陈雨 赵建国 杨越
包钢钢联动供总厂给水二厂 内蒙古 包头 014010
摘要：冷却循环水系统是指冷却水换热并经降温，再循环使用的给水系统，包括敞开式和密闭式两种类型。敞开式冷却设备为冷却塔，主要依靠水的蒸发降低水温，冷却风机促进蒸发。包钢老体系高炉系统敞开式循环冷却水系统的应用效果，直接影响高炉生产和能源成本，故节能应用至关重要。
关键词：敞开式系统；循环冷却水；节能应用
冷却循环水系统是指冷却水换热并经降温，再循环使用的给水系统，包括敞开式和密闭式两种类型。敞开式冷却设备为冷却塔，主要依靠水的蒸发降低水温，冷却风机促进蒸发。由于蒸发和循环水浓缩，故系统中需要补充新水来平衡水质、水量的损失。
包钢老体系冶炼敞开式水系统主要是1#、3#、4#高炉循环冷却水系统，通过泵组、管网将循环水送至高炉系统的炉底、炉腹、炉顶、风渣口、热风炉、摆动流嘴、液压站、及转炉、氧枪等地方。循环水的供水压力、流量及温度等参数是保供的基本能源指标，直接影响高炉正常生产和使用寿命。
1.5#泵站及18#运行方式
5#泵站主要担负着炼铁1#高炉循环水系统的供水任务。五泵站室内设有三组18台泵组，室外建有四座机力通风冷却塔、一座加药间、一座3600m3事故水塔。一、三组组设备运行时通过调整出水门满足1#高炉用水。
18#泵站系冶炼区供水泵站，担负着3#高炉、4#高炉、空压站生产供水任务。一组泵运行2台，备用4台，通过控制出水阀门，满足干线压力在1.3-1.6MPa范围内。二组泵运行3台，备用2台，通过控制出水阀门，满足干线压力在0.75-0.85MPa。正常情况下，三组泵运行1台，备用2台，通过控制出水阀门，满足干线压力在0.7-0.85MPa。五组泵运行1台，备用3台，通过控制出水阀门，满足干线压力在0.3-0.5MPa。
2.节能措施应用
2.1叶轮切削，优化供水量
叶轮切削是指加工处理叶轮的直径来降低传输到系统流体当中的能量。叶轮切削对于过分保守的设计或者系统负荷发生了变化所导致的泵容量偏大的情况是个非常有用的改进措施。叶轮切削降低了叶轮的端速，并由此直接地降低了传递到系统流体介质上的能量，并且降低了泵所产生的流量和压力。
降低叶轮尺寸的主要好处是降低运行及维护保养成本。通过旁通管线和节流阀所浪费的能量以及通过系统噪音和振动所扩散的能量都会变得更少。
通过对5#泵站和18#泵站实际泵组的运行方式调研，发现由于用户对水量、水压的要求较设计初期发生了变化，造成生产现场出现控门供水，导致水泵出口压力过高现象。利用鱼骨图对造成水泵能耗高的原因进行分析后，确定供水量与用水量不匹配是导致水泵能耗高的主要因素。5#泵站一、二组、四组泵和18#泵站一、二、五组泵，由于供需水量不匹配连带压力不匹配。而针对这个要因，通过对水泵设备改造（即叶轮切削），来解决能耗高的问题。
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针对供给敞开式循环系统各运行泵组，有着不同的情形，5#泵站3组泵供1#高炉高压循环水，并联运行两台水泵，其扬程（204米）远高于实际运行压力（1.35MPa），自高炉投产以来一直以控制出水阀门来满足管道需求特性，造成大量能源浪费在阀门上，类似该情况的设备有5#泵站1、4组泵，18#泵站1、2组泵。在满足各泵组水系统双线并列外供、吸水井分格运行、电源分列运行的条件下，根据切削叶轮公式逐一计算，切削原则是：先通过现场需要压力和额定扬程计算切削叶轮的直径，然后再根据切削后的直径验证实际流量。根据计算选择了5#泵站301#、401#、104#、107#泵以及18#泵站105#、204#、205#、302#泵满足切削条件。
以5#泵站301#水泵切削实施方案为例：
1.计算叶轮直径对应的工况点：
直径545mm的叶轮：
工况点流量320L/s(1152m3/h)，扬程150m。高效区±10%对应流量1036.2~1267.2 m3/h
直径520mm的叶轮：
工况点流量300L/s(1080m3/h)，扬程150m。高效区±10%对应流量972~1188m3/h
直径510mm的叶轮：
工况点流量280L/s(1008m3/h)，扬程150m。高效区±10%对应流量907.2~1108m3/h
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2.在2#高炉停运后，由于用户供水量降低为1500m3/h左右，当转速一定时，泵的压力、流量均和叶轮直径有关。设离心泵原叶轮直径为D1、流量为Q1、扬程为H1，切削后的叶轮直径为D2、流量为Q2、扬程为H2，
则其相互关系为：
我们将计算的叶轮直径乘以安全系数，最终确定为520mm。
301#水泵叶轮切削前后，在保证供水量不变、满足用户需要的前提下，运行电流降低了14A，核算成电量，可节约53.5万kwh/年。301#泵组经过叶轮切削后，运行稳定，减少了因限门供水产生的憋压现象和对轴承、阀门等部件的磨损。运行效果良好，决定在其它泵组推行。
陆续对5#泵站101#泵、104#泵、107#泵、401#泵、301#泵和18#泵站105#泵、204#、205#、302#泵进行了叶轮切削的推广应用工作，叶轮切削后的泵组工况点保持在高效区运行，实现了供水量与需求量最佳匹配，使运行电流明显降低，节电效果较改造前节电13%；同时解决了泵组憋压运行现象，减少了泵组阀门、泵组配件的磨损，节能效果显著。具本节电效果见下表：
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2.2更换水泵永磁联轴器
给水二部18#泵站的155kw/1480rpm水泵，实际运行中，由于工艺上对扬程高于实际运行压力，只能通过关小阀门的方式进行节流，但此种运行方式，导致大量的能耗浪费在阀门挡板上；同时由于管网曲线改变，使得系统处于非经济运行区间，设备整体能耗偏高。而且，因现场设备未加任何调速装置，目前的马达直接启动，水泵全速运行，存在能耗严重、启动电流较大、检修维护工作量大及比较难启动等问题。以上这些问题的存在，使得有必要采用新的技术进行改造。
永磁偶合技术是透过气隙传递转矩的传动设备,电机与负载设备转轴之间无需机械连接,电机旋转时带动导体主动转子在装有强力稀土磁铁的磁盘从动转子所产生的强磁场中切割磁力线，因而在导磁盘中产生涡电流，该涡电流在导体主动转子上产生感应磁场，感应磁场和永磁场之间磁性的相互吸合和排斥拉动从动转子，从而实现了电机与负载之间的转矩传输。
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结构原理图
电机与主动转子连接在一起，转速不变。通过调节从动转子与主动转子之间的气隙（距离）的大小，可以调节从动转子所处位置的磁场大小，气隙越小，主动转子所处位置的磁场越强，其高速旋转所产生的感应磁场也越强，所产生的扭矩也越大，负载转速也越高。反之，气隙越大，主动转子所处位置的磁场越小，其高速旋转产生的感应磁场也越小，产生的扭矩也越小，负载转速也就越低。
永磁偶合器完全是通过调节两个非接触盘之间的距离，实现对负载的无级调速的纯机械产品。在实际控制中，永磁偶合器可调节主动转子与从动转子之间的距离，就可以对转速控制，以响应系统运行的要求。
501#泵更换为永磁联轴器后，试运行1个月，运行稳定，节能效果明显。在供给用户相同流量、压力情况下，501#泵运行电流较更换之前下降20A。501#泵通过永磁偶合器改造完毕后，连续稳定运行，整个系统的可靠性显著提高，减少设备的故障率、降低维护成本。通过降低电流测算全年节电量，预计单台泵组全年节电6万度。
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18#泵站，501#、504#泵组进行了永磁联轴器的更换。通过试运行检查，运行电流降低近20A，降低电耗效果良好。传动效率近100%，无温升，磁悬浮传动，隔振降噪。
3.效果总结
敞开式循环冷却水系统能耗的影响因素较多，节能设备的使用，降低能耗效果明显。同时，提高循环水的浓缩倍数同样可以减少水量的流失和延长管道的使用寿命。
叶轮切削工作实施后预计电流指标平均降低10%，系统运行电单耗降低5%，改造实施后实际电流指标平均降低13%。在研究叶轮切削工作的同时，优化了生产运行方式：供3#高炉的常压循环泵组由运行3台泵组减少至2台泵组，停运1台6KV 780Kw电机的泵组，全年节电近624万Kwh。最终循环水电单耗较前一年电单耗降低了0.0274Kwh/m3，循环水电单耗降低5.03%。
18#泵站501#、504#泵将联轴器更换为永磁耦合器后，泵组运行电流降低20A左右，单台泵组全年节电近6万Kwh。18#泵站701#泵更换为永磁电机，泵组运行电流降低20A，若全年运行可节电近96万Kwh；应用效果良好。
参考文献：
[1] 郭飞.循环冷却水处理技术[M].化学工业出版社,2014.
作者简介：
陈雨，动供总厂给水二部负责管理工作，多次参与各类科研项目的研究工作。
杨越，动供总厂给水二部专业技术人员，多次参与各类科研项目的研究工作。
赵建国，动供总厂给水二部技能大师，多次参与各类科研项目的研究工作。