PLC控制系統在高爐沖渣水余熱中的應用

文/張素潔

傳統鋼鐵廠在冶煉鋼鐵過程中，由燃煤鍋爐提供能源，每年鋼鐵廠消耗煤炭數量。高爐沖渣是目前鋼鐵廠采用的主要生產工藝，在爐內1400℃-1500℃高溫影響下，沖渣后的水溫度很高，若能將水余熱收集起來，為冶煉工藝提供能量，有效減少鋼鐵廠煤炭消耗，降低生產成本。水余熱利用技術目前在各大鋼鐵廠都有應用，但設備簡單、供熱量受季節影響，沖渣過濾不充分會堵塞管網，可見該項技術還有待完善。

圖1：主要系統設計圖

1 高爐沖渣水余熱利用現狀

1.1 采暖應用

采暖質量受天氣影響較大，鋼鐵廠冬天產出高爐渣水，其溫度最高能達到53℃，這位室內取暖提供有利條件。在鋼鐵廠周圍住戶房間里安裝供暖設施，渣水經過濾裝置順著管道流向各處，水溫下降后排出，持續供水能將室內溫度保持在穩定水平，住戶不用開空調。

1.2 發電應用

余熱能為發電設備提供動力，熱水經過蒸汽機處理后變成蒸汽，汽輪機被蒸汽推動做工，經過一系列措施將水熱分離，并將熱能轉換成電能。此外，水余熱在海水淡化工藝中也有應用。

2 案例分析

2.1 廠家生產現狀

某煉鐵廠共有三臺鍋爐，其中一座為高爐，爐內容量1000m3，剩下兩臺是燃氣鍋爐，重50噸。高爐沖渣后得到大量渣水，水中包含較多熱量，但并未被利用起來。廠區共有兩座汽水換熱站，用于廠區供暖，兩座換熱站的總采暖負荷約為21MW。在此情況下，渣水中熱量散發，鍋爐補水加熱引入新水，導致資源消耗巨大。為改變上述問題，廠家引入水余熱回收系統，將水中熱量收集起來，減少煉鐵廠能耗。

本次系統設計融入先進科技，旨在提升系統實用性，采用PLC集中控制自動化系統，配合自動化儀表等儀器，構建相應的水余熱回收系統。為優化系統功能，將換熱站、煙氣回收系統配合此系統使用。整個系統采用儀電一體化技術，將PLC控制系統安裝在換熱站中，在操作員站安置另一套PLC控制系統，實現對余熱采集過程的自動控制，控制系統與計算機相連，相關參數在計算機屏幕上顯示出來，技術員通過屏幕按鈕，完成警報值設定、參數調整等功能。監控中心人員在工作時間內必須堅守崗位，若系統控制出現異常，及時排查故障，快速恢復系統運行。

2.2 系統設計

如圖1所示，是主要系統的設計圖紙，左邊是煙氣換熱系統，右邊是沖渣水換熱系統。

水余熱回收系統設計：PLC控制系統安置在電氣室中，由技術員在旁輔助操作，完成余熱回收作業。系統包含多個裝置，沖渣水換熱器、汽-水換熱器分別設置兩臺并安裝到相應位置，熱網循環泵準備兩臺，還要準備補水泵、熱力管網等裝置。溫度、流量等參數通過系統都能被檢測出來，系統檢測項目如下：

（1）換熱器經過一次沖渣水作業，測量出水溫度和壓力，測量數據立即在控制室中顯示出來。

（2）進行二次沖渣水作業，再次測量溫度與壓力，技術員在控制室中記錄相應的測量數據。

（3）精確測量采暖溫度和壓力，實時顯示測量數據。

（4）對進水總管實時監測，測量參數與上述內容相同，顯示屏上將供熱熱量實時顯示出來。

（5）系統運行前、運行中，對除污器壓力變化進行監測，將數值在控制室計算機中顯示出來。

（6）蒸氣總管、汽-水換熱器除監測上述值外，還有檢測流量值，若流量超出標準范圍及時調節。

（7）對熱網循環泵狀態進行檢測，重點測量其出口壓力，將壓力控制在合理范圍。

（8）檢查補水泵，對出口壓力、總管壓力、流量等參數進行檢測，調整不符合標準的參數，保證系統運行順暢。

2.3 系統設計要點分析

余熱回收系統旨在分離、存儲渣水熱能，系統必須滿足安全、環保及低耗能原則，因此設計過程必須注意以下要點。

（1）熱交換器、管道設計要點：制定相應的防堵、防腐措施，對渣水酸堿度、雜質含量等詳細分析，進而得到針對性的防堵方案。將水流速度控制在最佳范圍內，流速過快殘渣會加速管道磨損，流速過慢會降低熱能回收效率。

（2）過濾、沖洗設計：過濾設備要選擇耐熱性強、耐磨損的設備，在經濟條件允許的情況下，選擇性價比最高設備。沖洗次數根據渣水含熱量來定，保證經過多次沖洗后，能達到最高的熱量回收率。

（3）對沖渣工藝進行優化，合理布局換熱站，盡量讓設備擺放緊湊，減小占地面積，從而降低工程造價。反沖水源選擇必須慎重，都在會影響余熱回收系統的運行穩定性。

（4）做好安全防護設計，在系統關鍵位置安裝備用裝置，如備用水泵、備用管道等，若設備出現故障，PLC系認會自動跳轉到備用設備上，保證系統正常運行，技術員及時修復故障，修復期間并不影響系統運行，同時提升系統運行安全性，保證煉鐵廠工作人員安全。

（5）設置冗余設備，在運行裝置基礎上，設置一定數量的冗余設備，能促進系統穩定，降低系統運行風險，可見冗余設備設置在余熱回收系統中是非常有必要的。

3 計算機控制系統設計

3.1 系統配置

為實現余熱回收系統的自動化運行，廠家選用PLC自動控制系統，以西門子S7-300為控制器核心系統，利用邏輯控制程序，完成整個余熱回收操作，除系統自動運行外，需輔助交換機、技術員操作，才能實現余熱回收的全面控制。回收過程中需變化的量有壓力、水流量等，控制開關啟閉、熱數據采等工作由系統自動完成，技術員在計算機上按下相應按鈕即可。將工控機安置在操作員站，機器屏幕自動顯示系統收集數據，在機器上預設控制參數，當系統監測到相關數值超出正常范圍，會自動報警。維護、回收等數據都記錄在系統中，技術員可隨時調用歷史數據，從而合理調節儀器參數。

操作站設置兩臺PLC控制器，沖渣水換熱站電氣室安置一臺，監控水余熱回收過程，另一臺控制器安置在鍋爐電氣室，雙管齊下對水余熱回收過程進行監控，換熱站監控系統允許技術員操作，另一系統只支持監控和顯示數據。

3.2 系統功能

自動化編程控制系統必須保證功能多樣化，才能滿足水余熱回收工藝要求，不同裝置負責不同功能，渣水換熱器負責采暖水溫，循環泵負責熱水循環，壓力泵控制水壓等，下面挑介個裝置分別介紹其功能。

補水泵：其功能是對補水點壓力進行調節，補水點壓力、水泵處于閉環控制回路，當壓力下降，回路中的反饋系統會將信息傳到水泵，水泵根據系統運行情況及時調整泵壓，實現對補水點壓力的調控。

渣水換熱器：與蒸汽補熱系統關系緊密，渣水經過換熱器后采暖水溫發生變化，蒸汽閥門、采暖水溫構成閉環回路，當水溫發生變化，蒸汽補熱系統會根據渣水溫度，對閥門啟閉狀態進行調節，閥門開度不同，采暖水溫隨之變化。

汽-水換熱器：與渣水換熱器構成閉環回路，排放閥開度由汽-換熱器控制，當渣水換熱器中的凝結水位發生變化，排放閥開度隨之變化。

循環泵組：調節參數為轉速、啟閉狀態等，通過各參數調節，讓出口壓力保持恒定狀態。

水余熱回收過程中，相關裝置都由PLC系統集中控制，配上專業技術員，對系統進行控制，定期對操作系統進行維護，泵組、閥門等在PLC控制下自動啟閉。控制系統中還包含預警模塊，當壓力過大、溫度過高時，系統自動報警，同時自動切換到備用裝置上，保證水余熱回收系統的正常運行。

4 結束語

綜上是對高爐沖渣水余熱回收系統的相關介紹，余熱在供暖、發電等領域都有應用，相信隨著科技的進一步發展，渣水余熱會在更多領域得到應用。余熱回收系統設計過程中，為減少熱量損失，必須從水流速度、回收設備等多方面把控，細節設計嚴格化，既能保證設計質量，又能減少熱浪流失。