導讀：從能量守恆定律出發，分析了迴圈冷卻水系統各構成單元的能量轉化過程。以降低迴圈冷卻水系統執行能耗為目標，剖析了可採用的三種節能技術。
結合鋼鐵生產工藝中的迴圈冷卻水系統現場，通過資料採集、執行狀況診斷、技術方案設計及節能評估，完整闡述了迴圈冷卻水系統節能方案實踐過程。
1、前言
鋼鐵工業是國民經濟的重要基礎產業，包括從採礦、選礦、燒結(球團)、焦化、煉鐵、煉鋼、軋鋼，直到金屬製品及輔料等生產工序。為推動鋼鐵工業轉型公升級，走中國特色的新型工業化道路，工業和資訊化部印發《鋼鐵工業「十二五」發展規劃》，規劃明確指出要深入推進鋼鐵工業節能減排。在鋼鐵工業鏈上各生產工序中，工業冷卻水的迴圈使用非常普遍。
迴圈冷卻水系統是工藝生產主線的生命保障線，對於生產正常執行及裝置安全運轉起著至關重要的作用。因此，有必要對迴圈冷卻水系統的節能技術進行分析，促進系統安全、節能執行。中冶南方(武漢)威仕工業爐****以為客戶提供「用能裝置的全生命週期服務」的理念，提供包括工業爐及鋼鐵全流程中終端用能裝置的節能技術服務。
2、迴圈冷卻水系統能量使用
2.1迴圈冷卻水系統構成
迴圈冷卻水系統依據系統輸送介質不同，有密閉式和敞開式兩種系統。以較常用的敞開式系統為例，包括電源裝置、傳動系統、迴圈水幫浦組、管網、換熱裝置、冷卻塔等，其系統構成如圖1所示。其中電源裝置提供了整個系統的能源供給，如機械輸送裝置、傳動控制系統及自動化控制系統等；自動化控制系統包括電氣自動化(如變頻調速控制)及儀表自動化(如管網上流量調節閥)；冷卻塔通常有風機及驅動電機等子裝置；冷卻水使用裝置包括在廣義的迴圈系統管網中，沒有分別列出。
圖1典型迴圈冷卻水系統示意圖
2.2系統能量輸入與轉化
電能輸入。如圖1中的電源裝置，通過工廠電網將電能輸入到迴圈冷卻水系統。水幫浦配用的電機、風機配用電機、以及系統中自動化控制裝置均需輸入電能來保證裝置執行與運轉。
能量轉化。由電機驅動迴圈水水幫浦，電機將電能轉化為水幫浦的動能，進而通過水幫浦轉換為迴圈水的動能；電機將電能轉化為冷卻塔上風機的動能，進而通過風機轉換為冷卻風的動能；控制閥通過電、氣驅動，實現自動化系統對水壓、流量及冷卻溫度的自動調節。
2.3系統能量消耗
依據能量守恆，迴圈冷卻水系統中能量消耗是在能量的轉移與轉化過程中的損耗。如迴圈水系統中的電機、水幫浦和風機等實現了電能、機械能及動能的能量轉化；聯結器(機械接手及變速齒輪)、換熱器等完成了能量的傳遞與轉移。能量在轉移與轉化的過程中不可避免發生能量的損耗，因此，要提高迴圈冷卻水系統的執行效率，就要從系統對能量使用的各裝置的執行效率進行優化提公升。
3、迴圈冷卻水系統節能技術
構成冷卻水系統的各裝置上的能量損失因各自的工作原理、系統控制方法、裝置製造工藝及安裝方式等的不同，其對能量的轉移與轉換效率不同，從而產生了不同節能技術。除對電源裝置本身的優化外，廣泛採用的節能技術主要有三種：變頻調速、高效水幫浦及水動能。
其中變頻調速控制是從系統控制優化角度進行節能優化；水幫浦節能是通過裝置設計與製造的改善來實現節能；水動能冷卻塔則是充分利用管網中水動能餘量進行能量二次利用。
3.1變頻調速控制技術
變頻調速在冷卻水系統中的應用主要針對驅動水幫浦的電機進行變頻調速控制，可以有效實現：①流量調節。通常，由於迴圈水系統額定流量基於生產工況最大流量來選用相應的迴圈水幫浦，通過調整水幫浦電機的運轉速度，進行迴圈水量的調節，以保證生產工況變化時的需要。
②替代控制閥。利用控制閥的開度進行迴圈水系統執行狀態，如壓力和流量等引數的調整來滿足現場工況，是非常普遍的方案。由於變頻器技術的快速發展，其運用也越來越廣泛。
用變頻控制實現控制閥的控制功能已有了成熟的解決方案。
採用變頻調速控制節能技術主要優點有：通過調整轉速，滿足生產需求，無附加損耗，高效節能；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、開關及電網等的衝擊，同時具備軟啟動功能；變頻調速避免對裝置不利衝擊，延長電機等裝置使用壽命，減輕軸承磨損，降低裝置維護成本，有利於裝置靠執行；提高自動化水平，減輕操作人員勞動強度。其侷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，在進行技術改造時對現場有一定的技術要求，且改造後需進行專業維護。
3.2高效節能水幫浦技術
水幫浦的節能原理是通過提高水幫浦的執行效率實現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後，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」得以運用於葉輪機械產品的設計與製造上來。2023年美國數十位幫浦專家合著的權威工具書《幫浦手冊》，把葉輪機械三元流動理論列為幫浦設計的最先進方法。
這種幫浦內含射流－尾跡模型的三元流動計算方法，把葉輪內部的三元立體空間無限地分割，通過對葉輪流道內的各工作點的分析，建立起完整、真實的葉輪內流動的數學模型。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。由於葉輪出口為射流和尾跡(漩渦)的流動特徵，在設計計算中得以體現。
因此，在此基礎上設計製造的葉輪也就能更好地滿足工況要求，效率顯著提高。
基於同樣的理論，從區域性管網優化的角度出發，在水幫浦的進水通道上，增加一組(多片)三元流體曲面引流葉片，以優化幫浦體內流場力學模型，減少流體在幫浦體內部的運動阻力，從而達到降低水幫浦的氣蝕現象對水幫浦效能的影響，提公升水幫浦內的流體效率，在流量、揚程不變的情況下，降低損耗，提公升系統的節能空間。
3.3水動能冷卻塔技術
傳統冷卻塔一般由電動機通過聯軸器、傳動軸和減速機構來驅動冷卻塔的風機。風機抽風使進塔水流快速散熱冷卻，並經水幫浦加壓將冷卻後的水重新輸送到需要用水冷卻的裝置。通過不斷迴圈，達到冷卻水反覆使用。
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的富餘流量和富餘揚程。主要有：
(1)設計餘量。設計人員選水幫浦型號時，由於水量及系統各環節阻力很難被精確的計算出來，為了安全生產及各方面的因素考慮，依據核定冷卻水量及阻力數值的基礎上至少加10%～20%的餘量。
(2)勢能。水輪機將布水器釋放掉的冷卻塔與換熱裝置的絕對高度之差勢能充分地利用起來，轉化為水輪機做功的能量。
(3)水幫浦的自身調節能力。水幫浦的流量和揚程是互為關聯的。在不增大水幫浦功率的前提下，流量和揚程可以相互轉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，能夠產生很可觀的動能和推動水輪機葉輪做功的揚程。在最初衝擊水輪機葉輪時，風葉的轉速和電機啟動時基本一樣，轉速越來越快，當達到設定轉速時，風葉和葉輪本身也產生巨大的轉動慣量，此時所需要的驅動水頭大大降低。
(5)閥門開啟度的餘量。在整個迴圈管道系統中，由於沿途設計餘量的存在，系統中調節控制閥門在大絕大部份執行時間內處在非全開的狀態，導致整個迴圈水閉路系統並不是暢通，致使流量和揚程損失巨大。
水動能冷卻塔節能技術主要優勢在於：能實現100%節電；大大降低冷卻塔的震動和雜訊，減少對環境的汙染；水動風機冷卻塔省去了電機、連軸節、減速箱、電控、電纜等，減少日常的維修保養費用；隨著季節的變化，水動風機的轉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定在最佳的狀態，以達到冷卻的最佳效果。其侷限性在於「富餘能量」不一定永遠存在，如勢能和閥門開啟度這兩種能量根據現場實際情況可能不存在。
4、迴圈冷卻水系統節能實踐
湖北新冶鋼****由動力事業部對各迴圈水
系統實施集中管控。威仕爐公司作為首批央企節能服務公司，組織專業人員對其2#連鑄水處理系統、3#連鑄水處理系統、7#電爐水處理系統、8#電爐水處理系統、一軋廠水處理系統、製氧廠水處理系統、淨水處理系統及水源站八個水系統進行現場測試與執行資料採集。調查測試了共80臺水幫浦，分析了34臺開機執行的現場水幫浦資料。
根據最保守的計算模型，平均節電率在20%以上，每年節約電費約400萬元。以下針對製氧廠迴圈冷卻水系統實施高效節能水幫浦技術進行節能技改重點分析。
4.1現場執行狀況
鋼鐵生產工藝中製氧是以空氣為原料，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製氧冷卻機組是以迴圈冷卻水實現製氧過程中的冷卻功能。現場共配置3臺迴圈冷卻水水幫浦，兩用一備。
製氧迴圈冷卻水系統水幫浦現場執行資料如表1所示。
表1製氧迴圈冷卻水幫浦現場執行資料
4.2技術方案要點
調查結果表明，製氧迴圈冷卻水系統能耗較高，在「高效流體輸送技術」進行技改方案中，以水幫浦節能技術為首選。主要包括高效節能水幫浦及管網優化裝置，調整更換原輸送裝置；通過安裝預旋流整流控制裝置，優化輸送管網效率；解決原系統執行流量偏差所導致的無效功耗；優化糾正原系統不合理的執行模式，降低系統執行能耗，達到節能降耗的目的。
(1)對現場執行資料科學計算。利用工程流體力學相關理論，依據現場實測資料進行流動阻力及能量損失推導計算。應用計算機模擬**、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)節能水幫浦設計與製造。採用國外最先進的「cfd」整體資料模擬技術及三元流理論進行最優水幫浦設計，通過「cfd」幫浦與管路系統裝置整體數值模擬技術，計算不同工況下幫浦裝置內部流場，提高幫浦裝置設計與執行效率，如圖2所示。
圖2高效水幫浦模擬設計示意圖
4.3節能方案分析
節能量測算。實施技改的製氧冷卻水系統水幫浦組，幫浦開機時間為24h/d、365d/a，電費按0.65元/kw·h。
技改後流量及揚程資料為現場使用者確認生產要求資料。年節約用電145.5萬kw·h，(見表2)年直接節約約100萬元。
表2製氧迴圈冷卻水幫浦節能量計算表
方案實施模式。合同能源管理模式(epc)是節能服務公司實施節能服務專案的重要模式。即節能服務公司與用能單位以契約形式約定節能專案的節能目標，節能服務公司為實現節能目標向用能單位提供技術服務，用能單位以節能效益支付節能服務，公司的投入及其合理利潤的節能服務機制。
綜合考慮節能改造現場施工、節能效益等因素，對製氧廠迴圈冷卻水系統水幫浦裝置以epc模式實施技術改造。合同能源管理模式實施要點有：
(1)某公司負責從節能方案到方案實施的全流程的技術、資金及專案管理內容，冶鋼方面負責專案實施時的工程協作；
(2)某公司保證節能技改實施後噸水節電率不低於20%；
迴圈冷卻水系統設計方案
一 迴圈冷卻水系統基本需求概況 總廠實際裝置總需水量500m h，水溫公升溫5 7 見附表1 1.去年用水量 250m h 按50 裝置利用率計 2.今年用水量 600m h 今年產量考核指標提高了1.5倍計 3.今後用水量 1000m h 今後產量考核指標提高了的預算 二 冷卻水塔效能的基本要求 ...
閉式迴圈冷卻水系統
3.1.1 檢修工作已結束，所有工作票終結，系統完好 現場整潔。3.1.2 閉式冷卻水幫浦與電機對輪連線完好，地腳螺栓堅固，聯軸器防護罩完整牢固，電機接線良好，接地線連線完好。3.1.3 熱工各種表計齊全完整，並投入執行，確證熱工保護投入執行。3.1.4 閉式冷卻水系統電動門送電，氣動門控制氣源送上...
22 開式迴圈冷卻水系統除錯措施
批准 1.編制目的 2.編制依據 3.除錯質量目標 4.系統及主要裝置技術規範 5.除錯前應具備的條件 6.除錯工作程式 7.除錯步驟 8.組織分工 9.安全注意事項 10.附錄 附錄1 除錯質量控制點 附錄2 開式冷卻水系統除錯記錄表 1 編制目的 1.1為了指導及規範系統及裝置的除錯工作，保證系...