摘要：针对冶金行业热轧层冷系统“连续供水-间断用水”模式导致的能耗与水资源浪费问题，文章以某公司1780mm热轧生产线为研究对象，开展热轧层冷系统节水节能技术研发。通过融合变频控制、自动化调节与PLC远程监控技术，构建“需求感知-智能调控-高效运行”的技术体系，重点突破按需供水、管网优化、设备能效提升三大关键技术。应用结果表明，水泵运行效率提升至85%，单泵节电率达62%，每年节约成本925万元以上，同时年减少生产废水处理量约12×104m3，降低碳排放7800吨。该技术实现了层冷系统全流程自动化与节能降耗的协同，为钢铁冶金行业同类系统改造提供了可推广的技术方案。

　　关键词：热轧层冷系统；变频控制；PLC自动化；按需供水；节能降耗

　　在“双碳”目标与制造业绿色转型战略驱动下，冶金行业作为高能耗、高耗水领域，其生产系统的节能改造已成为行业可持续发展的核心议题。热轧层冷系统作为钢铁热轧生产线的关键环节，承担轧后钢带快速冷却与性能调控的重要功能，其运行效率直接影响钢材质量与生产综合成本。然而，传统热轧层冷系统普遍采用“连续供水-间断用水”模式，存在三大不足：一是过钢间隙的冷却水未经使用直接回流，与热脏水混合后需重复提升、过滤与冷却，增加无效能耗；二是供水压力与流量固定，无法匹配生产工艺对水量的动态需求，导致过钢时溢流浪费与压力余量损耗；三是侧喷系统因工艺优化导致水量需求缩减，原有供水能力过剩，进一步加剧资源浪费。

　　现有研究中，部分方案针对层冷系统变频改造开展局部试验，实现单泵节电率35%，但未涉及系统整体优化[1]；另有研究通过管网布局调整降低阻力损失，却缺乏自动化控制技术支撑，难以适应复杂工艺波动[2]。某公司1780mm热轧生产线层冷系统日均无效耗水量达2800m3，年无效电耗超900×104kW·h，亟需一套全流程、集成化的节水节能技术方案。基于此，文章以“按需供应、系统协同”为核心，整合变频控制、PLC自动化与管网优化技术，研发适用于热轧层冷系统的节能技术，选用抗高温、抗腐蚀的工业级传感器（工作温度-40~120℃,防护等级IP67）确保恶劣工况下数据采集稳定性，同时建立传感器定期校准机制（每季度校准1次），保障数据误差控制在±0.5%以内，旨在解决行业痛点，为冶金行业绿色生产提供技术范式。

　　1项目背景与立项目标

　　1.1项目背景

　　某公司1780mm热轧生产线层冷系统采用传统连续供水模式，存在以下突出问题：①能耗浪费显著，过钢间隙冷却水直接回流至热水池，与使用后热脏水混合，需通过2台提升泵（单泵功率298kW）加压至过滤系统与冷却塔，日均无效处理水量达2800m3，年无效电耗超400×104kW·h；过钢时供水压力固定为1.8MPa，实际需求仅1.2~1.5MPa，压力余量导致溢流损失，年额外耗电525×104kW·h。②水资源利用率低，侧喷系统因工艺优化，水量需求从原设计的800m3/h降至520m3/h，供过于求导致日均浪费水量1920m3/h，年浪费水资源超70×104m3[3]。③自动化水平低：系统依赖人工调节阀门与水泵启停，参数调整滞后于工艺需求，且无远程监控功能，运维效率低，人为失误导致的能耗波动达±15%[4]。

　　1.2立项目标

　　1.2.1技术目标

　　实现层冷系统按需供水，双泵运行节能率达64%；构建全流程PLC自动化控制体系，实现无人值守运行；优化管网与设备参数，使水泵运行效率提升至85%以上。

　　1.2.2经济目标

　　年节省电量超900×104kW·h，年节约成本超900万元，投资回收期控制在1年以内。

　　1.2.3环保目标

　　年减少生产废水处理量10×104m3以上，降低碳排放7000吨以上，提升水资源与能源利用效率。完全契合《“十四五”工业绿色发展规划》中冶金行业单位产品能耗下降13.5%的约束性指标[5]。

　　2技术方案与创新点

　　2.1总体技术路线

　　2.1.1需求分析阶段

　　通过安装流量传感器、压力传感器与温度传感器，对过钢/不过钢阶段的用水量、供水时长进行连续监测，绘制用水量-时间变化曲线，明确工艺需求规律，确定供水压力动态调节范围为1.2~1.5MPa，流量调节范围为300~800m3/h[6]。

　　2.1.2系统优化阶段

　　基于需求规律，开展层冷系统管网适配性设计，缩短无效水流路径15%，优化管径匹配（主干道管径从DN300调整为DN250）；替换传统低效水泵（效率65%）为高效节能水泵（效率85%），并根据实际需求将水泵扬程从50m优化至38m。

　　2.1.3智能控制阶段

　　集成变频控制技术与PLC控制系统（采用西门子S7-1200系列PLC），开发“传感器-PLC-变频器”闭环控制逻辑，实现供水压力与流量的实时自适应调节；新增远程监控平台，具备参数自动调整、设备休眠唤醒、故障报警及备用泵自动投入功能。平台支持手机APP与电脑端双端操作，数据传输延迟≤200ms，且兼容主流工业通讯协议（Modbus、Profinet），便于与企业现有MES系统对接。

　　2.1.4效果验证阶段

　　对技术方案进行现场调试与性能测试，优化运行参数，验证节能效果与系统稳定性，最终完成项目验收与结题。

　　2.2关键技术突破

　　2.2.1变频-自动化协同的按需供水技术

　　突破传统固定供水模式的局限性，构建“感知-计算-执行”的闭环控制体系。首先，需求感知，在供水管路关键节点安装高精度压力传感器（测量精度±0.01MPa）与流量传感器（测量精度±1%），实时采集工艺用水数据，通过工业以太网传输至PLC系统。其次，智能计算，PLC系统基于预设的“用水量-轧制速度-钢板厚度”关联模型，动态计算最优供水参数，例如，当轧制速度从1.5m/s提升至2.5m/s时，自动将流量从520m3/h调整至800m3/h，压力从1.2MPa提升至1.5MPa。最后，精准执行，变频器接收PLC指令，实时调整电机频率（调节范围0~50Hz）与水泵转速，实现供水压力恒定（波动范围≤±0.02MPa），同时取消传统溢流阀，避免压力峰值损耗，将无效能耗降低35%以上[7]。

　　2.2.2层冷管网与设备能效优化技术

　　从系统层面降低能耗与水耗，具体措施包括：首先，管网优化，通过流体力学仿真（采用ANSYSFluent软件），重新设计供水管网布局，缩短过钢间隙回水路径15%，减少管路沿程阻力与局部阻力，使提升泵运行负荷降低20%；增设不过钢阶段回水旁路，避免清水与热脏水混合，减少过滤与冷却处理量45%。其次，设备升级，替换2台传统298kW水泵为1台112.4kW高效节能水泵，采用双吸离心泵结构，效率可提升至85%，并根据实际扬程需求优化叶轮参数，降低设备额定功率损耗；同时对侧喷喷嘴进行改造，将单喷嘴流量从5m3/h调整为3.25m3/h，匹配工艺缩减后的水量需求。

　　2.2.3 PLC全流程自动化管控技术

　　构建“远程监控—智能调节—故障诊断”一体化管控平台。首先，远程监控。开发PLC远程监控界面（基于WinCC组态软件），实现供水压力、流量、电机功率等12项关键参数的实时可视化，运维人员可通过终端远程修改工艺参数，无需现场操作。其次，智能调节。系统根据负荷变化自动触发水泵休眠/唤醒功能，当系统负荷低于30%（如不过钢阶段）时，水泵进入休眠模式，功率消耗降低80%；当负荷高于80%（如高节奏轧制阶段）时，备用泵自动投入，确保供水稳定。再次，故障诊断。配备故障预警与报警模块，当参数超出正常范围，如压力低于1.2MPa或高于1.5MPa时，系统通过短信、平台弹窗双重提醒，并自动切换至备用设备，故障响应时间＜5s，故障率降低60%以上。

　　2.3技术创新点

　　协同控制创新：首次实现变频控制与自动化技术的深度融合，构建“工艺需求—供水参数”动态匹配模型，解决传统系统“供过于求”的核心痛点，单泵节电率达62%，远超行业平均水平。

　　系统优化创新：通过管网旁路设计与设备参数优化，减少提升、过滤、冷却环节的无效处理量45%，同时实现不过钢阶段清水与热脏水的分流，提升水资源循环利用率35%。

　　管控模式创新：开发具备“休眠—唤醒—报警—备用投入”全功能的PLC自动化平台，实现层冷系统无人值守运行，运维人员数量减少50%，人为失误导致的能耗波动控制在±3%以内。

　　3应用效果与效益分析

　　3.1应用概况

　　本项目在某公司1780mm热轧生产线投用，应用对象涵盖层流冷却、侧喷冷却两大子系统，设计年产量300万吨热轧钢板。项目投用后连续稳定运行12个月，通过公司研发中心组织的专家验收，验收结果表明技术指标与应用效果均达到预设目标，系统运行稳定性良好。在高温、高粉尘的冶金车间环境下平均无故障运行时间超8000h，且适配不同规格钢板（厚度2~20mm）的冷却工艺需求，未出现因供水参数不匹配导致的钢材性能不达标问题。

　　3.2技术指标达成情况

　　3.2.1能耗降低效果

　　水泵能效：水泵运行效率从改造前的65%~70%提升至85%，达到《清水离心泵能效限定值及节能评价值》（GB 19762—2007）一级能效标准。

　　功率损耗：单泵运行功率由298kW降至112.4kW，单泵节电率达62%；运行水泵数量由2台减至1台，总运行功率从570kW降至112.4kW，降幅达80.3%。

　　节电量：通过水泵节能与系统优化，每年节省电量400.8576×104kW·h；结合PLC自动化控制对流量的精准调节，额外节电525.6×104kW·h，综合年节电量达926.4576×104kW·h。

　　3.2.2节水与自动化效果

　　节水效果：通过管网旁路设计与侧喷改造，年减少生产废水处理量约12×104m3，水资源利用率提升35%，达到《钢铁行业水资源消耗限额》（GB/T 32045—2015）先进值标准。

　　自动化水平：实现层冷系统全流程无人值守运行，参数调整精度达±0.01MPa，设备响应时间＜10s，运维人员数量从6人减至3人，运维效率提升80%。

　　3.3效益分析

　　3.3.1经济效益

　　直接成本节约：综合年节约成本925万元以上。

　　长期收益：因设备运行负荷降低，年减少维护成本50万元，进一步提升企业利润空间。

　　3.3.2环境与社会效益

　　环保效益：根据《综合能耗计算通则》（GB/T 2589—2020），每万度电对应3.4吨标准煤消耗，年节电量926.4576×104kW·h相当于减少标准煤消耗3150吨；按标准煤燃烧每吨排放2.45吨二氧化碳计算，年减少碳排放7800吨，助力企业完成碳减排目标。

　　资源保护：年减少生产废水处理量12×104m3，降低污水处理环节的药剂消耗（如聚合氯化铝、聚丙烯酰胺）约2.4吨/年，同时减少地下水开采量，符合国家“节水优先、空间均衡”的水资源保护政策。

　　4结论与展望

　　4.1研究结论

　　本项目针对热轧层冷系统能耗与水资源浪费问题，研发的节水节能技术实现了三大突破：

　　4.1.1技术可行性

　　通过变频-自动化协同控制、管网优化与PLC管控技术的集成应用，实现水泵运行效率提升至85%、总功率降幅超80%，技术路线成熟可靠，适配冶金行业复杂生产环境。

　　4.1.2经济合理性

　　项目年节约成本925万元以上，投资回收期仅0.5年，经济效益显著，为企业创造持续利润空间，具备大规模推广的经济基础。

　　4.1.3环保可持续性

　　技术实现了能耗与水耗的协同降低，年减少碳排放7800吨、废水处理量12×104m3，符合“双碳”目标与绿色制造要求，为行业可持续发展提供技术支撑。

　　4.2未来展望

　　为进一步拓展技术应用价值，后续研究可从三方面深化：

　　4.2.1智能化升级

　　引入AI算法优化控制逻辑，结合钢板轧制工艺大数据（历史冷却曲线、钢材性能反馈）预测水量需求，将调节响应时间缩短至5s以内，进一步提升节能效果5%~8%[8]。

　　4.2.2清洁能源融合

　　探索光伏供电与层冷系统的协同运行模式，利用厂区闲置屋顶建设分布式光伏电站，为水泵、PLC系统提供清洁能源，降低化石能源依赖，实现“节能+零碳供电”的双重目标。

　　4.2.3跨行业拓展

　　针对有色金属冶炼（如铜、铝热轧）、化工（如合成氨冷却）等领域的冷却系统特点，优化技术参数（如耐腐蚀水泵、高温传感器选型），推动技术跨行业应用，最大化环境与社会效益。

参考文献

　　［1］曾江华，王友法，余长生.热轧厂层流冷却系统存在的问题及改造［J］.冶金动力，2005（3）：51-54.

　　［2］李建龙，梁国栋，卢向福，等.热轧卷板生产线层流冷却水系统优化［J］.甘肃冶金，2023，45（3）：93-95.

　　［3］齐欢明，李忠，霍浩然，等.热轧产线层流冷却侧喷吹扫系统的应用与优化［J］.山西冶金，2025，48（7）：202-203+253.

　　［4］高翔.基于PLC技术在冶金自动化控制中的应用研究［J］.中国金属通报，2023（5）：16-18.

　　［5］宋芃霏.江苏A镍铁企业循环水系统节能环保技术研究与优化［D］.长春：吉林大学，2017.

　　［6］张文旭，沈铁成，闫文彪，等.热轧带钢层流冷却高位水箱及层流水流量的设计计算［J］.山东冶金，2024，46（3）：46-49.

　　［7］赵中阳，郭川.电气自动化在智慧矿山中应用与推广［J］.冶金管理，2020（7）：17-18.

　　［8］齐方瑾.智能采油分层注水技术的研究［D］.哈尔滨：哈尔滨理工大学，2019.