換熱站自動(dòng)反清洗系統(tǒng)在長(zhǎng)鋼公司的應(yīng)用研究

胡博元，楊 濤，宣中忠

（首鋼長(zhǎng)治鋼鐵有限公司煉鐵廠(chǎng)，山西 長(zhǎng)治 046000）

0 引言

高溫熔渣是高爐煉鐵的附屬產(chǎn)物，經(jīng)過(guò)水淬工藝處理后將產(chǎn)生70～90 ℃的高溫沖渣水。高爐沖渣水由于具有溫度穩(wěn)定、流量大的特點(diǎn)，可作為一種低溫廢熱源。通過(guò)回收利用該資源進(jìn)行供熱，可以避免建設(shè)新鍋爐房，且不需煤場(chǎng)、灰渣場(chǎng)，從而減少土地占用面積。高爐沖渣的回收技術(shù)不僅能減少能源浪費(fèi)，還能保護(hù)環(huán)境，因此，被廣泛應(yīng)用于冶金企業(yè)。換熱站的工作原理是：沖渣熱水通過(guò)管道送到換熱站，經(jīng)過(guò)過(guò)濾器過(guò)濾后進(jìn)入換熱器內(nèi)，通過(guò)換熱器的換熱，將沖渣水熱源交換到二次供熱管道內(nèi)，二次供熱管道再引出至熱用戶(hù)。

長(zhǎng)鋼公司換熱站使用的是板式換熱器，板式換熱器是一種高效的熱交換設(shè)備，由許多平行排列、波紋形狀的金屬板組成。流體通過(guò)這些板與另一種流體進(jìn)行熱量傳遞，同時(shí)板間的波浪形狀增加了熱交換表面積，由于不同的波紋板相互倒置，構(gòu)成復(fù)雜的流道，波紋板的復(fù)雜結(jié)構(gòu)使得流體在其間的流道內(nèi)呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)三維流動(dòng)，即所謂的湍流。由于這種湍流可以在較低的雷諾數(shù)下產(chǎn)生，因此，傳熱系數(shù)比一般的管殼式傳熱器高約3～5 倍。換熱站的熱源來(lái)自高爐沖渣水，而不同的高爐沖渣工藝會(huì)導(dǎo)致沖渣水的水質(zhì)有很大的不同。總的來(lái)說(shuō)，底濾法的水質(zhì)最好，嘉恒法次之，平流法和因巴法（INBA）法的水質(zhì)最為惡劣。而8 號(hào)高爐使用的正是平流法，因水質(zhì)差，板式換熱器在運(yùn)行一段時(shí)間后，就會(huì)出現(xiàn)結(jié)垢，并且在換熱過(guò)程中，隨著渣水溫度降低，水中的鈣鎂離子析出，附著于污垢積瘤上，加速形成垢瘤，進(jìn)而使換熱器的傳熱系數(shù)不斷下降，嚴(yán)重時(shí)板片的通道將發(fā)生堵塞，熱源介質(zhì)無(wú)法進(jìn)入換熱器，換熱器通道將會(huì)被堵死。此時(shí)，只能將換熱器退出供熱序列，進(jìn)行拆卸、清洗（見(jiàn)圖1）。但這個(gè)操作復(fù)雜，需要浪費(fèi)大量人力和時(shí)間，在清洗過(guò)程中必須停止供熱，還可能出現(xiàn)流道錯(cuò)位、板片變形、膠條老化速度加快或板間距變小等問(wèn)題，從而縮短換熱器的使用壽命。

圖1 對(duì)換熱器進(jìn)行拆卸清洗

1 常規(guī)處理手段

近年來(lái)，反沖洗清洗維護(hù)方法得到普遍推廣，該方法針對(duì)板式換熱器的結(jié)構(gòu)特征，有效解決了設(shè)備堵塞和結(jié)垢問(wèn)題。如圖2 所示，通過(guò)高壓水的作用，借助勢(shì)能反向沖洗板式換熱器的結(jié)垢，使污垢從板片上清除并隨著系統(tǒng)循環(huán)作用流出。換熱站的反沖洗清洗操作步驟如下：

圖2 對(duì)換熱器進(jìn)行手動(dòng)反清洗

1）打開(kāi)換熱器排污系統(tǒng)中的排污閥門(mén)。

2）關(guān)閉熱源水閥門(mén)和用戶(hù)供熱水閥門(mén)。

3）打開(kāi)反清洗清水閥門(mén)，利用高壓清水將換熱器換熱通道內(nèi)的污垢沖刷掉，并從排污口排出，當(dāng)排出的水不再包含雜質(zhì)后，關(guān)閉反清洗閥門(mén)，然后再關(guān)閉排污閥門(mén)。

4）開(kāi)啟熱水閥門(mén)，重新將熱水注入板式換熱器中，開(kāi)啟用戶(hù)供熱閥門(mén)，使換熱器投入工作。

2 存在的問(wèn)題

由于板式換熱器的通道較窄，需要增加清洗頻次，以保證換熱溫度的穩(wěn)定。反清洗操作由工人手動(dòng)依次開(kāi)啟、關(guān)閉4 個(gè)閥門(mén)完成。反清洗結(jié)束后，需要對(duì)以上閥門(mén)進(jìn)行反向操作，使換熱器重新投入運(yùn)行。以清洗單個(gè)換熱器為例，工人需要1.5～2 min（因職工體力等原因）才能打開(kāi)或關(guān)閉一個(gè)閥門(mén)，僅開(kāi)、關(guān)閥門(mén)就需要12～16 min，整個(gè)流程需要25～30 min。換熱站有8 個(gè)換熱器，如果將所有換熱器進(jìn)行一次反清洗，需要近3 h。經(jīng)觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，換熱器在運(yùn)行2 h 后，供熱溫度下降10%，而且隨著時(shí)間的推移，供熱溫度會(huì)出現(xiàn)加速下降。為了保證換熱效率，需要每隔2 h 對(duì)換熱器進(jìn)行一次反清洗操作。由于換熱站是單人單崗位，僅進(jìn)行反清洗就花費(fèi)職工大量的時(shí)間和精力，而且在反清洗過(guò)程中，一旦閥門(mén)開(kāi)關(guān)順序有誤，將造成熱水溢出，帶來(lái)燒燙傷的風(fēng)險(xiǎn)。

表1 改造前反清洗用時(shí)統(tǒng)計(jì) 單位：min

3 自動(dòng)反清洗方案

基于PLC 控制的自動(dòng)反清洗系統(tǒng)硬件包括西門(mén)子S7-200 SMART、24 V 直流中間繼電器、接觸器和電動(dòng)閥門(mén)等，采用Step7、WinCC 和SQLServer 等軟件,可以通過(guò)程序邏輯控制現(xiàn)場(chǎng)閥門(mén)，進(jìn)行自動(dòng)反清洗操作。自動(dòng)反清洗系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔和換熱器狀態(tài)，自動(dòng)發(fā)出反清洗指令，控制閥門(mén)的開(kāi)閉，完成反清洗過(guò)程。與手動(dòng)清洗相比，自動(dòng)反清洗系統(tǒng)的準(zhǔn)確性更高、反應(yīng)速度更快、操作更安全。此外，該系統(tǒng)還可以記錄每次反清洗操作的時(shí)間和結(jié)果，并可自動(dòng)報(bào)警，提高了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，減少了人工干預(yù)的風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)反清洗閥門(mén)進(jìn)行改造，將手動(dòng)閥門(mén)升級(jí)為電動(dòng)閥門(mén)，通過(guò)繼電器控制閥門(mén)開(kāi)關(guān)。然后，利用西門(mén)子S7-200 SMART 編程軟件Step7 和WinCC，可以通過(guò)上、下位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)換熱器反沖洗閥的控制，整個(gè)反沖洗過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

4 具體實(shí)施

1）選取適當(dāng)型號(hào)的電動(dòng)閥門(mén)，適配反沖洗閥門(mén)的尺寸和特點(diǎn)。

2）根據(jù)電動(dòng)閥門(mén)的接線(xiàn)方式和控制要求，設(shè)計(jì)繼電器電路和配電盤(pán)布局，并安裝電動(dòng)閥門(mén)和繼電器及其周邊設(shè)備。

3）使用S7-200 SMART 編程軟件Step7，編寫(xiě)PLC 程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)閥門(mén)的控制邏輯。根據(jù)需要設(shè)置反沖洗時(shí)間間隔和閥門(mén)開(kāi)閉時(shí)間等參數(shù)，保證反沖洗效果并避免過(guò)度損耗。

4）配合WinCC 人機(jī)界面軟件，設(shè)計(jì)反沖洗操作界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)反沖洗閥門(mén)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制。該界面應(yīng)包括反沖洗狀態(tài)顯示、反沖洗計(jì)劃設(shè)置和反沖洗啟停控制等功能，方便操作和管理。

5）將程序下載到PLC 控制器中，并進(jìn)行調(diào)試和測(cè)試。根據(jù)實(shí)際情況對(duì)程序進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，提高反沖洗效率和可靠性。

通過(guò)上述步驟，可以將反沖洗閥門(mén)升級(jí)為電動(dòng)閥門(mén)，并利用S7-200 SMART 編程軟件Step7 和WinCC實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，提高換熱器的效率和安全性。

5 測(cè)試

對(duì)自動(dòng)反清洗系統(tǒng)進(jìn)行單元測(cè)試、集成測(cè)試和系統(tǒng)測(cè)試。

1）單元測(cè)試：對(duì)系統(tǒng)中的各個(gè)模塊或組件進(jìn)行獨(dú)立測(cè)試，以驗(yàn)證其功能是否正確。例如，可以對(duì)PLC控制程序的各個(gè)函數(shù)進(jìn)行測(cè)試，檢查其是否能夠按預(yù)期運(yùn)行，并產(chǎn)生正確的結(jié)果。還可以對(duì)閥門(mén)控制電路進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)是否符合要求。在單元測(cè)試中通常使用模擬器或其他仿真工具來(lái)模擬實(shí)際操作環(huán)境。

2）集成測(cè)試：將已經(jīng)通過(guò)單元測(cè)試的模塊或組件組合起來(lái)進(jìn)行測(cè)試，以驗(yàn)證模塊或組件之間的接口和交互是否正確。例如，可以將PLC 控制程序和人機(jī)界面軟件集成起來(lái)進(jìn)行測(cè)試，檢查二者之間的通信是否正常，并確保用戶(hù)界面能夠正確地顯示反沖洗狀態(tài)和相關(guān)信息。

3）系統(tǒng)測(cè)試：對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行全面測(cè)試，以驗(yàn)證其功能和性能是否符合需求和規(guī)范。例如，可以對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性和靈敏度等方面進(jìn)行測(cè)試，以確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、準(zhǔn)確地執(zhí)行反沖洗操作，并能有效地監(jiān)測(cè)和響應(yīng)異常情況。

在測(cè)試過(guò)程中，需要編寫(xiě)詳細(xì)的測(cè)試計(jì)劃和測(cè)試用例，并記錄測(cè)試結(jié)果和缺陷報(bào)告。對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題和缺陷，需要及時(shí)進(jìn)行修復(fù)和改進(jìn)，并重新進(jìn)行測(cè)試，直至滿(mǎn)足要求為止。通過(guò)單元、集成和系統(tǒng)測(cè)試，可以提高自動(dòng)反清洗系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，減少系統(tǒng)故障和安全風(fēng)險(xiǎn)。

6 創(chuàng)新點(diǎn)

1）整個(gè)反清洗過(guò)程均由PLC 自動(dòng)控制系統(tǒng)完成，有效減輕了職工作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也可規(guī)避職工現(xiàn)場(chǎng)操作所帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2）可以靈活設(shè)置清洗的時(shí)間和間隔時(shí)間，提高換熱器的換熱效率，提高供熱溫度。改造后，反清洗用時(shí)大大縮短，如表2 所示。

表2 改造后反清洗耗時(shí)統(tǒng)計(jì) 單位：s

7 結(jié)論

反沖洗清洗方法可有效去除板面的污垢和雜質(zhì)，能夠顯著提高傳熱效率，并降低能耗。此外，基于電動(dòng)閥的自動(dòng)控制系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化了維護(hù)工作，并降低了人工成本。本研究為板式換熱器維護(hù)中反沖洗清洗方法的實(shí)施提供了實(shí)用指南，突出了其優(yōu)勢(shì)和潛在應(yīng)用。