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(yè)以節(jié)能降本提高產(chǎn)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(chǎn)成本的策略。以3號高爐聯(lián)合泵站爐下系統(tǒng)為例，介紹聯(lián)合泵站節(jié)水節(jié)電的系列技術(shù)改造。高爐承擔(dān)著保證鐵產(chǎn)量的重要任務(wù)，但在爐役中后期，早期設(shè)計與目前的生產(chǎn)實際逐漸產(chǎn)生了一些差距，為此對爐下系統(tǒng)進行了一系列改進。對于風(fēng)機改造，基于現(xiàn)有電機和風(fēng)機傳動存在的問題，采用行星減速箱代替皮帶傳動，節(jié)省了更換皮帶和軸承的成本。同時，對閉式塔冷卻工業(yè)循環(huán)水采取了更加節(jié)約及加大冷卻循環(huán)水流量的方法，對爐下系統(tǒng)為高爐降溫起到了積極作用。

1 工藝流程

爐下系統(tǒng)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(huán)除鹽水系統(tǒng)，首鋼股份公司3 號高爐爐下系統(tǒng)包括1 套氮氣穩(wěn)壓系統(tǒng)、1 套補水系統(tǒng)、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(tǒng)供水壓力低于限值時自動啟動）和7臺爐下閉式塔風(fēng)機。

爐下系統(tǒng)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(tǒng)工藝流程如圖1所示。

圖1 爐下除鹽水冷卻系統(tǒng)工藝流程圖

2 閉式冷卻塔存在的問題及節(jié)能改造

閉式冷卻塔（以下簡稱“閉式塔”）主要由噴淋泵、外循環(huán)工業(yè)水集水槽、內(nèi)循環(huán)密閉除鹽水盤管表冷器、外循環(huán)工業(yè)水布水器、外循環(huán)工業(yè)水收水器、冷塔填料、風(fēng)機、風(fēng)筒、塔壁圍板、百葉窗和鋼結(jié)構(gòu)等組成，其工作原理簡單來說是有2 個循環(huán)，即1個內(nèi)循環(huán)和1個外循環(huán)。

1）內(nèi)循環(huán)。爐下水泵供出的密閉除鹽水循環(huán)水經(jīng)高爐冷卻壁進入閉式塔內(nèi)循環(huán)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(huán)。外循環(huán)用于給閉式塔的密閉除鹽水盤管表冷器降溫，不與內(nèi)循環(huán)的除鹽水管路接觸，通過噴淋泵將外循環(huán)工業(yè)水從外循環(huán)工業(yè)水集水槽輸送到閉式塔頂部的外循環(huán)工業(yè)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(fēng)機向上排出，一部分排入大氣，一部分由外循環(huán)工業(yè)水收水器回收。若外循環(huán)工業(yè)水集水槽水位較低，可由工業(yè)水管網(wǎng)補充。

2.1 存在的問題

目前，閉式塔運行主要存在工業(yè)水浪費嚴重和風(fēng)機傳動系統(tǒng)耗材損失大等問題。

（1）工業(yè)水浪費嚴重

高爐爐齡增加導(dǎo)致高爐實際生產(chǎn)高于額定產(chǎn)量，對爐下水溫要求也逐步提高，現(xiàn)要求爐下系統(tǒng)出水水溫不高于38 ℃，這就要求將閉式塔中密閉循環(huán)水吸收的高爐熱量盡快交換出去，否則爐下系統(tǒng)水溫?zé)o法滿足要求，影響高爐生產(chǎn)。為此閉式塔風(fēng)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(nèi)的外部循環(huán)工業(yè)水進行置換，用大量溫度較低的工業(yè)水置換閉式塔中溫度較高的外循環(huán)工業(yè)水，導(dǎo)致閉式塔外循環(huán)工業(yè)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(huán)工業(yè)水嚴重浪費。

（2）風(fēng)機傳動系統(tǒng)耗材損失大

閉式塔風(fēng)機由電機通過皮帶驅(qū)動軸流式風(fēng)扇運行，風(fēng)扇主軸通過上下2 套軸承固定在鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，皮帶傳動方式為水平傳動，皮帶輪（材質(zhì)為鋁合金）和皮帶磨損嚴重，皮帶與其兩側(cè)的皮帶輪傳動時發(fā)生打滑現(xiàn)象。風(fēng)扇主軸的軸承包易進潮氣，導(dǎo)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(jié)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(huán)工業(yè)水的循環(huán)方式和閉式塔風(fēng)機節(jié)能改造等措施。

（1）改變閉式塔中工業(yè)循環(huán)水的循環(huán)方式

首鋼股份公司3 號高爐聯(lián)合泵站共包括3 個密閉循環(huán)系統(tǒng)，設(shè)有18 座閉式塔（爐上8 座，爐下7座，熱風(fēng)系統(tǒng)3 座），18 座閉式塔每日需補充工業(yè)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(huán)工業(yè)水集水槽存水量太小，每座閉式塔工業(yè)循環(huán)水存水量約為6 m3，導(dǎo)致水質(zhì)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(nèi)的銅管和填料結(jié)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(nèi)用大量外循環(huán)工業(yè)水的置換又會造成濃縮倍率和硬度降低，造成銅管和鋼結(jié)構(gòu)腐蝕。閉式塔中工業(yè)循環(huán)水的循環(huán)流程如圖2所示。

圖2 閉式塔中工業(yè)循環(huán)水的循環(huán)流程

經(jīng)仔細觀察，在旁慮系統(tǒng)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(yè)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(yè)吸水井，關(guān)閉原來的泄水截門，可以將閉式塔中工業(yè)循環(huán)水的循環(huán)擴大到股份公司3號高爐聯(lián)合泵站工業(yè)開式大循環(huán)系統(tǒng)里，從而有效控制閉式塔中外循環(huán)工業(yè)水的水質(zhì)和水溫。節(jié)能改造后閉式塔中工業(yè)循環(huán)水的循環(huán)流程如圖3所示。

圖3 節(jié)能改造后閉式塔中工業(yè)循環(huán)水的循環(huán)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(yè)水總補水量62 m3/h，增加的閉式塔降溫用循環(huán)水可以有效降低密閉循環(huán)水的溫度，這樣除去閉式塔蒸發(fā)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(huán)工業(yè)水的水質(zhì)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(nèi)的銅管和填料結(jié)垢。

對爐下系統(tǒng)閉式塔，對爐上和熱風(fēng)爐閉式塔的工業(yè)循環(huán)水也進行了節(jié)能改造。節(jié)能改造前后閉式塔中外循環(huán)工業(yè)水的水質(zhì)見表1。

表1 節(jié)能改造前后閉式塔外循環(huán)工業(yè)水的水質(zhì)

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

1 000×3×30×2.2/10 000=19.8（萬元）

（2）閉式塔風(fēng)機改造

對閉式塔風(fēng)機的結(jié)構(gòu)、運行工況和故障情況進行分析以及與同類型閉式塔風(fēng)機進行對比的結(jié)果表明，采用行星齒輪減速機傳動方式更加可靠和穩(wěn)定、經(jīng)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(yè)技術(shù)人員通過測量計算在保持冷卻風(fēng)量不變的前提下，將原來閉式塔風(fēng)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(fēng)機為成套組裝的一體機。

閉式塔風(fēng)機原型號為MQA225S4A，功率為37 kW。節(jié)能改造后若保持冷卻風(fēng)量不變，則只需選要用功率為15 kW、型號為YE3-180L-6WTH 的節(jié)能電機即可，節(jié)能改造前后閉式塔風(fēng)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(jié)約材料備件費約3.1 萬元，閉式塔風(fēng)機改造后每年共可節(jié)約備件費約為21.7 萬元。

選用新型號風(fēng)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(yè)用電按0.50 元/（kW·h）計算，則，每年可節(jié)約電費69.7萬元。

閉式塔風(fēng)機改造后，每年節(jié)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(jié)能改造

3.1 存在的問題

在爐役早期，要求爐下冷循環(huán)卻水的流量5 200～5 500 m3/h，壓力1.0 MPa（有氮氣穩(wěn)壓系統(tǒng)），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(chǎn)時，爐下冷卻循環(huán)水的流量需要提高至5 800 m3/h 以上，爐下水泵在現(xiàn)運行方式下已經(jīng)無法提供足夠的冷卻循環(huán)水流量，調(diào)整為三用一備，但這樣會增加運行費用。

3.2 節(jié)能改造

3.2.1 常用的節(jié)能方法

水泵節(jié)能改造常用的方法主要有閥門調(diào)節(jié)、車削水泵葉輪調(diào)節(jié)、變頻調(diào)節(jié)和應(yīng)用水泵三元流動技術(shù)等。

（1）閥門調(diào)節(jié)

閥門調(diào)節(jié)是水泵節(jié)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(chǎn)工況發(fā)生變化，導(dǎo)致水泵的設(shè)計流量與高爐生產(chǎn)要求不相適應(yīng)，如果不對水泵進行改造，為達到高爐要求的爐下循環(huán)水流量，則爐下系統(tǒng)只能增加水泵開啟數(shù)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(diào)節(jié)循環(huán)水流量。閥門調(diào)節(jié)法只適合在設(shè)計流量附近稍微調(diào)節(jié),否則會使能耗增加，且多1 臺設(shè)備運行更是縮短了設(shè)備的檢修周期，增大系統(tǒng)運行的危險性，加速設(shè)備老化。

（2）車削水泵葉輪調(diào)節(jié)

不改變水泵的轉(zhuǎn)速和結(jié)構(gòu)，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(diào)節(jié)只適合比轉(zhuǎn)速小于350 的離心泵，當(dāng)比轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)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(jié)能改造的初衷背道而馳。

（3）變頻調(diào)節(jié)

變頻調(diào)節(jié)在交流電機調(diào)速技術(shù)中廣泛運用，采用變頻器改變交流電機的轉(zhuǎn)速來控制水泵流量，可以大幅度減少機械調(diào)控流量造成的能量損耗。

通過變頻技術(shù)改變交流電機轉(zhuǎn)速（即水泵轉(zhuǎn)速），使水泵的揚程下降，流量改變，確實能起到節(jié)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(shè)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(xiàn)在的壓力（揚程）要求，現(xiàn)在2 臺爐下水泵已經(jīng)滿負荷運行，采用變頻調(diào)節(jié)也是不可行的。

（4）應(yīng)用水泵三元流動技術(shù)

射流—尾跡三元流動（簡稱三元流動）技術(shù)是目前最前沿的解決水泵性能的技術(shù)。結(jié)合爐下水泵在生產(chǎn)現(xiàn)場的實際運行工況，應(yīng)用三元流動技術(shù)重新對水泵內(nèi)水力部件（主要是葉輪）進行優(yōu)化設(shè)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(shù)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(jié)能降耗的目的。高爐生產(chǎn)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(shè)施）是不可行的，而三元流動技術(shù)是針對單獨工況單獨水泵進行針對性的設(shè)計，且前期已對2 號高爐聯(lián)合泵站風(fēng)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(shù)改造參數(shù)要求

（1）改造前水泵的運行參數(shù)

首鋼股份公司3 號高爐爐下系統(tǒng)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(chǎn)，先對首鋼股份公司3號高爐爐下系統(tǒng)1#、2#水泵進行了節(jié)能改造試驗。在滿足爐下系統(tǒng)壓力條件下，提高除鹽循環(huán)水流量，盡量降低配套電機運行電流。節(jié)能改造前水泵的運行參數(shù)見表2。

表2 節(jié)能改造前水泵的運行參數(shù)

（2）流量和揚程的確定

①流量的確定?，F(xiàn)階段水泵的流量只能接近滿足高爐生產(chǎn)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(chǎn)要求，要求水泵節(jié)能改造后的流量應(yīng)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(yīng)在3 000 m3/h 以上。

②揚程的確定。爐下系統(tǒng)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(tǒng)干管壓力為1.16 MPa，因為有氮氣穩(wěn)壓系統(tǒng)，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(jù)實際生產(chǎn)情況，水泵節(jié)能改造后揚程應(yīng)較改造前的53 m 降低不少于10%，以保證高爐順穩(wěn)運行，即改造后單臺水泵的揚程應(yīng)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(shù)

根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)實際情況，確定節(jié)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(jié)能改造后水泵的運行參數(shù)見表3。

表3 節(jié)能改造后水泵的運行參數(shù)

3.2.3 效益

水泵節(jié)能改造前后爐下系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)見表4。

表4 水泵節(jié)能改造前后爐下系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)

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

（1 047-947）×0.5×24×365=43.8（萬元）

4 結(jié)語

對首鋼股份公司3號高爐聯(lián)合泵站爐下閉式塔和爐下水泵節(jié)能改造，不僅改變了工業(yè)水循環(huán)的方式，節(jié)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(jié)能減排的目的。改變閉式塔中工業(yè)循環(huán)水的循環(huán)方式后，每年可節(jié)約費用19.8 萬元，閉式塔風(fēng)機改造后每年可節(jié)約備件費和電費91.4 萬元，水泵節(jié)能改造后每年可節(jié)約費用43.8萬元。對首鋼股份公司3號高爐聯(lián)合泵站爐下閉式塔和爐下水泵節(jié)能改造后，每年可節(jié)約費用155萬元，經(jīng)濟效益顯著。