冷卻水循環(huán)利用及智能化控制改造

凌幸福，袁 敏，李威華，王 斌

（新余鋼鐵集團(tuán)公司，江西新余 338001）

0 引言

檢測(cè)中心“熔渣高溫特性綜合測(cè)試儀”爐體原冷卻用水的現(xiàn)狀是自來(lái)水由進(jìn)水閥輸入到高溫爐體進(jìn)水端，經(jīng)由冷卻水管與周?chē)邷啬筒倪M(jìn)行熱交換，熱水經(jīng)回水管路流到地下排水溝，自然進(jìn)入生態(tài)環(huán)境，該冷卻方式屬于一次性直排，是實(shí)質(zhì)上的長(zhǎng)流水，結(jié)果是冷卻水用量大，檢測(cè)的成本高，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重，單位能耗遠(yuǎn)超定額。保護(hù)和節(jié)約水資源已成為當(dāng)今世界各國(guó)共同關(guān)心的重大環(huán)境問(wèn)題之一。我國(guó)鋼鐵行業(yè)是用水大戶，合理、科學(xué)的用水不僅大幅降低生產(chǎn)成本，也是對(duì)人類(lèi)賴以生存的有限的水資源的保護(hù)。

1 存在的問(wèn)題

應(yīng)集團(tuán)公司發(fā)展的需要，中心于2016年8月完成了該檢測(cè)項(xiàng)目的建設(shè)，由于當(dāng)時(shí)時(shí)間緊及各方面條件所限，爐體冷卻采用了臨時(shí)的直排方式，與同行相比其冷卻用水的成本、環(huán)保、能源消耗等等方面已不合時(shí)宜，這樣的冷卻方式存在3個(gè)問(wèn)題。

（1）爐體冷卻用水為直排式自來(lái)水，所以用水量大，用水費(fèi)用高昂，檢測(cè)的成本高。由于作業(yè)狀態(tài)下?tīng)t膛溫度上限可達(dá)到1300℃，為保障設(shè)備及人身安全必須對(duì)爐體進(jìn)行不間斷地冷卻，所以這種實(shí)質(zhì)上的長(zhǎng)流水使生產(chǎn)用水的成本居高不下。

（2）浪費(fèi)有限的水資源，不利于環(huán)境保護(hù)。我國(guó)是一個(gè)干旱缺水嚴(yán)重的國(guó)家，可利用的淡水資源量少且其分布極不均衡，日趨短缺和嚴(yán)重的水污染對(duì)我國(guó)正在實(shí)施的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略帶來(lái)了嚴(yán)重影響，因此，必須要保護(hù)好賴以生存的水資源。

（3）浪費(fèi)能源，單位能耗遠(yuǎn)超定額，不利于節(jié)能降耗。我國(guó)水資源利用率不足50%，重復(fù)利用率約為20%，低效的利用率加劇了水資源的供需矛盾和嚴(yán)重浪費(fèi)局面，跑、冒、滴、漏等浪費(fèi)現(xiàn)象也十分嚴(yán)重，所以節(jié)約用水無(wú)疑對(duì)提高能源的效費(fèi)比、節(jié)能降耗有益。

2 對(duì)原直排系統(tǒng)的改造及實(shí)施

2.1 改造方向

（1）將冷卻水原直排方式改為閉路循環(huán)的方式。閉路循環(huán)方式對(duì)水重復(fù)利用，有著節(jié)水、節(jié)能、降耗、環(huán)保的顛覆性優(yōu)勢(shì)。

（2）建立起智能化控制管理模式，使改造后的循環(huán)系統(tǒng)更能保證用水安全。建立該系統(tǒng)的目的是使上水池實(shí)際的冷卻水不因超過(guò)安全高水位而溢出和不因低于安全低水位而斷供，保障爐體冷卻用水的安全。

2.2 改造內(nèi)容

（1）建立閉路循環(huán)水系統(tǒng)，將爐體熱交換后的熱水收集到集水池，由潛水泵自動(dòng)泵水到上水池，涼水利用自身的勢(shì)能進(jìn)入爐體；建立補(bǔ)充水系統(tǒng)，保障總循環(huán)量。

（2）制作一套智能化“全自動(dòng)/手動(dòng)水位控制儀”。

（3）增加一套爐體供水失壓報(bào)警斷電裝置。

2.3 閉路循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作

（1）設(shè)計(jì)（圖1）。工藝流程：利用上水池與爐體的高度差，上水池的涼水經(jīng)閥門(mén)注入爐體的冷卻管網(wǎng)入口端，熱交換后的熱水流入冷卻塔，其出水匯入集水池，在受控狀態(tài)下被泵至上水池，再?gòu)纳纤刈⑷霠t體，循環(huán)往復(fù)，且爐體最高出水溫度≤60℃。

圖1 閉路循環(huán)水系統(tǒng)

補(bǔ)充水：循環(huán)水系統(tǒng)在運(yùn)行的過(guò)程中由于在水池的蒸發(fā)及冷卻塔的霧化、風(fēng)冷、蒸發(fā)，總水量逐漸減少，水體濃縮（水的耗損率≤1.5%），在集水池旁安裝補(bǔ)充水。

（2）制作。材料準(zhǔn)備：1.5 kW單相潛水泵1臺(tái)；DN15鋁塑管35 m；角鋼6 m；閥門(mén)5個(gè)；量程0.6 MPa電觸點(diǎn)水壓表1個(gè)；配套的鍍鋅管、彎頭、接頭和三通若干。水池部分：該測(cè)試儀底層地面之下有1閑置的容積>20 m3的混凝土結(jié)構(gòu)水池，作為集水池使用；測(cè)試儀頂層之上也有1個(gè)閑置的鋼結(jié)構(gòu)水池，用作上水箱，2個(gè)水箱經(jīng)維護(hù)后投入了使用。

管道部分：用鋁塑管將上水箱底部出水口到爐體冷卻水入口前端閥門(mén)連通；拆除自來(lái)水源到上水箱嚴(yán)重銹蝕的鐵管，水泵到上水池以鋁塑管連接；爐體出水直到集水池以鋁塑管連接。補(bǔ)充水部分：自來(lái)水通過(guò)三通分成2路，一路通過(guò)閥門(mén)與爐體供水閥門(mén)并聯(lián)作備用；另一路即三通到集水池裝設(shè)鋁塑管并定位。其他：上水池的底部安裝排污清洗閥門(mén)，頂部安裝探頭及線路的支架，爐體進(jìn)水閥門(mén)前安裝電觸點(diǎn)水壓表，潛水泵固定在集水池。

圖2 系統(tǒng)電路

表1 元器件參數(shù)

2.4 智能型“全自動(dòng)/手動(dòng)水位控制儀”設(shè)計(jì)與制作

（1）設(shè)計(jì)。系統(tǒng)構(gòu)成及元器件參數(shù)見(jiàn)圖2和表1。主控板：該部分包括直流電源、水位監(jiān)測(cè)、電子開(kāi)關(guān)、驅(qū)動(dòng)、狀態(tài)指示等部分。直流電源由控制變壓器、橋式整流電路、濾波電路組成，控制變壓器產(chǎn)生AC 12 V電壓，經(jīng)橋式整流濾波為主控板提供DC 12 V電壓；水位監(jiān)測(cè)部分由高、中、低3個(gè)水位探頭、繼電器常閉觸頭、分壓電阻R4及R5組成，高水位探頭位置為上水池最高安全水位，中水位探頭位置為上水池最低安全水位，低水位探頭接+12 V電源，通過(guò)水體與其他探頭連接，達(dá)到控制水位的目的；電子開(kāi)關(guān)由V1，R4，R5組成，R4為限流分壓電阻，R5為分壓電阻，V1飽和狀態(tài)下，其集電極電流IC1=（UCC-UCE）/R1=（12-0.3）/10=1.17 mA，基極電流 IBE=IC/β=1.17/64=18.28 μA，β 取最小值64，UR5=UCC×R5/（R4+R5）=12×22/（22+5.6）=9.57 V，UR5使V1飽和導(dǎo)通，其集電極輸出低電平，將V2的基極置低電平，12 V電源經(jīng)R1和V1接公共地，R1限流分壓，當(dāng)水位低于低水位安全位置，R4不受電沒(méi)有電流，R5沒(méi)有電壓，V1處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，其集電極輸出高電平，使V2處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，水泵工作；驅(qū)動(dòng)部分由V2，R1～R3，繼電器J組成，V1截止時(shí)，12 V電源經(jīng)R1，R2限流分壓，忽略IBE影響時(shí)，UR2=UCC×R2/（R1+R2）=12×22/（22+10）=8.25 V，V2處于飽和工作狀態(tài)，J吸合，其常開(kāi)觸點(diǎn)驅(qū)動(dòng)接觸器KM，D5為續(xù)流二極管，R3為保險(xiǎn)電阻，R7，LED2為工作狀態(tài)指示；狀態(tài)指示包括工作電源指示、工作及停止?fàn)顟B(tài)指示，能清晰地顯示主板上的功能塊運(yùn)行的狀況。面板：面板包括自動(dòng)和手動(dòng)選擇開(kāi)關(guān)（船型）、工作和停止?fàn)顟B(tài)指示、手動(dòng)啟動(dòng)和停止等功能。船型開(kāi)關(guān)作控制方式選擇；狀態(tài)指示是顯示水泵的工作狀態(tài)；手動(dòng)啟動(dòng)和停止是儀器自動(dòng)狀態(tài)失效時(shí)保證爐體用水安全的一個(gè)操作選擇。其他部分：包括空氣開(kāi)關(guān)、接觸器、接線排、接零及接地樁、保險(xiǎn)和儀器箱。

（2）制作。材料準(zhǔn)備：電子元件部分主要包括保險(xiǎn)（1.5 A）、控制變壓器（5 W）、船型開(kāi)關(guān)、LED燈、二極管、直流電容、信號(hào)繼電器J、各型電阻、三極管、控制電路板等（圖2）；電氣部分包括潛水泵、空氣開(kāi)關(guān)、接觸器、啟動(dòng)和停止按鈕、聲光報(bào)警器、線排、零線和地線樁子等；探頭材料包括塑料管、電極引線、電極頭、密封環(huán)節(jié)等；其他主要包括儀器箱、塑料板、面板及功能貼紙、導(dǎo)線等。主控板制作：根據(jù)元器件情況制作好印刷電路板，開(kāi)好安裝孔并燙好錫，根據(jù)原理圖將這些元件焊接到電路板上，做好各引線樁并連接好控制變壓器。前面板制作：開(kāi)安裝孔、貼功能紙、安裝船型開(kāi)關(guān)、指示燈、手動(dòng)啟停按鈕。探頭制作：導(dǎo)線的入水部分做絕緣防水保護(hù)套，涂膜鈦絲電極與導(dǎo)線緊固連接，通過(guò)塑料緊固件與保護(hù)套形成整體，防止電化腐蝕。后面板電氣安裝：先固定好板子，再將空氣開(kāi)關(guān)、接觸器、接線排、接零接地端子、保險(xiǎn)、控制變壓器等按加工孔安裝到可拆卸的后面板上。整體組裝：固定好前面板、主控板，連接好主控板、前面板、后背板之間及各電氣之間的連接線，安裝好增設(shè)的報(bào)警系統(tǒng)，裝設(shè)控制儀到探頭及水泵的線路，整體效果如圖3所示。

圖3 整體效果

3 系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試

3.1 閉路循環(huán)水系統(tǒng)調(diào)試

（1）水池、管路、接頭、閥門(mén)、補(bǔ)充水部分流通及漏水情況。將船型開(kāi)關(guān)選在手動(dòng)位置，打開(kāi)補(bǔ)充水閥門(mén)將集水池水注滿，啟動(dòng)水泵往上水池泵水；將船型開(kāi)關(guān)置自動(dòng)位子，打開(kāi)爐體進(jìn)水閥門(mén)，水經(jīng)由爐體最終流到集水池，觀察水池、閥門(mén)、管路、接頭等等是否有漏水情況，所有問(wèn)題現(xiàn)場(chǎng)解決；觀察上水池水位，是否保持在兩探頭之間。

（2）爐體進(jìn)出水溫度情況（表2，2017年 10月 9日）。h1和t1，t2是開(kāi)爐前時(shí)間和爐體進(jìn)出水溫度，后面是每隔1 h的瞬時(shí)溫度值。從表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，到11：00后冷卻水溫升變化很小，最高值也在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，系統(tǒng)運(yùn)行正常。

表2 爐體進(jìn)出水溫度情況

3.2 控制系統(tǒng)調(diào)試

（1）主控板智能化控制功能。檢查3個(gè)探頭位置，給控制儀加電，將船型開(kāi)關(guān)置于自動(dòng)位置，觀察主控板及面板的電源及工作指示燈有否點(diǎn)亮，若工作指示燈未點(diǎn)亮，說(shuō)明V1導(dǎo)通、V2截止，接觸器未啟動(dòng)，水泵停止，說(shuō)明水位在安全區(qū)域；打開(kāi)爐體進(jìn)水閥門(mén)，等壓力穩(wěn)定后對(duì)爐體通電作業(yè)；若工作指示燈已點(diǎn)亮說(shuō)明水位不在安全區(qū)域，此時(shí)V2導(dǎo)通，水泵往上水箱泵水，說(shuō)明水位處受控狀態(tài)。

（2）手動(dòng)應(yīng)急功能。將船型開(kāi)關(guān)置于手動(dòng)位置，按下啟動(dòng)按鈕，觀察接觸器及水泵的工作狀態(tài)；按下停止按鈕，觀察其工作狀態(tài)。

（3）探頭對(duì)水位的控制。圖2中的最低位探頭為DC 12 V電源，改變高、低位探頭的高度，觀察水泵啟停狀況及探頭與水位的關(guān)系。

4 經(jīng)濟(jì)效益情況

（1）直排水系統(tǒng)改為閉路循環(huán)水系統(tǒng)的改造成本低。改造需要補(bǔ)加的材料：見(jiàn)閉路系統(tǒng)設(shè)計(jì)“材料準(zhǔn)備”，實(shí)際制作該系統(tǒng)時(shí)由于集水池容量大，因此減除了冷卻塔，從實(shí)際熱交換效果來(lái)看正常，因此系統(tǒng)改造的成本低。

（2）“全自動(dòng)/手動(dòng)水位控制儀”的制作成本低。儀器箱取之于廢棄設(shè)備上的儀器外殼，重新修飾。主控板自行設(shè)計(jì)、自購(gòu)元器件組裝。元器件與其他設(shè)備通用，制作及維修成本低。

（3）“全自動(dòng)/手動(dòng)水位控制儀”運(yùn)行成本低。主控電路板屬于小功率電路板；電氣部分工作時(shí)消耗的功率也很小；智能化管理減少了人工管理成本。

（4）其他。水泵：自身功率小且間歇性地工作，耗電量小。補(bǔ)充水用量：由于蒸發(fā)量小，相比總水量補(bǔ)充水用量≤1.5%，補(bǔ)水少。

（5）節(jié)水效益測(cè)算。直接經(jīng)濟(jì)效益：爐體進(jìn)水量實(shí)測(cè)大約2 t/h，一個(gè)保護(hù)渣樣檢測(cè)時(shí)間段為早7：30到下午2：30，即7 h，則一個(gè)樣的用水量為2×7=14 t，水費(fèi)按1.8元人民幣/t計(jì)算，則單樣日耗水費(fèi)Y=14×1.8=25.2元人民幣，年耗水量Q=14×365=5110 t，年耗水費(fèi)為 Y×365=25.2×365=9198 元人民幣。

5 推廣應(yīng)用

（1）目前試用情況。從這段時(shí)間的試用情況來(lái)看，閉路循環(huán)及水位智能化控制系統(tǒng)運(yùn)行十分穩(wěn)定，操作極其方便。

（2）推廣應(yīng)用計(jì)劃。基于第一套系統(tǒng)試用中積累的經(jīng)驗(yàn)，后續(xù)將把這種改造的方法、經(jīng)驗(yàn)和產(chǎn)品推廣應(yīng)用到中心及中心以外的各種直排水系統(tǒng)，對(duì)那些老系統(tǒng)和設(shè)計(jì)有缺陷的直排系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性改造并實(shí)施人工智能管理，既能解決那些老系統(tǒng)和設(shè)計(jì)有缺陷的直排系統(tǒng)的升級(jí)換代的問(wèn)題，又能縮減大量的成本，這對(duì)節(jié)能降耗及環(huán)境保護(hù)非常有益。

6 結(jié)束語(yǔ)

（1）通過(guò)調(diào)試和應(yīng)用，該閉路循環(huán)系統(tǒng)達(dá)到了節(jié)水、節(jié)能降耗的目的，且保護(hù)了有限的水資源。

（2）該智能型控制系統(tǒng)靈敏度及自動(dòng)化程度高，制作成本低，系統(tǒng)獨(dú)立，便于推廣應(yīng)用。

（3）關(guān)于冷卻塔。爐體冷卻水量約為2 t/h，集水池容積為20多立方米，還有上水池，從結(jié)果來(lái)看不用冷卻塔爐體出水溫度也在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，故本次不裝冷卻塔，這些數(shù)據(jù)也給以后的改造提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

（4）閉路循環(huán)系統(tǒng)并非完美無(wú)缺，例如滋生菌藻、熱交換部位結(jié)垢，使用中注意對(duì)策。