高爐沖渣水余熱供暖監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

許麗麗，周揚(yáng)民，羅思義，李 超，儀垂杰

(青島理工大學(xué)能源與環(huán)境裝備技術(shù)研究中心，山東青島 266033)

高爐渣是鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程所產(chǎn)生的副產(chǎn)品之一，也是一種具有利用價(jià)值的二次資源。目前高爐渣主要以一種材料的形式加以利用，對(duì)液態(tài)高爐渣所含的豐富熱量卻沒(méi)有進(jìn)行充分利用［1］。其工藝水平存在著嚴(yán)重的余熱浪費(fèi)和有害氣體排放。如果建筑小區(qū)位于高爐沖渣水余熱供暖經(jīng)濟(jì)范圍之內(nèi)，回收高爐沖渣水余熱向小區(qū)供暖，是一個(gè)建筑節(jié)能減排的最佳選擇。對(duì)高爐沖渣水余熱進(jìn)行回收，不但可以解決鋼廠附近供暖的熱源問(wèn)題，還可以減少?zèng)_渣水的消耗，具有一定的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

目前高爐渣余熱利用監(jiān)控方面，缺乏專(zhuān)業(yè)的監(jiān)控管理軟件，一般采用傳統(tǒng)的工業(yè)控制結(jié)構(gòu)，不能對(duì)系統(tǒng)的工藝過(guò)程及結(jié)果進(jìn)行分析。鑒于此，開(kāi)發(fā)了一套軟硬件平臺(tái)系統(tǒng)，對(duì)換熱工藝的關(guān)鍵回路及主要工藝參數(shù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和動(dòng)態(tài)跟蹤監(jiān)視。通過(guò)該系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，提高整個(gè)換熱過(guò)程中熱量的利用效率，以保證系統(tǒng)在最優(yōu)工況下運(yùn)行，同時(shí)將生產(chǎn)過(guò)程系統(tǒng)與管理系統(tǒng)緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)信息與管理的集成，為管理決策層提供可靠的決策證據(jù)［2］。

1 系統(tǒng)組成

1.1 工藝流程簡(jiǎn)介

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一次沖渣水和二次供暖循環(huán)水設(shè)計(jì)流量均為30 m3/h，其工藝流程如下:渣漿泵從吸水池中抽取沖渣水，經(jīng)全自動(dòng)反洗纖維過(guò)濾器過(guò)濾、自清潔板式?jīng)_渣水換熱器換熱，最終排入沉淀池;清水泵將采暖回水管道二次循環(huán)水加壓后，進(jìn)入自清洗板式?jīng)_渣水換熱器換熱后，進(jìn)入采暖供水管道供暖。

1.2 測(cè)試系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、信息管理、過(guò)程優(yōu)化3部分組成，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)過(guò)濾器的工作壓力、流量和換熱器的一、二次進(jìn)出水溫度、壓力、流量等關(guān)鍵參數(shù)，并能對(duì)過(guò)濾器和換熱器的性能進(jìn)行分析和優(yōu)化控制，如圖1所示。系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的控制功能如下:一次循環(huán)水渣漿泵變頻，改變?cè)鼭{泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而改變過(guò)濾器、換熱器渣水流量，保證二次供暖循環(huán)換熱器出水溫度;二次泵變頻調(diào)節(jié)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變換熱器進(jìn)水流量，模擬散熱器末端用戶的變流量供暖工況;實(shí)時(shí)檢測(cè)過(guò)濾器纖維束濾芯前后段壓差，達(dá)到設(shè)定壓差值后，過(guò)濾器電動(dòng)調(diào)節(jié)閥動(dòng)作，切換過(guò)濾器渣水進(jìn)出口，一次循環(huán)供暖泵停泵，反沖洗渣漿泵打開(kāi)，對(duì)過(guò)濾器進(jìn)行反沖洗;對(duì)過(guò)濾器進(jìn)出口渣水、換熱器進(jìn)出口供暖水溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，分析過(guò)濾器、換熱器熱損失;風(fēng)機(jī)變頻調(diào)節(jié)風(fēng)速，改變散熱器的散熱量，從而改變換熱器回水溫度，用于模擬一天24 h溫度變化。

圖1 高爐沖渣水余熱供暖實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)示意圖

1.3 溫度測(cè)量

溫度測(cè)量采用濟(jì)南華興儀表研究所的HWB型，鉑電阻，－150～1300℃，0.5級(jí)。測(cè)量元件的感溫點(diǎn)應(yīng)位于管道中心。測(cè)量元件的安裝點(diǎn)與被測(cè)板式換熱器進(jìn)出口法蘭面的距離應(yīng)≤150 mm。測(cè)溫點(diǎn)的上下游各300 mm內(nèi)與測(cè)溫點(diǎn)之間管線，應(yīng)保溫良好。

1.4 流量測(cè)量

流量測(cè)量采用青島愛(ài)科儀器儀表有限公司生產(chǎn)的電磁流量計(jì) HXLDE－65－11300－1.6－60，0.5級(jí)。流量計(jì)應(yīng)安裝在水平直管段，上游直管段長(zhǎng)度應(yīng)≥20倍管徑，下游直管長(zhǎng)度應(yīng)≥15倍管徑。

1.5 壓力測(cè)量

壓力測(cè)量采用1151系列電容式變送器，0.25級(jí)。靜壓測(cè)量孔應(yīng)位于距離任何擾動(dòng)區(qū)域下游至少5倍管徑，上游至少2倍管徑處。

1.6 系統(tǒng)其他組件

系統(tǒng)除需各測(cè)量?jī)x表外，還須有循環(huán)泵、變頻器、套管式加熱器、溫度控制儀、不銹鋼蝶閥電動(dòng)及球閥、電控箱等，以保實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行

2 測(cè)試系統(tǒng)監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

Siemens公司S7系列PLC網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示，采用3級(jí)總線復(fù)合型結(jié)構(gòu)，最底一級(jí)為遠(yuǎn)程I/O鏈路，負(fù)責(zé)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通信，在遠(yuǎn)程I/O鏈路中配置周期I/O通信機(jī)制。中間一級(jí)為PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線或主從式多點(diǎn)鏈路，前者是一種新型現(xiàn)場(chǎng)總線，可承擔(dān)現(xiàn)場(chǎng)、控制、監(jiān)控三級(jí)通信，采用令牌方式與主從輪詢相結(jié)合的存取控制方式;后者是一種主從式總線，采用主從輪詢式通信。最高一級(jí)為工業(yè)以太網(wǎng)，負(fù)責(zé)傳送生產(chǎn)信息管理，并向用戶提供TF接口，實(shí)現(xiàn)AP協(xié)議與MMS協(xié)議。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)軟件平臺(tái)構(gòu)架

軟件結(jié)構(gòu)主要包括兩部分:可編程控制器編程及上位機(jī)程序。下位機(jī)軟件選用Step7實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及相關(guān)工藝控制功能;上位機(jī)軟件選用Wincc實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工藝組態(tài)，主要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的顯示，指令的下達(dá)，選用Delphi，Asp.net軟件實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)管理功能。整個(gè)系統(tǒng)共有AI/AO幾百余點(diǎn)、DI/DO幾百余點(diǎn)、PID調(diào)節(jié)回路及若干個(gè)內(nèi)部變量的運(yùn)算。

圖3 系統(tǒng)軟件構(gòu)架圖

2.3 數(shù)據(jù)管理功能的實(shí)現(xiàn)

以Delphi，Asp等為開(kāi)發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的上傳、查詢報(bào)表、指標(biāo)分析和歷史曲線等功能。根據(jù)系統(tǒng)要求，其功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能圖

以報(bào)表功能的實(shí)現(xiàn)為例，簡(jiǎn)單說(shuō)明其實(shí)現(xiàn)過(guò)程。有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)報(bào)表:(1)利用Delphi自帶的Rave軟件包設(shè)計(jì)報(bào)表。(2)利用Ole技術(shù)結(jié)合Excel實(shí)現(xiàn)報(bào)表。利用Rave報(bào)表，設(shè)計(jì)的報(bào)表樣式較為呆板，而且當(dāng)報(bào)表生成后用戶不能根據(jù)報(bào)表內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，特別是當(dāng)數(shù)據(jù)寬度超過(guò)表格寬度時(shí)往往造成無(wú)法打印的情況。Excel在設(shè)計(jì)各種復(fù)雜表格方面有強(qiáng)大的功能。所以選用 Ole+Delphi設(shè)計(jì)報(bào)表系統(tǒng)，把Excel與Delphi的功能結(jié)合起來(lái)，生成滿足用戶要求且可以自由修改的報(bào)表系統(tǒng)［3］。

圖5 系統(tǒng)溫度變化曲線圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

系統(tǒng)測(cè)試溫度變化曲線如圖5所示，順利實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)流量、溫度、壓力等模擬信號(hào)的采集處理和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、變頻器的控制。I/O前端模塊可以保證4～20 mA模擬信號(hào)的正確輸入輸出，也可以實(shí)現(xiàn)RS232和RS485電平的轉(zhuǎn)換，同時(shí)還能和組態(tài)王進(jìn)行正常通信。主界面可以正常啟動(dòng)和運(yùn)行，可以正常顯示現(xiàn)場(chǎng)信息，能夠觀察實(shí)時(shí)曲線，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、給水泵和補(bǔ)水泵的控制。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)長(zhǎng)達(dá)10天的手動(dòng)操作和自動(dòng)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)對(duì)比，系統(tǒng)運(yùn)行檢測(cè)結(jié)果顯示:換熱器出口溫度能夠跟蹤上設(shè)定值的變化，控制精度＜1℃;循環(huán)水泵電能節(jié)能30%以上。

4 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)采集信息實(shí)時(shí)性強(qiáng)、自動(dòng)化程度高、可靠性好，應(yīng)用系統(tǒng)后，沖渣水余熱供暖系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。通過(guò)二次儀表和工控機(jī)，工人在控制室就能完全獲得系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)情況。從而降低了工作強(qiáng)度，最大程度上避免了故障的發(fā)生。由于可編程序控制器、變頻器和自動(dòng)閥門(mén)的搭配使用，系統(tǒng)的自動(dòng)化程度得以提高，當(dāng)某些參數(shù)變化時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)分析，并按預(yù)定程序做出相應(yīng)的控制，系統(tǒng)的可靠性和自動(dòng)化運(yùn)行程度大大提高，節(jié)能效果顯著。

［1］ 閆兆民，周揚(yáng)民.高爐渣綜合利用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.鋼鐵研究，2010，32(5):155 －160.

［2］ 劉尊民.油田聯(lián)合站自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與信息管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.青島:青島理工大學(xué)，2007.

［3］ 朱松豪，劉巧英.Delphi動(dòng)態(tài)報(bào)表的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2005(12):87－90.

［4］ 王怡，趙菁，文時(shí)祥.指針式儀表數(shù)據(jù)智能采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子科技，2011，24(3):17 －21.

［5］ 朱國(guó)峰，邢冠宇.基于Blackfin DSD的液晶接口設(shè)計(jì)［J］.電子科技，2010，23(10):57－59.