一種鋼鐵廠高爐沖渣水換熱站自動控制方法

王延明

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司能源與環境部，河北唐山 063200）

引言

隨著鋼鐵廠節能環保、資源利用要求不斷提高，高效率能源優化利用、發展循環經濟、余熱資源利用已成為鋼鐵廠發展的趨勢[1]。鋼鐵廠生產用能中70%會轉化為為余熱資源，其中沖渣是目前煉鐵工序采用的主要生產工藝，在爐內1000多度高溫的影響下，沖渣水的溫度較高。現階段大數鋼鐵廠已經對高溫高壓余熱進行了回收，取得了巨大的經濟和環境效益。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將沖渣水和取暖水直接隔開，避免了取暖用戶的采暖設備堵塞，備用的蒸汽換熱系統及時解決沖渣水出現故障時的供暖問題。其中高爐沖渣水系統設有兩套出渣口，為滿足余熱全部回收的要求，在高爐兩套出渣口處分別設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，經過與采暖水換熱完成后，再由出口排出后接入冷塔，并循環利用；來自蒸汽換熱站的采暖水進入沖渣水換熱站，與沖渣水充分換熱后，從出口流出送往外部用戶[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題。（1）沖渣水水溫波動較大，并且水溫調節滯后。（2）如果沖渣水管道循環回路漏水發現不及時，容易造成沖渣供水不足，影響高爐的正常生產。（3）如果切換閥門操作不及時，會造成兩座沖渣水站串水的現象，對高爐生產造成影響。（4）由于沖渣時間、流量大小存在不確定性，很難達到預想的效果。

綜上所述，常規的人工控制難以達到預期的換熱效果。為此，嘗試運用新方法對沖渣換熱過程進行有效的控制，以達到穩定生產和節能降耗的目的。

2 控制方法

根據首鋼京唐公司高爐及沖渣水換熱站運行工藝特點，1#/2#兩座沖渣水余熱回收系統單獨設置PLC 過程室，通過交換機等網絡設備將1#、2#站工藝數據集中到能源運行中心進行監控。其中整體架構采用數據采集、數據傳輸、工藝優化三層網絡結構，軟件部分采用西門子的PCS7系統實現系統組態、數據采集。同時，控制系統根據設定的切換條件，自動切換換熱機組的啟停、系統的換熱時間等，最大程度降低能耗[3]。

2.1 控制系統

具體的控制系統如圖2所示。

圖2 沖渣水換熱站控制系統圖

2.2 控制方法

建立一種鋼鐵廠高爐沖渣水換熱系統自動控制方法，包括：該方法基于鋼鐵廠統一的時鐘信號之下運行；讀取1#/2#沖渣水站出口壓力/溫度及換熱機組入口壓力，然后根據設定的換熱判定條件，判定是否達到換熱的條件；如果達到條件，則打開1#/2#沖渣水出口及回水閥門，此時換熱機組開始工作；然后間隔規定時間根據設定的切換判定條件，判定是否達到切換換熱的條件；如果達到條件，換熱機組停止運行；然后按規定時間進行下次換熱運行。其中統一的時鐘信號為能源對時系統提供的IRIG-B和SNTP時間基準信號。具體的自動控制方法如圖3所示。

圖3 高爐沖渣水站自動控制方法工藝步驟

該方法的創新點：（1）該方法可有效優化沖渣水換熱系統的運行方式，提高沖渣水的利用率，大幅降低能源消耗。（2）該方法可對沖渣水換熱系統溫度等級進行精確調控，保證各用戶穩定生產。（3）該方法可以減少沖渣水換熱系統閥門等設備的啟停次數，降低換熱裝置及閥門的磨損，便于沖渣水換熱系統的維護，延長設備的使用壽命。（4）該方法可根據歷史數據對沖渣換熱系統的使用進行預測，為操作人員提供有效的幫助。（5）該方法采用鋼鐵廠統一的時鐘基準信號，實現工藝數據的精確計量。

2.3 實現步驟

沖渣水換熱站自動控制方法實現步驟如下：

步驟1：完成各設備的時鐘統一，利用所述能源對時系統為各設備授時。其中所述的溫度、壓力、閥門閥位等均基于能源對時系統提供SNTP 時鐘信號，閥門的打開/關閉、機組的加/卸載等操作時間均取自能源對時系統所提供的IRIG-B時鐘信號。

步驟2：讀取1#/2#沖渣水站出口壓力/溫度及換熱機組入口壓力，并根據設定的換熱判定條件，判定是否達到換熱的條件。

首先，兩個沖渣水站換熱不能同時進行，否則會造成串水的現象，對高爐生產造成較大影響。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#換熱器機組入口壓力≤0.1 MPa（必須兩臺換熱器達到設定條件），并且1#/2#沖渣水站出口閥門及回水閥門均為關閉狀態，而且還需結合高爐沖渣水站的工況、檢修等因素進行綜合判定，則打開1#沖渣水站配套的回水閥門，同時三臺換熱機組開始加載，進入工作狀態。1 min后，打開1#沖渣水配套的出口閥門，利用1#沖渣水站進行換熱操作；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#換熱器機組入口壓力≤0.1 MPa（必須兩臺換熱器達到設定條件），并且1#/2#沖渣水站出口閥門及回水閥門均為關閉狀態，而且還需結合高爐沖渣水站的工況、檢修等因素進行綜合判定，則利用2#沖渣水站進行換熱操作。打開2#沖渣水站配套的回水閥門，同時三臺換熱機組開始加載，進入工作狀態，1 min后，打開2#沖渣水配套的出口閥門，利用2#沖渣水站進行換熱操作；最后，換熱機組開始進行換熱操作。

步驟3：間隔設定時間根據設定的切換判定條件，判定是否達到切換換熱的條件。切換換熱的條件為：

1)如果1#沖渣水站配套出水、回水閥門處于打開狀態，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#換熱器機組回水壓力≥0.1 MPa（必須兩臺換熱器達到設定條件），1#沖渣水站出口閥門及回水閥門處于打開狀態。

2)如果2#沖渣水站配套出水、回水閥門處于打開狀態，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#換熱器機組回水壓力≥0.1 MPa（必須兩臺換熱器達到設定條件），2#沖渣水站出口閥門及回水閥門處于打開狀態,最后還需結合高爐沖渣水站的工況、檢修等因素進行綜合判定。

如果達到切換換熱的條件，則換熱機組卸載并停止換熱操作，所有閥門關閉。

步驟4：間隔設定時間進行下次換熱運行，主要在于重新判斷是否達到換熱的判定條件，從而進行下一個換熱流程。

該控制方法可提高整個沖渣水 換熱過程中余熱的利用率，以保證整個系統的最佳工況。同時將沖渣水換熱與生產管理緊密結合，實現沖渣水換熱過程工藝數據的實時采集與處理，最終為管理者提供可靠的決策依據。

3 應用效果

該自動控制方法采集信息實時性較強、可靠性較好，節能效果顯著。應用系統后，見圖2。2 座沖渣水換熱站實現自動切換運行。降低了工作人員的工作強度，最大程度上避免了故障的發生[4]。

圖4 控制方法應用實例

實踐應用證明，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和經濟效益。

4 結束語

在節能減排的大趨勢下，首鋼京唐公司的沖渣水熱能資源開發利用得到了重視。建立了高爐沖渣水換熱系統自動控制方法，通過該方法，可以對沖渣水閥門進行科學的啟停，對換熱裝置進行科學的加/卸載操作，實現了對沖渣水各閥門的精確控制，降低了沖渣水資源的浪費，更為充分的利用沖渣水的熱能資源[5]。同時提高了鋼鐵廠高爐沖渣水站的運行效率，有助于提高鋼鐵廠的管理水平，增加公司的經濟效益。