高炉软水蒸发空冷器高效节能控制

严幼玲

(福建三钢闽光股份有限公司，三明 353000)

0 引 言

高炉闭式软水冷却系统因结垢少、腐蚀轻、冷却效果好，能显著改善冷却壁的工作条件，提高高炉使用寿命，在国内炼铁高炉应用广泛。高炉软水冷却系统主要由高炉冷却设备、软水冷却器、膨胀罐、水泵，加药系统等组成的密闭循环系统。

蒸发空冷器运行时工艺流体始终处于换热管内，能保证其品质不受污染，且具备换热量大，设备紧凑的特点，被用于软水系统冷却。

1 蒸发式空冷器运行

蒸发式空冷器是换热管置于喷淋水下，空气依靠上部风机从换热管下部的进风装置进入，流经换热管表面的喷淋水膜，最终从排入大气的换热设备，如图1所示。

图1 高炉蒸发空冷器示意图

运行时空气与管外水膜接触换热，带走水分，实现蒸发冷却，喷淋水与管内软水间壁换热，温度升高，带走热量，从而降低软水温度。

从蒸发式空冷器的传热过程来说，软水热量通过换热管内壁，经管壁导热至外壁，传热至喷淋水，然后主要通过蒸发吸热带入空气。

蒸发式空冷器高效运行需要适宜的空气流速、管束高度、喷淋水量、水温、空气状态以及良好的换热面。对于确定的设备，主要通过风机和水泵调整合适空气量、喷淋水量，保持管内、外壁清洁以保持蒸发冷却器的高效运行状态。

2 运行存在的问题

目前高炉蒸发空冷器控制的弊端主要体现在：

(1)不适宜的喷淋水量、风量或气水比会使得蒸发式空冷器在较低换热效率区间运行。

(2)根据软水出水温度手动控制风机，水泵来调节软水温度，水温波动性大，影响主设备冷却。

(3)喷淋系统为工业冷却水开式冷却，运行中管外壁易结垢，增加换热管热阻影响换热。

(4)软水品质不佳，长期运行导致管内壁结垢，影响换热。

3 影响参数分析

为了避免出现以上问题，保持蒸发式空冷器能够满足工艺温度调节的前提下提高运行效率，并尽可能延缓管壁结垢速度，首先要掌握影响运行效率的参数。

对于软水至喷淋水的过程，总传热系数K0可以表示为：

(1)

式中，hi软水与管内表面之间对流换热系数；ho管外喷淋水与管外表面之间的对流换热系数；ri、ro分别为管内、外壁上的污垢热阻；di、do分别为管内、外径；dm为传热对数平均直径；δ为管壁厚度；λ为管壁材料导热系数。

对软水与管内表面之间对流换热系数hi，一般盘管内软水流速较大，处于湍流状态，此时软水Nut：

(2)

其中，Prt可以根据盘管内软水平均温度查水的物性参数表，Ret可根据式(3)计算：

(3)

式中，d为管内径；Vt为管内软水流速；vt为软水平均温度下的运动粘度。

由此可知，管内壁液膜换热系数为：

(4)

其中，λt为软水平均温度下的导热系数。

对管外表面与喷淋水之间的对流换热系数ho有：

(5)

其中，tf为喷淋水液膜温度；Γ为流过单位宽度的流量。

对喷淋水与空气之间的传质系数KY有：

(6)

其中，Gmax为最小截面处湿空气的质量流速。

由上可知，当软水流速越快，软水与管内表面之间对流换热系数越大；管外喷淋水量越大，管外表面与喷淋水之间的对流换热系数越大；空气流量越大，喷淋水与空气之间的传质系数越大。然实际喷淋水与空气流量会相互影响，且水量、风量与泵、风机的耗能有关，因此存在最佳喷淋水量和空气量，其数值与结构参数有关。

4 工艺参数计算

软水经过冷却器的总换热量Qr：

Qr=c·m·Δt

(7)

其中，c为介质的比热容；m为介质的质量流量；Δt为却介质的进出口温差。

同时软水的总换热量也可以表示为：

Qr=KO·S·Δtm

(8)

其中，S为换热管表面积，Δtm为管内流体与管外流体的平均传热温差：

Δtm=ψΔtm,c

(9)

其中，Δtm,c为按逆流方式算得的对数平均温差；ψ为错流修正系数。

获取蒸发式空冷器软水进水温度、流量，当前空气温、湿度及风量，喷淋水进水温度、流量，以及管径等结构参数。估取蒸发式空冷器内、外管壁污垢热阻，根据式(1)至(9)计算蒸发式空冷器软水出口温度，喷淋水出口温度，单套设备软水的总换热量。

运行过程中对软水进、出口温度，喷淋水进、出口温度等进行监测，对设备换热系数进行逆向计算，以监测管壁污垢热阻变化情况。通常管内软水品质较喷淋水高，结垢速率较低，因此主要监测管外壁污垢热阻。

运行时获取污垢热阻随运行时间的变化曲线，当污垢热阻超过一定值，无法满足最大处理负荷时，控制系统可发出提示，以采取铜管清洗或其他方式，使蒸发冷却器具有符合需求的换热效果。

5 优化方案

(1)参考各个运行参数对换热系数的影响关系，确定单台设备最佳喷淋水量和空气量范围，并自动控制冷却器在此换热区间运行。

(2)系统运行跟随软水进口参数自动控制。先由蒸发式空冷器结构参数、入口软水参数、喷淋水参数、当前空气参数，计算单套蒸发冷却器换热负荷；

由入口软水温度、目标送水温度及软水循环水量计算总负荷，调整风机及水泵运行状态，稳定软水出水温度。

(3)根据软水总的热负荷，当前空气状态下单台蒸发冷却器最佳状态下换热量，确定投运蒸发冷却器台数。未投运设备则保持风机和冷却水关闭，以节约泵和风机的能耗，减少了换热管喷淋时间，减缓管壁结垢速率，与此同时严格控制循环水品质，水质控制指标推荐见表1。

表1 循环水指标推荐表

(4)对于换热管内壁，则需要严格控制软水品质，防止水中杂质沉积换热管内壁，影响换热，水质控制指标推荐见表2。

表2 软水指标推荐表

某高炉软水冷却系统有蒸发式空冷器共15套，每套配置风机3台，每台风机功率15 kW，喷淋水采用开式冷却塔集中冷却，由冷媒水泵集中供应喷淋水。设计循环软水处理量4 500 m3/h，回水温度50 ℃，冷却温度40 ℃。

运行人员根据总管的供、回水温度和冷却水温度，手动调节蒸发式空冷器风机运行台数和喷淋水泵频率。调整过程中所有蒸发式空冷器喷淋水常开，变频泵控制总的喷淋水量，每套风机开启或关闭。通常夏季有10～15套风机运行，其他季节2～6套运行。

此种运行方式下蒸发冷却器通常不处于高效运行区间，部分处于普通间壁换热。且由于所有换热器换热管长期处于喷淋状态，增加了换热管积垢速率，热阻增加，减小蒸发式空冷器的高效运行寿命。

运行时，软水循环水量在3 800～4 400 m3/h，回水温度通常在40～45 ℃，冷却温度在36～38 ℃。整体负荷与设计值存在偏差，且设备负荷与天气状况有关，需要经常调节。以软水循环水量4 300 m3/h，软水温度42 ℃，目标出口温度为37 ℃，以本文所述运行控制方式对系统进行完善，年电能消耗可减少约533 000 kW·h，换热管年结垢速率可减缓约38%。

6 结束语

(1)保持蒸发式空冷器高效换热，主要保证喷淋水与空气量，实际运行中要尽可能减缓换热管内、外壁结垢，其中换热管结垢主要体现在管外壁，因此要严格控制循环水品质，减少设备不必要喷淋水。

(2)本文所述蒸发式空冷器组控制方法可以更快速响应高炉软水负荷变化，减少人力投入，同时可以有效减少系统电耗及减缓换热管结垢速率。