温差自力式调节阀在攀钢高炉冷却系统的应用

     温差自力式调节阀是一种根据高炉冷却壁进出水温差变化来自动调节冷却水流量，从而达到保护冷却壁的装置。攀钢1号高炉（1280m³）2002年7月大修时，炉腹和炉腰全部采用铜冷却壁（共72块）。为了充分利用冷却水的冷却能力，同时又确保铜冷却壁长寿，必须将铜冷却壁的进出水温差控制在一个合理的范围内。为达到这一目的，攀钢1号高炉大修时铜冷却壁系统安装了温差自力式调节阀，现已取得了初步效果。在此之前，为了给攀钢1号高炉铜冷却壁系统应用温差自力式调节阀提供可靠依据，我们首先在攀钢3号高炉（1200m³）铸铁冷却壁上开展了冷却水自动调节试验。本文着重对温差自力式调节阀的工作原理及在攀钢3号高炉的试验情况和在1号高炉的应用情况进行阐述。

      2 工作原理及特点

      2.1 工作原理

     温差自力式调节就是根据冷却壁进出水温差来调节冷却水流量。温差自力式调节阀的工作原理是：使冷却壁的进、出水分别流经温差自力式调节阀的上水腔和下水腔，调节阀将进出水温差转换为推力，直接控制阀门开度，从而达到自动调节冷却水量的目的。

      2.2 安装方法及特点

     温差自力式调节阀的安装方法如图1所示。冷却壁出水流经温差自力式调节阀的下水腔之后再进入排水系统，另外，用一根通径较小的水管从供水管网上引出冷却水，使之流经各调节阀的上水腔。这样，上下水腔的温差即为冷却壁进出水温差，调节阀将温差转换为推力，直接控制阀门开度，达到根据冷却壁进出水温差自动调节冷却水流量的目的。

     这种调节方式具有系统简单、性能可靠、寿命长、不需外部动力（如电动、气动、液动等），特别适合高炉工况。

      3 3号高炉冷却水自动调节试验

      3.1 试验情况

     试验是在3号高炉第7段20~24号冷却壁上进行的，安装情况如图2所示，高炉供水总管水压为0.35MPa。试验中采用的温差自力式调节阀（以下也称调节阀）由漯河中贯冶金设备制造有限公司制造。

      3.2 试验结果

     试验从2001年12月11日开始，至今已连续运行15个月，5台温差自力式调节阀性能正常，有关试验结果见表1。

      表13号高炉冷却水自动调节试验结果

      *进水温度26℃。

      3.3 结果分析

    （1）未采用调节阀的冷却壁，实行的是恒流量供水冷却，热负荷波动时，完全反应为水温差的波动，其*大水温差高达52℃。采用调节阀的冷却壁，其热负荷波动时，不仅引起水温差的波动，而且更多地是引起冷却水流量变化，因而*大水温差仅为13℃，这说明调节阀的调节性能是灵敏、及时和可靠的。

    （2）从耗水情况来看，调节阀具有显著的节水效果。从水温差的平均值对比看，采用调节阀的冷却壁平均水温差为10.5℃，而未采用调节阀的冷却壁平均水温差只有4~5℃，说明前者冷却水冷却能力利用率为后者的2倍以上。

     （3）采用调节阀后冷却水*大温差下降了39℃，这也意味着冷却水的*高温度将下降39 ℃，这对减缓冷却水管结垢是十分重要的。

    （4）若允许的*大水温差为20℃，对于未采用调节阀的冷却壁（*大水量7m³/h），其*大冷却强度为125kW/m²，为热负荷峰值（350kW/m²）的36%，在这种状态下出现“汽塞”的机会较大。对于采用调节阀的冷却壁（*大水量16m³/h），其*大冷却强度可达286kW/m²，达到热负荷峰值的82%，因而可基本上杜绝“汽塞”现象。

    （5）采用调节阀后，水温差稳定，有利于维持合理的高炉操作炉型。

      4 在1号高炉铜冷却壁系统的应用

      4.1 两种冷却条件下铜冷却壁传热状态的数模计算

     为了定量地研究恒流量供水冷却和调节状态下冷却时铜冷却壁的传热状态，我们按照1号高炉铜冷却壁及其参数，并根据传热原理和水力学公式进行了有关计算。

      （1）冷却条件。①恒流量冷却方式：通道流速2m/s，进水温度t₀=20℃；②自动调节方式：供水环管水压0.25MPa，进水温度t₀=20℃。温差自力式调节阀特性见表2。

      表2温差自力式调节问特性

     （2）冷却壁尺寸及参数。冷却壁尺寸（长×宽）a×b=2.10m×0.872m；镶砖层底面到通道中心距：δ=0.055m；通道数：n=4；通道内径：d=0.05m；通道长度：L=1.9m；通道中心距：D=0.24m；铜的导热系数：λ=390W/（m•k）

     （3）基本参数计算。冷却壁热面积S₁=a×b=1.83m²；通道壁面积S₂=nπdL=1.1932m²；冷却壁冷热面积比i=S₁/S₂=0.652；镶砖层底面至通道壁热阻R=Dδ/（πλd）=0.00021547K/w。

     （4）恒流量供水冷却时参数计算结果见表3。采用温差式自力调节阀调时冷却壁传热参数计算结果见表4

      表3恒流量供水冷却时冷却璧传热参数计算结果

      表4采用温差自力调节阀调节时冷却壁传热参数计算结果

     根据上述计算结果，得出两种冷却方式下热负荷M与进出水温差Δt以及热负荷M与镶砖层底面温度的关系如图3、4所示。

     （6）计算结果分析。这里将恒流量供水和冷却水自动调节两种冷却方式的计算结果（见表3和表4）进行分析比较如下：

      ①恒流量供水时，水量恒定，进出水温差与热负荷成正比，当热负荷达到峰值时，进出水温差可达到40℃。若进水温度较高时，水温容易达到产生两相流的极限温度。采用调节阀时，水量随冷却壁热负荷的增大而增大，减缓了水温差的增大速率，当热负荷达到峰值时，进出水温差仅20℃。

      ②恒流量供水时，水速恒定，因而管壁传热系数也基本恒定，约为6kW/（m²•K），管壁与水之间的温差与冷却壁热负荷成正比，当热负荷达到峰值（350kW/m²）时温差达到80℃。采用调节阀时，水量与水速随热负荷的增大而增大，管壁传热系数可由4.7kW/（m²•K）增大到17kW/（m²•K），当热负荷达封峰值时，管壁与水之问的温差控制在36℃。

      ③采用恒流量供水时，当热负荷达到350 kw/m²时，热面温度（镶砖层底面温度）达到215℃；采用冷却水自动调节时，热面温度被控制在150℃以内。

      ④冷却壁的平均热负荷若按29kw/m²考虑，恒流量供水时，每块铜冷却壁耗水14m³/h，冷却壁平均进出水温差仅为3℃，冷却水冷却能力利用率较低。采用调节阀调节时，每块冷却壁平均耗水约为8m³/h，平均水温差约为6.5℃，冷却水冷却能力利用率提高1倍，可节水42%。

      ⑤恒流量供水时，热负荷从平均值（29 kW/m²）到峰值（350KW/m²）波动时，镶砖层底面温度波动值178.69℃。而在调节阀调节状态下，镶砖层底面温度波动值仅为110℃，这对高炉操作是有利的。

     4.2 安装情况及初步效果

     1号高炉72块铜冷却壁全部采用温差自力式调节阀对冷却水量进行自动调节。冷却壁全部采用单联，在每一块冷却壁出口均安装1台温差自力式调节阀，调节阀的主要参数按表2选择，安装方法与3号高炉相同。

     试用初期冷却壁进出水温差控制在4℃以内，两段铜冷却壁总耗水量低于600m²/h。由于1号高炉大修投产仅2个月，冷却壁内砖衬较完好，冷却壁热负荷波动很小，调节阀在控制温差方面的作用尚未充分显示出来，但从3号高炉试验情况来看，达到预期效果是必然的。

     5 结论

     根据温差自力式调节阀在攀钢3号高炉的试验情况及1号高炉铜冷却壁冷却的初步应用情况，可得到如下结论：

     （1）温差自力式调节阀在攀钢3号高炉的试验是成功的，它能实现根据冷却壁热负荷自动调节冷却强度的目的。每块冷却壁平均耗水约为2.7m²/h，进出水温差控制在6~13℃。

     （2）1号高炉铜冷却壁两种冷却方式的传热计算表明：在恒流量供水冷却条件下，当热负荷达到峰值时，冷却壁热面温度将达到215℃，进出水温差将达到39℃，这将减弱铜冷却壁的抗破损能力，加速水垢的形成，增大两相流及汽塞出现的机会。而在冷却水自动调节的条件下，当热负荷达到峰值时，冷却壁热面温度低于150℃，进出水温差为20℃。

     （3）温差自力式调节阀在1号高炉使用期间，工作稳定、正常。