铜箔项目工艺冷却水系统设计

铜箔项目工艺冷却水系统设计

龙叶红

（信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司  四川成都 610021）

关键字：生箔机   表面处理   循环冷却水  冷却塔  水泵

前沿：随着市场规模的扩大、产能产量的急剧扩充，电解铜箔作为电子工业的基础材料，主要用来制作印刷电路板（PCB）。近年来随着电子工业的高速发展，5G的商业化应用，印刷电路板用量越来越大，特别是多层电路板的发展更是日新月异。锂离子电池作为新一代的绿色高能可充电电池，具有电压高、能量密度大、循环性能好、自放电小、无记忆效应等突出优点，在近十多年来取得了飞速发展，锂电铜箔作为锂电池关键辅材，受益于锂电池行业高速增长，伴随新能源汽车领域对动力电池性能的要求不断提升，锂电铜箔也在向高密度、低轮廓、超轻薄化、高抗拉强度、高延伸率等方向发展，应用薄型化铜箔可以在提升电芯能量密度同时减少锂电铜箔单位用量，性价比显著。

笔者作为工业给排水设计师，前二年80%的项目均是铜箔项目，因此可见这二年铜箔项目的蓬勃发展。本文就对铜箔项目的工艺冷却水系统进行系统介绍和设计的注意要点。

工艺冷却水系统主要是在工艺生产过程中，给各个工艺设备或工艺溶液进行降温。铜箔项目中，主要是铜液在溶铜罐内是高温，在进入生箔机前需设置生箔主循环板换，将铜液降温，才能更好的出箔。还有些辅助液体，比如防氧化液及表面处理工段的各类添加剂液，都需要进行降温，设置相应的板换设备。同时，生箔机和表面处理设备的电源整流器、导电辊等设备本身需要冷却水，包括很多溶铜泵、净液泵、污液泵等工艺水泵也需要水冷。冷却水系统在铜箔项目中占比非常大。笔者在做某2万吨铜箔厂房项目中，有做过12套冷却水系统。冷却水如何分类，如何分组，哪些可以合并设置，哪些需要分开，哪些可以用开式塔，哪些需要用闭式塔，哪些需要冷却水，哪些用冷冻水，这些笔者根据实际项目经验，给出一些具体建议。

锂电主要设备是生箔机，冷却水系统包括：主循环板换冷却水系统，泵轴封冷却水系统，防氧化冷却水系统，整流器冷却水系统，导电辊冷却水系统。

标箔主要设备除了生箔机外，还有表处线。因此，冷却水系统除以上生箔冷却水系统外，还有表处冷却水系统，包括粗化、固化、黑化、灰化、钝化冷却水系统，表处整流器冷却水系统，表处导电辊冷却水系统。

1、主循环冷却水系统：主要为主溶铜板换提供冷却水，一般而言，溶铜液的温度为50-53度左右，对于冷源的水质要求不高，可以采用开式冷却塔进行冷却，但不能一概而论，像西北地区，风沙较大，建议还是采用闭式冷却塔。同时，设计建议选择33/43度高温差冷却水系统，这样冷却水管道流量及冷却水泵流量都会减半，初投资设备及管道费用会降低。同时系统需进行分组设置，减少管道漏损等原因对全系统的影响。一般系统越小互相影响就越小，但考虑经济性，设计建议24个或者32个生箔机为一套系统。系统设置如图1。

2、轴封冷却水系统：主要为工艺泵轴封提供冷源。如果工艺溶铜泵带风扇，这部分就不需要水冷，但目前笔者接触的铜箔项目中，多数工艺溶铜水泵还是采用的水冷。这部分冷量较小，循环水温控制在35/40度即可，因此选择主循环冷却水（33/43度）为冷源，另外单独设开式水箱，循环水泵，板换来独立供应，系统尽量就近设置在工艺泵附近。系统设置如图2。

  图1：主循环冷却水系统              图2：轴封冷却水系统

3、生箔防氧化冷却水系统：主要为防氧化板换提供冷源。生箔防氧化液温度一般为25-28度，采用冷冻水来冷却，如下图4。也有的项目水温要求没那么高的，会直接用冷却水来冷却，如下图3。当然，用什么系统，同时也要根据当地的气候条件和当地的湿球温度来确定。比如在北方区域，湿球比较低，完全可以用冷却水来直接冷却。由于防氧化冷却水都是通过板换换热，对水质要求没有那么高，因此均采用开式冷却塔。

图3：防氧化冷却水系统           图4：防氧化冷冻水系统

4、生箔机整流器和导电辊冷却水系统：此系统冷却水直接作用于生箔机，因此水质要求较高，补水采用纯水，冷却塔采用闭式冷却塔。由于设备接管均为小软管，承压不大，因此回水压力较低，回水末端设置开式水箱。冷却水温一般为37/32度，系统采用闭式塔加开式水箱的形式，如下图5。整流器和导电辊冷却水系统可以合并设置一套系统，但尽量支管分开，支管上加装阀门，避免互相影响。生箔机整流器一般分4个角放置，导电辊分二侧，如下图6。因此一个生箔机有4进4出的整流器冷却水支管，2进2出的导电辊冷却水支管。整流器和导电辊支管较多，管路设置时，尽量采用同程布置，保证生箔机冷却水进出口压力稳定。

图5：整流器导电辊冷却水系统          图6： 生箔机

5、表处冷却水系统：表面处理机（简称表处），有设置粗化、固化、黑化、灰化、钝化等5套板式换热器。

以下图7为笔者选取了3个比较有代表的项目中每条表处线中各处理段对冷却水的温度、流量要求。

图7：表处冷却水需求

每个项目工艺需求会有些许差异，就目前笔者做的几个项目而言，固化、黑化、灰化的温度为34/38度，可以直接用开式冷却塔冷却水（37/32度）冷却。粗化、钝化的温度要求低一些，27/30度，因此需要用冷冻水来冷却。冷冻水可以采用中温水，提高冷机效率，也可以和生箔防氧化板换采用一套冷冻机组。

表处冷却水系统，相对比较复杂，尤其是部分需要冷冻水来冷却，很多项目为了节省初投资，采用风冷冷水机组，节省站房空间。更多的项目，采用免费制冷的方案，就是采用冬夏季切换的模式，夏季采用冷冻机制冷，冬季还是利用冷却塔来冷却，节省能耗。如下图8所示。

表处的整流器冷却水和生箔机整流器冷却水类似，采用闭式冷却塔和开式水箱的系统冷却，此处就不赘述。

图8：表处冷却水系统

                     图9：表面处理机

6、冷却水系统中需要注意的几点：

1）冷却塔风机和冷却水泵，一般建议采用变频，但对于有多个风机的冷却塔系统，冷却塔风机可以取消变频，根据总出水管温度来控制风机数量的启停。

2）一套系统中若有多台开式塔并联，需在集水盘设置平衡管，避免集水盘水位高度不一致。

3）水系统中水箱容积有限，每个系统需要设置一个快速补水接口，考虑设备运行初期先将管网充满水。

4）冷却塔布置的时候，开式塔一定要考虑冷却塔的基础高于出水主管的管顶标高，防止空气进入吸水管。屋面冷却塔和管道基础高度还要考虑屋面保温厚度，设备布置的时候要考虑检修通道。

5）一般冷却塔设置在屋面，冷却水泵设置在一层站房。 屋面管道接至站房，屋面建议设置狗屋，同时位置尽量在冷却水站房上面，这样，屋面管道可以直接下到站房内。同时，考虑冷却塔荷载较大，一般屋面荷载需求是1T/m2，因此设置冷却塔的屋面考虑做混凝土屋面。

6）水泵的流量，需要考虑并联情况下流量的损失，建议流量取大一些，台数选择二用一备，三用一备，尽量不要做到四用一备。

7）冷却塔的选型，要按照当地的湿球温度选取，同时考虑部分余量，目前冷却塔市场偷量的现象比较严重，建议选择有CTI认证的塔。

结束语：

   任何一个项目，辅助动力设备的设计，首要目的是满足工艺设备的功能需求，进而考虑如何采取经济合理节能的设置方式，这是我们做为设计师的基本要求。希望通过本文的介绍，大家对铜箔项目的冷却水系统有个初步的了解，并结合项目实际情况，让冷却水系统设计做得更合理，更好地为工艺服务，真正做到设计尽善尽美！