高炉冲渣水余热供暖监控系统设计

许丽丽，周扬民，罗思义，李 超，仪垂杰

(青岛理工大学能源与环境装备技术研究中心，山东青岛 266033)

高炉渣是钢铁生产过程所产生的副产品之一，也是一种具有利用价值的二次资源。目前高炉渣主要以一种材料的形式加以利用，对液态高炉渣所含的丰富热量却没有进行充分利用［1］。其工艺水平存在着严重的余热浪费和有害气体排放。如果建筑小区位于高炉冲渣水余热供暖经济范围之内，回收高炉冲渣水余热向小区供暖，是一个建筑节能减排的最佳选择。对高炉冲渣水余热进行回收，不但可以解决钢厂附近供暖的热源问题，还可以减少冲渣水的消耗，具有一定的社会经济效益。

目前高炉渣余热利用监控方面，缺乏专业的监控管理软件，一般采用传统的工业控制结构，不能对系统的工艺过程及结果进行分析。鉴于此，开发了一套软硬件平台系统，对换热工艺的关键回路及主要工艺参数，进行实时采集和动态跟踪监视。通过该系统可以监测系统的运行状态，提高整个换热过程中热量的利用效率，以保证系统在最优工况下运行，同时将生产过程系统与管理系统紧密结合，实现生产过程实时信息与管理的集成，为管理决策层提供可靠的决策证据［2］。

1 系统组成

1.1 工艺流程简介

实验系统一次冲渣水和二次供暖循环水设计流量均为30 m3/h，其工艺流程如下:渣浆泵从吸水池中抽取冲渣水，经全自动反洗纤维过滤器过滤、自清洁板式冲渣水换热器换热，最终排入沉淀池;清水泵将采暖回水管道二次循环水加压后，进入自清洗板式冲渣水换热器换热后，进入采暖供水管道供暖。

1.2 测试系统

实验测试系统由数据采集、信息管理、过程优化3部分组成，能够实时监测过滤器的工作压力、流量和换热器的一、二次进出水温度、压力、流量等关键参数，并能对过滤器和换热器的性能进行分析和优化控制，如图1所示。系统所要实现的控制功能如下:一次循环水渣浆泵变频，改变渣浆泵电机转速，从而改变过滤器、换热器渣水流量，保证二次供暖循环换热器出水温度;二次泵变频调节水泵电机转速，改变换热器进水流量，模拟散热器末端用户的变流量供暖工况;实时检测过滤器纤维束滤芯前后段压差，达到设定压差值后，过滤器电动调节阀动作，切换过滤器渣水进出口，一次循环供暖泵停泵，反冲洗渣浆泵打开，对过滤器进行反冲洗;对过滤器进出口渣水、换热器进出口供暖水温度实时监测，分析过滤器、换热器热损失;风机变频调节风速，改变散热器的散热量，从而改变换热器回水温度，用于模拟一天24 h温度变化。

图1 高炉冲渣水余热供暖实验测试系统示意图

1.3 温度测量

温度测量采用济南华兴仪表研究所的HWB型，铂电阻，－150～1300℃，0.5级。测量元件的感温点应位于管道中心。测量元件的安装点与被测板式换热器进出口法兰面的距离应≤150 mm。测温点的上下游各300 mm内与测温点之间管线，应保温良好。

1.4 流量测量

流量测量采用青岛爱科仪器仪表有限公司生产的电磁流量计 HXLDE－65－11300－1.6－60，0.5级。流量计应安装在水平直管段，上游直管段长度应≥20倍管径，下游直管长度应≥15倍管径。

1.5 压力测量

压力测量采用1151系列电容式变送器，0.25级。静压测量孔应位于距离任何扰动区域下游至少5倍管径，上游至少2倍管径处。

1.6 系统其他组件

系统除需各测量仪表外，还须有循环泵、变频器、套管式加热器、温度控制仪、不锈钢蝶阀电动及球阀、电控箱等，以保实验系统正常稳定运行

2 测试系统监控功能的实现

2.1 系统网络拓扑结构

Siemens公司S7系列PLC网络，如图2所示，采用3级总线复合型结构，最底一级为远程I/O链路，负责与现场设备通信，在远程I/O链路中配置周期I/O通信机制。中间一级为PROFIBUS现场总线或主从式多点链路，前者是一种新型现场总线，可承担现场、控制、监控三级通信，采用令牌方式与主从轮询相结合的存取控制方式;后者是一种主从式总线，采用主从轮询式通信。最高一级为工业以太网，负责传送生产信息管理，并向用户提供TF接口，实现AP协议与MMS协议。

图2 系统网络拓扑结构

2.2 系统软件平台构架

软件结构主要包括两部分:可编程控制器编程及上位机程序。下位机软件选用Step7实现数据采集及相关工艺控制功能;上位机软件选用Wincc实现系统工艺组态，主要实现现场数据的显示，指令的下达，选用Delphi，Asp.net软件实现了数据管理功能。整个系统共有AI/AO几百余点、DI/DO几百余点、PID调节回路及若干个内部变量的运算。

图3 系统软件构架图

2.3 数据管理功能的实现

以Delphi，Asp等为开发工具，实现历史数据的上传、查询报表、指标分析和历史曲线等功能。根据系统要求，其功能结构如图4所示。

图4 系统结构功能图

以报表功能的实现为例，简单说明其实现过程。有两种方法可以实现报表:(1)利用Delphi自带的Rave软件包设计报表。(2)利用Ole技术结合Excel实现报表。利用Rave报表，设计的报表样式较为呆板，而且当报表生成后用户不能根据报表内容进行调整，特别是当数据宽度超过表格宽度时往往造成无法打印的情况。Excel在设计各种复杂表格方面有强大的功能。所以选用 Ole+Delphi设计报表系统，把Excel与Delphi的功能结合起来，生成满足用户要求且可以自由修改的报表系统［3］。

图5 系统温度变化曲线图

3 实验结果分析

系统测试温度变化曲线如图5所示，顺利实现了对现场流量、温度、压力等模拟信号的采集处理和电动调节阀、变频器的控制。I/O前端模块可以保证4～20 mA模拟信号的正确输入输出，也可以实现RS232和RS485电平的转换，同时还能和组态王进行正常通信。主界面可以正常启动和运行，可以正常显示现场信息，能够观察实时曲线，实现对电动调节阀、给水泵和补水泵的控制。通过对系统长达10天的手动操作和自动监控实验对比，系统运行检测结果显示:换热器出口温度能够跟踪上设定值的变化，控制精度＜1℃;循环水泵电能节能30%以上。

4 结束语

系统采集信息实时性强、自动化程度高、可靠性好，应用系统后，冲渣水余热供暖系统可实现远程监控。通过二次仪表和工控机，工人在控制室就能完全获得系统运行的实时情况。从而降低了工作强度，最大程度上避免了故障的发生。由于可编程序控制器、变频器和自动阀门的搭配使用，系统的自动化程度得以提高，当某些参数变化时，系统可自动分析，并按预定程序做出相应的控制，系统的可靠性和自动化运行程度大大提高，节能效果显著。

［1］ 闫兆民，周扬民.高炉渣综合利用现状及发展趋势［J］.钢铁研究，2010，32(5):155 －160.

［2］ 刘尊民.油田联合站自动化监测与信息管理系统的设计与实现［D］.青岛:青岛理工大学，2007.

［3］ 朱松豪，刘巧英.Delphi动态报表的设计与实现［J］.计算机应用与软件，2005(12):87－90.

［4］ 王怡，赵菁，文时祥.指针式仪表数据智能采集系统设计［J］.电子科技，2011，24(3):17 －21.

［5］ 朱国峰，邢冠宇.基于Blackfin DSD的液晶接口设计［J］.电子科技，2010，23(10):57－59.