换热站自动反清洗系统在长钢公司的应用研究

胡博元，杨 涛，宣中忠

（首钢长治钢铁有限公司炼铁厂，山西 长治 046000）

0 引言

高温熔渣是高炉炼铁的附属产物，经过水淬工艺处理后将产生70～90 ℃的高温冲渣水。高炉冲渣水由于具有温度稳定、流量大的特点，可作为一种低温废热源。通过回收利用该资源进行供热，可以避免建设新锅炉房，且不需煤场、灰渣场，从而减少土地占用面积。高炉冲渣的回收技术不仅能减少能源浪费，还能保护环境，因此，被广泛应用于冶金企业。换热站的工作原理是：冲渣热水通过管道送到换热站，经过过滤器过滤后进入换热器内，通过换热器的换热，将冲渣水热源交换到二次供热管道内，二次供热管道再引出至热用户。

长钢公司换热站使用的是板式换热器，板式换热器是一种高效的热交换设备，由许多平行排列、波纹形状的金属板组成。流体通过这些板与另一种流体进行热量传递，同时板间的波浪形状增加了热交换表面积，由于不同的波纹板相互倒置，构成复杂的流道，波纹板的复杂结构使得流体在其间的流道内呈现旋转三维流动，即所谓的湍流。由于这种湍流可以在较低的雷诺数下产生，因此，传热系数比一般的管壳式传热器高约3～5 倍。换热站的热源来自高炉冲渣水，而不同的高炉冲渣工艺会导致冲渣水的水质有很大的不同。总的来说，底滤法的水质最好，嘉恒法次之，平流法和因巴法（INBA）法的水质最为恶劣。而8 号高炉使用的正是平流法，因水质差，板式换热器在运行一段时间后，就会出现结垢，并且在换热过程中，随着渣水温度降低，水中的钙镁离子析出，附着于污垢积瘤上，加速形成垢瘤，进而使换热器的传热系数不断下降，严重时板片的通道将发生堵塞，热源介质无法进入换热器，换热器通道将会被堵死。此时，只能将换热器退出供热序列，进行拆卸、清洗（见图1）。但这个操作复杂，需要浪费大量人力和时间，在清洗过程中必须停止供热，还可能出现流道错位、板片变形、胶条老化速度加快或板间距变小等问题，从而缩短换热器的使用寿命。

图1 对换热器进行拆卸清洗

1 常规处理手段

近年来，反冲洗清洗维护方法得到普遍推广，该方法针对板式换热器的结构特征，有效解决了设备堵塞和结垢问题。如图2 所示，通过高压水的作用，借助势能反向冲洗板式换热器的结垢，使污垢从板片上清除并随着系统循环作用流出。换热站的反冲洗清洗操作步骤如下：

图2 对换热器进行手动反清洗

1）打开换热器排污系统中的排污阀门。

2）关闭热源水阀门和用户供热水阀门。

3）打开反清洗清水阀门，利用高压清水将换热器换热通道内的污垢冲刷掉，并从排污口排出，当排出的水不再包含杂质后，关闭反清洗阀门，然后再关闭排污阀门。

4）开启热水阀门，重新将热水注入板式换热器中，开启用户供热阀门，使换热器投入工作。

2 存在的问题

由于板式换热器的通道较窄，需要增加清洗频次，以保证换热温度的稳定。反清洗操作由工人手动依次开启、关闭4 个阀门完成。反清洗结束后，需要对以上阀门进行反向操作，使换热器重新投入运行。以清洗单个换热器为例，工人需要1.5～2 min（因职工体力等原因）才能打开或关闭一个阀门，仅开、关阀门就需要12～16 min，整个流程需要25～30 min。换热站有8 个换热器，如果将所有换热器进行一次反清洗，需要近3 h。经观察发现，换热器在运行2 h 后，供热温度下降10%，而且随着时间的推移，供热温度会出现加速下降。为了保证换热效率，需要每隔2 h 对换热器进行一次反清洗操作。由于换热站是单人单岗位，仅进行反清洗就花费职工大量的时间和精力，而且在反清洗过程中，一旦阀门开关顺序有误，将造成热水溢出，带来烧烫伤的风险。

表1 改造前反清洗用时统计 单位：min

3 自动反清洗方案

基于PLC 控制的自动反清洗系统硬件包括西门子S7-200 SMART、24 V 直流中间继电器、接触器和电动阀门等，采用Step7、WinCC 和SQLServer 等软件,可以通过程序逻辑控制现场阀门，进行自动反清洗操作。自动反清洗系统可根据预设的时间间隔和换热器状态，自动发出反清洗指令，控制阀门的开闭，完成反清洗过程。与手动清洗相比，自动反清洗系统的准确性更高、反应速度更快、操作更安全。此外，该系统还可以记录每次反清洗操作的时间和结果，并可自动报警，提高了设备运行的稳定性和可靠性，减少了人工干预的风险。

对反清洗阀门进行改造，将手动阀门升级为电动阀门，通过继电器控制阀门开关。然后，利用西门子S7-200 SMART 编程软件Step7 和WinCC，可以通过上、下位机实现对换热器反冲洗阀的控制，整个反冲洗过程实现自动化。

4 具体实施

1）选取适当型号的电动阀门，适配反冲洗阀门的尺寸和特点。

2）根据电动阀门的接线方式和控制要求，设计继电器电路和配电盘布局，并安装电动阀门和继电器及其周边设备。

3）使用S7-200 SMART 编程软件Step7，编写PLC 程序，实现对电动阀门的控制逻辑。根据需要设置反冲洗时间间隔和阀门开闭时间等参数，保证反冲洗效果并避免过度损耗。

4）配合WinCC 人机界面软件，设计反冲洗操作界面，实现对反冲洗阀门的远程监控和控制。该界面应包括反冲洗状态显示、反冲洗计划设置和反冲洗启停控制等功能，方便操作和管理。

5）将程序下载到PLC 控制器中，并进行调试和测试。根据实际情况对程序进行优化和改进，提高反冲洗效率和可靠性。

通过上述步骤，可以将反冲洗阀门升级为电动阀门，并利用S7-200 SMART 编程软件Step7 和WinCC实现自动化控制，提高换热器的效率和安全性。

5 测试

对自动反清洗系统进行单元测试、集成测试和系统测试。

1）单元测试：对系统中的各个模块或组件进行独立测试，以验证其功能是否正确。例如，可以对PLC控制程序的各个函数进行测试，检查其是否能够按预期运行，并产生正确的结果。还可以对阀门控制电路进行测试，验证电路设计是否符合要求。在单元测试中通常使用模拟器或其他仿真工具来模拟实际操作环境。

2）集成测试：将已经通过单元测试的模块或组件组合起来进行测试，以验证模块或组件之间的接口和交互是否正确。例如，可以将PLC 控制程序和人机界面软件集成起来进行测试，检查二者之间的通信是否正常，并确保用户界面能够正确地显示反冲洗状态和相关信息。

3）系统测试：对整个系统进行全面测试，以验证其功能和性能是否符合需求和规范。例如，可以对系统的稳定性、安全性和灵敏度等方面进行测试，以确保系统能够稳定、准确地执行反冲洗操作，并能有效地监测和响应异常情况。

在测试过程中，需要编写详细的测试计划和测试用例，并记录测试结果和缺陷报告。对发现的问题和缺陷，需要及时进行修复和改进，并重新进行测试，直至满足要求为止。通过单元、集成和系统测试，可以提高自动反清洗系统的可靠性和稳定性，减少系统故障和安全风险。

6 创新点

1）整个反清洗过程均由PLC 自动控制系统完成，有效减轻了职工作业的劳动强度，同时也可规避职工现场操作所带来的安全风险。

2）可以灵活设置清洗的时间和间隔时间，提高换热器的换热效率，提高供热温度。改造后，反清洗用时大大缩短，如表2 所示。

表2 改造后反清洗耗时统计 单位：s

7 结论

反冲洗清洗方法可有效去除板面的污垢和杂质，能够显著提高传热效率，并降低能耗。此外，基于电动阀的自动控制系统大大简化了维护工作，并降低了人工成本。本研究为板式换热器维护中反冲洗清洗方法的实施提供了实用指南，突出了其优势和潜在应用。