摘要 纯水(或软水)密闭式循环冷却水系统常用于钢铁企业中关键设备的间接冷却。本文结合某大型钢铁企业炼钢连铸单元的纯水循环水系统项目，对密闭式工业循环冷却水系统的一些设计要点，如管路系统的设计、膨胀水箱的设置、循环水泵的选型及水泵进出口管路设计等做了初步的分析和探讨，可作为相似工程的参考。
关键词 密闭式循环冷却水系统 管路 膨胀水箱
1.概述
纯水(或软水)密闭式循环冷却水系统常用于钢铁企业中关键设备的间接冷却。密闭式循环水系统内循环水基本与外界隔绝，以确保水质以及系统的正常运行。
密闭式循环水系统常规流程为：水处理站循环供水泵出水→过滤器→工艺设备→换热器(或蒸发空冷器)→至水处理站循环供水泵进水，统设有膨胀水箱或膨胀罐。
本文结合某大型钢铁企业炼钢连铸单元的纯水循环水系统项目，对密闭式工业循环冷却水系统的一些设计要点，如管路系统的设计、膨胀水箱的设置、循环水泵的选型及水泵进出口管路设计等做了初步的分析和探讨，可作为相似工程的参考。
关于密闭式工业循环冷却水系统的过滤、热交换等水处理流程等问题，不在本文讨论范围之内。
2.项目概况
某大型钢铁联合企业炼钢连铸单元设有氧枪纯水密闭循环冷却水系统，循环水量945m3/h；炼钢机械设备纯水密闭循环冷却水系统，循环水量710m3/h；连铸结晶器纯水密闭循环冷却水系统，循环水量861.5m3/h。所有工艺设备的纯水循环冷却回水从工艺主车间回水至车间外炼钢连铸净循环水处理站，经板式换热器换热冷却后，由循环水泵加压，送水至工艺主车间。共3套循环水系统，6根循环给水和回水管道，循环水管径均为DN500。
氧枪纯水密闭循环冷却水系统、炼钢机械设备纯水密闭循环冷却水系统均设有高位安全水箱兼做膨胀水箱用，连铸结晶器纯水密闭循环冷却水系统设密闭式膨胀罐，另设独立的安全水箱。氧枪纯水密闭循环冷却水系统、炼钢机械设备纯水密闭循环冷却水系统设专用补水泵，补水泵与水箱液位连锁控制，高液位关泵，低液位开泵。连铸结晶器纯水密闭循环冷却水系统由密闭式膨胀罐的补水泵补水。
3.设计要点分析
3.1管路系统的设计要点及工程实例分析
管路系统的设计要点包括水力平衡设计、管道设置方式、管材的选用以及管路系统的排气等。
3.1.1水力平衡设计
一般情况下，一套密闭式工业循环冷却水系统的用户不可能是单一的，氧枪纯水密闭循环冷却水系统包括转炉氧枪、转炉副枪、RH机械设备等用户；炼钢机械设备纯水密闭循环冷却水系统包括转炉炉口、炉帽、托圈、LF炉盖、LF导电横臂等用户；连铸结晶器纯水密闭循环冷却水系统用户为连铸结晶器。
各用户之间的水力平衡是非常重要的，包括管网的水力计算、循环水泵流量、扬程等基本参数的确定以及流量、压力的调节措施等。关于管路系统水力平衡设计部分可见由作者另外撰写的《钢铁企业工业循环冷却水系统水力平衡设计》(《给水排水》2008年第3期)一文的相关内容，本文不做另外的叙述。
3.1.2管道设置方式
管网漏失水量在所难免，但管道漏水对于密闭式管路系统的影响很大，循环水干管上少许的漏水就会引整个起管网压力的巨大波动。这是因为密闭式管路系统循环水泵提供的压力仅为克服管路系统的水头损失，密闭式管路系统本身须提供基准压力。如果循环水主干管道有漏水点，该处与大气相通，就起到了泄压的作用，将会直接使管网压力大幅度下跌。
本项目连铸结晶器密闭式工业循环冷却水系统，埋地敷设的密闭式回水管路主干管上发生了多点漏水，漏水量约为4~5m3/h，不开启膨胀水箱补水泵，仅过3~4min循环回水压力由正常的0.6MPa下跌为0.2MPa，循环供水压力由正常的1.5MPa下跌为1.1MPa。
由此可见，密闭式循环水系统管道设置应贯彻便于维护和检修为原则，管道的设置方式应尽可能架空设计，如架空确有困难，按照管廊、管沟、埋地的次序执行设计。
在工艺主车间内，厂房柱网密布，设置架空管线较为便宜，管道架空敷设应为首先方式；如果有工艺设备阻挡，使架空管道无法通过，则采用管沟或管廊方式。在循环水处理站，管道可以架空敷设，也可以埋地设置或采用管沟方式。在循环水处理站与主车间之间的区域，如果管道数量较少，管道可以平面展开布置，则管道埋地敷设；如果管道数量较多，按单层展开平面布置占地面积太大无法布置，则应采用管廊方式。
本项目中，循环水处理站的管道采用架空、埋地、管沟相结合的方式；循环水处理站与主车间之间的区域，6根DN500的纯水循环水管道如按平面展开敷设，需要约6m净空，且另有其它水管道，因此，循环水管道设置在地下管廊内，多层敷设；炼钢车间内的管道为架空敷设方式。
3.1.3管材选用
目前在工业系统的大型密闭式循环冷却水系统中，焊接钢管仍是最常用的管材。热滚塑钢管、碳钢不锈钢复合管、钢骨架塑料复合管因其优异的耐腐蚀性能，在密闭式循环冷却水系统中也得到了推广和应用。
热滚塑钢管须用法兰连接，碳钢不锈钢复合管采用焊接连接。钢骨架塑料复合管，DN250口径以下最大工作压力通常在1.6Mpa，超过DN250口径最大工作压力在1.0Mpa，长期工作温度应在50℃以下，该管道为热熔连接。
密闭式循环冷却水系统管材的选用应根据具体的使用环境和使用条件确定，具体如下：
①焊接钢管，在循环水系统投入使用前须进行管道的清洗和预膜处理，为保持循环水水质稳定，系统另须投加缓蚀剂和阻垢剂等；该管道可适用于架空、管廊、管沟、埋地等各种敷设方式；
②热滚塑钢管，可适用于架空、管廊、管沟的敷设方式；对于埋地的工况，由于热滚塑钢管为法兰连接，管道沉降容易引起连接口处错位，引发密封圈和垫片的问题，从而导致漏水；因此，建议热滚塑钢管一般不埋地敷设，如果要埋地，地基必须有一定的要求；
③碳钢不锈钢复合管，可适用于架空、管廊、管沟、埋地等各种敷设方式；
④钢骨架塑料复合管，可适用于架空、管廊、管沟、埋地等各种敷设方式；但对于工艺主车间而言，因环境温度较高，一般不做使用；另外，密闭式工业循环冷却水系统的管道管径大、循环供水管工作压力高，钢骨架塑料复合管的使用也受很大的限制。
本项目中，各纯水密闭循环水系统的管道均采用了热滚塑钢管。
3.1.4管路系统的排气
密闭式工业循环水管网中的积气在所难免，主要来源于以下两个方面：①管网系统充水时所残留的空气；②管道局部流速过高，导致水中空气析出。
密闭式工业循环水管网的管路十分复杂，管道须要避让工艺设备、水处理设备、其它管线以及土建的平台、柱子、基础等，因此管道的上下翻越是普遍的现象。管路本身又是密闭式的，管网中产生积气后，往往难于迅速排除，就会造成局部气阻或气蚀，对正常的管道水流工况(包括流量和压力)产生影响，甚至会出现管道振动的现象。
因此，对于密闭式工业循环冷却水系统而言，管路系统的排气问题，必须在设计时加以注意。
1).主工艺车间架空管道的排气
密闭式管路系统上的安全膨胀水箱可以起到一定的排气作用，但更多的排气是依靠设置自动排气阀。
在确定主工艺车间排气阀的安装位置时要注意以下几点。
①排气阀要设置在管路系统上翻容易积气处；
②排气阀要尽量设置在管路系统中最高处；
③排气阀要尽量靠近车间边缘设置，因为排气阀在排气的同时往往会带有少量的水喷出，应尽量减小水排气阀水喷出对生产的影响；
④排气阀设置的位置要便于检修，如在地面或平台上检修人员无法靠近排气阀，应增设检修平台。
2).循环水处理站管道的排气
循环水处理站密闭式管道的排气相对方便，即使不设置专门的排气阀，利用水处理站循环水泵壳顶部的旋塞，也可起到排气的作用。这种排气方式也同时伴随着排水，需要运行或点检人员专门的操作。
如需设置排气阀，可在纯水循环回水管接换热器或蒸发空冷器处设置，该处一般为水处理站管网的最高处。
3).排气阀口径大小的确定
排气阀口径的大小取决与安装位置所处的循环水管道的管径，在确定排气阀口径大小时，可参照下表执行[2]。
管道公称直径DN
排气阀公称口径DN
<150
200~350
400~500
600~700
800~900
1000
50
80
100
100
150
150
3.2膨胀水箱的设置问题
密闭式工业循环冷却水系统必须设置膨胀水箱。膨胀水箱有三个用途，一是收容和补偿系统中水的胀缩量；二是向密闭式循环水系统提供稳定的压力，起到系统稳压的作用；三是作为系统补水泵的指示，通常由膨胀水箱发出信号启动或关闭系统补水泵。
3.2.1膨胀水箱有效容积的计算
膨胀水箱有效容积可均采用下面的公式确定[1]：
Vp=ɑ·Δt·Vs(m3)，其中Vp为膨胀水箱有效容积(m3)，ɑ为水的体积膨胀系数，约为 0.0006(1/℃)，Δt为最大的水温变化值(℃)，Vs为系统内的水容量，即系统中管道和设备内存水量的总和。
密闭式工业循环冷却水系统一般供回水水温变化值不超过15℃，以本项目为例，氧枪纯水密闭循环冷却水系统、炼钢机械设备纯水密闭循环冷却水系统的供回水温差为15℃，连铸结晶器纯水密闭循环冷却水系统供回水温差为10℃。
在实际确定膨胀水箱的有效容积时，还须用系统补水量对上述计算值进行校核。密闭式系统的补水量主要时考虑管网系统水量的漏损，一般工业企业如宝钢，密闭式系统设计小时补水量为系统内的水容量的0.5%。为避免水泵启动过于频繁造成设备损坏，从而影响生产，工业企业一般要求膨胀水箱的有效容积应能保证补水泵启动的次数在1~2次/h。
3.2.2膨胀水箱形式的确定
密闭式工业循环冷却水系统常用的膨胀水箱有两种。第一种，是借助工业系统的安全水塔或安全水箱兼做膨胀水箱用；工业系统安全水塔或安全水箱小则几十立方米，大则几百立方米，安全水塔或水箱均设置于距离地面几十米的地方，无论是从膨胀水箱的容积还是从稳定压力的可靠性而言，都是首选的方法。第二种，设置专门的闭式膨胀水箱；工业企业一般不采用一次充气式的膨胀水箱，而是采用外接可靠气源(如氮气等)的水箱；从生产安全和维护方便的角度出发，闭式膨胀水箱一般设置于车间地坪上或是水处理站。附图1是典型的密闭式工业循环冷却水流程图，供参考。
3.2.3工程实例分析
现从工程实际角度对膨胀水箱设置的问题进行分析。
本项目的氧枪纯水密闭循环冷却水系统、炼钢机械设备纯水密闭循环冷却水系统在主车间的50m平台和40m平台上均设有高位安全水箱，容积均为75m3，因此采用了在循环冷却水回水管上直接接膨胀管与高位安全水箱接通，以高位安全水箱兼做膨胀水箱。连铸结晶器纯水密闭循环冷却水系统虽也有安全水箱，但其设置在了别的车间，接膨胀管至该水箱不便，因此在循环水处理站设密闭式膨胀水箱。
氧枪纯水密闭循环冷却水系统、炼钢机械设备纯水密闭循环冷却水系统的膨胀兼高位安全水箱因容积较大，不再对其有效容积做校核计算。现对连铸结晶器纯水密闭循环冷却水系统的密闭式膨胀水箱做计算。
连铸结晶器纯水密闭循环冷却水系统的总容积约为380m3，按管网系统漏损考虑，补水量应为1.9m3/h；按系统膨胀计算，膨胀水箱的有效容积应为2.28m3。按膨胀水箱有效容积校核补水量，水泵每小时启动次数可以满足要求。
3.3循环水泵的选型及水泵进出口管路的设计
密闭式工业循环水管网中积气的一个重要因素是管道局部流速过高，导致水中空气析出。在循环水泵及水泵进出口管路处，这种现象尤为突出，因此在循环水泵的选型及水泵进出口管路的设计中要加以注意。
3.3.1循环水泵选型时要注意的问题
水泵的流量和扬程应根据用户需求和管网的水力计算确定，本文不再做详细的介绍。
在密闭式工业循环水系统循环水泵的选型时应避免选择转速过高的水泵，水泵的转速应控制在1450rpm的范围内。水泵叶轮转速过高，高速叶轮切削水流，更容易造成水中空气的析出，造成水泵气蚀和管网积气，如果再加上水泵进出口管路设计的不合理，严重情况下可促成水泵的断轴。
本项目中，氧枪纯水密闭循环冷却水系统的循环水泵原先采用的是2900rpm，投运仅5个月就先后有5次断轴，整改后采用了950rpm的水泵，这种现象才停止。
3.3.2水泵进出口管路的设计
在水泵进出口管路设计时，要尽量避免管道转弯处距离水泵进出口太近，也就是管路急转弯；另外，水泵进出口的异径管的长度尽量加长，以求得稳定的水流，减少水中空气从湍急的水流中分离出来的现象。
4.小结
总之，密闭式循环冷却水系统十分复杂，在设计时必须进行周密的考虑和详细的计算。