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冷却循环水技术在汽车焊接生产线的探讨与应用
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工业冷却循环水系统节能优化技术
来源：中国节能产业网　时间： 11:31:29　
一、技术名称：工业冷却循环水系统节能优化技术
二、技术所属领域及适用范围：工业冷却循环水系统 钢铁冶金、石油化工、热电、生化制药等领域
三、与该技术相关的能耗及碳排放现状
循环水系统以水为介质用于工艺过程的冷（热）量交换和传送，在石油化工、钢铁冶金、机械电子、食品制药、热电、集中供暖、中央空调等领域，是必不可少的基本环节。循环水系统以水泵为动力源，其电能消耗较大，约占社会总用电量的15%左右。目前，我国循环水系统普遍存在能耗较高的现象，与先进国家相比，水泵单机效率约低5%以上，系统效率低20%以上。目前该技术可实现节能量73万tce/a，CO2减排约193万t/a。
四、技术内容
1.技术原理
从流体力学基本原理可知，影响水泵功率的三大内在因素为：扬送的流量、扬程、运行效率。其中运行效率取决于水泵的效率性能，扬程用于克服管网阻力，流量用于工艺过程的冷（热）量交换和传送。从传热学基本原理可知，循环水量又取决于换热单元的热负荷、冷热流温差和传热系数。也即对某特定工艺的换热网络，若所移去的热量通过平衡后变少，换热器的热阻变少，循环水的供回水温差按设计规范要求控制在合理值内，那么流量就可以减少。根据上述原理，如果对某特定工艺，进行以下优化改造步骤，可从根本上解决循环水系统的高能耗问题：
（1）通过优化改造换热网络、消除因结垢或藻类滋生引起的热阻、做好管网的流量平衡并合理控制供回水温差，取得泵站最合理的扬送流量；
（2）通过配水管网优化，消除不利因素，如阀门损失、局部管路阻力偏大、并联管路性能差异大而引起的水力失衡、真空度控制不合理引起扰流等，从而降低管网阻力，取得水泵最合理的工作扬程；
（3）根据优化后的工作点参数（流量、扬程、效率、装置汽蚀余量），采用三元流技术设计出高效的水泵叶轮，以高效节能泵替换原有不匹配、低效率的水泵，确保泵站处于高效率运行状态；
（4）充分考虑因热负荷及环境温度变化引起的变工况运行，根据系统运行特征对泵站进行优化设计和管理。
2.关键技术
（1）循环水系统各换热设备、管网、泵站等的运行参数（包括压力、流量、温度、几何高度等）精确采集技术；
（2）换热网络优化和管网水力优化数学模型建立；
（3）对流量、管网阻力、水泵运行效率等专家分析诊断及优化系统。
（4）水力平衡调节装置、高效节能泵等多种针对性强的系列高效节能产品。
3.工艺流程
冷却循环水系统节能优化工艺主要包括以下环节：
（1）循环水系统及换热网络流程图绘制、各换热设备额定技术参数及热负荷值进行勘探，校对，记录；
（2）规定采集点的运行工况及环境参数采集；
（3）高能耗原因诊断分析；
（4）通过换热网络及配水管网优化设计，确定优化整改方案，确定合理循环水量及总管网最优阻力；
（5）原泵站性能评价与泵站优化设计，高效节能泵最优工作参数确定；
（6）定制生产高效节能泵；
（7）换热网络及配水管网的不利因素优化整改与调整；
（8）高效节能泵安装调试；
（9）对间隙式生产系统（如聚苯烯生产装置等），根据变工况运行特征，制订相应调节控制策略，加装变频控制系统；
（10）对循环水量较大（建议在3000t/h以上）或较复杂的系统，制订相应的在线监测与管理策略，安装循环水系统在线监控与能源管理系统。
循环水系统节能优化技术系统构架见图1。
图1 循环水系统节能优化技术系统架构图
五、主要技术指标
应用于工业冷却循环水系统节能改造节电率约为12%-55%。
六、技术鉴定、获奖情况及应用现状
该技术于2005年7月通过浙江省科技厅组织的成果鉴定，拥有自主知识产权，并已获得计算机软件著作权登记证书5项。经浙江能源监察总队能源监测站、沈阳市节能技术研究所等多家权威机构检测，该技术实际应用的节能效果著，已在全国成功应用于860余个循环水系统的节能改造，目前处于大范围推广阶段。
七、典型应用案例
典型用户：上海石化、南京化工、扬子石化、中化集团、柳化股份、大化集团、上海医药集团、菱花味精、欧亚赐福集团、LG甬兴化学、宝钢股份、首钢集团、上海大众汽车公司等。
技术提供单位：浙江科维节能技术有限公司
建设规模：30万t/a合成氨循环水系统（循环水量35000t/h），配7台冷却水泵，其中2台配功率为2240kW，1台配功率为900 kW，4台配功率为1000kW，相应配7台冷却塔。主要技改内容：换热网络及配水管网的不利因素优化整改与调整，特别是解决了纯碱厂和加氯车间最不利点的水力平衡问题；评价原泵站性能，并进行优化设计，确定高效节能泵最优工作参数及叶轮的水力模型设计；通过系统改造更换7台高效节能泵。主要设备包括水力平衡提升调节装置2套；高效节能泵7台；循环水在线检测与能源管理系统1套。节能技改投资额1470万元，建设期5个月。每年可节能4709tce，年节能经济效益为573万元。投资回收期2.5年。
技术提供单位：浙江科维节能技术有限公司
建设规模：1780m3高炉鼓风机透平拖动装置冷却系统技改，配6台900kW冷却泵（2用4备）；主要技改内容：换热网络及配水管网的不利因素优化整改与调整，特别是解决了供水总管止回阀阻力异常现象；评价原泵站性能，并进行优化设计，确定高效节能泵最优工作参数及叶轮的水力模型设计；通过系统改造更换6台高效节能泵。主要设备包括PLC计量系统、止回阀6台、高效节能泵6台。节能技改投资额780万元，建设期4个月。每年可节能3048tce，年节能经济效益459万元，投资回收期1.7年。
八、推广前景及节能减排潜力
根据目前已在全国成功实施的800余套循环水优化系统的节能效果分析，与原有循环水系统相比，该技术的节电率一般在20%-85%。这表明目前我国工业循环水系统仍然存在能耗过高的情况，有较大的节能潜力。
预计未来5年，该技术在行业内的推广潜力可达到20%，投资总额45亿元，节能能力207万tce/a，减排能力546万tCO2/a。
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热滚塑钢管在密闭式工业循环水系统中的应用和管路设计方法
    
1.热滚塑钢管的制作工艺简介及热滚塑钢管的特点
热滚塑钢管是以普通碳素钢管作为基体、内衬化学稳定性优良的防腐材料的热塑性复合管道。钢管可采用焊接钢管或无缝钢管以火焰喷涂工艺或自动喷枪喷涂制作。
常用的热滚塑钢管防腐材料有：LLDPE(低密度聚乙烯)、PO(聚烯烃)、HDPE(高密度聚乙烯)、ETFE(四氟乙烯)等。根据管道中的流体介质的不同，选用不同的防腐材料。热滚塑钢管可分别适用于酸、碱、盐类液体、海水、纯水、油类等各种腐蚀介质。
随着热滚塑钢管生产工艺的不断成熟、产品质量的不断提高，热滚塑钢管广泛应用于化工、冶金、电力、医药、纺织等领域的软化水系统和纯水系统。
热滚塑钢管既具有钢管的机械强度性能，又有塑料管的耐腐蚀、不易结垢的性能，管内壁表面平整光亮、摩擦系数小，又能保证输送介质的纯度等优点。但其本身又有着如下的特点：
①热滚塑钢管生产时须对钢管进行高温预热处理，因此管道难于现场制作，须在专业制造厂生产，且制作完毕后无法修改；
②热滚塑钢管必须采用法兰连接，每根热滚塑钢管包括管配件的两端均有法兰；
③热滚塑钢管内壁为滚塑层，在管道外壁不能进行类似焊接之类的热加工处理；
④DN50的以下的钢管较难滚塑，因此当管道公称直径在DN50以下时，一般不采用热滚塑钢管。
2.热滚塑钢管在密闭式循环水系统中应用的意义
纯水(或软水)密闭式循环水系统常用于工业企业中关键的间接冷却。纯水(或软水)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。
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。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。以大型钢铁企业为例，纯水循环水(或软化水循环水)水质经加药处理后，应达到如下的技术标准：污垢热阻值＜0.86&10-4m2&K/W；腐蚀率为，碳钢管壁＜0.125mm/a[1]。
如果在密闭式循环冷却水系统中使用热滚塑钢管，首先，由于是管道内衬热滚塑，这样管道的清洗和预膜就基本上不用考虑了。一般工业系统中最重要的设备才采用纯水或软水冷却，而这些重要设备的换热部分也基本采用不锈钢材质，因此整个密闭式循环水系统内与纯水或软水循环水接触部分的材质或为不锈钢或为热滚塑，这样缓蚀剂和阻垢剂也可以加以忽略；即便是局部设备中少量的使用了几个碳钢材质的配件，更换配件的费用也会远远低于药剂投加的费用。
所以，在密闭式工业循环水系统中，采用热滚塑钢管既可优化循环水水质、保护工艺设备、延长循环水管道寿命，又可节省大量的管道清洗预膜及水质稳定药剂的费用，对于维护生产、节约成本非常有效。目前，在大型工业密闭式循环水系统中已开始广泛的应用。
以某大型钢铁联合企业炼钢纯水循环水系统为例，该系统纯水循环水量约4559m3/h，管道系统保有水量约730m3，现以该系统分别采用普通焊接钢管和热滚塑钢管做初步的经济分析如下。
表1& 焊接钢管与热滚塑钢管经济分析表
备注：该药剂费用不包括杀菌剂，无论采用何种钢管均须采用杀菌剂，所以不做比较。
从初步的经济分析数据来看，采用热滚塑钢管的一次性投资要大于采用普通的焊接钢管，但热滚塑钢管的长期运行成本远低于焊接钢管。
对于敞开式循环水系统而言，循环水与空气直接接触，其水质要求远不如密闭式循环水系统高，因此没有必要使用热滚塑钢管。
3. 热滚塑钢管应用于密闭式纯水或软化水循环冷却水系统时管路的设计
热滚塑钢管作为一种特殊管材，应用于密闭式工业循环水系统，在管路设计时有许多需要注意的地方，本文就热滚塑钢管应用于密闭式纯水或软化水循环水系统时的管路设计方法进行了分析和探讨，可作为相似工程的借鉴和参考。
3.1热滚塑钢管内衬防腐材料的选型及防腐材料厚度的设定
对于和密闭式纯水或软化水循环水而言，LLDPE、PO、HDPE、ETFE等防腐材料都能适用，目前在软水或纯水系统中应用的最多的是PO热滚塑钢管，在实际密闭式工业循环冷却水系统中，一般也多使用PO热滚塑钢管。
热滚塑钢管内衬PO防腐材料的厚度从3mm~5mm不等，管径越是大，其内衬PO防腐材料的厚度也越厚。下表为常规的设定的不同管径的热滚塑钢管滚塑层厚度。
表2& 热滚塑钢管滚塑层壁厚选择表
3.2热滚塑钢管的水力计算
热滚塑钢管内壁为滚塑层，其管道内壁光滑，在进行水力计算时，管道粗糙系数应与塑料管一致。查相关的水力计算图表可参照塑料管道相关资料。其管路系统的水头损失应明显低于普通焊接钢管，对于节能也是有一定作用的。
3.3热滚塑钢管在循环水处理站的设计要点
循环水处理站内设有水泵、板式换热器、蒸发空冷器、过滤器、阀门、仪表等大量的水处理设备，站房内布置着设备基础、管沟、电缆沟；另有大量的热滚塑钢管循环水管道、焊接钢管循环水管道、其它水管、压缩空气管道、电缆管等，或架空敷设或埋地敷设。上面的照片是热滚塑钢管在循环水处理站应用的工程实例。
一般情况下，对于管路简单的管线，热滚塑钢管可以采取将所有热滚塑钢管先以焊接钢管形式到现场，安装完毕后拆除，运回专业制造厂家滚完塑编号后运回，二次安装，这样管路的设计工作就相对简单一些。但循环水处理站管路的特点是：管道复杂多变，管道交叉多、短管多、弯头多；如果采取二次安装的方式，施工周期太长，且如果热滚塑钢管夹其它管道中间，则必须等热滚塑钢管安装完毕后才能安装其它管道，所需要的工期就更长了；由此可见，二次安装在大规模的循环水管道系统中应用很不现实，这就要求必须在管路设计时日既要确保管路设计的正确性又要考虑施工、维护、检修时的便利性，因此热滚塑钢管循环水管路的设计难度很大。
在进行循环水管路设计特别是在热滚塑钢管管路设计时，首要的任务是做好管线的综合工作，减少管道碰撞的可能性。这其实是一般管道设计时所要遵循的最基本要求，但对于热滚塑钢管而言，就显得更为重要了，因为热滚塑钢管一旦成型，无法再修改了，如果出现失误就只能是报废了。考虑到热滚塑钢管的特殊性，在具体的管路设计时应贯彻热滚塑钢管优先的原则，尽量减少热滚塑钢管弯头的数量，其它焊接钢管应尽可能避让热滚塑钢管。
其次，由于热滚塑钢管是一支支可以分拆的管道，在管路的设计时，必须考虑施工、维护和检修的方便。埋地的热滚塑钢管宜设置在最上层，架空的热滚塑钢管宜设置在管道的最外层。对于同样都是热滚塑钢管的情况，宜将小口径的热滚塑钢管设置在大口径热滚塑钢管的上面或外侧。
第三，所有设置在热滚塑循环水管道上温度计、压力表等，其接口必须设计在热滚塑钢管上，不能遗漏，因为热滚塑钢管是无法在现场开孔安装上述仪表的。
第四，通常管道穿越钢筋混凝土水池、钢筋混凝土阀门井、仪表井、管沟等侧壁处均设刚性或柔性防水套管，但是两端带法兰的热滚塑钢管是无法穿过套管的，因为法兰盘外径通常大于防水套管的内径。在这种情况下有两种方法解决：①穿越钢筋混凝土侧壁处改用不锈钢管道带法兰，该法兰与热滚塑钢管法兰连接，不锈钢管道法兰与钢筋混凝土侧壁之间的净距不宜小于100mm，以保证法兰螺栓螺母的安装；②在水池、阀门井、仪表井、管沟等土建施工时，先行预埋1根热滚塑钢管。
第五，鉴于热滚塑钢管制作完毕后难以修改，而设计、施工和管道制作的过程中误差在所难免，因此在管路的具体设计时应预留一部分现合短管。所谓现合短管，就是为了克服管道的误差，在整个热滚塑钢管管路设计时留下一根短管(200~300mm)，采用焊接钢管形式。安装时，先以焊接钢管形式到现场预安装完毕，再运回至专业厂，滚塑后二次安装。
第六，在循环水泵房或泵站的水泵进出口管道下均设有管道支墩和支架，对于热滚塑管路而言，其管路上的法兰数量众多，管道自重也大于一般焊接钢管，因此管道支墩、支架更要做加强处理。
3.4热滚塑钢管在地下管廊中的设计要点
地下管廊是工厂企业中常见的构筑物，对于循环水系统而言，它连接着循环水处理站和循环水用户所在的车间。地下管廊中的循环水管道采用热滚塑钢管，这就对管廊及循环水管路的设计提出了新的要求。
一，关于管廊内通道的设计。工程建设时热滚塑钢管要通过吊装孔进入管廊，由管廊内通道运至须安装的位置，维修时须将要更换的整根热滚塑钢管由管廊内通道运离现场。为便于安装和更换热滚塑钢管，管廊内通道的净宽要比普通采用焊接钢管的管廊要大，管廊内通道必须满足带法兰的热滚塑钢管通过，建议管廊内通道设计的净宽要大于热滚塑钢管法兰盘外径200~300mm，但不应小于600mm这一基本通行的要求。
二，管道托座的设计。地下管廊内通常设置钢结构管道支架。管道可直接安放于钢结构支架上，但对于管径较大的管道，管道下一般设有钢制管道托座。如果对于固定支架，焊接钢管是直接与管道托座焊接的，但对于热滚塑钢管而言，如果将管道与管道托座焊接，高温将会破坏管道内衬滚塑层。在设置热滚塑钢管的固定支架时，须在制作热滚塑钢管时将管道托座焊接于钢管下后再滚塑。
三，关于直管段上现合管具体位置的设计。管廊内的现合管因为有两次安装的过程，考虑到施工的便利性和可行性，应将现合管尽量设置在吊装孔附近。
四，热滚塑钢管法兰盘位置的确定。一般单根热滚塑钢管的长度从4m、6m至12m不等。热滚塑钢管法兰盘的位置应尽量避开管道支架的位置。
五，局部复杂节点处热滚塑钢管的设计和使用。管廊的复杂节点包括管廊的起始端、管廊的末端、管道接入接出管廊处、接向各用户的分支管廊处(即所谓的丁字口)。该部分节点往往既有循环水总管本身又增添了从总管上接出的支管，因此管道数量多、管道互相交叉，在设计中建议采用现合管道设计。
3.5热滚塑钢管在车间架空管线中的设计要点
热滚塑钢管也适用于车间内的架空管线。左面的照片为某大型钢铁联合企业正在施工中的车间架空热滚塑钢管。
由于热滚塑钢管是法兰连接，在架空管线设计时，对于一些生产上绝对不允许漏水(如冶金行业炼钢车间的钢包过跨区域、钢包烘烤区等)的地方，尽量避免设置法兰。再者，对于一些环境温度较高的地方，如冶金行业炼钢车间的钢包烘烤区，其工艺设备的工作环境温度较高，离地面1米标高的地方，环境温度可高达1000℃，5~6m高架空管线下方的温度也可能达到400℃，架空热滚塑钢管下方应采取隔热保温措施[1]。另外，车间内往往有一些末端用户的管径很小，当管径小于DN50时，建议采用其它管材替代，如不锈钢管或碳钢不锈钢复合管等。
3.6热滚塑钢管法兰、垫片、螺栓、螺母等紧固件的选型
管道的法兰、垫片、螺栓、螺母及紧固件等的选型，很容易被忽视，在设计时必须非常注意。
①法兰的选型
法兰的选型主要是法兰标准的选型。热滚塑钢管法兰选型的一般原则是，法兰标准与所连接的设备接口的法兰标准一致，法兰的压力等级应与循环水管路的压力等级相一致，热滚塑钢管循环水管路法兰常用的压力等级为1.0MPa、1.6MPa和2.5MPa。
②垫片的选型
垫片的选型主要是垫片材质的选型。热滚塑钢管的法兰面也是滚塑的，滚塑层带有一定的柔韧性，因此热滚塑钢管法兰垫片的选型也有一定的要求。根据工程实际经验，压力等级较高的，一般指循环水工作压力在1.6MPa以上的，采用四氟夹包垫片或是金属缠绕垫片；循环水工作压力在1.6MPa以下的，可采用普通橡胶垫片或是金属垫片。
③螺栓、螺母及紧固件等的选型
螺栓、螺母及紧固件等的选型主要也是材质的选型。明敷热滚塑钢管可采用普通碳钢螺栓、螺母及紧固件。埋地热滚塑钢管建议采用镀锌螺栓、螺母及紧固件，条件许可的情况下可采用不锈钢材质的；为节约投资和造价，也可采用普通碳钢螺栓、螺母及紧固件，但要求做外防腐。
4.热滚塑钢管与碳钢不锈钢复合管的初步比较
目前，除热滚塑钢管外，另有碳钢不锈钢复合管也逐步开始在闭式工业循环水系统中使用。
碳钢不锈钢复合管是以普通无缝钢管作基体，内衬各种材质不锈钢的管材。
其相对于热滚塑钢管的最大优点在于：
①可直接用不锈钢焊条堆焊连接，也可采用法兰连接；
②管道便于现场修改；
③承受的环境温度可较高。但其技术尚不及热滚塑钢管成熟且价格高，热滚塑钢管可采用螺旋缝焊接钢管，而碳钢不锈钢复合管须用无缝钢管，目前每吨碳钢不锈钢复合管的价格约为22000元，远高于热滚塑钢管的价格。
5.热滚塑钢管与碳钢不锈钢复合管相结合的管路设计方法
针对热滚塑钢管与碳钢不锈钢复合管各自的特点，在当前大型密闭式工业循环水管路的设计中，提出了一个新的管路设计方法，在同一系统管路中分别使用热滚塑钢管和碳钢不锈钢复合管。
循环水管路的主体仍使用热滚塑钢管，在局部现场情况复杂、须穿防水套管处、环境温度较高处等选用适量的碳钢不锈钢复合管，发挥两种管材各自的优势，既确保水质，又便于施工、维护和管理，且有效的控制了投资。
密闭式工业循环水系统(包括软化水循环水系统和纯水循环水系统)如同工厂的生命线，承担着输送循环水的重要任务。
将热滚塑钢管应用于密闭式工业循环水系统既有良好的经济效益，又能确保供水水质。其管路的具体设计方法与工程的实际情况密不可分，需要周密的考虑。
作者简介：金亚飚(1975.12- )，男，汉族，籍贯江苏省常熟市，同济大学环境工程学院给水排水工程专业本科毕业，学士学位，工程师，主要从事钢铁企业给排水设计工作。
收录时间:日 21:47:54 来源:上海宝钢工程技术有限公司 作者:匿名
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