高爐聯合泵站爐下密閉循環水系統節能改造

劉 磊,凈曉星,林 俞,馬志遠,王保霞,石晨浩,董 盼

(北京首鋼股份有限公司，河北遷安 064404）

引言

鋼鐵企業以節能降本提高產品市場競爭力，北京首鋼股份有限公司（簡稱首鋼股份公司）提出了降低鐵前生產成本的策略。以3號高爐聯合泵站爐下系統為例，介紹聯合泵站節水節電的系列技術改造。高爐承擔著保證鐵產量的重要任務，但在爐役中后期，早期設計與目前的生產實際逐漸產生了一些差距，為此對爐下系統進行了一系列改進。對于風機改造，基于現有電機和風機傳動存在的問題，采用行星減速箱代替皮帶傳動，節省了更換皮帶和軸承的成本。同時，對閉式塔冷卻工業循環水采取了更加節約及加大冷卻循環水流量的方法，對爐下系統為高爐降溫起到了積極作用。

1 工藝流程

爐下系統冷卻對象是高爐1～6段冷卻壁和高爐底部冷卻用水，是一個密閉循環除鹽水系統，首鋼股份公司3 號高爐爐下系統包括1 套氮氣穩壓系統、1 套補水系統、4 臺爐下水泵（二用二備）、1 臺事故柴油機水泵（雙路停電或系統供水壓力低于限值時自動啟動）和7臺爐下閉式塔風機。

爐下系統冬季供水流量為5 200 m3/h，夏季供水流量為5 500 m3/h，吸水管路壓力為0.67 MPa，供水出口溫度不高于45 ℃，回水溫度不高于51 ℃。爐下除鹽水冷卻系統工藝流程如圖1所示。

圖1 爐下除鹽水冷卻系統工藝流程圖

2 閉式冷卻塔存在的問題及節能改造

閉式冷卻塔（以下簡稱“閉式塔”）主要由噴淋泵、外循環工業水集水槽、內循環密閉除鹽水盤管表冷器、外循環工業水布水器、外循環工業水收水器、冷塔填料、風機、風筒、塔壁圍板、百葉窗和鋼結構等組成，其工作原理簡單來說是有2 個循環，即1個內循環和1個外循環。

1）內循環。爐下水泵供出的密閉除鹽水循環水經高爐冷卻壁進入閉式塔內循環密閉除鹽水盤管表冷器，將高爐熱量傳遞給密閉除鹽水盤管表冷器。

2）外循環。外循環用于給閉式塔的密閉除鹽水盤管表冷器降溫，不與內循環的除鹽水管路接觸，通過噴淋泵將外循環工業水從外循環工業水集水槽輸送到閉式塔頂部的外循環工業水布水器，形成向下滴落的小水滴，在密閉除鹽水盤管表冷器表面形成噴淋水水膜，將密閉除鹽水盤管表冷器的熱量交換給噴淋水膜，形成濕熱的蒸汽，蒸汽熱量由閉式塔頂部風機向上排出，一部分排入大氣，一部分由外循環工業水收水器回收。若外循環工業水集水槽水位較低，可由工業水管網補充。

2.1 存在的問題

目前，閉式塔運行主要存在工業水浪費嚴重和風機傳動系統耗材損失大等問題。

（1）工業水浪費嚴重

高爐爐齡增加導致高爐實際生產高于額定產量，對爐下水溫要求也逐步提高，現要求爐下系統出水水溫不高于38 ℃，這就要求將閉式塔中密閉循環水吸收的高爐熱量盡快交換出去，否則爐下系統水溫無法滿足要求，影響高爐生產。為此閉式塔風機只能滿負荷運行，若爐下水溫仍達不到要求，則需對閉式塔內的外部循環工業水進行置換，用大量溫度較低的工業水置換閉式塔中溫度較高的外循環工業水，導致閉式塔外循環工業水中Cl-濃度和濃縮倍率降低，濃縮倍率約為1.25，硬度為420 mg/L，造成外循環工業水嚴重浪費。

（2）風機傳動系統耗材損失大

閉式塔風機由電機通過皮帶驅動軸流式風扇運行，風扇主軸通過上下2 套軸承固定在鋼結構基礎上，皮帶傳動方式為水平傳動，皮帶輪（材質為鋁合金）和皮帶磨損嚴重，皮帶與其兩側的皮帶輪傳動時發生打滑現象。風扇主軸的軸承包易進潮氣，導致軸承使用壽命縮短。每臺冷卻塔皮帶使用壽命為2～3月，軸承使用壽命約為半年，每條皮帶費用按1 760 元計算，每對軸承按1.2 萬元計算，則每年每臺冷卻塔更換皮帶費用為7 040 元，更換軸承費用為2.4 萬元，即每臺冷卻塔每年投入總費用為3.1萬元，不但維護費用高，且每年都需投入大量的人力。

2.2 問題分析及節能改造

針對閉式塔運行中存在的問題，采取了改變閉式塔中循環工業水的循環方式和閉式塔風機節能改造等措施。

（1）改變閉式塔中工業循環水的循環方式

首鋼股份公司3 號高爐聯合泵站共包括3 個密閉循環系統，設有18 座閉式塔（爐上8 座，爐下7座，熱風系統3 座），18 座閉式塔每日需補充工業水600 t，除鹽水900 t，總補水量約為62 m3/h。每年9 月至次年5 月，由于外循環工業水集水槽存水量太小，每座閉式塔工業循環水存水量約為6 m3，導致水質不易控制，濃縮倍率4.2 左右，硬度達到1 200 mg/L，pH 值在8.7左右，造成閉式塔內的銅管和填料結垢，使閉式塔的降溫效果變差，最終影響閉式塔的出水溫度。而且，每年6～8 月閉式塔內用大量外循環工業水的置換又會造成濃縮倍率和硬度降低，造成銅管和鋼結構腐蝕。閉式塔中工業循環水的循環流程如圖2所示。

圖2 閉式塔中工業循環水的循環流程

經仔細觀察，在旁慮系統的2 臺備用泵出水口接1 根管路到18 座閉式塔的補水截門處，替代原來的工業水補水，中間加蝶閥控制，同時在18 座閉式塔的泄水口接1 根管路到工業吸水井，關閉原來的泄水截門，可以將閉式塔中工業循環水的循環擴大到股份公司3號高爐聯合泵站工業開式大循環系統里，從而有效控制閉式塔中外循環工業水的水質和水溫。節能改造后閉式塔中工業循環水的循環流程如圖3所示。

圖3 節能改造后閉式塔中工業循環水的循環流程

旁慮泵可以一用一備，單臺流量為280 m3/h，遠大于18座閉式塔工業水總補水量62 m3/h，增加的閉式塔降溫用循環水可以有效降低密閉循環水的溫度，這樣除去閉式塔蒸發損耗，每天可避免約1 000 m3的水資源浪費，同時閉式塔中外循環工業水的水質也可以得到有效控制,尤其是pH 值降至7.5 左右，有效避免了閉式塔內的銅管和填料結垢。

對爐下系統閉式塔，對爐上和熱風爐閉式塔的工業循環水也進行了節能改造。節能改造前后閉式塔中外循環工業水的水質見表1。

表1 節能改造前后閉式塔外循環工業水的水質

若將節約的1 000 m3水全部按工業水計算，工業水價格按2.2 元/t 計算，則改變閉式塔外循環工業水的循環方式后，每年可節約夏季置換工業水的費用為：

1 000×3×30×2.2/10 000=19.8（萬元）

（2）閉式塔風機改造

對閉式塔風機的結構、運行工況和故障情況進行分析以及與同類型閉式塔風機進行對比的結果表明，采用行星齒輪減速機傳動方式更加可靠和穩定、經濟性更好、故障維護率更低、使用壽命更長、安裝檢修更方便。專業技術人員通過測量計算在保持冷卻風量不變的前提下，將原來閉式塔風機的皮帶傳動更換成行星齒輪減速機傳動。行星齒輪減速機、電機和風機為成套組裝的一體機。

閉式塔風機原型號為MQA225S4A，功率為37 kW。節能改造后若保持冷卻風量不變，則只需選要用功率為15 kW、型號為YE3-180L-6WTH 的節能電機即可，節能改造前后閉式塔風機運行的實際電流分別為57.0 A 和21.4 A。選用新型號電機與原型號電機相比，每臺可節約材料備件費約3.1 萬元，閉式塔風機改造后每年共可節約備件費約為21.7 萬元。

選用新型號風機后每年5～10 月每日開啟5 臺左右，11 月至次年4 月每日開啟3 臺左右，即全年平均每日開啟4臺，工業用電按0.50 元/（kW·h）計算，則，每年可節約電費69.7萬元。

閉式塔風機改造后，每年節約總費用為：

備件費+電費=21.7+69.7=91.4（萬元）

3 爐下水泵存在的問題及節能改造

3.1 存在的問題

在爐役早期，要求爐下冷循環卻水的流量5 200～5 500 m3/h，壓力1.0 MPa（有氮氣穩壓系統），此時開啟2 臺爐下水泵就能滿足要求，且與水泵配套的電機可以提供足夠的動力。但是，在爐役后期，尤其是夏季高爐滿負荷生產時，爐下冷卻循環水的流量需要提高至5 800 m3/h 以上，爐下水泵在現運行方式下已經無法提供足夠的冷卻循環水流量，調整為三用一備，但這樣會增加運行費用。

3.2 節能改造

3.2.1 常用的節能方法

水泵節能改造常用的方法主要有閥門調節、車削水泵葉輪調節、變頻調節和應用水泵三元流動技術等。

（1）閥門調節

閥門調節是水泵節能改造最常用的方法，此方法可以直觀地改變泵組的出水量，但會使大量的能耗損失在閥門上,隨著爐齡的增加，高爐生產工況發生變化，導致水泵的設計流量與高爐生產要求不相適應，如果不對水泵進行改造，為達到高爐要求的爐下循環水流量，則爐下系統只能增加水泵開啟數量，將二用二備的運行方式為三用一備，且只能通過水泵出口閥門調節循環水流量。閥門調節法只適合在設計流量附近稍微調節,否則會使能耗增加，且多1 臺設備運行更是縮短了設備的檢修周期，增大系統運行的危險性，加速設備老化。

（2）車削水泵葉輪調節

不改變水泵的轉速和結構，車削水泵葉輪，使葉輪外徑減小，可達到改變水泵效率的目的。水泵葉輪外徑減小后，水泵效率一般會下降，葉輪外徑減小越多，水泵效率下降越多，因此不可無限制地車削葉輪，一般車削調節只適合比轉速小于350 的離心泵，當比轉速小于200、車削量少于15% 時，水泵效率基本不變或者下降很少。車削調節法只能降低水泵的流量和揚程，也就是說爐下泵組只有采取三用一備的運行方式時才能采此方法，這與節能改造的初衷背道而馳。

（3）變頻調節

變頻調節在交流電機調速技術中廣泛運用，采用變頻器改變交流電機的轉速來控制水泵流量，可以大幅度減少機械調控流量造成的能量損耗。

通過變頻技術改變交流電機轉速（即水泵轉速），使水泵的揚程下降，流量改變，確實能起到節能的作用，但此方法有著明顯缺陷，具體情況如下：

①需要在每臺設備上都安裝變頻器，成本高，不便于安裝，運行中維護也很麻煩，還可能成為故障點，影響正常供水。

②高爐要求的不僅是增加干管流量，滿足現在的壓力（揚程）要求，現在2 臺爐下水泵已經滿負荷運行，采用變頻調節也是不可行的。

（4）應用水泵三元流動技術

射流—尾跡三元流動（簡稱三元流動）技術是目前最前沿的解決水泵性能的技術。結合爐下水泵在生產現場的實際運行工況，應用三元流動技術重新對水泵內水力部件（主要是葉輪）進行優化設計，然后對其進行重新鑄造、加工和更換，提高了水泵的效率，減少了能耗。三元流動技術可以針對實際使用要求，在不改變電機、泵體和管線等條件下增大水泵流量，提高水泵揚程，或者在保證水泵的流量和揚程不變的情況下降低電機的工作電流，達到節能降耗的目的。高爐生產是24 h 不間斷的，所以大的改造（改動水泵進出口管線、增加變頻柜設施）是不可行的，而三元流動技術是針對單獨工況單獨水泵進行針對性的設計，且前期已對2 號高爐聯合泵站風口水泵進行了改造，效果顯著，實踐證明在保證水泵揚程基本不變情況下盡可能增大水泵流量是可行的。

3.2.2 技術改造參數要求

（1）改造前水泵的運行參數

首鋼股份公司3 號高爐爐下系統干管壓力為1.12 MPa，干管流量為5 600 m3/h，配套電機型號為YKK5003-6，額定功率為560 kW。為不影響高爐生產，先對首鋼股份公司3號高爐爐下系統1#、2#水泵進行了節能改造試驗。在滿足爐下系統壓力條件下，提高除鹽循環水流量，盡量降低配套電機運行電流。節能改造前水泵的運行參數見表2。

表2 節能改造前水泵的運行參數

（2）流量和揚程的確定

①流量的確定?，F階段水泵的流量只能接近滿足高爐生產要求，距離已有10年爐齡的首鋼股份公司3 號高爐大修還有一段時間，為了滿足以后高爐的生產要求，要求水泵節能改造后的流量應較改造前的2 500 m3/h 提高不低于20%，即改造后單臺水泵的流量應在3 000 m3/h 以上。

②揚程的確定。爐下系統主要為高爐1～6段冷卻壁和爐底供水，改造過程中管線和閥門均不進行改變，實際上原二用二備的運行方式下高爐爐下系統干管壓力為1.16 MPa，因為有氮氣穩壓系統，水泵進口壓力為0.78 MPa，所以水泵的實際工作提升壓為0.38 MPa。根據實際生產情況，水泵節能改造后揚程應較改造前的53 m 降低不少于10%，以保證高爐順穩運行，即改造后單臺水泵的揚程應不大于47.7 m，最終確定改造后單臺水泵的揚程為42 m。

（3）改造后水泵的運行參數

根據現場生產實際情況，確定節能改造后單臺水泵的額定流揚程需達到42 m，單臺水泵流的量為3 200 m3/h，節能改造后水泵的運行參數見表3。

表3 節能改造后水泵的運行參數

3.2.3 效益

水泵節能改造前后爐下系統技術經濟指標見表4。

表4 水泵節能改造前后爐下系統的技術經濟指標

由表4 可見，工業用電按0.5 元/（kW·h）計算，則水泵節能改造后,每年可節約電費為：

（1 047-947）×0.5×24×365=43.8（萬元）

4 結語

對首鋼股份公司3號高爐聯合泵站爐下閉式塔和爐下水泵節能改造，不僅改變了工業水循環的方式，節水效果顯著，而且閉式塔本身振動明顯變小，配套總功率也有下降，總體改造達到了節能減排的目的。改變閉式塔中工業循環水的循環方式后，每年可節約費用19.8 萬元，閉式塔風機改造后每年可節約備件費和電費91.4 萬元，水泵節能改造后每年可節約費用43.8萬元。對首鋼股份公司3號高爐聯合泵站爐下閉式塔和爐下水泵節能改造后，每年可節約費用155萬元，經濟效益顯著。