換熱站自動反清洗系統(tǒng)在長鋼公司的應用研究

胡博元，楊 濤，宣中忠

（首鋼長治鋼鐵有限公司煉鐵廠，山西 長治 046000）

0 引言

高溫熔渣是高爐煉鐵的附屬產物，經過水淬工藝處理后將產生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，可作為一種低溫廢熱源。通過回收利用該資源進行供熱，可以避免建設新鍋爐房，且不需煤場、灰渣場，從而減少土地占用面積。高爐沖渣的回收技術不僅能減少能源浪費，還能保護環(huán)境，因此，被廣泛應用于冶金企業(yè)。換熱站的工作原理是：沖渣熱水通過管道送到換熱站，經過過濾器過濾后進入換熱器內，通過換熱器的換熱，將沖渣水熱源交換到二次供熱管道內，二次供熱管道再引出至熱用戶。

長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備，由許多平行排列、波紋形狀的金屬板組成。流體通過這些板與另一種流體進行熱量傳遞，同時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，構成復雜的流道，波紋板的復雜結構使得流體在其間的流道內呈現旋轉三維流動，即所謂的湍流。由于這種湍流可以在較低的雷諾數下產生，因此，傳熱系數比一般的管殼式傳熱器高約3～5 倍。換熱站的熱源來自高爐沖渣水，而不同的高爐沖渣工藝會導致沖渣水的水質有很大的不同。總的來說，底濾法的水質最好，嘉恒法次之，平流法和因巴法（INBA）法的水質最為惡劣。而8 號高爐使用的正是平流法，因水質差，板式換熱器在運行一段時間后，就會出現結垢，并且在換熱過程中，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，進而使換熱器的傳熱系數不斷下降，嚴重時板片的通道將發(fā)生堵塞，熱源介質無法進入換熱器，換熱器通道將會被堵死。此時，只能將換熱器退出供熱序列，進行拆卸、清洗（見圖1）。但這個操作復雜，需要浪費大量人力和時間，在清洗過程中必須停止供熱，還可能出現流道錯位、板片變形、膠條老化速度加快或板間距變小等問題，從而縮短換熱器的使用壽命。

圖1 對換熱器進行拆卸清洗

1 常規(guī)處理手段

近年來，反沖洗清洗維護方法得到普遍推廣，該方法針對板式換熱器的結構特征，有效解決了設備堵塞和結垢問題。如圖2 所示，通過高壓水的作用，借助勢能反向沖洗板式換熱器的結垢，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 對換熱器進行手動反清洗

1）打開換熱器排污系統(tǒng)中的排污閥門。

2）關閉熱源水閥門和用戶供熱水閥門。

3）打開反清洗清水閥門，利用高壓清水將換熱器換熱通道內的污垢沖刷掉，并從排污口排出，當排出的水不再包含雜質后，關閉反清洗閥門，然后再關閉排污閥門。

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

2 存在的問題

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依次開啟、關閉4 個閥門完成。反清洗結束后，需要對以上閥門進行反向操作，使換熱器重新投入運行。以清洗單個換熱器為例，工人需要1.5～2 min（因職工體力等原因）才能打開或關閉一個閥門，僅開、關閥門就需要12～16 min，整個流程需要25～30 min。換熱站有8 個換熱器，如果將所有換熱器進行一次反清洗，需要近3 h。經觀察發(fā)現，換熱器在運行2 h 后，供熱溫度下降10%，而且隨著時間的推移，供熱溫度會出現加速下降。為了保證換熱效率，需要每隔2 h 對換熱器進行一次反清洗操作。由于換熱站是單人單崗位，僅進行反清洗就花費職工大量的時間和精力，而且在反清洗過程中，一旦閥門開關順序有誤，將造成熱水溢出，帶來燒燙傷的風險。

表1 改造前反清洗用時統(tǒng)計 單位：min

3 自動反清洗方案

基于PLC 控制的自動反清洗系統(tǒng)硬件包括西門子S7-200 SMART、24 V 直流中間繼電器、接觸器和電動閥門等，采用Step7、WinCC 和SQLServer 等軟件,可以通過程序邏輯控制現場閥門，進行自動反清洗操作。自動反清洗系統(tǒng)可根據預設的時間間隔和換熱器狀態(tài)，自動發(fā)出反清洗指令，控制閥門的開閉，完成反清洗過程。與手動清洗相比，自動反清洗系統(tǒng)的準確性更高、反應速度更快、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間和結果，并可自動報警，提高了設備運行的穩(wěn)定性和可靠性，減少了人工干預的風險。

對反清洗閥門進行改造，將手動閥門升級為電動閥門，通過繼電器控制閥門開關。然后，利用西門子S7-200 SMART 編程軟件Step7 和WinCC，可以通過上、下位機實現對換熱器反沖洗閥的控制，整個反沖洗過程實現自動化。

4 具體實施

1）選取適當型號的電動閥門，適配反沖洗閥門的尺寸和特點。

2）根據電動閥門的接線方式和控制要求，設計繼電器電路和配電盤布局，并安裝電動閥門和繼電器及其周邊設備。

3）使用S7-200 SMART 編程軟件Step7，編寫PLC 程序，實現對電動閥門的控制邏輯。根據需要設置反沖洗時間間隔和閥門開閉時間等參數，保證反沖洗效果并避免過度損耗。

4）配合WinCC 人機界面軟件，設計反沖洗操作界面，實現對反沖洗閥門的遠程監(jiān)控和控制。該界面應包括反沖洗狀態(tài)顯示、反沖洗計劃設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，并進行調試和測試。根據實際情況對程序進行優(yōu)化和改進，提高反沖洗效率和可靠性。

通過上述步驟，可以將反沖洗閥門升級為電動閥門，并利用S7-200 SMART 編程軟件Step7 和WinCC實現自動化控制，提高換熱器的效率和安全性。

5 測試

對自動反清洗系統(tǒng)進行單元測試、集成測試和系統(tǒng)測試。

1）單元測試：對系統(tǒng)中的各個模塊或組件進行獨立測試，以驗證其功能是否正確。例如，可以對PLC控制程序的各個函數進行測試，檢查其是否能夠按預期運行，并產生正確的結果。還可以對閥門控制電路進行測試，驗證電路設計是否符合要求。在單元測試中通常使用模擬器或其他仿真工具來模擬實際操作環(huán)境。

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

3）系統(tǒng)測試：對整個系統(tǒng)進行全面測試，以驗證其功能和性能是否符合需求和規(guī)范。例如，可以對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性和靈敏度等方面進行測試，以確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、準確地執(zhí)行反沖洗操作，并能有效地監(jiān)測和響應異常情況。

在測試過程中，需要編寫詳細的測試計劃和測試用例，并記錄測試結果和缺陷報告。對發(fā)現的問題和缺陷，需要及時進行修復和改進，并重新進行測試，直至滿足要求為止。通過單元、集成和系統(tǒng)測試，可以提高自動反清洗系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，減少系統(tǒng)故障和安全風險。

6 創(chuàng)新點

1）整個反清洗過程均由PLC 自動控制系統(tǒng)完成，有效減輕了職工作業(yè)的勞動強度，同時也可規(guī)避職工現場操作所帶來的安全風險。

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

表2 改造后反清洗耗時統(tǒng)計 單位：s

7 結論

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