高爐軟水蒸發(fā)空冷器高效節(jié)能控制

嚴幼玲

(福建三鋼閩光股份有限公司，三明 353000)

0 引 言

高爐閉式軟水冷卻系統(tǒng)因結(jié)垢少、腐蝕輕、冷卻效果好，能顯著改善冷卻壁的工作條件，提高高爐使用壽命，在國內(nèi)煉鐵高爐應(yīng)用廣泛。高爐軟水冷卻系統(tǒng)主要由高爐冷卻設(shè)備、軟水冷卻器、膨脹罐、水泵，加藥系統(tǒng)等組成的密閉循環(huán)系統(tǒng)。

蒸發(fā)空冷器運行時工藝流體始終處于換熱管內(nèi)，能保證其品質(zhì)不受污染，且具備換熱量大，設(shè)備緊湊的特點，被用于軟水系統(tǒng)冷卻。

1 蒸發(fā)式空冷器運行

蒸發(fā)式空冷器是換熱管置于噴淋水下，空氣依靠上部風機從換熱管下部的進風裝置進入，流經(jīng)換熱管表面的噴淋水膜，最終從排入大氣的換熱設(shè)備，如圖1所示。

圖1 高爐蒸發(fā)空冷器示意圖

運行時空氣與管外水膜接觸換熱，帶走水分，實現(xiàn)蒸發(fā)冷卻，噴淋水與管內(nèi)軟水間壁換熱，溫度升高，帶走熱量，從而降低軟水溫度。

從蒸發(fā)式空冷器的傳熱過程來說，軟水熱量通過換熱管內(nèi)壁，經(jīng)管壁導(dǎo)熱至外壁，傳熱至噴淋水，然后主要通過蒸發(fā)吸熱帶入空氣。

蒸發(fā)式空冷器高效運行需要適宜的空氣流速、管束高度、噴淋水量、水溫、空氣狀態(tài)以及良好的換熱面。對于確定的設(shè)備，主要通過風機和水泵調(diào)整合適空氣量、噴淋水量，保持管內(nèi)、外壁清潔以保持蒸發(fā)冷卻器的高效運行狀態(tài)。

2 運行存在的問題

目前高爐蒸發(fā)空冷器控制的弊端主要體現(xiàn)在：

(1)不適宜的噴淋水量、風量或氣水比會使得蒸發(fā)式空冷器在較低換熱效率區(qū)間運行。

(2)根據(jù)軟水出水溫度手動控制風機，水泵來調(diào)節(jié)軟水溫度，水溫波動性大，影響主設(shè)備冷卻。

(3)噴淋系統(tǒng)為工業(yè)冷卻水開式冷卻，運行中管外壁易結(jié)垢，增加換熱管熱阻影響換熱。

(4)軟水品質(zhì)不佳，長期運行導(dǎo)致管內(nèi)壁結(jié)垢，影響換熱。

3 影響參數(shù)分析

為了避免出現(xiàn)以上問題，保持蒸發(fā)式空冷器能夠滿足工藝溫度調(diào)節(jié)的前提下提高運行效率，并盡可能延緩管壁結(jié)垢速度，首先要掌握影響運行效率的參數(shù)。

對于軟水至噴淋水的過程，總傳熱系數(shù)K0可以表示為：

(1)

式中，hi軟水與管內(nèi)表面之間對流換熱系數(shù)；ho管外噴淋水與管外表面之間的對流換熱系數(shù)；ri、ro分別為管內(nèi)、外壁上的污垢熱阻；di、do分別為管內(nèi)、外徑；dm為傳熱對數(shù)平均直徑；δ為管壁厚度；λ為管壁材料導(dǎo)熱系數(shù)。

對軟水與管內(nèi)表面之間對流換熱系數(shù)hi，一般盤管內(nèi)軟水流速較大，處于湍流狀態(tài)，此時軟水Nut：

(2)

其中，Prt可以根據(jù)盤管內(nèi)軟水平均溫度查水的物性參數(shù)表，Ret可根據(jù)式(3)計算：

(3)

式中，d為管內(nèi)徑；Vt為管內(nèi)軟水流速；vt為軟水平均溫度下的運動粘度。

由此可知，管內(nèi)壁液膜換熱系數(shù)為：

(4)

其中，λt為軟水平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)。

對管外表面與噴淋水之間的對流換熱系數(shù)ho有：

(5)

其中，tf為噴淋水液膜溫度；Γ為流過單位寬度的流量。

對噴淋水與空氣之間的傳質(zhì)系數(shù)KY有：

(6)

其中，Gmax為最小截面處濕空氣的質(zhì)量流速。

由上可知，當軟水流速越快，軟水與管內(nèi)表面之間對流換熱系數(shù)越大；管外噴淋水量越大，管外表面與噴淋水之間的對流換熱系數(shù)越大；空氣流量越大，噴淋水與空氣之間的傳質(zhì)系數(shù)越大。然實際噴淋水與空氣流量會相互影響，且水量、風量與泵、風機的耗能有關(guān)，因此存在最佳噴淋水量和空氣量，其數(shù)值與結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。

4 工藝參數(shù)計算

軟水經(jīng)過冷卻器的總換熱量Qr：

Qr=c·m·Δt

(7)

其中，c為介質(zhì)的比熱容；m為介質(zhì)的質(zhì)量流量；Δt為卻介質(zhì)的進出口溫差。

同時軟水的總換熱量也可以表示為：

Qr=KO·S·Δtm

(8)

其中，S為換熱管表面積，Δtm為管內(nèi)流體與管外流體的平均傳熱溫差：

Δtm=ψΔtm,c

(9)

其中，Δtm,c為按逆流方式算得的對數(shù)平均溫差；ψ為錯流修正系數(shù)。

獲取蒸發(fā)式空冷器軟水進水溫度、流量，當前空氣溫、濕度及風量，噴淋水進水溫度、流量，以及管徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)。估取蒸發(fā)式空冷器內(nèi)、外管壁污垢熱阻，根據(jù)式(1)至(9)計算蒸發(fā)式空冷器軟水出口溫度，噴淋水出口溫度，單套設(shè)備軟水的總換熱量。

運行過程中對軟水進、出口溫度，噴淋水進、出口溫度等進行監(jiān)測，對設(shè)備換熱系數(shù)進行逆向計算，以監(jiān)測管壁污垢熱阻變化情況。通常管內(nèi)軟水品質(zhì)較噴淋水高，結(jié)垢速率較低，因此主要監(jiān)測管外壁污垢熱阻。

運行時獲取污垢熱阻隨運行時間的變化曲線，當污垢熱阻超過一定值，無法滿足最大處理負荷時，控制系統(tǒng)可發(fā)出提示，以采取銅管清洗或其他方式，使蒸發(fā)冷卻器具有符合需求的換熱效果。

5 優(yōu)化方案

(1)參考各個運行參數(shù)對換熱系數(shù)的影響關(guān)系，確定單臺設(shè)備最佳噴淋水量和空氣量范圍，并自動控制冷卻器在此換熱區(qū)間運行。

(2)系統(tǒng)運行跟隨軟水進口參數(shù)自動控制。先由蒸發(fā)式空冷器結(jié)構(gòu)參數(shù)、入口軟水參數(shù)、噴淋水參數(shù)、當前空氣參數(shù)，計算單套蒸發(fā)冷卻器換熱負荷；

由入口軟水溫度、目標送水溫度及軟水循環(huán)水量計算總負荷，調(diào)整風機及水泵運行狀態(tài)，穩(wěn)定軟水出水溫度。

(3)根據(jù)軟水總的熱負荷，當前空氣狀態(tài)下單臺蒸發(fā)冷卻器最佳狀態(tài)下?lián)Q熱量，確定投運蒸發(fā)冷卻器臺數(shù)。未投運設(shè)備則保持風機和冷卻水關(guān)閉，以節(jié)約泵和風機的能耗，減少了換熱管噴淋時間，減緩管壁結(jié)垢速率，與此同時嚴格控制循環(huán)水品質(zhì)，水質(zhì)控制指標推薦見表1。

表1 循環(huán)水指標推薦表

(4)對于換熱管內(nèi)壁，則需要嚴格控制軟水品質(zhì)，防止水中雜質(zhì)沉積換熱管內(nèi)壁，影響換熱，水質(zhì)控制指標推薦見表2。

表2 軟水指標推薦表

某高爐軟水冷卻系統(tǒng)有蒸發(fā)式空冷器共15套，每套配置風機3臺，每臺風機功率15 kW，噴淋水采用開式冷卻塔集中冷卻，由冷媒水泵集中供應(yīng)噴淋水。設(shè)計循環(huán)軟水處理量4 500 m3/h，回水溫度50 ℃，冷卻溫度40 ℃。

運行人員根據(jù)總管的供、回水溫度和冷卻水溫度，手動調(diào)節(jié)蒸發(fā)式空冷器風機運行臺數(shù)和噴淋水泵頻率。調(diào)整過程中所有蒸發(fā)式空冷器噴淋水常開，變頻泵控制總的噴淋水量，每套風機開啟或關(guān)閉。通常夏季有10～15套風機運行，其他季節(jié)2～6套運行。

此種運行方式下蒸發(fā)冷卻器通常不處于高效運行區(qū)間，部分處于普通間壁換熱。且由于所有換熱器換熱管長期處于噴淋狀態(tài)，增加了換熱管積垢速率，熱阻增加，減小蒸發(fā)式空冷器的高效運行壽命。

運行時，軟水循環(huán)水量在3 800～4 400 m3/h，回水溫度通常在40～45 ℃，冷卻溫度在36～38 ℃。整體負荷與設(shè)計值存在偏差，且設(shè)備負荷與天氣狀況有關(guān)，需要經(jīng)常調(diào)節(jié)。以軟水循環(huán)水量4 300 m3/h，軟水溫度42 ℃，目標出口溫度為37 ℃，以本文所述運行控制方式對系統(tǒng)進行完善，年電能消耗可減少約533 000 kW·h，換熱管年結(jié)垢速率可減緩約38%。

6 結(jié)束語

(1)保持蒸發(fā)式空冷器高效換熱，主要保證噴淋水與空氣量，實際運行中要盡可能減緩換熱管內(nèi)、外壁結(jié)垢，其中換熱管結(jié)垢主要體現(xiàn)在管外壁，因此要嚴格控制循環(huán)水品質(zhì)，減少設(shè)備不必要噴淋水。

(2)本文所述蒸發(fā)式空冷器組控制方法可以更快速響應(yīng)高爐軟水負荷變化，減少人力投入，同時可以有效減少系統(tǒng)電耗及減緩換熱管結(jié)垢速率。