一种钢铁厂高炉冲渣水换热站自动控制方法

王延明

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司能源与环境部，河北唐山 063200）

引言

随着钢铁厂节能环保、资源利用要求不断提高，高效率能源优化利用、发展循环经济、余热资源利用已成为钢铁厂发展的趋势[1]。钢铁厂生产用能中70%会转化为为余热资源，其中冲渣是目前炼铁工序采用的主要生产工艺，在炉内1000多度高温的影响下，冲渣水的温度较高。现阶段大数钢铁厂已经对高温高压余热进行了回收，取得了巨大的经济和环境效益。为充分利用首钢京唐公司高炉冲渣水的热能资源，在高炉附近配套2座冲渣水换热站，用于在冬季为附近用户供暖。

1 冲渣水换热站工艺介绍

首钢京唐公司冲渣水换热系统将冲渣水和取暖水直接隔开，避免了取暖用户的采暖设备堵塞，备用的蒸汽换热系统及时解决冲渣水出现故障时的供暖问题。其中高炉冲渣水系统设有两套出渣口，为满足余热全部回收的要求，在高炉两套出渣口处分别设置一座冲渣水换热站。在上冷塔前将冲渣水接入冲渣水换热站入口，经过与采暖水换热完成后，再由出口排出后接入冷塔，并循环利用；来自蒸汽换热站的采暖水进入冲渣水换热站，与冲渣水充分换热后，从出口流出送往外部用户[2]。具体的工艺流程图如图1所示：

图1 冲渣水换热站工艺流程

以上工艺存在下列问题。（1）冲渣水水温波动较大，并且水温调节滞后。（2）如果冲渣水管道循环回路漏水发现不及时，容易造成冲渣供水不足，影响高炉的正常生产。（3）如果切换阀门操作不及时，会造成两座冲渣水站串水的现象，对高炉生产造成影响。（4）由于冲渣时间、流量大小存在不确定性，很难达到预想的效果。

综上所述，常规的人工控制难以达到预期的换热效果。为此，尝试运用新方法对冲渣换热过程进行有效的控制，以达到稳定生产和节能降耗的目的。

2 控制方法

根据首钢京唐公司高炉及冲渣水换热站运行工艺特点，1#/2#两座冲渣水余热回收系统单独设置PLC 过程室，通过交换机等网络设备将1#、2#站工艺数据集中到能源运行中心进行监控。其中整体架构采用数据采集、数据传输、工艺优化三层网络结构，软件部分采用西门子的PCS7系统实现系统组态、数据采集。同时，控制系统根据设定的切换条件，自动切换换热机组的启停、系统的换热时间等，最大程度降低能耗[3]。

2.1 控制系统

具体的控制系统如图2所示。

图2 冲渣水换热站控制系统图

2.2 控制方法

建立一种钢铁厂高炉冲渣水换热系统自动控制方法，包括：该方法基于钢铁厂统一的时钟信号之下运行；读取1#/2#冲渣水站出口压力/温度及换热机组入口压力，然后根据设定的换热判定条件，判定是否达到换热的条件；如果达到条件，则打开1#/2#冲渣水出口及回水阀门，此时换热机组开始工作；然后间隔规定时间根据设定的切换判定条件，判定是否达到切换换热的条件；如果达到条件，换热机组停止运行；然后按规定时间进行下次换热运行。其中统一的时钟信号为能源对时系统提供的IRIG-B和SNTP时间基准信号。具体的自动控制方法如图3所示。

图3 高炉冲渣水站自动控制方法工艺步骤

该方法的创新点：（1）该方法可有效优化冲渣水换热系统的运行方式，提高冲渣水的利用率，大幅降低能源消耗。（2）该方法可对冲渣水换热系统温度等级进行精确调控，保证各用户稳定生产。（3）该方法可以减少冲渣水换热系统阀门等设备的启停次数，降低换热装置及阀门的磨损，便于冲渣水换热系统的维护，延长设备的使用寿命。（4）该方法可根据历史数据对冲渣换热系统的使用进行预测，为操作人员提供有效的帮助。（5）该方法采用钢铁厂统一的时钟基准信号，实现工艺数据的精确计量。

2.3 实现步骤

冲渣水换热站自动控制方法实现步骤如下：

步骤1：完成各设备的时钟统一，利用所述能源对时系统为各设备授时。其中所述的温度、压力、阀门阀位等均基于能源对时系统提供SNTP 时钟信号，阀门的打开/关闭、机组的加/卸载等操作时间均取自能源对时系统所提供的IRIG-B时钟信号。

步骤2：读取1#/2#冲渣水站出口压力/温度及换热机组入口压力，并根据设定的换热判定条件，判定是否达到换热的条件。

首先，两个冲渣水站换热不能同时进行，否则会造成串水的现象，对高炉生产造成较大影响。然后，如果1#冲渣水站出口温度≥60 ℃，并且1#出口压力≥0.1 MPa，并且1#、2#、3#换热器机组入口压力≤0.1 MPa（必须两台换热器达到设定条件），并且1#/2#冲渣水站出口阀门及回水阀门均为关闭状态，而且还需结合高炉冲渣水站的工况、检修等因素进行综合判定，则打开1#冲渣水站配套的回水阀门，同时三台换热机组开始加载，进入工作状态。1 min后，打开1#冲渣水配套的出口阀门，利用1#冲渣水站进行换热操作；如果2#冲渣水站出口温度≥60 ℃，并且2#出口压力≥0.1 MPa，并且1#、2#、3#换热器机组入口压力≤0.1 MPa（必须两台换热器达到设定条件），并且1#/2#冲渣水站出口阀门及回水阀门均为关闭状态，而且还需结合高炉冲渣水站的工况、检修等因素进行综合判定，则利用2#冲渣水站进行换热操作。打开2#冲渣水站配套的回水阀门，同时三台换热机组开始加载，进入工作状态，1 min后，打开2#冲渣水配套的出口阀门，利用2#冲渣水站进行换热操作；最后，换热机组开始进行换热操作。

步骤3：间隔设定时间根据设定的切换判定条件，判定是否达到切换换热的条件。切换换热的条件为：

1)如果1#冲渣水站配套出水、回水阀门处于打开状态，并且1#、2#冲渣水站出口温度≤60 ℃，并且1#、2#出口压力≤0.1 MPa，1#、2#、3#换热器机组回水压力≥0.1 MPa（必须两台换热器达到设定条件），1#冲渣水站出口阀门及回水阀门处于打开状态。

2)如果2#冲渣水站配套出水、回水阀门处于打开状态，并且1#、2#冲渣水站出口温度≤60 ℃，1#、2#出口压力≤0.1 MPa，1#、2#、3#换热器机组回水压力≥0.1 MPa（必须两台换热器达到设定条件），2#冲渣水站出口阀门及回水阀门处于打开状态,最后还需结合高炉冲渣水站的工况、检修等因素进行综合判定。

如果达到切换换热的条件，则换热机组卸载并停止换热操作，所有阀门关闭。

步骤4：间隔设定时间进行下次换热运行，主要在于重新判断是否达到换热的判定条件，从而进行下一个换热流程。

该控制方法可提高整个冲渣水 换热过程中余热的利用率，以保证整个系统的最佳工况。同时将冲渣水换热与生产管理紧密结合，实现冲渣水换热过程工艺数据的实时采集与处理，最终为管理者提供可靠的决策依据。

3 应用效果

该自动控制方法采集信息实时性较强、可靠性较好，节能效果显著。应用系统后，见图2。2 座冲渣水换热站实现自动切换运行。降低了工作人员的工作强度，最大程度上避免了故障的发生[4]。

图4 控制方法应用实例

实践应用证明，首钢京唐公司高炉冲渣水热能资源充足，采用本文提出的自动控制方法不仅可以全面提高余热利用效率、缩减供暖成本，还具有较为显著的社会和经济效益。

4 结束语

在节能减排的大趋势下，首钢京唐公司的冲渣水热能资源开发利用得到了重视。建立了高炉冲渣水换热系统自动控制方法，通过该方法，可以对冲渣水阀门进行科学的启停，对换热装置进行科学的加/卸载操作，实现了对冲渣水各阀门的精确控制，降低了冲渣水资源的浪费，更为充分的利用冲渣水的热能资源[5]。同时提高了钢铁厂高炉冲渣水站的运行效率，有助于提高钢铁厂的管理水平，增加公司的经济效益。