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(chǎn)物，經(jīng)過水淬工藝處理后將產(chǎn)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(diǎn)，可作為一種低溫廢熱源。通過回收利用該資源進(jìn)行供熱，可以避免建設(shè)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(shù)不僅能減少能源浪費(fèi)，還能保護(hù)環(huán)境，因此，被廣泛應(yīng)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(jīng)過過濾器過濾后進(jìn)入換熱器內(nèi)，通過換熱器的換熱，將沖渣水熱源交換到二次供熱管道內(nèi)，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(shè)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(jìn)行熱量傳遞，同時(shí)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(gòu)成復(fù)雜的流道，波紋板的復(fù)雜結(jié)構(gòu)使得流體在其間的流道內(nèi)呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)三維流動(dòng)，即所謂的湍流。由于這種湍流可以在較低的雷諾數(shù)下產(chǎn)生，因此，傳熱系數(shù)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(dǎo)致沖渣水的水質(zhì)有很大的不同?？偟膩碚f，底濾法的水質(zhì)最好，嘉恒法次之，平流法和因巴法（INBA）法的水質(zhì)最為惡劣。而8 號高爐使用的正是平流法，因水質(zhì)差，板式換熱器在運(yùn)行一段時(shí)間后，就會出現(xiàn)結(jié)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(jìn)而使換熱器的傳熱系數(shù)不斷下降，嚴(yán)重時(shí)板片的通道將發(fā)生堵塞，熱源介質(zhì)無法進(jìn)入換熱器，換熱器通道將會被堵死。此時(shí)，只能將換熱器退出供熱序列，進(jìn)行拆卸、清洗（見圖1）。但這個(gè)操作復(fù)雜，需要浪費(fèi)大量人力和時(shí)間，在清洗過程中必須停止供熱，還可能出現(xiàn)流道錯(cuò)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(jìn)行拆卸清洗

1 常規(guī)處理手段

近年來，反沖洗清洗維護(hù)方法得到普遍推廣，該方法針對板式換熱器的結(jié)構(gòu)特征，有效解決了設(shè)備堵塞和結(jié)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(jié)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(jìn)行手動(dòng)反清洗

1）打開換熱器排污系統(tǒng)中的排污閥門。

2）關(guān)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(nèi)的污垢沖刷掉，并從排污口排出，當(dāng)排出的水不再包含雜質(zhì)后，關(guān)閉反清洗閥門，然后再關(guān)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(dòng)依次開啟、關(guān)閉4 個(gè)閥門完成。反清洗結(jié)束后，需要對以上閥門進(jìn)行反向操作，使換熱器重新投入運(yùn)行。以清洗單個(gè)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(guān)閉一個(gè)閥門，僅開、關(guān)閥門就需要12～16 min，整個(gè)流程需要25～30 min。換熱站有8 個(gè)換熱器，如果將所有換熱器進(jìn)行一次反清洗，需要近3 h。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，換熱器在運(yùn)行2 h 后，供熱溫度下降10%，而且隨著時(shí)間的推移，供熱溫度會出現(xiàn)加速下降。為了保證換熱效率，需要每隔2 h 對換熱器進(jìn)行一次反清洗操作。由于換熱站是單人單崗位，僅進(jìn)行反清洗就花費(fèi)職工大量的時(shí)間和精力，而且在反清洗過程中，一旦閥門開關(guān)順序有誤，將造成熱水溢出，帶來燒燙傷的風(fēng)險(xiǎn)。

表1 改造前反清洗用時(shí)統(tǒng)計(jì) 單位：min

3 自動(dòng)反清洗方案

基于PLC 控制的自動(dòng)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(dòng)閥門等，采用Step7、WinCC 和SQLServer 等軟件,可以通過程序邏輯控制現(xiàn)場閥門，進(jìn)行自動(dòng)反清洗操作。自動(dòng)反清洗系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔和換熱器狀態(tài)，自動(dòng)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(dòng)清洗相比，自動(dòng)反清洗系統(tǒng)的準(zhǔn)確性更高、反應(yīng)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(shí)間和結(jié)果，并可自動(dòng)報(bào)警，提高了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，減少了人工干預(yù)的風(fēng)險(xiǎn)。

對反清洗閥門進(jìn)行改造，將手動(dòng)閥門升級為電動(dòng)閥門，通過繼電器控制閥門開關(guān)。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(jī)實(shí)現(xiàn)對換熱器反沖洗閥的控制，整個(gè)反沖洗過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

4 具體實(shí)施

1）選取適當(dāng)型號的電動(dòng)閥門，適配反沖洗閥門的尺寸和特點(diǎn)。

2）根據(jù)電動(dòng)閥門的接線方式和控制要求，設(shè)計(jì)繼電器電路和配電盤布局，并安裝電動(dòng)閥門和繼電器及其周邊設(shè)備。

3）使用S7-200 SMART 編程軟件Step7，編寫PLC 程序，實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)閥門的控制邏輯。根據(jù)需要設(shè)置反沖洗時(shí)間間隔和閥門開閉時(shí)間等參數(shù)，保證反沖洗效果并避免過度損耗。

4）配合WinCC 人機(jī)界面軟件，設(shè)計(jì)反沖洗操作界面，實(shí)現(xiàn)對反沖洗閥門的遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制。該界面應(yīng)包括反沖洗狀態(tài)顯示、反沖洗計(jì)劃設(shè)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(jìn)行調(diào)試和測試。根據(jù)實(shí)際情況對程序進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，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(dòng)閥門，并利用S7-200 SMART 編程軟件Step7 和WinCC實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，提高換熱器的效率和安全性。

5 測試

對自動(dòng)反清洗系統(tǒng)進(jìn)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(gè)模塊或組件進(jìn)行獨(dú)立測試，以驗(yàn)證其功能是否正確。例如，可以對PLC控制程序的各個(gè)函數(shù)進(jìn)行測試，檢查其是否能夠按預(yù)期運(yùn)行，并產(chǎn)生正確的結(jié)果。還可以對閥門控制電路進(jìn)行測試，驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)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(shí)際操作環(huán)境。

2）集成測試：將已經(jīng)通過單元測試的模塊或組件組合起來進(jìn)行測試，以驗(yàn)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(jī)界面軟件集成起來進(jìn)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(guān)信息。

3）系統(tǒng)測試：對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行全面測試，以驗(yàn)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(jìn)行測試，以確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、準(zhǔn)確地執(zhí)行反沖洗操作，并能有效地監(jiān)測和響應(yīng)異常情況。

在測試過程中，需要編寫詳細(xì)的測試計(jì)劃和測試用例，并記錄測試結(jié)果和缺陷報(bào)告。對發(fā)現(xiàn)的問題和缺陷，需要及時(shí)進(jìn)行修復(fù)和改進(jìn)，并重新進(jìn)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(dòng)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(fēng)險(xiǎn)。

6 創(chuàng)新點(diǎn)

1）整個(gè)反清洗過程均由PLC 自動(dòng)控制系統(tǒng)完成，有效減輕了職工作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也可規(guī)避職工現(xiàn)場操作所帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2）可以靈活設(shè)置清洗的時(shí)間和間隔時(shí)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(shí)大大縮短，如表2 所示。

表2 改造后反清洗耗時(shí)統(tǒng)計(jì) 單位：s

7 結(jié)論

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