PLC控制系统在高炉冲渣水余热中的应用

文/张素洁

传统钢铁厂在冶炼钢铁过程中，由燃煤锅炉提供能源，每年钢铁厂消耗煤炭数量。高炉冲渣是目前钢铁厂采用的主要生产工艺，在炉内1400℃-1500℃高温影响下，冲渣后的水温度很高，若能将水余热收集起来，为冶炼工艺提供能量，有效减少钢铁厂煤炭消耗，降低生产成本。水余热利用技术目前在各大钢铁厂都有应用，但设备简单、供热量受季节影响，冲渣过滤不充分会堵塞管网，可见该项技术还有待完善。

图1：主要系统设计图

1 高炉冲渣水余热利用现状

1.1 采暖应用

采暖质量受天气影响较大，钢铁厂冬天产出高炉渣水，其温度最高能达到53℃，这位室内取暖提供有利条件。在钢铁厂周围住户房间里安装供暖设施，渣水经过滤装置顺着管道流向各处，水温下降后排出，持续供水能将室内温度保持在稳定水平，住户不用开空调。

1.2 发电应用

余热能为发电设备提供动力，热水经过蒸汽机处理后变成蒸汽，汽轮机被蒸汽推动做工，经过一系列措施将水热分离，并将热能转换成电能。此外，水余热在海水淡化工艺中也有应用。

2 案例分析

2.1 厂家生产现状

某炼铁厂共有三台锅炉，其中一座为高炉，炉内容量1000m3，剩下两台是燃气锅炉，重50吨。高炉冲渣后得到大量渣水，水中包含较多热量，但并未被利用起来。厂区共有两座汽水换热站，用于厂区供暖，两座换热站的总采暖负荷约为21MW。在此情况下，渣水中热量散发，锅炉补水加热引入新水，导致资源消耗巨大。为改变上述问题，厂家引入水余热回收系统，将水中热量收集起来，减少炼铁厂能耗。

本次系统设计融入先进科技，旨在提升系统实用性，采用PLC集中控制自动化系统，配合自动化仪表等仪器，构建相应的水余热回收系统。为优化系统功能，将换热站、烟气回收系统配合此系统使用。整个系统采用仪电一体化技术，将PLC控制系统安装在换热站中，在操作员站安置另一套PLC控制系统，实现对余热采集过程的自动控制，控制系统与计算机相连，相关参数在计算机屏幕上显示出来，技术员通过屏幕按钮，完成警报值设定、参数调整等功能。监控中心人员在工作时间内必须坚守岗位，若系统控制出现异常，及时排查故障，快速恢复系统运行。

2.2 系统设计

如图1所示，是主要系统的设计图纸，左边是烟气换热系统，右边是冲渣水换热系统。

水余热回收系统设计：PLC控制系统安置在电气室中，由技术员在旁辅助操作，完成余热回收作业。系统包含多个装置，冲渣水换热器、汽-水换热器分别设置两台并安装到相应位置，热网循环泵准备两台，还要准备补水泵、热力管网等装置。温度、流量等参数通过系统都能被检测出来，系统检测项目如下：

（1）换热器经过一次冲渣水作业，测量出水温度和压力，测量数据立即在控制室中显示出来。

（2）进行二次冲渣水作业，再次测量温度与压力，技术员在控制室中记录相应的测量数据。

（3）精确测量采暖温度和压力，实时显示测量数据。

（4）对进水总管实时监测，测量参数与上述内容相同，显示屏上将供热热量实时显示出来。

（5）系统运行前、运行中，对除污器压力变化进行监测，将数值在控制室计算机中显示出来。

（6）蒸气总管、汽-水换热器除监测上述值外，还有检测流量值，若流量超出标准范围及时调节。

（7）对热网循环泵状态进行检测，重点测量其出口压力，将压力控制在合理范围。

（8）检查补水泵，对出口压力、总管压力、流量等参数进行检测，调整不符合标准的参数，保证系统运行顺畅。

2.3 系统设计要点分析

余热回收系统旨在分离、存储渣水热能，系统必须满足安全、环保及低耗能原则，因此设计过程必须注意以下要点。

（1）热交换器、管道设计要点：制定相应的防堵、防腐措施，对渣水酸碱度、杂质含量等详细分析，进而得到针对性的防堵方案。将水流速度控制在最佳范围内，流速过快残渣会加速管道磨损，流速过慢会降低热能回收效率。

（2）过滤、冲洗设计：过滤设备要选择耐热性强、耐磨损的设备，在经济条件允许的情况下，选择性价比最高设备。冲洗次数根据渣水含热量来定，保证经过多次冲洗后，能达到最高的热量回收率。

（3）对冲渣工艺进行优化，合理布局换热站，尽量让设备摆放紧凑，减小占地面积，从而降低工程造价。反冲水源选择必须慎重，都在会影响余热回收系统的运行稳定性。

（4）做好安全防护设计，在系统关键位置安装备用装置，如备用水泵、备用管道等，若设备出现故障，PLC系认会自动跳转到备用设备上，保证系统正常运行，技术员及时修复故障，修复期间并不影响系统运行，同时提升系统运行安全性，保证炼铁厂工作人员安全。

（5）设置冗余设备，在运行装置基础上，设置一定数量的冗余设备，能促进系统稳定，降低系统运行风险，可见冗余设备设置在余热回收系统中是非常有必要的。

3 计算机控制系统设计

3.1 系统配置

为实现余热回收系统的自动化运行，厂家选用PLC自动控制系统，以西门子S7-300为控制器核心系统，利用逻辑控制程序，完成整个余热回收操作，除系统自动运行外，需辅助交换机、技术员操作，才能实现余热回收的全面控制。回收过程中需变化的量有压力、水流量等，控制开关启闭、热数据采等工作由系统自动完成，技术员在计算机上按下相应按钮即可。将工控机安置在操作员站，机器屏幕自动显示系统收集数据，在机器上预设控制参数，当系统监测到相关数值超出正常范围，会自动报警。维护、回收等数据都记录在系统中，技术员可随时调用历史数据，从而合理调节仪器参数。

操作站设置两台PLC控制器，冲渣水换热站电气室安置一台，监控水余热回收过程，另一台控制器安置在锅炉电气室，双管齐下对水余热回收过程进行监控，换热站监控系统允许技术员操作，另一系统只支持监控和显示数据。

3.2 系统功能

自动化编程控制系统必须保证功能多样化，才能满足水余热回收工艺要求，不同装置负责不同功能，渣水换热器负责采暖水温，循环泵负责热水循环，压力泵控制水压等，下面挑介个装置分别介绍其功能。

补水泵：其功能是对补水点压力进行调节，补水点压力、水泵处于闭环控制回路，当压力下降，回路中的反馈系统会将信息传到水泵，水泵根据系统运行情况及时调整泵压，实现对补水点压力的调控。

渣水换热器：与蒸汽补热系统关系紧密，渣水经过换热器后采暖水温发生变化，蒸汽阀门、采暖水温构成闭环回路，当水温发生变化，蒸汽补热系统会根据渣水温度，对阀门启闭状态进行调节，阀门开度不同，采暖水温随之变化。

汽-水换热器：与渣水换热器构成闭环回路，排放阀开度由汽-换热器控制，当渣水换热器中的凝结水位发生变化，排放阀开度随之变化。

循环泵组：调节参数为转速、启闭状态等，通过各参数调节，让出口压力保持恒定状态。

水余热回收过程中，相关装置都由PLC系统集中控制，配上专业技术员，对系统进行控制，定期对操作系统进行维护，泵组、阀门等在PLC控制下自动启闭。控制系统中还包含预警模块，当压力过大、温度过高时，系统自动报警，同时自动切换到备用装置上，保证水余热回收系统的正常运行。

4 结束语

综上是对高炉冲渣水余热回收系统的相关介绍，余热在供暖、发电等领域都有应用，相信随着科技的进一步发展，渣水余热会在更多领域得到应用。余热回收系统设计过程中，为减少热量损失，必须从水流速度、回收设备等多方面把控，细节设计严格化，既能保证设计质量，又能减少热浪流失。