冷却水循环利用及智能化控制改造

凌幸福，袁 敏，李威华，王 斌

（新余钢铁集团公司，江西新余 338001）

0 引言

检测中心“熔渣高温特性综合测试仪”炉体原冷却用水的现状是自来水由进水阀输入到高温炉体进水端，经由冷却水管与周围高温耐材进行热交换，热水经回水管路流到地下排水沟，自然进入生态环境，该冷却方式属于一次性直排，是实质上的长流水，结果是冷却水用量大，检测的成本高，水资源浪费严重，单位能耗远超定额。保护和节约水资源已成为当今世界各国共同关心的重大环境问题之一。我国钢铁行业是用水大户，合理、科学的用水不仅大幅降低生产成本，也是对人类赖以生存的有限的水资源的保护。

1 存在的问题

应集团公司发展的需要，中心于2016年8月完成了该检测项目的建设，由于当时时间紧及各方面条件所限，炉体冷却采用了临时的直排方式，与同行相比其冷却用水的成本、环保、能源消耗等等方面已不合时宜，这样的冷却方式存在3个问题。

（1）炉体冷却用水为直排式自来水，所以用水量大，用水费用高昂，检测的成本高。由于作业状态下炉膛温度上限可达到1300℃，为保障设备及人身安全必须对炉体进行不间断地冷却，所以这种实质上的长流水使生产用水的成本居高不下。

（2）浪费有限的水资源，不利于环境保护。我国是一个干旱缺水严重的国家，可利用的淡水资源量少且其分布极不均衡，日趋短缺和严重的水污染对我国正在实施的可持续发展战略带来了严重影响，因此，必须要保护好赖以生存的水资源。

（3）浪费能源，单位能耗远超定额，不利于节能降耗。我国水资源利用率不足50%，重复利用率约为20%，低效的利用率加剧了水资源的供需矛盾和严重浪费局面，跑、冒、滴、漏等浪费现象也十分严重，所以节约用水无疑对提高能源的效费比、节能降耗有益。

2 对原直排系统的改造及实施

2.1 改造方向

（1）将冷却水原直排方式改为闭路循环的方式。闭路循环方式对水重复利用，有着节水、节能、降耗、环保的颠覆性优势。

（2）建立起智能化控制管理模式，使改造后的循环系统更能保证用水安全。建立该系统的目的是使上水池实际的冷却水不因超过安全高水位而溢出和不因低于安全低水位而断供，保障炉体冷却用水的安全。

2.2 改造内容

（1）建立闭路循环水系统，将炉体热交换后的热水收集到集水池，由潜水泵自动泵水到上水池，凉水利用自身的势能进入炉体；建立补充水系统，保障总循环量。

（2）制作一套智能化“全自动/手动水位控制仪”。

（3）增加一套炉体供水失压报警断电装置。

2.3 闭路循环水系统设计与制作

（1）设计（图1）。工艺流程：利用上水池与炉体的高度差，上水池的凉水经阀门注入炉体的冷却管网入口端，热交换后的热水流入冷却塔，其出水汇入集水池，在受控状态下被泵至上水池，再从上水池注入炉体，循环往复，且炉体最高出水温度≤60℃。

图1 闭路循环水系统

补充水：循环水系统在运行的过程中由于在水池的蒸发及冷却塔的雾化、风冷、蒸发，总水量逐渐减少，水体浓缩（水的耗损率≤1.5%），在集水池旁安装补充水。

（2）制作。材料准备：1.5 kW单相潜水泵1台；DN15铝塑管35 m；角钢6 m；阀门5个；量程0.6 MPa电触点水压表1个；配套的镀锌管、弯头、接头和三通若干。水池部分：该测试仪底层地面之下有1闲置的容积>20 m3的混凝土结构水池，作为集水池使用；测试仪顶层之上也有1个闲置的钢结构水池，用作上水箱，2个水箱经维护后投入了使用。

管道部分：用铝塑管将上水箱底部出水口到炉体冷却水入口前端阀门连通；拆除自来水源到上水箱严重锈蚀的铁管，水泵到上水池以铝塑管连接；炉体出水直到集水池以铝塑管连接。补充水部分：自来水通过三通分成2路，一路通过阀门与炉体供水阀门并联作备用；另一路即三通到集水池装设铝塑管并定位。其他：上水池的底部安装排污清洗阀门，顶部安装探头及线路的支架，炉体进水阀门前安装电触点水压表，潜水泵固定在集水池。

图2 系统电路

表1 元器件参数

2.4 智能型“全自动/手动水位控制仪”设计与制作

（1）设计。系统构成及元器件参数见图2和表1。主控板：该部分包括直流电源、水位监测、电子开关、驱动、状态指示等部分。直流电源由控制变压器、桥式整流电路、滤波电路组成，控制变压器产生AC 12 V电压，经桥式整流滤波为主控板提供DC 12 V电压；水位监测部分由高、中、低3个水位探头、继电器常闭触头、分压电阻R4及R5组成，高水位探头位置为上水池最高安全水位，中水位探头位置为上水池最低安全水位，低水位探头接+12 V电源，通过水体与其他探头连接，达到控制水位的目的；电子开关由V1，R4，R5组成，R4为限流分压电阻，R5为分压电阻，V1饱和状态下，其集电极电流IC1=（UCC-UCE）/R1=（12-0.3）/10=1.17 mA，基极电流 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饱和导通，其集电极输出低电平，将V2的基极置低电平，12 V电源经R1和V1接公共地，R1限流分压，当水位低于低水位安全位置，R4不受电没有电流，R5没有电压，V1处于截止状态时，其集电极输出高电平，使V2处于饱和导通状态，水泵工作；驱动部分由V2，R1～R3，继电器J组成，V1截止时，12 V电源经R1，R2限流分压，忽略IBE影响时，UR2=UCC×R2/（R1+R2）=12×22/（22+10）=8.25 V，V2处于饱和工作状态，J吸合，其常开触点驱动接触器KM，D5为续流二极管，R3为保险电阻，R7，LED2为工作状态指示；状态指示包括工作电源指示、工作及停止状态指示，能清晰地显示主板上的功能块运行的状况。面板：面板包括自动和手动选择开关（船型）、工作和停止状态指示、手动启动和停止等功能。船型开关作控制方式选择；状态指示是显示水泵的工作状态；手动启动和停止是仪器自动状态失效时保证炉体用水安全的一个操作选择。其他部分：包括空气开关、接触器、接线排、接零及接地桩、保险和仪器箱。

（2）制作。材料准备：电子元件部分主要包括保险（1.5 A）、控制变压器（5 W）、船型开关、LED灯、二极管、直流电容、信号继电器J、各型电阻、三极管、控制电路板等（图2）；电气部分包括潜水泵、空气开关、接触器、启动和停止按钮、声光报警器、线排、零线和地线桩子等；探头材料包括塑料管、电极引线、电极头、密封环节等；其他主要包括仪器箱、塑料板、面板及功能贴纸、导线等。主控板制作：根据元器件情况制作好印刷电路板，开好安装孔并烫好锡，根据原理图将这些元件焊接到电路板上，做好各引线桩并连接好控制变压器。前面板制作：开安装孔、贴功能纸、安装船型开关、指示灯、手动启停按钮。探头制作：导线的入水部分做绝缘防水保护套，涂膜钛丝电极与导线紧固连接，通过塑料紧固件与保护套形成整体，防止电化腐蚀。后面板电气安装：先固定好板子，再将空气开关、接触器、接线排、接零接地端子、保险、控制变压器等按加工孔安装到可拆卸的后面板上。整体组装：固定好前面板、主控板，连接好主控板、前面板、后背板之间及各电气之间的连接线，安装好增设的报警系统，装设控制仪到探头及水泵的线路，整体效果如图3所示。

图3 整体效果

3 系统运行调试

3.1 闭路循环水系统调试

（1）水池、管路、接头、阀门、补充水部分流通及漏水情况。将船型开关选在手动位置，打开补充水阀门将集水池水注满，启动水泵往上水池泵水；将船型开关置自动位子，打开炉体进水阀门，水经由炉体最终流到集水池，观察水池、阀门、管路、接头等等是否有漏水情况，所有问题现场解决；观察上水池水位，是否保持在两探头之间。

（2）炉体进出水温度情况（表2，2017年 10月 9日）。h1和t1，t2是开炉前时间和炉体进出水温度，后面是每隔1 h的瞬时温度值。从表2试验数据可知，到11：00后冷却水温升变化很小，最高值也在设计范围内，系统运行正常。

表2 炉体进出水温度情况

3.2 控制系统调试

（1）主控板智能化控制功能。检查3个探头位置，给控制仪加电，将船型开关置于自动位置，观察主控板及面板的电源及工作指示灯有否点亮，若工作指示灯未点亮，说明V1导通、V2截止，接触器未启动，水泵停止，说明水位在安全区域；打开炉体进水阀门，等压力稳定后对炉体通电作业；若工作指示灯已点亮说明水位不在安全区域，此时V2导通，水泵往上水箱泵水，说明水位处受控状态。

（2）手动应急功能。将船型开关置于手动位置，按下启动按钮，观察接触器及水泵的工作状态；按下停止按钮，观察其工作状态。

（3）探头对水位的控制。图2中的最低位探头为DC 12 V电源，改变高、低位探头的高度，观察水泵启停状况及探头与水位的关系。

4 经济效益情况

（1）直排水系统改为闭路循环水系统的改造成本低。改造需要补加的材料：见闭路系统设计“材料准备”，实际制作该系统时由于集水池容量大，因此减除了冷却塔，从实际热交换效果来看正常，因此系统改造的成本低。

（2）“全自动/手动水位控制仪”的制作成本低。仪器箱取之于废弃设备上的仪器外壳，重新修饰。主控板自行设计、自购元器件组装。元器件与其他设备通用，制作及维修成本低。

（3）“全自动/手动水位控制仪”运行成本低。主控电路板属于小功率电路板；电气部分工作时消耗的功率也很小；智能化管理减少了人工管理成本。

（4）其他。水泵：自身功率小且间歇性地工作，耗电量小。补充水用量：由于蒸发量小，相比总水量补充水用量≤1.5%，补水少。

（5）节水效益测算。直接经济效益：炉体进水量实测大约2 t/h，一个保护渣样检测时间段为早7：30到下午2：30，即7 h，则一个样的用水量为2×7=14 t，水费按1.8元人民币/t计算，则单样日耗水费Y=14×1.8=25.2元人民币，年耗水量Q=14×365=5110 t，年耗水费为 Y×365=25.2×365=9198 元人民币。

5 推广应用

（1）目前试用情况。从这段时间的试用情况来看，闭路循环及水位智能化控制系统运行十分稳定，操作极其方便。

（2）推广应用计划。基于第一套系统试用中积累的经验，后续将把这种改造的方法、经验和产品推广应用到中心及中心以外的各种直排水系统，对那些老系统和设计有缺陷的直排系统进行经济性改造并实施人工智能管理，既能解决那些老系统和设计有缺陷的直排系统的升级换代的问题，又能缩减大量的成本，这对节能降耗及环境保护非常有益。

6 结束语

（1）通过调试和应用，该闭路循环系统达到了节水、节能降耗的目的，且保护了有限的水资源。

（2）该智能型控制系统灵敏度及自动化程度高，制作成本低，系统独立，便于推广应用。

（3）关于冷却塔。炉体冷却水量约为2 t/h，集水池容积为20多立方米，还有上水池，从结果来看不用冷却塔炉体出水温度也在设计范围内，故本次不装冷却塔，这些数据也给以后的改造提供了宝贵的经验。

（4）闭路循环系统并非完美无缺，例如滋生菌藻、热交换部位结垢，使用中注意对策。