一種鋼鐵廠(chǎng)高爐沖渣水換熱站自動(dòng)控制方法

王延明

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司能源與環(huán)境部，河北唐山 063200）

引言

隨著鋼鐵廠(chǎng)節(jié)能環(huán)保、資源利用要求不斷提高，高效率能源優(yōu)化利用、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、余熱資源利用已成為鋼鐵廠(chǎng)發(fā)展的趨勢(shì)[1]。鋼鐵廠(chǎng)生產(chǎn)用能中70%會(huì)轉(zhuǎn)化為為余熱資源，其中沖渣是目前煉鐵工序采用的主要生產(chǎn)工藝，在爐內(nèi)1000多度高溫的影響下，沖渣水的溫度較高?，F(xiàn)階段大數(shù)鋼鐵廠(chǎng)已經(jīng)對(duì)高溫高壓余熱進(jìn)行了回收，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。為充分利用首鋼京唐公司高爐沖渣水的熱能資源，在高爐附近配套2座沖渣水換熱站，用于在冬季為附近用戶(hù)供暖。

1 沖渣水換熱站工藝介紹

首鋼京唐公司沖渣水換熱系統(tǒng)將沖渣水和取暖水直接隔開(kāi)，避免了取暖用戶(hù)的采暖設(shè)備堵塞，備用的蒸汽換熱系統(tǒng)及時(shí)解決沖渣水出現(xiàn)故障時(shí)的供暖問(wèn)題。其中高爐沖渣水系統(tǒng)設(shè)有兩套出渣口，為滿(mǎn)足余熱全部回收的要求，在高爐兩套出渣口處分別設(shè)置一座沖渣水換熱站。在上冷塔前將沖渣水接入沖渣水換熱站入口，經(jīng)過(guò)與采暖水換熱完成后，再由出口排出后接入冷塔，并循環(huán)利用；來(lái)自蒸汽換熱站的采暖水進(jìn)入沖渣水換熱站，與沖渣水充分換熱后，從出口流出送往外部用戶(hù)[2]。具體的工藝流程圖如圖1所示：

圖1 沖渣水換熱站工藝流程

以上工藝存在下列問(wèn)題。（1）沖渣水水溫波動(dòng)較大，并且水溫調(diào)節(jié)滯后。（2）如果沖渣水管道循環(huán)回路漏水發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，容易造成沖渣供水不足，影響高爐的正常生產(chǎn)。（3）如果切換閥門(mén)操作不及時(shí)，會(huì)造成兩座沖渣水站串水的現(xiàn)象，對(duì)高爐生產(chǎn)造成影響。（4）由于沖渣時(shí)間、流量大小存在不確定性，很難達(dá)到預(yù)想的效果。

綜上所述，常規(guī)的人工控制難以達(dá)到預(yù)期的換熱效果。為此，嘗試運(yùn)用新方法對(duì)沖渣換熱過(guò)程進(jìn)行有效的控制，以達(dá)到穩(wěn)定生產(chǎn)和節(jié)能降耗的目的。

2 控制方法

根據(jù)首鋼京唐公司高爐及沖渣水換熱站運(yùn)行工藝特點(diǎn)，1#/2#兩座沖渣水余熱回收系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)置PLC 過(guò)程室，通過(guò)交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將1#、2#站工藝數(shù)據(jù)集中到能源運(yùn)行中心進(jìn)行監(jiān)控。其中整體架構(gòu)采用數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、工藝優(yōu)化三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，軟件部分采用西門(mén)子的PCS7系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)組態(tài)、數(shù)據(jù)采集。同時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的切換條件，自動(dòng)切換換熱機(jī)組的啟停、系統(tǒng)的換熱時(shí)間等，最大程度降低能耗[3]。

2.1 控制系統(tǒng)

具體的控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 沖渣水換熱站控制系統(tǒng)圖

2.2 控制方法

建立一種鋼鐵廠(chǎng)高爐沖渣水換熱系統(tǒng)自動(dòng)控制方法，包括：該方法基于鋼鐵廠(chǎng)統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)之下運(yùn)行；讀取1#/2#沖渣水站出口壓力/溫度及換熱機(jī)組入口壓力，然后根據(jù)設(shè)定的換熱判定條件，判定是否達(dá)到換熱的條件；如果達(dá)到條件，則打開(kāi)1#/2#沖渣水出口及回水閥門(mén)，此時(shí)換熱機(jī)組開(kāi)始工作；然后間隔規(guī)定時(shí)間根據(jù)設(shè)定的切換判定條件，判定是否達(dá)到切換換熱的條件；如果達(dá)到條件，換熱機(jī)組停止運(yùn)行；然后按規(guī)定時(shí)間進(jìn)行下次換熱運(yùn)行。其中統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)為能源對(duì)時(shí)系統(tǒng)提供的IRIG-B和SNTP時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)。具體的自動(dòng)控制方法如圖3所示。

圖3 高爐沖渣水站自動(dòng)控制方法工藝步驟

該方法的創(chuàng)新點(diǎn)：（1）該方法可有效優(yōu)化沖渣水換熱系統(tǒng)的運(yùn)行方式，提高沖渣水的利用率，大幅降低能源消耗。（2）該方法可對(duì)沖渣水換熱系統(tǒng)溫度等級(jí)進(jìn)行精確調(diào)控，保證各用戶(hù)穩(wěn)定生產(chǎn)。（3）該方法可以減少?zèng)_渣水換熱系統(tǒng)閥門(mén)等設(shè)備的啟停次數(shù)，降低換熱裝置及閥門(mén)的磨損，便于沖渣水換熱系統(tǒng)的維護(hù)，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。（4）該方法可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)對(duì)沖渣換熱系統(tǒng)的使用進(jìn)行預(yù)測(cè)，為操作人員提供有效的幫助。（5）該方法采用鋼鐵廠(chǎng)統(tǒng)一的時(shí)鐘基準(zhǔn)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)的精確計(jì)量。

2.3 實(shí)現(xiàn)步驟

沖渣水換熱站自動(dòng)控制方法實(shí)現(xiàn)步驟如下：

步驟1：完成各設(shè)備的時(shí)鐘統(tǒng)一，利用所述能源對(duì)時(shí)系統(tǒng)為各設(shè)備授時(shí)。其中所述的溫度、壓力、閥門(mén)閥位等均基于能源對(duì)時(shí)系統(tǒng)提供SNTP 時(shí)鐘信號(hào)，閥門(mén)的打開(kāi)/關(guān)閉、機(jī)組的加/卸載等操作時(shí)間均取自能源對(duì)時(shí)系統(tǒng)所提供的IRIG-B時(shí)鐘信號(hào)。

步驟2：讀取1#/2#沖渣水站出口壓力/溫度及換熱機(jī)組入口壓力，并根據(jù)設(shè)定的換熱判定條件，判定是否達(dá)到換熱的條件。

首先，兩個(gè)沖渣水站換熱不能同時(shí)進(jìn)行，否則會(huì)造成串水的現(xiàn)象，對(duì)高爐生產(chǎn)造成較大影響。然后，如果1#沖渣水站出口溫度≥60 ℃，并且1#出口壓力≥0.1 MPa，并且1#、2#、3#換熱器機(jī)組入口壓力≤0.1 MPa（必須兩臺(tái)換熱器達(dá)到設(shè)定條件），并且1#/2#沖渣水站出口閥門(mén)及回水閥門(mén)均為關(guān)閉狀態(tài)，而且還需結(jié)合高爐沖渣水站的工況、檢修等因素進(jìn)行綜合判定，則打開(kāi)1#沖渣水站配套的回水閥門(mén)，同時(shí)三臺(tái)換熱機(jī)組開(kāi)始加載，進(jìn)入工作狀態(tài)。1 min后，打開(kāi)1#沖渣水配套的出口閥門(mén)，利用1#沖渣水站進(jìn)行換熱操作；如果2#沖渣水站出口溫度≥60 ℃，并且2#出口壓力≥0.1 MPa，并且1#、2#、3#換熱器機(jī)組入口壓力≤0.1 MPa（必須兩臺(tái)換熱器達(dá)到設(shè)定條件），并且1#/2#沖渣水站出口閥門(mén)及回水閥門(mén)均為關(guān)閉狀態(tài)，而且還需結(jié)合高爐沖渣水站的工況、檢修等因素進(jìn)行綜合判定，則利用2#沖渣水站進(jìn)行換熱操作。打開(kāi)2#沖渣水站配套的回水閥門(mén)，同時(shí)三臺(tái)換熱機(jī)組開(kāi)始加載，進(jìn)入工作狀態(tài)，1 min后，打開(kāi)2#沖渣水配套的出口閥門(mén)，利用2#沖渣水站進(jìn)行換熱操作；最后，換熱機(jī)組開(kāi)始進(jìn)行換熱操作。

步驟3：間隔設(shè)定時(shí)間根據(jù)設(shè)定的切換判定條件，判定是否達(dá)到切換換熱的條件。切換換熱的條件為：

1)如果1#沖渣水站配套出水、回水閥門(mén)處于打開(kāi)狀態(tài)，并且1#、2#沖渣水站出口溫度≤60 ℃，并且1#、2#出口壓力≤0.1 MPa，1#、2#、3#換熱器機(jī)組回水壓力≥0.1 MPa（必須兩臺(tái)換熱器達(dá)到設(shè)定條件），1#沖渣水站出口閥門(mén)及回水閥門(mén)處于打開(kāi)狀態(tài)。

2)如果2#沖渣水站配套出水、回水閥門(mén)處于打開(kāi)狀態(tài)，并且1#、2#沖渣水站出口溫度≤60 ℃，1#、2#出口壓力≤0.1 MPa，1#、2#、3#換熱器機(jī)組回水壓力≥0.1 MPa（必須兩臺(tái)換熱器達(dá)到設(shè)定條件），2#沖渣水站出口閥門(mén)及回水閥門(mén)處于打開(kāi)狀態(tài),最后還需結(jié)合高爐沖渣水站的工況、檢修等因素進(jìn)行綜合判定。

如果達(dá)到切換換熱的條件，則換熱機(jī)組卸載并停止換熱操作，所有閥門(mén)關(guān)閉。

步驟4：間隔設(shè)定時(shí)間進(jìn)行下次換熱運(yùn)行，主要在于重新判斷是否達(dá)到換熱的判定條件，從而進(jìn)行下一個(gè)換熱流程。

該控制方法可提高整個(gè)沖渣水 換熱過(guò)程中余熱的利用率，以保證整個(gè)系統(tǒng)的最佳工況。同時(shí)將沖渣水換熱與生產(chǎn)管理緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)沖渣水換熱過(guò)程工藝數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與處理，最終為管理者提供可靠的決策依據(jù)。

3 應(yīng)用效果

該自動(dòng)控制方法采集信息實(shí)時(shí)性較強(qiáng)、可靠性較好，節(jié)能效果顯著。應(yīng)用系統(tǒng)后，見(jiàn)圖2。2 座沖渣水換熱站實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換運(yùn)行。降低了工作人員的工作強(qiáng)度，最大程度上避免了故障的發(fā)生[4]。

圖4 控制方法應(yīng)用實(shí)例

實(shí)踐應(yīng)用證明，首鋼京唐公司高爐沖渣水熱能資源充足，采用本文提出的自動(dòng)控制方法不僅可以全面提高余熱利用效率、縮減供暖成本，還具有較為顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語(yǔ)

在節(jié)能減排的大趨勢(shì)下，首鋼京唐公司的沖渣水熱能資源開(kāi)發(fā)利用得到了重視。建立了高爐沖渣水換熱系統(tǒng)自動(dòng)控制方法，通過(guò)該方法，可以對(duì)沖渣水閥門(mén)進(jìn)行科學(xué)的啟停，對(duì)換熱裝置進(jìn)行科學(xué)的加/卸載操作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)沖渣水各閥門(mén)的精確控制，降低了沖渣水資源的浪費(fèi)，更為充分的利用沖渣水的熱能資源[5]。同時(shí)提高了鋼鐵廠(chǎng)高爐沖渣水站的運(yùn)行效率，有助于提高鋼鐵廠(chǎng)的管理水平，增加公司的經(jīng)濟(jì)效益。