高炉软水闭路循环冷却系统设计探讨.pdf

1 9 9 4年第 3期 炼 铁 9 f 一 叶 高炉软水闭路循环冷却系统设计探讨 塑 焦 茎 湖 北 武 汉 钢 铁 设 计 研 究 院 丁F f 摘要高炉轼水闭路循环砖却系统成败关键是设计的合理性和生产操作中严格的科学管理 系统模式有局 部系统 整体 系统和组合系统 可根据具体条件选 定 设计应充分考虑系统的稳定性和安垒性 特别是脱气功 髓 脱气罐和膨瞻簟的位置宜设在睁却元件总出水口标高相应 的平台处 系统循环水量 水压 术温差 水速等 工艺参数 应根据系统安全可靠和经济的原则确定 武钢 5 号高炉采用高炉整体轼水闭路循环狰却系统 投产 后二年半运行 正常 束发现 降却壁烧坏 美 麓 谓i童 却敦 水 塑 堕 煎 至 工 艺 参 数 垮印 l 一 概 述 高炉软水闭路循环玲却系统 早在 6 0 年 代就开始采用 以后陆续在西欧 日本等一些 大 型高炉上推 广 获得 了 良好 的效 果 目前 已 成 为现 代化 大型高 炉 的重 要长 寿技 术之 一 我 国 近 几 年 有 一 些 新 建 或 大 修 改 造 的 l O 0 0 m 级以上高炉已相继采用 了该项技术 并陆续投入 生产 运行 但从 实际使用效 果来 看 各 高炉 存在着较太 差别 例 如鞍钢 1 1 号 高炉 2 5 8 0 m 软水闭路循环系统于 1 9 9 0年 6月投 产 后 3个 月 冷 却壁 凸 台水 管即 烧 坏漏水 运行两年后 冷却壁水管烧漏率竟在 7 0 以上 唐钢 等厂 1 2 6 0 m 高炉 系统 投产 后亦不 同程度 地 出现类 似现象 北 京钢 铁设 计研 究 总院 与太钢 合作 在试验 室试 验 和消 化 国外技 术 的基础 上 将 此项技 术 用于太 钢 1 2 0 0 m 高炉 炉 腰和 炉 身 下部 共 4段 冷 却壁 部 位 冷 却壁之 间 的冷 却板 仍 采用 工业水 冷 却 并 配 以碳 化硅 砖 和高韧 性 耐 高温球 墨 铸铁 自 1 9 8 7年 5月投产运行直至 1 9 9 2 年 3月因炉缸问题停炉为止 运行 4 年零 l 0 个 月 在 4段 共 1 4 4块 冷 却壁 中 烧 损 漏 水 的 惨 回 日期 9 9 4 0 2 2 5联 系人 觑 德 章 4 3 0 0 8 0 湖北 省武 汉 市武汉 锕铁设 计研 究院 仅有 4块 占 总数 的 2 8 0 同 时发现 炉 身最下 部 的冷 却壁 壁体虽 然太 部分 烧损 水 管裸露 壁 中冷 却水管却未被烧 损磨漏 仍 可 继续工作 已漏水 的冷 却壁亦是进 出水管 处 断裂所致 而该炉 在上一代炉 役中 4段冷 却壁采用工业水冷却 生产仅三年半 烧损漏 水 共 8 1块 占 总 数 5 6 3 武 钢 5号 3 2 0 0 m 高 炉全 部 冷 却 件 包 括炉 底 热 风 阀 风 口等 采用 软水闭 路循 环冷 却系统 从 1 9 9 1年 1 0月份 投 产 至今 已有两 年 半 时 间 运行 十分 正常 未发现一块冷 却壁 损坏 已初 步显示出软水 闭路循环冷却系统的可靠性 由以上 几例可见 如果 系统 设计 不合理 或在 生 产中 缺乏严 格 的科 学管理 就 很 难保证 发 挥软水 闭路循 环冷却系统固有的优越性 相 反 还会带来其它麻烦 如检漏困难等 本文 以武钢 5号高炉 为倒 着重从设计 角度 对软 水 闭路循环 冷却系统设计进行 初步探讨 二 关于系统设计 l 系统组成 高炉 软水闭路循 环冷 却系统一 般 由冷却 元件 循 环管路 控制阀门 脱气罐 膨胀罐 包 括 充氮装 置 换 热 器 软水循 环 水泵 软 水补充 软水降温设旖以及事故水塔等鲳成 维普资讯 l 0 武 钢 5号高 炉 软水 闭路 循 环 冷 却 系统 见 图 1 蟮 史 图 l 高炉软 水闭路循环冷 却 系统 l 一冷却元件 2 一脱气罐 3 一嘭胀罐 4 软水 循环 水 泵 5 一扳式 按热 器 6 一净 水循 环水 泵 7 一净水 水 池和 冷却风机 8 循环管路 控制阀门等 武钢 5号 高炉冷却元 件形 成 3个冷 却 回 路 冷却壁 冷却 回路 炉 底冷 却 回路 风 口 热 风闷 煤气取样器 等冷 却 回路 软水经 泵和 管 道送 至冷 却元 件 然后 经 脱气 罐 膨 胀罐 换热器从管 道 回到泵站 从冷 却件排出的软 水 由工 业净化循环水通 过水 一水 板式换热器 进行冷 却 冷 却后 的软水循 环使甩 2 系统主 要特 征 1 冷却 可靠 软 永钙 镁离 子含 量均 为微 量 比工业水 低得 多 因而能避免冷 却水管管壁上 的结 垢 大大提 高了冷却效果 另外 在 系统投入运行 之前 对管道进行了清洗和钝化处理 在系统 投入 运行后 冷 却水 中加入一定量 的缓蚀 剂 可大 大 降低 冷却元 件 和管 道腐蚀 速 率 延 长 其 使用寿命 西 欧许 多 高炉 以及我国太 钢和 武钢高炉的实践就 证明了这一点 为 了使软 水 闭路 循 环龄 却 系统 更可 靠 冷 却元 件必须有 良好的材质 和结构 除 采用 耐热 球墨 铸铁 和 碳化硅 砖外 冷却水 管 的尺 寸 和布置 应保 证 合理水 速 和减 少冷 却死 区 另外 冷 却壁 的制 造工 艺应 确保 砖壁 的镶嵌 牢固 减少冷却壁 的铸造应力 改善 壁 板 与 冷 却水管之 间的 导热条 件 武钢 3 2 0 0 m 高 炉 热负荷大 的部位 炉 腹 采用 了双层冷 却管 的冷 却壁 能 确保 在砖 衬全部 烧 损 脱落情 况 下 仍能 正常工 作 甚 至在冷 却壁 壁体 受损 的 情况 F也能 维持 生产 2 节能 节水 由于 系 统 完 全 密 闭 水 漏 损少 般 为 l 左 右 武 钢 5号高炉 漏损率 只有 0 4 节约 了耗 水量 这 对水资源紧张 的钢铁 企业 来说具有 重要 的现 实崽义 另外 因 回水余压 可 以和用 故 可节省供水 加压的部分能耗 3 系 统稳 定 系统 压力 由膨 胀罐 内充入 的氮 气压力来 控制 不仅提 高了系统的 密封性 而 且亦提高 了水的汽化温度 使水具有一定的欠热度 减 少 了水 的汽化量 特 别是各循环 系统 回水进 入膨胀罐之前通过 了脱气罐 及时脱 去了水 中气泡 避免产生两相流和膜态沸腾 消除汽 塞 使循环水流稳定运行 这里需萎指出 脱 气罐在 整个冷 却系统中起着重要 作 用 因为 高炉 各部 位特别 是 中部热 流 强度极 不稳 定 一 旦某处热流强度超过允许值 水温骤然升 高 产 汽 量增 多 极 易造 成局 部 汽塞 即 使 时 问不长 亦会造成冷却件局部过热而烧损 系 统 中设置 了脱气罐 可 以及 时排 去 冷却 水 中 气体 避免水 中气体过多造成汽塞 国内某些 高炉软水 闭路循环冷却 系统 设计 中未 设脱气 罐 可以说是一犬缺 陷 关于膨胀罐 脱气罐的设置位置 国内某 些高炉将其设置在地面或泵房里 而武钢 5 号高炉则设置在高炉上部相应的平台上 罐 设 置在 地面上 或 泵房 里 可 减 少基 建投 资且 维护检修方便 但从膨胀和脱气效果来看 设 置在高炉上部平台上对于水膨胀和脱气更为 有利 笔者 认为 脱气 罐和膨胀 罐应 殴置在软 水从冷却元件流出后能立即膨胀和脱气的位 置 E 即设置 于高炉上部相 应的平 台上为宜 维普资讯 3 系统 选择 根据软 水 系统 应 用范 围 呵选 用 局部 系 统 整体 系统和组 合系统 局部 系统是指炉体 易损 部位 炉腹 至炉身 中下部 局部使用 软水 闭路 循环 系统 其 优点是投 资少 适用于 旧高 炉改 造 缺点是有 工业水和 软水 两个 系统 管 理维 护不便 整体 系统 是指 一寄炉 所有冷 却元 件 都 采用 软水 闭路循 环 冷 却系 统 主要 是 考 虑 到系统简 化 管理 方便和 综合效 益 根据各 部 位对 水 压的 不 同要 求 及维 护 方便 又可将 整 体 系统分 为 高炉冷 却 壁 风 口和热 风 阀以 及炉 底等若 干分系统 武钢 5号 高炉便属此 例 组合 系统 如宝钢 3号 高炉 4 3 5 0 m 设计 采用 的纯水 闭路循 环冷却 系统 根据各 区 域独 自的工 作特点 采 取了优化组 合的方式 将炉 体冷 却分为本体冷 却 系统和强化冷 却系 统 前 者包括如 下部位 冷 却壁的 竖形 水管 炉 缸上 部 2段 风 口区 l段 炉腹 炉腰 和炉 身 中 F 部共 8 段 后者 包括炉底 炉缸周 边 d 段 冷却 壁 铁 口区冷却 壁 高 炉 中部各冷却 壁 的 角部 凸台和背部蛇 形管 炉身上部 3段 冷 却壁 两个 系统分别采 用不 同的循 环水量 水 泵扬程 水流速和玲 却 水温升等参 数 既 考虑 能 满足 高热 负荷 区强 化冷 却 的要求 又能 充 分 利用系统的受热 能 力和充分发 挥 系统 的综 合功 能 强化 系统还特别考 虑 了一定 的富裕 调节水量和水管连接方式 由于冷却水进出 水 温差 选 择较 高 故 循 环 冷 却水 量较 武 钢 5 号高炉小 另外 两个 系统 完全 分开 能避 免 强化 系统的 水 汽窜入 本体 系 统 内 以 减少 本 体 系统 内脱气 的负荷 作者认 为 该设 计的思 路是 可取的 其效果有 待今后 实践检验 三 工 艺参数 的确定 高炉软水 闭路循环冷却 系统 工艺参数 的 确定是否合理 直接影响到系统的可靠程度 和设备能力的大小 决定投资和运行费用 主 要 参 数 是 循 环 水 量 和 循 环 泵 的 扬 程 压 力 1 循环 水量 应根据 不 同嗓 统分 别 计算 其循 环水 量 以武钢 5号高炉炉体冷却壁回路为例 计算 如下 一q S C d 1 式 中 一循 环水流量 m h g 一炉体 平均热流强 度 k J m h s一冷 却元 件总受热面积 m C一水 的 比热 k J k g C 一 软水进 出 口总水温差 表 1 炉体循环水量 计算 结果 注 式中 一玲却壁公话直径 m 一净却壁高度 m n 一圆 周率 由于 炉体各 部 位工 作条 件 不 同 冷却 元 件 受热 状况 差 异很 大 其热 流强 度大 小 亦十 分悬殊 目前关于高炉不同部位热流强度值 尚缺 乏 比较一 致 的数 据 在 引用方 面 差别 较 大 根据武 钢 4号高炉 实测 数据和参 照国外 有关资料 武钢 5号高炉本体各部位采用的 维普资讯 1 2 热流强 度和水温 差分布 见图 2 为 了计 算高 炉 卒体 冷 却 壁 总热 负荷 a g 首先应计 算各 部位的热负荷 求得 总热负荷后 再根据确定的软水闭路循环系 统 总进 出 口水 温 差 A t 即可 确 定冷 却 壁 的总循 环水 量 计算结果 见表 l q 4 1 8 6 8 kJ m h 图 2 妒 体和 炉底 热流 强度和水 温差分布 按全炉总 热负荷计算 总 水量 J l f应为 M q t 一 1 1 0 X 1 0 d 1 8 2 X 1 0 0 0X 8 6 一3 0 6 0 m h 为 了满 足炉身 中部 和炉腰部位 高热负荷 之需要 最小水量 应大 于 3 3 8 0 m h 考 虑到 炉役 后期 热 流更高 和热 流分 布 不均 匀因 素 留有 3 O 左右 的富裕 能力 炉体 冷却壁 回路 总循环水 量定为 4 4 0 0 m h 高炉 软水 闭路循 环 冷却 系统 中 冷 却元 件 的进 出水 温差 A 是 一 个很 重要 的参 数 4 定 得太 高 循 环 水量 虽 可 减 少 但 水 温升 得过 高 易 在局部 区域 汽 化 造 成汽 塞 使冷 却元 件局部 过热而烧 损 而 且为使循 环后 的 水温 降低到 原 始温 度 要相 应 加大换 热器 能 力和 二次冷 却 能力 从 而增 加 了基 建和设 备 投资 J 定得 过低 循环水 冷 却能 力得不 到 充分发挥 更是 一种 浪费 根据 国外 经验 系 统 应控 制 在 1 0 C以下 一般 为 7 9 33范 围 武钢 5 号 高炉冷却 壁软水闭路循 环 系统 总 A 定为 8 6 C 各段 的 d 依每段热 负荷 大 小 而 定 高 热 负荷 区 炉 腰 炉 身 中下部 炉 腹 定 为 1 3 2 C 其余低 热负荷 区定为 0 5 l 关 于循 环水 基 准水温 即软 水 泵房 向高 炉送 水温 度 的 确定 考虑 到武汉地 区夏季 最 高气 温 为 d 0 若 基 准温度 低 于 4 0 3 2 在 夏 季 很难 将 大 流量 的循 环 水 温 度 降到 4 o 以 下 且 要 消耗 太量 二次 冷 却能 量 若将 基 准 温 度定 得过 高 冷却 效果必 然 大大 降 低 因 此 武 钢 5号 高 炉 的基 准 水 温 定在 4 5 进 口温度 循 环水 返 回泵 房 的温度 在 5 5 以 内 出 口温度 软水闭路循 环冷 却水在冷却元 件 中的流 速越 高 形 成汽塞 的可 能性 越小 冷 却效果就 越好 但流速高 阻损大 系统运行 消耗的能 量大 因此 流速过高 是不现 实的 根 据国 内 外经验 武钢 5号高 炉循 环水 在冷 却元件 中 流速 一般定为 1 5 2 m s 在满足高炉 热负荷需要 的总 水量确定 以 后 尚需对 冷却壁各支管 的水量进行 分配 确 定各支管的分流 量 J l f t M i一 0 7 8 5 D XW 3 6 0 0 2 式 中 i 一支管 流量 m h D一管道直径 一 水速 m s 武钢 5号高 炉一至 十七段冷 却壁 在圆周 上 每段 排 列 4 8块 每块 冷 却 壁 内有 4根 支 管 分别 与上 下 段冷却 壁相 应的支 管 串联 共 计 1 9 2根支 管 管 内 径 7 OX 6 mm 水 速 1 m s 则 依 2 式 可 算 出每 根 垂 直支 管 的 流量为 l 4 m h 为 加强 高热负荷 区的冷 却强 度 部分冷却壁设 置 了双层 冷却管 冷却壁凸 维普资讯 3 有亦埋 设专 用冷却管 均 采用 独立 供水 有关 回路水 管分配 及冷却 水速 见表 2 其余 两个 系统 计算 方法 与 二 述计 算 方法 相 同 只是 g 和 的选 值有所差异 表 2 武钢 5号高炉回路水 量分配及 冷却水流速 2 水压 确定 高炉 软水闭路循 环冷 却系统 的水 压计 算 比常规冷却系统的管道阻损计算要复杂和重 要得 多 接原 因 如 F 软 水 闭路 循环 冷 却 系 统的 每 一 玲 圭 阿路 远 比常 规冷却 网路 长 总阻 损亦 比常规 冷却 回路 人得 多 常 规冷却 壁冷却方式是把高炉分成几个区段 每 区 段 都有 单独 的进 出水 管路 短 阻损 小 I而 武钢 5号高炉 冷 却壁 系统 1 7段 冷却 壁的 冷 却水管从上而 下串联成一个通路 管路长 阻 损大 软水闭路循环系统的冷却水要从较 远距 离 的泵 房迭 到高炉 经过冷 却元件 后 的 回水 又要 回到 泵房 冷却 系统的 阻损直接 影 响到循环加压泵扬程的太小 若对系统阻损 汁算 不当 泵的能力选得 过大 或过 小 就 会造 成 能源 浪费 或 导 致系统 不 能正 常运转 而 失 败 武钢 5 号高炉软水闭路循环冷却系统冷 却肇 冷却 回路 水压和管道 阻损 的计算 如下 管道 阻损 公式 3 P一 口L 3 式中R一直 段单 位长度阻 损 P a m L一管 道 长度 m 一 局部阻力损 失 P a m 而 R一0 0 0 0 5 7 5 6 7 2 经验 公式 其 中 一水 流速 mI S d一管径 m 一 B 一局部阻力损 失 系数 g 一重力加速度 5 9 8l m s 在出铁场 以内部分 管道 总阻损 为 2 0 8 4 k P a 出铁 场 以外 包括 热 交换 器和泵 房的 部分 管 道总 阻损 为 l 1 9 k P a 所 以 整个玲 却壁系 统 冷 却 回路 的 总 阻损 为 3 2 7 4 k P a 阻 损计 算 曲钱见图 3 为防I 卜 煤气渗漏进入冷却水中 b d e c I t r 厂 f 图 3 冷 却壁 回路 阻损计算 曲线 l 一稽环水泵 0 一供承 总管 3 垮却壁 d 捧承 i t 管 5 脱气罐i 6 一膨酝罐 z 一 热器 a 一职层术管阻力曲线 b 一凸台 l 水昔阻力曲线 c 一垂直 管阻力曲线F d 凸台 2 水管阻力 曲线 经 计算 武 钢 5号 高炉 冷却 壁冷 却 回路 必须保持各 部位玲上 口 元件 的水 压大干炉 内煤 维普资讯 气 压力 根据 管网阻力损 失计算 设计选用扬 程 为 3 7 m 的水 泵 几年来 的实 际运行 证 明 计算结 果和设备选 型都是合 适的 四 安全 设 施 L 安全供水 高炉 热风炉 为不 可断水 用户 为了保证 其安全 供 水 设 计 中采 用如 下 措 施 所 有 水泵均 采 用两路 独立 电源 供 电 同 时各 闭路 循 环水系统和补 充水 系统 各有一 台泵 设保安 电源 泵站各泵组设备用泵 在 工作泵发 生事故时 备用 泵可 自动 投入 运行 并互为备 用 泵站 内各 循环 水系统 和补充水 系统 的 泵组各设一台快速启动的柴油机泵 当几路 电源 同时停 电时 柴 油机 泵 可在 3 6 S内投 入运 行 设 事 故水 塔 在 停 电 时可 继续 向 风 口 热 风 阎等关 键 冷却 件 供水 闭路循 环水 系统 主干管设 有 两个供 水 管 当一 路供 水 管 发 生 事 故 时 另 一 路 供 水 管 仍 能 保 证 7 O 的供水 量 冷 却壁冷 却 回路 在供水发 生 中断时 可 自动转入 汽化冷却 2 水锤及其预防 在 压力管 道 中 由于 流速 的剧烈变 化而 引起一 系列急剧的压 力交 替升降 的水 力冲击 现象 称为水 锤 在软水 闭路 循 环 冷 却系 统 中 若遇 突然断 电等 情况 当升压泵进 出 口阀 门尚未关 闭的情况下 水泵突然 停止 在水泵 和管路中就会产生上述 水锤 现象 这种 水 锤 严重时将导致水泵损坏和管道爆裂 直接 影 响高 炉的生产 因此 在该系 统设计 中必须 考虑承 受和预 防水 锤的能力 在武钢 5号 高炉 设 计 中 运用 计算 机模 拟 管路 的水 睡现 象 并在 自控 系统 中采 取 了 消除水锤的控制方式 该高炉投产 来一直 安 全可靠运行 没有发 生上述 水锤 情况 3