钢厂高炉循环冷却水系统分区供水定量优化方法
【专利摘要】钢厂高炉循环冷却水系统分区供水定量优化方法，属于工业节能减排技术领域，本发明提出高炉循环冷却水系统供水优化分区的原则及连接方式，并进行优化分区；对各种分区连接供水方式实施水泵运行台数与变阀组合优化运行，计算运行费用，计算比较不同分区供水方式的运行费用、节能效果和设备投资，确定寿命期内运行费用和设备投资总费用最低的供水方案，即为高炉循环冷却水系统定量优化的最优分区连接供水方案。本发明提出的钢厂高炉循环冷却水系统分区供水定量优化方法，可以显著节省钢厂高炉循环冷却水系统能耗和运行费用。
【专利说明】
钢厂高炉循环冷却水系统分区供水定量优化方法
技术领域
[0001] 本发明属于工业节能减排技术领域，涉及一种通过理论分析和计算优化的确定钢 厂高炉循环冷却水系统分区供水的优化方法。
【背景技术】
[0002] 钢厂高炉循环冷却水系统中冷却壁分层布置在高炉的炉底炉缸、炉腹、炉腰、炉 身、风口部位。高炉各部位供水高度和水头损失相差较大，常用混合式供水方式：除了风口 供水压力要求特别高、供水流量小、采用增压栗外，其他炉底炉缸、炉腹、炉腰、炉身四个部 位全部用同一级供水栗供水。在所述四个部位中，炉身处于最高位置，但供水水头损失小， 所以供水压力不是最高;炉底炉缸虽然供水高度最低，但供水支路水头损失最大，因而其供 水压力要求最高。为了保证所述四个部位供水正压运行，供水栗扬程通常按照最不利的炉 底炉缸的供水压力要求选择，这会造成供水压力要求较小的炉身、炉腹、炉腰部位的供水扬 程浪费，表现为实际供水扬程小、流量大，造成供水栗不在高效区运行，流量大，功率大，造 成能源浪费。
【发明内容】
[0003] 本发明为解决高炉循环冷却水系统常用的混合式供水方式的高扬程水栗低位供 水造成能量浪费的问题，提出一种钢厂高炉循环冷却水系统分区供水定量优化方法，根据 各部位冷却水进出水温差要求，计算各部位冷却水最小需要流量;估算炉底炉缸、炉腹、炉 腰、炉身和风口 5个部位的最小需要扬程;对高炉5个部位冷却水供水进行合理分区，对合理 分区供水方式分别采用分支接力式和分区独立式供水方式;对合理分区的分支接力式和分 区独立式供水方式实施变阀组合优化运行，计算运行费用;计算原循环冷却水系统原供水 方式和其他分区方式的运行费用，比较循环冷却水系统不同分区供水方式的运行费用、节 能效果和设备投资，确定运行费用低、设备投资省的高炉循环冷却水系统分区供水方式。
[0004] 本发明的技术方案是，包括以下步骤：
[0005] A.高炉冷却部位供水优化分区确定。
[0006] 根据高炉各部位冷却水进出水温差要求，计算各部位冷却水最小需要流量Qi min; 根据高炉各部位最小需要流量Qi min，估算各部位最小需要扬程：
[0007] Η需i = Hst i+h管i+h换i;i = l，2,3,4,5; (1) 式中，下标i = l，2,3,4,5分别表示高炉循环冷却水系统炉底炉缸、炉腹、炉腰、炉身、风 口部位冷却水供水支路;Hsti为高炉第i供水点出□相对于凉水池的供水高度;h管i为高炉第 i供水点从凉水池到进入高炉前的管路水头损失;hmi为高炉第i供水点冷却部位支路的水 头损失，即冷却水从流入高炉到流出高炉的水头损失。
[0008] 以运行节能可靠、设备投资省、管理方便为原则，通过分析，考虑高炉各部位冷却 水最小需要扬程，兼顾最小需要流量，对高炉冷却水进行优化合理分区，供水分区的划分原 则：（1)将高炉冷却水需要扬程相近的部位划分在同一个供水区域，需要扬程相差较大的部 位划分在不同供水区域；（2)水栗向某个区域供水时，实施水栗运行台数与供水支路出口阀 门调节组合优化运行，保证各供水支路达到最小需要流量，减小水栗流量和功率；（3)划分 供水区域时，将流量较大的部位的最小需要扬程作为区域的最高扬程，并依此扬程和该区 域内所有部位冷却水最小需要流量之和选择该区域的水栗。这样保证水栗向本区域内较低 最小需要扬程和较小最小需要流量的部位供水时，阀门节流的流量和能量浪费最少；（4)为 减少循环冷却水系统水栗机组设备种类和数量，便于管理，将循环冷却水系统划分为3个供 水区域。
[0009] B.高炉循环冷却水系统分区连接方式确定。
[0010] 高炉循环冷却水系统分区连接方式采用原系统的分支接力式、优化分区采用的独 立式和混合式三种方式，分别如图1、图2和图3所示。为便于比较，还列出了高炉循环冷却水 系统另外两种未优化的分区连接方式，如图5所示。
[0011] C.不同供水方案水栗运行工况与能耗计算。
[0012] (1)高炉原循环冷却水系统运行方案一方案一。
[0013] 高炉原循环冷却水系统如图1所示，炉底炉缸、炉腹、炉腰、炉身、风口部位冷却水 支路出口无调节阀，建立各支路从凉水池、经水栗、高炉冷却部位到出水管调节阀、通大气 出口的能量平衡方程，联立两台并联运行的供水栗和一台串联运行的增压栗性能曲线方 程：
[0015]式中，91，92,93,9 4為分别为炉底炉缸、炉腹、炉腰、炉身、风口部位冷却水支路流 量，为未知待求量，m3/s; Si，S2，S3，S4，35分别为出水管无调节阀时对应支路阻力系数，为已 知量，S2/m5 ; Sl-2，S2-3，S3-4, S4-5，S5-6，S6-7，S2-8, S8-9分别为原循环冷却水系统各管段阻力系 数，为已知量，s2/m5,如图1所示。用方程组⑵求解冷却水支路流量札〇 2,〇3,〇4,〇5及供水 栗、增压栗扬程和流量，进一步确定上塔栗工况，进而计算循环冷却水系统年耗电量。
[0016] (2)原循环冷却水系统设置调节阀，水栗台数与变阀组合优化运行一方案二。
[0017] 在图1所示的高炉原循环冷却水系统炉底炉缸、炉腹、炉腰、炉身、风口部位冷却水 支路出水管上分别设置调节阀，按照各部位冷却水支路通过最小需要流量，优化(减少)供 水栗、增压栗、上塔栗运行台数，建立各支路从凉水池、经水栗、高炉冷却部位到出水管调节 阀、通大气出口的能量平衡方程，联立供水栗、增压栗性能曲线方程：
[0020] 式中，Qlmin，Q2min，Q3min，Q4min，Q5min分别为炉底炉缸、炉腹、炉腰、炉身、风口部位冷却 水支路最小需要流量，为已知量，Η?3/8;1αΛ2*别为图1所示的原循环冷却水系统供水栗和 增压栗优化后的运行台数；A Si Δ&，Δ S3, Δ S4, Δ &分别为炉底炉缸、炉腹、炉腰、炉身、风 口部位冷却水支路出水管调节阀阻力系数，为待求量，s2/m 5。应用方程组(3)，求解原循环冷 却水系统炉底炉缸、炉腹、炉腰、炉身、风口部位冷却水支路恰好通过最小需要流量时所需 出水管调节阀阻力系数ASi AS2, AS3, AS4, AS5，计算循环冷却水系统年耗电量。
[0021] (3)原循环冷却水系统设置调节阀、重新选栗，水栗台数与变阀组合优化运行一方 案三。
[0022] 在方程组(3)中，采用重新选择的供水栗和增压栗的性能曲线方程和优化运行台 数，求解确定供水栗和增压栗运行参数、各支路出水管调节阀阻力系数和循环冷却水系统 年耗电量。
[0023] (4)优化分区独立供水连接方式循环冷却水系统水栗台数与变阀组合优化运行一 方案四。
[0024] 图2所示优化分区独立供水连接方式循环冷却水系统，设根据式（1)计算结果，确 定炉腹、炉腰、炉身为低扬程区，炉底炉缸为中扬程区，风口为高扬程区。三个供水分区的水 栗扬程分别为Η低、Η中、Η高。当各供水支路通过最小需要流量时，联立三个供水区的各供水点 能量平衡方程和三种供水栗流量-扬程性能曲线方程：
[0026] 式中，Sa-b为图2循环冷却水系统中点a到点b管段阻力系数。应用方程组(4)，求解 优化分区独立供水连接方式循环冷却水系统三种供水栗的流量、扬程，以及炉底炉缸、炉 腹、炉腰、炉身、风口部位冷却水支路恰好通过最小需要流量时所需出水管调节阀阻力系数 Δ Si、Δ S2、Δ S3、Δ S4、A S5,计算循环冷却水系统年耗电量。
[0027] (5)优化分区混合供水连接方式循环冷却水系统水栗台数与变阀组合优化运行一 方案五。
[0028] 图3所示优化分区混合供水连接方式循环冷却水系统，炉腹、炉腰、炉身为低扬程 区，炉底炉缸为中扬程区，风口为高扬程区。中扬程区独立供水，供水栗扬程为Η中;低扬程区 供水栗同时向低扬程区和高扬程区供水，供水栗扬程为Η低;高扬程区增压栗从低扬程区供 水栗出水管取水，向高扬程区供水，增压栗扬程为咖。当各供水支路通过最小需要流量时， 联立三个供水区的各供水点能量平衡方程和二种供水栗、一种增压栗流量-扬程性能曲线 方程：
[0030] 应用方程组(5)，可求得优化分区混合供水连接方式循环冷却水系统二种供水栗 和一种增压栗的流量、扬程，以及炉底炉缸、炉腹、炉腰、炉身、风口部位冷却水支路恰好通 过最小需要流量时所需出水管调节阀阻力系数A Si、Δ S2、Δ S3、Δ S4、Δ S5，计算循环冷却水 系统年耗电量。
[0031] (6)计算循环冷却水系统其他两种未优化的分区实施水栗台数和变阀优化运行方 案一方案六和方案七的年总耗电量。
[0032] D.不同供水方案设备及运行费用比较与最优分区连接方案确定。
[0033] 循环冷却水系统方案一、方案二、方案三、方案四、方案五和方案六、方案七年的年 耗电量已经由C计算得出。
[0034] 循环冷却水系统设备费用包括水栗机组费用、管道及附件费用、电动调节阀费用、 材料费和安装费。各方案管道及附件费用相差不大，未在设备费用中考虑。
[0035] 循环冷却水系统在寿命周期t年内，设备投资和运行总费用按下式计算：
[0037]式中，i 一设备类型序号，一共有r种设备；
[0038] Di-第i类设备的单价；
[0039] m-第i类设备的数量；
[0040] %-投资年限为t年的银行基准存款利率；
[0041 ] j-系统运行的年度序号；
[0042] Ddj-第j年的电价；
[0043] Wj-第j年的系统年耗电量；
[0044] 根据循环冷却水系统各设备及系统寿命周期，应用式(6)计算系统各方案寿命期 内设备投资与运行总费用，选择设备投资与运行总费用最低的方案即为循环冷却水系统定 量优化的最优分区连接供水方案。
[0045] 本发明的有益效果为:本发明提出的一种钢厂高炉循环冷却水系统分区供水定量 优化方法，通过分析高炉传统循环冷却水系统高耗能的原因，提出循环冷却水系统供水优 化分区的原则及连接方式，对各种分区连接供水方式实施变阀组合优化运行，并根据计算 比较，确定循环冷却水系统最优分区连接供水方式。结果表明，本发明确定的最优分区连接 供水方式，最高可节能66.4%，节能效果显著，设备及运行总费用节省13847.1万元。
【附图说明】
[0046] 图1本发明实施例原循环冷却水系统图。
[0047]图2本发明实施例循环冷却水系统优化分区独立式供水方式图。
[0048] 图3本发明实施例循环冷却水系统优化分区混合式供水方式图。
[0049] 图4本发明实施例循环冷却水系统未优化分区独立式供水方式图。
[0050] 图5本发明实施例循环冷却水系统未优化分区混合式供水方式图。
【具体实施方式】
[0051] 下面结合附图1-5和案例对本发明作进一步说明，但本案例不应理解为对本发明 的限制。
[0052]如图1所示，实施例循环冷却水系统用于450m3高炉的冷却。系统有两座冷却塔，型 号分别为DFNL-1000T、DFNL-1200T，采用自溢式冷却方式，风机配风功率均为30kW，风量分 别为1000111 3/11、12001113/11。系统配有供水栗三台，型号为31^01350-52018，并联连接，两台运 行，一台备用，同时并联1台柴油消防栗，型号为XBC-SL0W350-440。供水栗单栗设计流量 1792m 3/h，设计扬程63m，转速1480r/min。供水栗配套YKK4506-4型电机，额定功率400kW，额 定电流28.72A，功率因素0.86，额定转速1483r/min。风口增压栗两台，型号为SL0W200-410， 并联连接，一台运行，一台备用。风口增压栗单栗设计流量790m 3/h，设计扬程34m，转速 1480r/min。风口增压栗配套Y315-4型电机，额定功率110kW，额定电流201A，功率因素0.89， 额定转速1480r/min。上塔栗三台，型号为SL0W350-380I，并联连接，两台运行，一台备用。上 塔栗单栗设计流量1733m 3/h，设计扬程32m，转速1480kW。上塔栗配套YKK4501-4型电机，额 定功率200kW，额定电流15.1A，功率因素0.81，额定转速1483r/min。系统配套热水池。
[0053] 从冷水池到供水栗进口的管段长10m，管径600mm，沿程有2个闸阀。从供水栗出口 到供水总管入口的管段长l〇m，管径500mm，沿程有1个多功能水栗控制阀和1个闸阀。供水总 管的长度约为150m，管径700mm。供水总管出口到高炉各层冷却壁分两端并联供水。供水总 管出口到炉基炉缸冷却入口管的连接管管长13.5m，沿程有2个闸阀和1个过滤器，管径 500mm。从炉基炉缸冷却入口管到炉腹冷却入口管长4.5m，管径300mm。从炉腹冷却入口到炉 腰冷却入口管长lm，管径300mm。从炉腰冷却入口到炉身冷却入口管长6m，管径250mm，沿程 有1个闸阀。各管段阻力系数列于表1中。表1中，31、52、53、54和55分别为炉底炉缸、炉腹、炉 腰、炉身和风口部位冷却水支路阻力系数(不包括支路出水管调节阀）。
[0054]表1图1原循环冷却水系统各管段阻力系数(单位:s2/m5)
[0055]
[0056] 冷却塔回水上塔高度6.4m，冷水池水位-0.7m，热水池水位-0.7m。供水栗出口高程 1.6m，供水总管高程1.6m。风口增压栗高程1.35m，上塔栗高程1.55m。炉底炉缸供水高度8m， 风口供水高度11.5m，炉腹供水高度12.5m，炉腰供水高度13.5m，炉身供水高度18.5m。
[0057] 该循环冷却水系统正常运行时，供水栗开启2#和3#栗，需要换设备时将其中1台切 换至1 #栗;风口增压栗运行2#栗;上塔栗运行2#和3#栗。系统每天运行24h，平均每年运行360 天。该循环冷却水系统未设置变频调速设备。
[0058] A.高炉冷却部位供水优化分区确定。
[0059] 根据高炉炉底炉缸、炉腹、炉腰、炉身、风口各处发热量和冷却水最大允许进出水 温差，计算出各处冷却水最小需要流量;应用式（1)估算高炉炉底炉缸、炉腹、炉腰、炉身、风 口各处通过最小需要流量冷却水时的供水最小需要扬程。所述高炉五个部位冷却水最小需 要流量和最小需要扬程如表2;系统冷却水总最小需要流量为0.519m 3/s。在所述各供水支 路末端设调节阀用于调节流量。
[0060] 表2高炉各部位冷却水最小需要流量和最小需要扬程(单位:s2/m5)
[0061]
[0062] 表2中，高炉风口供水最小需要扬程较炉底炉缸、炉腹、炉腰和炉身四处供水最小 需要扬程大得多，所以将风口作为单独一个供水区域;炉底炉缸虽然位于高炉的最下部，供 水净扬程较小，但由于支路水头损失大，其供水最小需要扬程明显大于炉腹、炉腰和炉身， 并且供水流量较大，所以，将炉底炉缸也单独作为一个供水区域;炉腹与炉腰供水最小需要 扬程相近、小于炉身供水最小需要扬程，将炉身、炉腹和炉腰三处作为一个供水区域，以三 者中最高的炉身最小需要扬程和三处最小需要流量之和作为该区域的最小需要扬程和最 小需要供水流量，这样，该区域水栗向炉腹和炉腰供水造成的扬程和流量浪费都很小，因而 能耗浪费少。
[0063] B.高炉循环冷却水系统分区连接方式确定。
[0064] 高炉循环冷却水系统原系统的分支接力连接方式如图1所示。优化分区后，采用图 2所示的优化分区独立供水连接方式和图3所示的优化分区混合供水连接方式。为便于比 较，列出了所述高炉循环冷却水系统另外两种分区连接方式，如图5所示。
[0065] C.不同供水方案水栗运行工况与能耗计算。
[0066] (1)高炉原循环冷却水系统运行方案一方案一。
[0067] 如图1所示，高炉原循环冷却水系统运行方案--方案一，供水未优化分区，冷却 水各支路出水管未设置调节阀，未实施优化运行，求解方程组(2)，得到水栗实际运行参数： 供水栗运行2台，单台流量为0.59825m 3/s，扬程为50.47m，效率为83.3%。风口增压栗运行1 台，流量为〇 . l〇74m3/s，扬程为55.05m，效率为71.62 %。上塔栗运行2台，单台流量 0.59825m3/s，扬程为25.06m，效率为78.43 %。计算得该循环冷却水系统年总耗电量为 11965993kff · h〇
[0068] (2)原循环冷却水系统设置调节阀后水栗台数与变阀组合优化运行一一方案二。
[0069] 如图1所示，高炉原循环冷却水系统，供水未优化分区，不换栗，在炉底炉缸、炉腹、 炉腰、炉身、风口部位冷却水支路出水管上分别设置调节阀。应用调节阀将冷却水各供水支 路流量调节至最小需要流量，优化(减少)供水栗、增压栗、上塔栗运行台数，实施系统水栗 台数与变阀组合优化运行，求解方程组(3)，得到水栗实际运行参数:供水栗运行1台，单台 流量为〇. 519m3/s，扬程为55.25m，效率为79.80 %。风□增压栗运行1台，流量为0.086m3/s， 扬程为57.27m，效率为60.59%。上塔栗运行1台，单台流量0.519m 3/s，扬程为30.78m，效率 为82.89%。循环冷却水系统年总耗电量为63694211^*11。炉底炉缸、炉腹、炉腰、炉身、风口 部位冷却水支路恰好通过最小需要流量时所需出水管调节阀阻力系数ASi，△&，△&，Δ S4, Δ S5如表3所不。
[0070] 表3方案二高炉各部位阻力系数增量Δ S(s2/m5)
[0071]
[0072] (3)原循环冷却水系统设置调节阀、重新选栗后的水栗台数与变阀组合优化运 行 方案二。
[0073] 如图1所示，高炉原循环冷却水系统冷却水各支路出水管设置调节阀，重新选择供 水栗和增压栗，实施水栗台数与变阀组合优化运行，求解方程组（3)，得到水栗实际运行参 数:供水栗运行2台，单台流量为0.2595m 3/s，扬程为29.67m，效率为85.73%。风□增压栗运 行1台，流量为〇. 〇86m3/s，扬程为41.85m，效率为85.05 %。上塔栗运行1台，单台上塔栗流 量0.519m3/s，扬程为30.78m，效率为82.89%，循环冷却水系统年总耗电量为4131635W · h。炉底炉缸、炉腹、炉腰、炉身、风口部位冷却水支路恰好通过最小需要流量时所需出水管 调节阀阻力系数ASi，AS2, AS3, AS4, AS5如表4所示。
[0074] 表4方案三高炉各部位阻力系数增量Δ S(s2/m5)
[0075]
[0076] (4)优化分区独立供水连接方式循环冷却水系统水栗台数与变阀组合优化运行一 方案四。
[0077] 如图2所示，方案四优化分区独立供水连接方式循环冷却水系统，炉腹、炉腰、炉身 为低扬程区，炉底炉缸为中扬程区，风口为高扬程区，采用低、中、高分区直接从凉水池取 水、独立供水方式。炉底炉缸所需流量由低扬程栗提供，炉腹、炉腰、炉身所需流量由中扬程 栗提供，风口所需流量由高扬程栗提供。低扬程栗、中扬程栗、高扬程栗各设2台，一用一备。
[0078] 低扬程栗炉身供水净扬程19.2m，供水区炉身、炉腹、炉腰总最小需要流量 0.311m3/s，供水主管管段4-5管径600mm，供水支管管径同原系统，即管段5-6管径300mm，管 段6-7管径300mm，管段7-8管径250mm。管段4-5阻力损失0.79m，管段5-6阻力损失0.61m，管 段6-7阻力损失0.20m，管段7-8阻力损失0.89m。炉身段阻力损失1.55m。炉身最小需要扬程 23J4m〇
[0079] 中扬程栗向炉底炉缸供水，净扬程8.7m，流量0.122m3/s，供水主管管段1-2管径 350mm，供水支管管段2-3管径250mm。管段1-3阻力损失1.99m，炉底炉缸段阻力损失19.23m。 最小需要扬程29.92m。
[0080] 风口高扬程栗供水净扬程12.2m，流量0.086m3/s，供水主管管径700mm，即管段9-10管径700mm。管段9-10阻力损失0.004m，其余管段阻力损失58.68m。风口最小需要扬程 70.88m〇
[0081 ]方案四优化分区独立供水连接方式选栗结果如表5所示。
[0082]表5方案四优化分区独立供水连接方式选栗结果
[0083]
[0084] 方案四中，低扬程供水栗型号14SA-20A，配套电机Y315S-4，功率因素0.89。
[0085]低扬程供水栗的流量~扬程性能曲线方程为：
[0086] H=-81.328Q2-6.0797Q+33.726 (7)
[0087] 流量~效率性能曲线方程为：
[0088] q = -5.4456Q2+3.6273Q+0.2362 (8)
[0089] 低扬程供水栗流量0.31 lm3/s，扬程23.97m，效率83.76%。计算得低扬程供水栗年 耗电量849224kW · h。
[0090] 中扬程供水栗型号DFSS150-360B，配套电机Y225M-4,功率因素 0.88。
[0091]中扬程供水栗的流量~扬程性能曲线方程为：
[0092] H=-2335.1Q2+361.63Q+21.008 (9)
[0093] 流量~效率性能曲线方程为：
[0094] q = -48.017Q2+10.732Q+0.2505 (10)
[0095] 中扬程供水栗流量0.122m3/s，扬程30.37m，效率84.51 %。计算得中扬程供水栗年 耗电量421908kW · h。
[0096] 风口高扬程栗型号KD0W100-260(I)，配套电机Y280M-2，功率因素0.89。
[0097] 风口栗的流量~扬程性能曲线方程为：
[0098] H=-2540.6Q2-75.591Q+97.441 (11)
[0099] 流量~效率性能曲线方程为：
[0100] n = -228.83Q2+36.137Q-0.6013 (12)
[0101] 风口高扬程栗流量0. 〇86m3/s，扬程72.15m，效率81.41 %。计算得风口高扬程栗年 耗电量731527kW · h。
[0102] 上塔栗运行1台，年总耗电量2015304kW · h。
[0103] 所以，方案四系统年总耗电量4017963kW · h。
[0104] 求解方程组(4)，求得高炉炉底炉缸、炉腹、炉腰、炉身、风口处冷却水支路出口调 节阀的阻力系数ASi，AS2, AS3, AS4和AS5如表6所示。
[0105] 表6方案四高炉各部位阻力系数增量Δ S(s2/m5)
[0106]
[0107] (5)优化分区混合供水连接方式循环冷却水系统水栗台数与变阀组合优化运行一 方案五。
[0108] 如图3所示，方案五优化分区混合供水连接方式：
[0109] 中扬程区炉底炉缸仍采用中扬程栗独立供水，系统及水栗选择同（3)方案四。
[0110]低扬程区水栗在向低扬程炉腹、炉腰、炉身供水的同时，利用增压栗从低扬程区水 栗出水管分支取水，向风口供水。低扬程栗按低扬程区所需最小扬程、低扬程区和高扬程 区所需最小流量之和选取。低扬程栗、中扬程栗、风口增压栗各2台，一用一备。
[0111] 低扬程栗供水净扬程19.2m，流量0.397m3/s，供水主管管段4-5管径450mm，管段5-6管径600mm，，管段6_7管径300mm，管段7_8管径300mm，管段8_9管径250mm，管段5-10管径 700mm，管段10-11同原系统。管段4-5阻力损失1.33m，管段5-6阻力损失0.55m，管段6-7阻力 损失0 · 61m，管段7-8阻力损失0 · 20m，管段8-9阻力损失0 · 89m。炉身段阻力损失1 · 55m。总需 要扬程24.33m。
[0112] 低扬程栗采用型号DFSS350-305A，配套电机Y315M-4,功率因素0.89。选栗结果如 表7所示。
[0113] 表7方案五低扬程栗选栗结果
[0114]
[0115] 低扬程栗的流量~扬程性能曲线方程为：
[0116] H=-78.059Q2+39.502Q+21.382 (13)
[0117] 流量~效率性能曲线方程为：
[0118] q = -3.7805Q2+3.3249Q+0.1307 (14)
[0119] 此时低扬程栗流量0.397m3/s，扬程24.76m，效率85.48%。计算得低扬程栗年耗电 量 1095539kW · h。
[0120] 方案五的中扬程栗同（3)方案四，采用型号DFSS150-360B，配套电机Y225M-4,功率 因素〇 . 88。变阀优化运行，系统流量最小时，中扬程栗流量0.122m3/s，扬程30.37m，效率 84.51%。计算得中扬程栗年耗电量4219081^·!!。
[0121] 风口净扬程12.2m，流量0.086m3/s，供水主管管段4-5管径450mm，管段5-10管径 700_，管段10-11同原系统。管段4-5阻力损失1.33m，管段5-10阻力损失0.006m。其余管段 阻力损失58.68m。风口最小需要扬程72.22m，低扬程栗扬程24.76m，所以风口增压栗最小需 要扬程47.46m。
[0122] 风口增压栗采用型号DFSS150-460(I)C，配套电机Y280S-4,功率因素0.88。选栗结 果如表8所示。
[0123] 表8方案五风口增压栗选栗结果
[0124]
[0125] 风口增压栗的流量~扬程性能曲线方程为：
[0126] H=-699.74Q2-166.29Q+67.196 (15)
[0127] 流量~效率性能曲线方程为：
[0128] q = -58.417Q2+11.208Q+0.2424 (16)
[0129] 风口增压栗流量0.086m3/s，扬程47.72m，效率77.42 %。计算得风口增压栗年耗电 量514187kW · h。
[0130] 上塔栗运行1台，年总耗电量2015304kW · h。
[0131] 所以，方案五系统年总耗电量4046938kW· h。
[0132] 求解方程组(5)，得高炉炉底炉缸、炉腹、炉腰、炉身、风口处冷却水支路出口调节 阀的阻力系数A Si，Δ S2，Δ S3，Δ S4和Δ S5如表9所示。
[0133] 表9方案五高炉各部位阻力系数增量Δ S(s2/m5)
[0134]
[0135] (6)计算循环冷却水系统其他两种未优化分区实施水栗台数和变阀优化运行方 案一方案六和方案七的年总耗电量。
[0136] 如图4、图5所示的未优化分区循环冷却水系统方案六、方案七，分别进行选栗，并 实施变阀优化运行，计算出系统年总耗电量分别为:4127301kW · h、4188597kW · h。
[0137] D.不同供水方案设备及运行费用比较与最优分区连接供水方案确定。
[0138] 现阶段设备的购买价格如表10所示(包括配套电动机、水栗出口止回阀）：
[0139] 表10水栗机组及止回阀价格
[0141] 不同直径电动调节阀的价格如表11所示。
[0142] 表11电动调节阀价格
[0143]
[0144] 在水栗寿命期20年内，每个调节阀更换两次，填料、膜片等两年更换一一次，安装 费和材料费平均每次400元，系统设备总费用如表12所示。
[0145] 表12各方案设备投资总费用 单位:万元
[0146]
[0147] 循环冷却水系统方案一、方案二、方案三、方案四、方案五和方案六、方案七年总耗 电量已经由C计算得出。电价按江苏省电网销售电价：1~1 OkV大工业用电为0.6601元/ (kW · h)。各方案设备投资与运行费用综合比较如表13所示。
[0148] 表13各方案综合比较(寿命期20年）
[0149]
[0150] 由表13知，高炉循环冷却水系统20年寿命期内，由于运行时间长，其运行费用远高 于设备费用。高炉循环冷却水系统实施水栗运行台数与变阀组合优化运行后的方案二至方 案七，与原系统运行的方案一相比，寿命期内设备投资与运行总费用节省46.3%~66.4%; 在实施水栗运行台数与变阀组合优化运行的基础上，重新选栗的方案三至方案七，与不更 换水栗的方案二相比，设备投资与运行总费用节省34.7%~37.4%;在分区供水方案中，分 区优化的方案四和方案五的设备投资与运行总费用低于分区未优化的方案三、方案六和方 案七。与方案七相比，方案四和方案五总费用分别节省4.27%、3.41%;在所有七个方案中， 优化供水分区的方案四设备投资与运行总费用最低，较原方案一节省13847.1万元，节省 66.4%，因此，方案四为该高炉循环冷却水系统定量优化的最优分区连接供水方案。
【主权项】
1. 钢厂高炉循环冷却水系统分区供水定量优化方法，其特征在于，包括W下步骤： A. 高炉冷却部位供水优化分区确定； B. 高炉循环冷却水系统分区连接方式确定； C. 不同供水方案水累运行工况与能耗计算； D. 不同供水方案设备及运行费用比较与最优分区连接方案确定。2. 根据权利要求1所述的钢厂高炉循环冷却水系统分区供水定量优化方法，其特征在 于:步骤A中所述供水优化分区确定是根据高炉各部位冷却水进出水溫差要求，计算各部位 冷却水最小需要流量化min;根据高炉各部位最小需要流量Qi min,估算各部位最小需要扬 程： Η需i二Hst i+h管i+h换i;i = l,2,3,4,5; (1) 式中，下标i = l，2,3,4,5分别表示高炉循环冷却水系统炉底炉缸、炉腹、炉腰、炉身、风 口部位冷却水供水支路;出t功高炉第i供水点出口相对于凉水池的供水高度;h窗为高炉第 i供水点从凉水池到进入高炉前的管路水头损失;h换1为高炉第i供水点冷却部位支路的水 头损失，即冷却水从流入高炉到流出高炉的水头损失； W运行节能可靠、设备投资省、管理方便为原则，通过分析，考虑高炉各部位冷却水最 小需要扬程，兼顾最小需要流量，对高炉冷却水进行优化合理分区，供水分区的划分原则： (1) 将高炉冷却水需要扬程相近的部位划分在同一个供水区域，需要扬程相差较大的 部位划分在不同供水区域； (2) 水累向某个区域供水时，实施水累运行台数与供水支路出口阀口调节组合优化运 行，保证各供水支路达到最小需要流量，减小水累流量和功率； (3) 划分供水区域时，将流量较大的部位的最小需要扬程作为区域的最高扬程，并依此 扬程和该区域内所有部位冷却水最小需要流量之和选择该区域的水累;运样保证水累向本 区域内较低最小需要扬程和较小最小需要流量的部位供水时，阀口节流的流量和能量浪费 最少； (4) 为减少循环冷却水系统水累机组设备种类和数量，便于管理，将循环冷却水系统划 分为3个供水区域。3. 根据权利要求1所述的钢厂高炉循环冷却水系统分区供水定量优化方法，其特征在 于:步骤B中所述分区连接方式采用原系统的分支接力式、优化分区采用的独立式和混合式 Ξ种方式;为便于比较，还列出了高炉循环冷却水系统另外两种未优化的分区连接方式。4. 根据权利要求1所述的钢厂高炉循环冷却水系统分区供水定量优化方法，其特征在 于:步骤C中所述不同供水方案水累运行工况与能耗计算包括： (1)高炉原循环冷却水系统运行方案一方案一： 高炉原循环冷却水系统中，炉底炉缸、炉腹、炉腰、炉身、风口部位冷却水支路出口无调 节阀，建立各支路从凉水池、经水累、高炉冷却部位到出水管调节阀、通大气出口的能量平 衡方程，联立2台并联运行的供水累和1台串联运行的增压累性能曲线方程：式中，Ql，化，Q3，Q4，Qs分别为炉底炉缸、炉腹、炉腰、炉身、风口部位冷却水支路流量，为 未知待求量，111^3;51，52,53,54,55分别为出水管无调节阀时对应支路阻力系数，为已知量， S2/m5 ; Sl-2，S2-3，S3-4，S4-日，S日-6，Ss-7，S2-8，Ss-9分别为原循环冷却水系统各管段阻力系数，为已 知量，sVm5;用方程组（2)求解冷却水支路流量化，Q2,化，94,舶及供水累、增压累扬程和流 量，进一步确定上塔累工况，进而计算循环冷却水系统年耗电量； (2)原循环冷却水系统设置调节阀，水累台数与变阀组合优化运行一方案二： 在高炉原循环冷却水系统炉底炉缸、炉腹、炉腰、炉身、风口部位冷却水支路出水管上 分别设置调节阀，按照各部位冷却水支路通过最小需要流量，优化供水累、增压累、上塔累 运行台数，建立各支路从凉水池、经水累、高炉冷却部位到出水管调节阀、通大气出口的能 量平衡方程，联立供水累、增压累性能曲线方程：式中，Qlmin，Q2min，Q3min，Q4min，化min分别为炉底炉缸、炉腹、炉腰、炉身、风口部位冷却水支 路最小需要流量，为已知量，m^S;kl，k2分别为原循环冷却水系统供水累和增压累优化后的 运行台数；A&，A S2, A S3, A S4, Δ S5分别为炉底炉缸、炉腹、炉腰、炉身、风口部位冷却水支 路出水管调节阀阻力系数，为待求量，s2/m5;应用方程组(3)，求解原循环冷却水系统炉底炉 缸、炉腹、炉腰、炉身、风口部位冷却水支路恰好通过最小需要流量时所需出水管调节阀阻 力系数ASi，Δ82, Δ83, Δ84, ASs，计算循环冷却水系统年耗电量； (3) 原循环冷却水系统设置调节阀、重新选累，水累台数与变阀组合优化运行一方案 -* · _A · 在方程组(3)中，采用重新选择的供水累和增压累的性能曲线方程和优化运行台数，求 解确定供水累和增压累运行参数、各支路出水管调节阀阻力系数和循环冷却水系统年耗电 量； (4) 优化分区独立供水连接方式循环冷却水系统水累台数与变阀组合优化运行一方案 四： 优化分区独立供水连接方式循环冷却水系统，设根据式（1)计算结果，确定炉腹、炉腰、 炉身为低扬程区，炉底炉缸为中扬程区，风口为高扬程区；Ξ个供水分区的水累扬程分别为 Η低、Η中、Η高;当各供水支路通过最小需要流量时，联立Ξ个供水区的各供水点能量平衡方程 和Ξ种供水累流量-扬程性能曲线方程：式中，Sa-b为循环冷却水系统中点a到点b管段阻力系数;应用方程组(4)，求解优化分区 独立供水连接方式循环冷却水系统Ξ种供水累的流量、扬程，W及炉底炉缸、炉腹、炉腰、炉 身、风口部位冷却水支路恰好通过最小需要流量时所需出水管调节阀阻力系数A Si、AS2、 Δ S3、Δ S4、Δ Ss，计算循环冷却水系统年耗电量； (5)优化分区混合供水连接方式循环冷却水系统水累台数与变阀组合优化运行一方案 五： 优化分区混合供水连接方式循环冷却水系统，炉腹、炉腰、炉身为低扬程区，炉底炉缸 为中扬程区，风口为高扬程区；中扬程区独立供水，供水累扬程为Ηφ;低扬程区供水累同时 向低扬程区和高扬程区供水，供水累扬程为Η低;高扬程区增压累从低扬程区供水累出水管 取水，向高扬程区供水，增压累扬程为聯;当各供水支路通过最小需要流量时，联立Ξ个供 水区的各供水点能量平衡方程和二种供水累、一种增压累流量-扬程性能曲线方程：应用方程组(5)，可求得优化分区混合供水连接方式二种供水累和一种增压累的流量、 扬程，W及循环冷却水系统炉底炉缸、炉腹、炉腰、炉身、风口部位冷却水支路恰好通过最小 需要流量时所需出水管调节阀阻力系数A Si、Δ S2、Δ S3、Δ S4、Δ S5,计算循环冷却水系统年 耗电量； (6)计算循环冷却水系统其他两种未优化的分区实施水累台数和变阀优化运行方案一 方案六和方案屯的年耗电量。5.根据权利要求1所述的钢厂高炉循环冷却水系统分区供水定量优化方法，其特征在 于，步骤D中所述不同供水方案设备及运行费用比较与最优分区连接方案确定： 循环冷却水系统方案一、方案二、方案Ξ、方案四、方案五和方案六、方案屯的年耗电量 已经由C计算得出； 循环冷却水系统设备费用包括水累机组费用、管道及附件费用、电动调节阀费用、材料 费用和安装费用;各方案管道及附件费用相差不大，未在设备费用中考虑； 循环冷却水系统在寿命周期t年内，设备投资和运行总费用按下式计算：式中，i-设备类型序号，一共有r种设备； 化一第i类设备的单价； m-第i类设备的数量； %-投资年限为t年的银行基准存款利率； j-系统运行的年度序号； Ddj-第j年的电价； Wj-第j年的系统年耗电量； 根据循环冷却水系统各设备及系统寿命周期，应用式(6)计算系统各方案寿命期内设 备投资与运行总费用，选择设备投资与运行总费用最低的方案即为循环冷却水系统定量优 化的最优分区连接供水方案。
【文档编号】C21B7/10GK105969923SQ201610425070
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年6月15日
【发明人】仇宝云, 丁慧, 冯晓莉, 陆霞
【申请人】扬州大学