫水国之一川。2 0 0 0 年我国工农业生产城镇生活用水达6 4 3 4 亿立方 米，实际供水能力仅为6 0 0 0 亿立方米，尚缺水4 8 4 亿立方米，另一方面水资源浪费 也惊人。据1 9 9 4 年统汁资料，全国排放废水3 6 5 3 亿吨，其中工业废水2 1 5 5 亿 吨，因此废水处理废水再利用已成为制约国民经济发展的重大课题。 工业的发达，大量的耗用水资源，工业用水量的比重在总用水量中逐年增高。 英国自1 9 5 5 年以来，工业用水量每年增加2 8 ，1 9 7 1 年工业用水量己达1 s o 亿立方 米，如果按同样的增长率计算下去，1 9 8 5 年就会出现每天缺水9 5 万立方米的情况 p j 。不但英国，欧洲大陆上的法国等，东方的r 本，都在惊呼水源的不足，呼吁 采取有效措施，保护和合理分配有限的淡水资源，其迫切性概可显见。 在我国，由于人口众多，淡水资源按人口平均数字较低。而我国当前在工业 用水上是处于自发状态，临江滨湖的工厂任意取水，造成严重浪费与污染。对地 下水的开采更是毫无节制。随着工农业生产的发展，各工业部门用水量都会急剧 增长。而在工业和空调用水中，冷却水占很大比重。石油、化工、电力、冶金、 机械、纺织、轻工等工业企业中，不同用途的水占总用水量的大致比例见表卜1 。 工程硕士学位论文 璺工班垒业用水的分配辜袭卜i 甩逢 工业部门 降却水儡炉虏 浼涤隶空谰工艺用水 其它 石浊9 0 1 3 ，甘卫e0 62 6 化工e 7 3 1 s5 93 22 1 冶金8 5 t0 9 8 l72 7 枫桩 蛇8 2 7 2 0 t1 2 82 i 。o 纺织 5 05 1 l2 9 75 1 88 1 造纸9 ，9 2 6 8 2 1 1 34 1 食品 髑 | 43 0 。t5 76 o s 5 i龟力蜉 l 从上表可看出，无论从节能、经济及环境保护三方面考虑，冷却水都应该实 行循环利用。因此，实行冷却水循环利用、提高水的循环利用率自然就成为节约 工业水的重点。 我公司原是一个年产铝锭l o 万吨的铝电解企业，由于生产工艺落后，自动化 水平低，在能源、原料价格上涨后曾一度亏损。为了改变这种被动局面，增强企 业抵御市场风险的能力，在激烈的竞争中发展壮大，公司自2 0 0 1 年进行改造扩建， 新系统采用大型预焙阳极电解槽，电解电流2 0 0 k a ，产能1 3 万吨，老电解系统经 改造增容后，电解电流从7 5 k a 增大到9 3 k a 产能从1 0 万吨增大到1 4 万吨，总 产能达到2 7 万吨。自2 0 0 4 年1 0 月份相继投产以来，共发生过3 次整流柜崩渍事 故，每次直接损失高达2 0 万5 0 力- ，间接损失高达数百万。究其原因，一个极 其关键的因素就是整流柜的冷却散热不好，个别整流元件发生热击穿造成短路， 加之匹配的快速熔断器遮断容量不够不能及时切断故障支路致使整流柜崩溃。其 他铝电解企业近几年也不同程度的发生过类似事故，严重者甚至造成停产停槽， 直接损失高达数千万。因此，要保证铝电解的正常生产，必须采取切实可行的措 施解决整流柜的散热问题。 我公司整流机组冷却水循环系统目前的运行方式是2 0 个整流机组分别采用 独立的冷却水循环装置，控制方式为人工分散控制，补水完全靠人工操作来完成。 整流柜除对冷却水的水压、水温进行在线检测之外，其它信号如水箱水位、水质、 流量的检测及水路渗漏、堵塞、腐蚀情况等完全靠人工周期性的巡视检查柬完成， 不但不具有实时性而且有赖于巡检人员的经验，况且冷却水水质的劣化、水路 的腐蚀堵塞具有渐进性，靠人工周期性的巡检往往不能准确的预钡4 其故障的可能 性；另外水路的渗漏随机性很大，只靠人工巡检往往不能及时发现处理，而且整 流柜的爆炸崩溃事故对巡检人员的人身安全造成极大的威胁。鉴于整流设备之对 于铝电解企业的重要性，笔者认为对冷却水循环系统进行全面的自动时实检测及 实现冷却水自动补给已成为必要。结合我公司目前整流机组冷却水循环系统现状， 大功帛硅整流柜冷却水自动补给系统设汁 作为对整流柜保护的完善，笔者将对整流设备冷却水自动补给和水质自动检测进 行设计改造。 1 1 ，3 课题研究意义 随着1 业节水意识的增加，现绝大多数工业冷却水系统采用循环冷却水系统 【4 1 。但是，在以往的循环水工程设计中，由于各专业技术方面的不足和局限性， 而有些企业的循环冷却水工程是在对循环水技术了解不够全面的情况下拼凑改建 起来的，因此存在着很多问题。例如缺乏完善的水质稳定处理，管道结垢严重， 热交换效率下降；再者循环系统设计不合理，循环系统设备选型不配套，有的单 位在循环系统设备选型上，没有考虑用水设备的额定用水量，而选用的水泵、冷 却塔能力过大，不仅增加电能的消耗，而且使循环系统自身损耗水量增大，冷却 水的有效利用率降低而新水补充量增大，不能达到节能节水的目的。再者对于循 环冷却水系统，从表面看情况似乎比较简单，其实实际上水在不断地循环、升温 和降温等过程会引起一系列同水量、水质、温度变化有关的技术、经济问题。因 此，从节能、节水及经济性方面考虑，对循环冷却水系统进行改造有着重要的经 济和社会意义。 本论文以兰州连城铝业公司大功率硅整流柜冷却水自动补给系统技改为背 景，应用p l c 对大功率硅整流柜循环冷却水系统进行优化运行的改造，并在实际 工程应用巾有一一定的参考意义。 1 1 4 课题来源 本课题研究源于兰州连城铝业有限责任公司的大功率硅整流柜循环冷却水补 给系统改造项目。 1 2 工业冷却水循环系统国内现状 目前国内外大功率硅整流柜的冷却基本上全部采用水冷却1 5j 。随着整流电 压的升高，电解电流的增大，对冷却水系统的要求也越柬越高，除了对水压、水 温、流量的要求外，对水质的要求也更加严格。水质的好坏不仅关系到整流柜的 冷却效果，而且是影响整流桥臂导电母排及硅元件冷却水盒使用寿命的主要因素。 现役的整流柜与冷却水循环装置、冷却水生产装置分别由不同的厂家制做，整流 柜厂家对水质的要求只是做了经验性的要求，并且行业内也没有统一的标准，各 个铝电解企业在经济条件询：可的条件下大都靠更换树脂来保持水质。但目前固内 的大功率整流柜的导电母排及砖元件冷却水盒都使用铜材，且补水水箱属于敞门“ 型，直接与空气接触，当溶解了宅气的冷却水流过温度在8 5 左右的导电母排年 冷却水盒时，水中溶解的氯气_ 手1 | 二氧化碳与铜发牛化学反应，生成碱式碳酸铜耳 丁程硕，l 学位论文 氧化铜，不但严重影响了水质，而且影响了散热效果和母排和水盒的使用寿命。 为了使水质能在较长的时间内保持在一个较高的水平，国内一些铝电解生产单位 也提出了一些改进方案，如将补水水箱充氮与空气隔离、循环管路加装脱氧装置 等，但目前仍处于尝试阶段。也有人提出了设计油浸式大功率整流装置的设想， 是否可行尚在讨论，但将现役的水冷式整流柜改造成油浸式存在很大的困难。 近几年来，随着能源的目趋紧张，各行各业都提倡以节能为前提。同样，在 工业用水这一块也不例外。从以前的直流冷却到现在的循环水冷却，工业用水的 发展迈近了很大一步。而今，对工业循环冷却水系统的研究也越来越多。 为了提高工业循环冷却水系统中循环冷却水的利用率和减少系统的运行能 耗，达到节水节电的目的，各有关方面的专业人员做了很多研究并取得了一定的 成效。对于工业循环冷却水系统的优化可以从两个方面进行考虑，一是节水；二是 节能。对于工业循环冷却水系统的节水措施主要是从水处理这一方面来考虑。在 我国，目前节约冷却水的方法是提高循环冷却水的浓缩倍数。实际上在循环冷却 水系统运行过程中，循环水通过冷却塔时水分不断蒸发，因蒸发掉的水中不含盐 份，所以循环水的溶解盐类不断浓缩，其含盐量办随之增加，为了不使循环水的 含盐量无限制的增加，防止由此而产生的种种危害，必须适当排放一部分循环水 ( 即排污，相应的水量即为排水量) ，同时需要补充一部分水( 通常为新水) 。由于循 环水的含盐量大于新水的含盐量，因此可将两者的比值称为浓缩倍数【6 ) ： n 2 c x y c f( 1 - 1 ) 式中；c 。排污量，k g ； c r 一补充水量，k g 。 浓缩倍数是循环冷却水系统运行管理的一1 项重要参数n 值约大，节水程度越 高，既可减少新水量又可减少系统中阻垢、缓垢药剂的补充水量。而对于怎样提 高浓缩倍数，国内的学者做了大量的研究，并提出了一些切实可行的方法。例如 牛卫东【7 】在循环冷却水节水分析一文中提出通过用实例绘制出冷却塔补水率 和浓缩倍率的关系曲线，从该曲线可以确定冷却塔浓缩倍率的最佳点，即可确定 火力发电厂的冷却塔的最低补水率从而达到节约用水的目的。而朱琴英哺1 在秦 岭发电厂循环冷却水提高浓缩倍率的试验研究一文中通过对系统的调查试验、 实验室静态及动态模拟试验，提出采用复合配方以提高循环冷却水的浓缩倍率。 张建平等应用系统分析方法和最优化技术，建立循环水系统优化的数学模型，用 单纯性法求解出系统运行的最佳浓缩倍率，使系统在最优浓缩倍率范围内运行， 以提高循环冷却水系统的经济性。 从另一个方面节能来考虑，由于在循环冷却水系统中6 0 的费用是动力费， 因此要保证系统运行的费用较低的话，使系统运行能耗降低是关键。而使系统运 行所消耗的电能较低的 讨提是保证循环水系统各部分按设计参数运行。在循环冷 却水系统中最大的耗1 u 部分是循环水泵和冷却塔风机。对于循环冷却水的节能研 人功率硅整流框冷却水自动扑给系统设计 究，许多学者也做了大量的工作。对于循环水泵，最为关键的是工作点的调节。 杨添润 9 l 在循环冷却系统工作点调节方法分析中提出水泵工作点的调节并使 系统在该点稳定地工作，一般通过两种方法来实现：一是改变管路特性：二是改 变水泵性能。改变管路特性的方法常有出口节流、热负载冷却水套合理组合等方 法：改变水泵性能的方法有进口节流、变速调节、变径调节、调整泵端盖处间隙、 变隙调节等，并且分析了各种方法的优缺点。陈延春o j 提出在焦化厂循环冷却水 系统中，循环水流量的调节一般是通过调节水阀门来实现的，这样大量的电能浪 费在管路和阀门上，因此提出采用变频调速技术，并通过比较得到很好的印证。 在循环冷却水系统中，冷却塔也是非常关键的一部分，冷却塔对于系统的节能降 耗有着很大的潜力，例如在火电厂循环冷却水系统中，冷却塔的出口温度直接影 响汽轮机的排气压力和循环热效率。在表1 2 中给出了冷却塔温度升高1o c 对机组 经济性影响： 出塔水濡升高1 ”c 的经济性量化表1 2 机组容量( m w ) 一 2 55 01 2 52 0 0枷3 5 0 机组负葡( m w ) 2 5 5 01 2 52 【) o鲫3 5 0 |效率刚氏( ) 0 5 0 。3 8 l o 3 lo ，3 2 80 2 3 0 2 4 2 | 蠼耗宰增翻( 拈h h ) l - 9 d1 5 21 o n1 1 0 70 7 驰0 7 3 8 l 热耗牢增加( u a w h ) 5 6 b 6 4 b 43 0 2 83 2 2 3 9 9 2 1 6 3 攥毒e 簧壤蛔( t a )3 4 05 9 拈i 5 5 0：6 1 8 0 8 由此可见，冷却塔具有很大的节能潜力，而目前对于冷却塔节能降耗的研究 也越来越受到重视。李秀云】等提出更换淋水填料来提高冷却塔的热力性能，而 对于已建成运行的冷却塔，应该要调整冷却塔到最佳工况。吴继红i l2 】提出由于冷 却塔的运行能耗主要是风机，而风机的运行状况直接决定了冷却塔的散热冷却能 力。因此，通过一些控制手段来改变风机工作状态，使冷却塔冷却能力与所需冷 却量相匹配，从而达到节能的目的，是最直截了当的方法。并提出了调节风机的 几种方法，包括温感控制、风机台数控制、电机极数变换和电机变频控制。 1 3 本人所完成的主要工作 通过对兰州连城铝业大功率硅整流系统的全面的了解，结合本企业具体情况， 针对大功率硅整流柜的冷却设计了冷却水自动补给系统，参与完成了整个系统的 软件设计和硬件配置，以及系统的安装和调试； 参与组织进行了测试，测试后经过修改、完善，现已正常投入运行，符合设 计要求，达到了节能的目的。 编制了改技改硕同的有关技术文件和说明书。 丁程硕士学位论文 第二章工业循环冷却水系统 在工业生产过程中，当物质和能量在传递、转化时，按照工艺参数设定，需 要及时移走过程中产生的热量，使之在确定的温度或最理想的效率范围内运行， 用水溶液来移走这些热量的系统，称作冷却水系统。冷却水系统可分为两类：一类 是直流冷却水系统；另一类是循环冷却水系统。其中直流冷却水系统是指水泵抽 取水源的水一次通过换热设备的传热表面，吸收热量后直接排放出来；循环冷却 水系统的基本特点是将使用过的水经冷却或适当处理后重新用于同一生产或用水 过程。本章主要介绍循环冷却水系统。 2 1 循环冷却水系统 大电流硅整流装置因电流大、功率损耗大、发热量大，所以冷却是其很重要 的问题。冷却方式可分为：风冷、油冷和水冷三种。在电解用大电流硅整流装置中 最为普遍使用的是水冷方式。 a ) 循环水的水质：大功率硅整流装置一般应采用去离子水循环水作为热转移 媒质，其水质按直流电压等级要求如下：酸度( p h 值) 为6 8 ，硬度不超过德国度 6 8 ，刁i 溶解的沉淀物4 ：超过00 3 n 1 2 l 。在直流电压低于1 0 0 v 时，可允许鱼接水冷 却，不同电压等级要求的冷却水的电阻率其冷却水的电阻率应不小于2 5 0 0 ( 对应于 2 5 0 c 左右) ，酸度( p h 值) 为6 9 。当设备中的冷却水有冰冻的可能时，应采取加热 措施或其他防冻措施。在空气湿度较大、冷却水温较低、与环境的温度差较大时， 被冷却的散热导体上往往会出现凝露并破坏电极间的绝缘而引起故障。 b ) 循环水系统及其特点：正常的循环水冷却系统可以由水泵、去离子设备和 对硅整流装置冷却媒质再冷却的外循环冷却水系统组成。对用于硅整流装置冷却 的内循环冷却水系统，应注意保持适度的循环水压，使水路畅通。管道，特别是 管接头处应防止渗漏现象。冷却设备和硅整流装置的带电部位以及带电部位相互 之间，应采用绝缘管路，一般要求不同电位点之| 月j 的绝缘水管长度不小于l m ，装 置和水循环冷却系统之删的绝缘水管长度不少于1 5 m 。冷却系统故障将会造成装 置过热而损坏，所以需对进口的水流量、水温和母线的温度进行监测控制，发出 声光报警信号，以减小或切断直流输出电流或分断电源。 根据生产工艺要求、水冷却方式和循环水的敞热形式，循环冷却水系统又可 分为密闭式循环冷却水系统和敞刀：式循环冷却水系统。 2 1 1 密闭式循环冷却水系统 密闭循环冷却水系统的水移走换热设备过水表面的热量以后，密闭循环网用。 大功率硅整流柜冷却水自动补给系统设计 图2 1 即为一密闭循环冷却水系统4 1 。在此系统中，循环水不与大气接触处于密闭 循环状态。密闭式循环冷却水系统主要由两个环节组成：其一是循环冷却部分，其 中的循环水，不断带走工艺介质或热交换器传出的热量；然后由另一部分散热装 置系统刘升温后的循环水进行冷却。在密闭式循环冷却水系统中，循环水的损耗 很少，如果选用密封性能很好的水泵，可以做到基本上不消耗水，故可使用纯水， 但不要使用软化水，因为软化水对金属的腐蚀性很强。但是，由于这种循图2 1 密 闭式循环冷却水系统环冷却水系统所需费用较高，故一般只适用于被冷却装置散 热量较小、所要求的工作安全可靠度大或具有特殊要求的工业生产系统，如高炉 的风口与冷却壁以及转炉的氧仓与烟罩等的冷却。 图2 1密目 循环冷却水系统幽 2 1 2 敞开式循环冷却水系统 敞开式循环冷却水系统是工业生产中应用最普遍的一种冷却水系统，在敞开 式循环冷却水系统中，一方面循环水带走物料、工艺介质、装置或热交换设备所 散发的热敞开式循环冷却水系统是工业生产中应用最普遍的一种冷却水系统，在 敞开式循环冷却水系统中一方面循环水带走物料、工艺介质、装置或热交换设 备所散发的热量；另一方面升温后的循环水通过冷却构筑物与空气直接接触得以 冷却，然后再循环使用。敞开式循环冷却水系统是目前应用最广泛的一种循环冷 却系统。根据循环水同被冷却的物料、工艺介质、装置或热交换设备的接触情况， 敞开式循环冷却水有时可分为清循环、污循环和集尘循环3 种类型。 1 、清循环冷却水系统 在这种系统中水是通过冷却器( 热交换设备) 间接的同冷却物料、工艺介质或 装置，如化工物料、气体或液体介质、炉体等接触，因而又称为间接循环冷却水 系统。由于采取间接冷却方式，循环水除了水温升高外，水质几乎无污染，故不 必另设净水设备。但是由于水在循环冷却过程中不断地蒸发，使其中的盐类浓 缩，因此需要排污和补充新水，以控制盐量平衡和浓缩倍数，此系统的基本组成 包括补充水的预处理、循环水的输送泵、与工艺介质的热交换、循环水的冷却、 工程顺士学位论文 药剂的投加、冷却水的旁滤、排污水的处理、控制检测网络和管道等设备，构筑 物，装置以及仪表等组成【”】。图2 2 表示一种常见的最简单的清水循环冷却水系统。 图2 2 清水循环冷却水系统简幽 2 、污循环冷却水系统 污循环冷却水系统实陌；上是一种直接循环冷却水系统，这种系统由淌水沟、 沉淀池和生化处理冷却塔等组成，如图2 3 所示。在这种循环冷却水系统中，循环 水直接同被冷却的物料或装置接触，譬如轧钢厂中的轧辊、轧道冷却和钢坯冷却 等。因而会使循环水中兴带大量的杂质、污垢等，如轧钢厂污循环水系统中即含 有大量的氧化铁、油以及污垢等。对于污循环冷却水系统，由于悬浮物含量高， 甚至含有较高的含油量，因此除了需要控制热量平衡和水质稳定处理外，还需视 具体情况对水进行除浊、除油等以及降温冷却之类的处理后再循环利用。 图23 污循环冷却水系统简幽 3 、集尘循环冷却水系统 集尘循i ：冷却水系统也属j 二直接冷却水系统，如图2 。4 。它与污循环冷却水4 ： 同之处在于循环水除了直接冷卸物料外还兼有淋沈、吸附物料一1 杂质的作用。例 大功半硅整流柜冷却水自动补给系统啦计 如：煤气洗涤水可去除煤气中的灰尘、s 0 2 、s 0 3 和c 0 2 ，生产硫酸过程中应用水 淋洒s 0 2 气体使之冷却并去除灰尘。由于这类循环水的浑浊度很高，因此更须加强 水的澄清处理并调节p h 值，然后再循环利用。 斗卸求 _ 一一一、+ 1 。_ 。一一_ 净化烈气j 一、 一j 冼! 圬攥【 。”1 + t 压叵卜题受二卜一 尊口 f 克木 刚2 4 集尘循环冷却水系统简图 上述3 种敞开式循环冷却水系统对冷却水水质的要求是依次f 降的。在适当的 条件下，如钢铁联合企业，可考虑将前一种系统的排污水作为后一种系统的补充 水，以提高整个工业给水系统水的利用效率。 由于敞丌式循环冷却水系统应用最为普遍，而其中的清循环冷却水系统又是 最常见的，因此本论文以后的内容主要是以清循环冷却水系统来研究的，只有搞 清楚了清循环冷却水系统的特征、进行优化运行研究的方法和改进的措施，其他 方式的冷却水系统的问题及处理的方法就呵迎刃而解。 2 2 循环水冷却原理 从图2 2 可以看出，工艺热介质和冷却水在热交换器中进行换热后，使得工艺 介质温度丁。下降到孔得到冷却，而冷却水温度由t i 上升到t ! 则被加热。被加热的冷 却水送至冷却塔进行冷却，在冷却塔中以空气为冷媒与水充分接触进行热交换， 水温由t 2 降低到t l ，而空气温度则被提高i j ”。 循环水的冷却是通过冷却构筑物使水与空气接触，由水的蒸发散热、接触散 热和辐射散热三利一方式共同作用而实现的。三种散热方式所起的作用随气象条件 而异。在夏季气温较高，水与空气的温差较小，这时水的表面蒸发起主导作用， 出于水有很大的汽化潜热蒸发散热量最高可占总散热量的9 0 以上。在冬季，因 气温低、蒸发量小，热传导的作用增强，一般可出夏季的1 0 2 0 增至5 0 以上。 热辐射作用通常只在冷水池中予以考虑。下面重点介绍冷却塔中水的冷却原理。 一、冷却塔中的散热关系 在湿式冷却塔中，热水的温度高，流过水表面的空气的温度低，水将热量传 给空气，由空气带走，散到大气中去。冷却塔主要靠接触散热和蒸发散热。 1 、接触散热 工程顾e 学位论空 两种不同温度的物质接触，热量从温度高的一方传向温度低的一方，称为接 触散热。当低温度空气，通过高温度水面时，水面也会通过接触散热，把热量传 给空气。单位时间、通过面积卵，水面传给空气的热量绝，可以用下式表示： 坦。= 口( f 目炒 ( 2 一1 ) 式中： 口一散热系数，肜几 ：矗o c ) ： ，一水体表面温度，o c ； 口空气的干球温度，o c ； 卵一水、气接触面积，m 2 。 2 ，蒸发散热 蒸发散热通过物质交换完成，即通过水分子不断扩散到空气中来完成。水分 子有着不同的能量，平均能量由水温决定。在水表面附近，一部分动能大的水分 子，克服邻近水分子的吸引力，逃出水面而成为水蒸汽。由于能量大的水分子逃 离，水面附近的水体能量变小，因此水温降低，这就是蒸发散热。一般认为蒸发 的水分子，首先在水表面形成一层薄的饱和空气层，其温度和水面温度相同( 此概 念为l a n g m u i r 于1 9 1 2 年提出) 【1 引，然后水蒸气从饱和层的水蒸气压力和大气的水 蒸气压力差，即道尔顿( d o l t o n ) 定律。单位时间通过水表面加，蒸发的水量d 为： d = ，忙? 一肛 ( 2 2 ) 式中： 晦一以水蒸汽分压力差为基准的散质系数，削2 厅o c ) ： p ? 水面薄饱和层的蒸汽压力只： p 。一湿空气中的水蒸汽分压力只； 二、水的冷却原理 在冷却塔中辐射传热可以忽略不计，只有蒸发散热和接触散热旧1 。 设水温为t ，空气的干球温度为臼湿球温度为r ，单位面积，单位时间的接触 散热量为口。，蒸发散热量为g 。 ( 1 ) t 口，水温大于气温。两种热量都由水面散向空气，g = q 。+ g 。水温降低， 水产生蒸发损失。 ( 2 ) t = 口，水温和气温相等。接触散热停止，蒸发散热照常进行，q = g 。水温 降低，水量产生蒸发损失。 ( 3 ) f o ，( ，：一f ) 称冷却幅高。 2 3 循环水冷却设施 在循环冷却水系统中，降低水温的设备或构筑物统称为循环水冷却设施。在 循环冷却水系统通常以循环水是否与空气直接接触而分为密闭式系统和敞开式系 统。 ( 1 ) 用于敞开式循环供水系统的冷却设施分类 i 陛蚓机躺撼至 排叫糊懈岫慧 l 喷承池 狰却避慧 河道冷却 簿湾挣颦 ( 2 ) 用于密闭式循环供水系统的冷却设施主要为密闭式冷却塔。其原理是依靠 向被冷却水管喷洒水滴，由冷却水管表面水膜的蒸发而将热水传至管壁的热量带 走，流动空气与管壁接触也起到一定的对流散热作用，从而使热水被冷却。其特 点为介质洁净、冷效高、噪声低。适合于要求介质洁净的电子、食品、医药和空 气污染严重的冶金、纺织、矿山等场合。 下面主要介绍冷却池和冷却塔。 2 3 1 冷却池 冷却池是最早使用的一类冷却构筑物，其中，天然冷却池( 冷却湖) 是利用天 然水体，如湖泊、河道、海湾或水库来冷却循环水的。在冷却池中循环水主要靠 水面的蒸发、辐射与对流散热冷却。其主要问题是冷却过程缓慢、需很大的水体 容量和占地面积、水的蒸发渗漏损失较大，有时会构成列地面水体的“热污染”。 目前，非特殊情况已很少采用天然冷却池。喷水冷却池是在天然或人工冷却池上 架设配水管和喷水裂置构成。由于喷射水滴增加了水和空气的接触面积，喷水冷 却池的冷却效率高于天然冷却池：但水的吹散、蒸发损失较大，易产生水雾和冰凌。 工程硕士学位论文 喷水池目前也不多用，只当对循环水水温的稳定性要求不高、有适当场地和风沙 不大的地区方可考虑采用。 虽然冷却池具有取水方便，运行简单等优点，但是冷却池受太阳辐射影响， 夏季水温高：易淤积，清理困难以及会对环境带来热污染影响囡此一般冷却池只 适用于冷却水量大，所在地区有可利用的河、湖、水库或沣地，距工厂不太远和 夏季对冷却水温要求不很严格的情况。 2 3 1 冷却塔 工业生产或制冷工艺过程中产生的废热，般要用冷却水来导走。冷却塔的 作用是将夹带废热的冷却水在塔内与空气进行热交换，使废热传输给空气并散入 大气。玲却塔是在塔体内构成水滴或水膜与空气对流以带走水中热量的一类冷 却构筑物。与冷却池相比，冷却塔占地面积小，冷却效率高、水的损耗小，因而 被广泛采用。 一、冷却塔的分类 l 、按通风方式分 按通风方式分有：自然通风冷却塔；机械通风冷却塔：混合通风冷却塔。 2 、按热水和空气的接触方式分 按热水和空气| e 勺接触方式分有：湿式冷却塔；于式冷却塔：干湿式冷却 塔。湿式冷却塔中水和空气的热交换方式是流过水表面的空气与水直接接触，通 过接触传热和蒸发散热，把水中的热量传输给空气。湿塔的热交换效率高，水被 冷却的极限温度为空气的湿球温度。但是，水因蒸发而造成损耗：蒸发又使循环 的冷却水含盐度增加，为了稳定水质，必须排掉一部分含盐度较高的水；风吹也 会造成水的损失。这些水的亏损必须有足够的新水持续补充，因此，湿塔需要补 给水的水源。缺水地区，补充水有困难的情况下，只能采用干式冷却塔。干塔中 空气与水( 也有空气与乏汽) 的热交换，是通过由金属管组成的散热器表面传热， 将管内饿水或乏汽的热量传输给散热器外流动的空气。干塔的热交换率比湿塔低。 3 、按热水和空气的流动方向分 按热水和空气的流动方向分有：逆流式冷却塔：横流式冷却塔；混流式 冷却塔。 4 、其他型式的冷却塔 其他型式的冷却塔有喷流式冷却塔和用转盘提水冷却的冷却塔等。 二、冷却塔的一般构造 冷却塔通常由塔体、配水系统、淋水装置、通j x l 设备、收水器和集水池( 或水 箱) 等部分组成【2 ”。 1 、塔体 人功率硅整流柜冷却水自动补给系统设计 塔体是冷却塔的外壳，也是气流通道，其形式和结构取决于冷却塔的类型。 塔体的形式与构造，除需满足冷却塔各方面的工艺、施工安装要求外，还关系到 气流合理分布及冷却塔的运行使用。冷却塔塔体材质结构取决于冷却塔的类型与 规模，通常除大中型自然通j x l 冷却塔为钢筋混凝土结构或少量钢木与水泥制板结 构外，现多数小型冷却塔均为玻璃钢结构。 2 、配水系统 循环水系统设于冷却塔体的中下部，其作用是将需冷却的循环水均匀地分配 到下部的淋水装置，以提高淋水装置的冷却效果。配水装置通常可分为管式、槽 式和池盘式3 种形式，此外还有喷水式配水装置。配水系统除要求配水均匀、通风 阻力小、能耗低和便于维修外，还应结合塔型、循环水量和水质等条件加以综合 考虑，一般为： ( 1 ) 逆流式冷却塔宜采用管式或管槽结合的配水方式，当循环水含悬浮物和泥 沙较多时宜采用槽式配水。 ( 2 ) 横流式冷却塔宜采用池式配水或管式配水。 ( 3 ) 小型机械通风逆流式冷却塔宜采用管式或旋转式配水 3 、淋水装置 淋水装罱又称填料，其作用是扩大需冷却的循环水同空气的接触面积并延长 水气接触时间，以增加水、气间的热湿交换，提高冷却效率。填料是冷却塔的重 要组成部分其所产生的温降达整个塔温降的6 0 7 0 ，所以应该选择那些温降 火，气流阻力小、价格便宜的填料，并且应根据塔型、热力性能、阻力性能、通 风条件、材质、检修、填料的支撑方式和结构、循环水的水温和水质以及造价等 因素通过技术经济比较正确的选择。填料按照塔内水冷却的表面形式，一般来可 分为点滴式、薄膜式、点滴薄膜式三种类型。 4 、通风设备 在丌放式冷却塔中，水冷却所需空气由自然空气流动所供应。在风筒式自然 通风冷却塔中，空气流量是由高大的通风筒所产生的抽力来供应。在机械通风冷 却塔中，水冷却所需要的空气流量则由冷却塔风机所供给，一般来说风机可采用 抽风式或鼓风式。除特殊情况外，我国一般都采用抽风式。机械通风设备一般为 不同类型的轴流风机，风机及其传动没备都装在塔的顶部，这样可使