智能煤氣排水器在特大型高爐煤氣管道的應(yīng)用

曹 鋒，馬勇健，朱?？?，劉長(zhǎng)喜，陳 建，王 凱，劉 祺

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北唐山 063200）

引言

高爐煉鐵過程中產(chǎn)生的高爐煤氣是一種重要的副產(chǎn)品和燃料［1-3］。在通過管道輸送過程中，由于溫度和壓力的變化，煤氣中的飽和蒸汽會(huì)形成冷凝水，而噴入的阻垢劑、脫硫劑會(huì)產(chǎn)生機(jī)械水，從煤氣中分離出來的冷凝水和機(jī)械水積存在管道中，會(huì)造成管道因積水過多而超載，加重管道的腐蝕等不良影響［4］。

煤氣排水器作為保證煤氣管道暢通的重要附屬設(shè)備，其主要作用是在封住管道中煤氣基礎(chǔ)上，收集并排出煤氣管道中的煤氣冷凝水、機(jī)械水和污物，確保煤氣管網(wǎng)安全運(yùn)行。然而，在實(shí)際生產(chǎn)中由于煤氣管網(wǎng)壓力波動(dòng)、補(bǔ)水不及時(shí)、內(nèi)部隔板/工作管銹蝕漏洞、防泄漏裝置失效等原因，曾多次發(fā)生排水器泄漏煤氣，造成人員中毒、死亡等事故［5］。眾多企業(yè)技研人員一直致力于研發(fā)更安全可靠的煤氣排水器。上世紀(jì)末，鞍鋼較早研發(fā)并推廣了排水器電伴熱保溫技術(shù)［6-7］。2009 年前后，湘鋼開發(fā)應(yīng)用了帶有放散管和U 形管排水管的安全型排水器［8］。2010年萊鋼創(chuàng)新改造并推廣使用了浮球式防泄漏排水器［9］。首鋼開發(fā)設(shè)計(jì)的自閉式煤氣排水器，可實(shí)現(xiàn)超壓等情況下的智能關(guān)閉，于2012 年在首鋼遷安公司動(dòng)力部在線試用，達(dá)到了預(yù)期效果［10］。同年，韶鋼焙燒廠在混合煤氣管網(wǎng)上應(yīng)用了浮筒杠桿式防泄漏煤氣排水器［11］。2017 年河鋼承鋼公司針對(duì)過壓保護(hù)排水器運(yùn)行中存在的“水阻”和“氣阻”現(xiàn)象，研制了套筒式自動(dòng)防擊穿煤氣排水器［12］。近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的冶金企業(yè)通過采用安裝智能煤氣排水器［13-15］，來降低煤氣排水器發(fā)生煤氣泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，保障安全生產(chǎn)。

1 智能煤氣排水器的選用

煤氣排水器按密封煤氣的方式分為：干式排水器、水封式排水器；水封式排水器根據(jù)排水器本體結(jié)構(gòu)不同分為：立式水封式排水器、臥式水封式排水器；立式水封式排水器根據(jù)本體水封級(jí)數(shù)不同分為：?jiǎn)渭?jí)、多級(jí)（兩級(jí)及以上）排水器［16］。首鋼京唐公司有3 座5 500 m3的特大型高爐，根據(jù)《工業(yè)企業(yè)煤氣安全規(guī)程》［17］等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，在煉鐵區(qū)域高爐煤氣管道上共設(shè)置有多級(jí)立式水封式煤氣排水器43臺(tái)。多級(jí)立式水封式排水器具有密封性好、實(shí)時(shí)排水性好、抗污染能力強(qiáng)、檢查維護(hù)方便的特點(diǎn)。建廠初期高爐煤氣管道選用的為非智能型排水器，排水器伴熱、防泄漏裝置動(dòng)作情況等設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)均需人工定期巡檢確認(rèn)，排水器數(shù)量多、分布廣，檢查耗時(shí)長(zhǎng)，巡檢時(shí)人員長(zhǎng)時(shí)間暴露在煤氣危險(xiǎn)區(qū)域，人工檢查的時(shí)效性也差，難以及時(shí)排查出存在隱患的排水器。遇有煤氣管網(wǎng)壓力波動(dòng)，排水器筒體內(nèi)水被擠出，造成排水器水封被擊穿時(shí)，僅依靠人工不能快速找出擊穿排水器，作業(yè)人員又須在煤氣環(huán)境下進(jìn)行煤氣切斷和恢復(fù)排水器水封的操作，作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)大，易發(fā)生煤氣中毒等事故。

2019 年以來，首鋼京唐公司煉鐵系統(tǒng)，按照提高效率、降低風(fēng)險(xiǎn)的總要求，大力推進(jìn)煤氣系統(tǒng)的本質(zhì)化安全管理，陸續(xù)將高爐煤氣管道的老式非智能煤氣排水器更換為新型智能煤氣排水器，經(jīng)過近3 年的改造，79%高爐煤氣管道排水器實(shí)現(xiàn)了智能化。

2 智能煤氣排水器的結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 智能煤氣排水器的結(jié)構(gòu)

首鋼京唐公司特大型高爐煤氣管道采用的智能煤氣排水器主要由排水器本體、防泄漏裝置、聲光報(bào)警系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)等組成。圖1為智能煤氣排水器結(jié)構(gòu)示意。

圖1 智能煤氣排水器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 智能煤氣排水器的工作原理

智能煤氣排水器防泄漏裝置是在低壓側(cè)最后一個(gè)室內(nèi)溢流管中安裝一套浮球閥，當(dāng)室內(nèi)滿水時(shí)，浮球浮起，浮球閥打開；當(dāng)煤氣壓力超高擊穿水封，或因其它情況，造成室內(nèi)虧水到一定程度時(shí)浮球靠自重回落，浮球閥關(guān)閉。浮球上部與報(bào)警燈下部設(shè)一套電磁傳感器，當(dāng)電磁傳感器接近閥口（≤15 mm）時(shí)，報(bào)警燈開始報(bào)警；當(dāng)電磁傳感器離開閥口時(shí)，報(bào)警燈停止報(bào)警。智能煤氣排水器在連接管上設(shè)有快速切斷閥，當(dāng)浮球回落觸發(fā)報(bào)警時(shí)，快速切斷閥亦自動(dòng)關(guān)閉，開關(guān)狀態(tài)遠(yuǎn)傳到控制室，形成防止煤氣泄漏的雙重保護(hù)?？焖偾袛嚅y也可在主控室實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程關(guān)閉，當(dāng)主控室監(jiān)控終端提示有煤氣泄漏報(bào)警時(shí)，可在第一時(shí)間通過遠(yuǎn)程關(guān)閉快速切斷閥切斷泄漏煤氣，降低人員現(xiàn)場(chǎng)檢查處置的風(fēng)險(xiǎn)。

智能煤氣排水器配置有一氧化碳?xì)怏w報(bào)警器，采用了電伴熱保溫系統(tǒng)，在排水器筒體內(nèi)低壓室安裝有溫度數(shù)值采集器，高壓室安裝有水位數(shù)值采集器，在高壓室連接管接口位置安裝有壓力數(shù)值采集器。智能煤氣排水器將實(shí)時(shí)采集的CO 濃度、溫度、水位、壓力等數(shù)據(jù)，通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)傳輸至主控室PC 監(jiān)控終端及手機(jī)APP，實(shí)現(xiàn)對(duì)排水器狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。PC 監(jiān)控終端及手機(jī)APP 監(jiān)控頁面見圖2、圖3。可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定排水器狀態(tài)參數(shù)的預(yù)警、報(bào)警數(shù)值，達(dá)到設(shè)置限值，主控室PC 監(jiān)控終端及手機(jī)APP 進(jìn)行報(bào)警，排水器現(xiàn)場(chǎng)同步聲光報(bào)警。此外，智能煤氣排水器也設(shè)有常規(guī)排水器所具有的氣體排空裝置、排污口、水位機(jī)械標(biāo)尺等。

圖2 PC終端監(jiān)控頁面

圖3 手機(jī)APP監(jiān)控頁面

3 智能煤氣排水器的優(yōu)化及性能特點(diǎn)

3.1 智能煤氣排水器的優(yōu)化

影響煤氣排水器安全運(yùn)行的因素有內(nèi)隔板腐蝕、煤氣管道超壓、排水器虧水、排水器凍結(jié)等。首鋼京唐公司高爐煤氣管道智能煤氣排水器采用耐蝕材質(zhì)密封結(jié)構(gòu)，來提升密封結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期使用的可靠性。煤氣排水器安全技術(shù)規(guī)程要求水封式排水器水封的有效高度應(yīng)取煤氣計(jì)算壓力加500 mmH2O與煤氣計(jì)算壓力1.2 倍的較大值，并不得小于3 m［16］。結(jié)合多年來生產(chǎn)實(shí)踐，首鋼京唐公司在高爐煤氣管道排水器智能化改造過程中，將主管網(wǎng)煤氣排水器的有效水封高度由4 m提升為5 m，顯著減少了煤氣排水器水封被擊穿情況的發(fā)生。而雙重防泄漏保護(hù)設(shè)計(jì)，極大地避免了煤氣管網(wǎng)壓力波動(dòng)或其它原因引起的煤氣排水器有效水封高度降低，導(dǎo)致煤氣泄漏，發(fā)生著火、爆炸、中毒等惡性事故的可能，提升了設(shè)備安全水平。

3.2 智能煤氣排水器的性能特點(diǎn)

智能煤氣排水器將防爆、阻燃、自限式電伴熱帶與溫度數(shù)值采集器進(jìn)行聯(lián)鎖，可根據(jù)工作環(huán)境設(shè)定啟閉伴熱帶溫度的上下限值，當(dāng)溫度低于設(shè)定下限數(shù)值時(shí)，伴熱帶加熱，當(dāng)溫度高于設(shè)定上限數(shù)值時(shí)，伴熱帶停止加熱，實(shí)現(xiàn)了溫度自動(dòng)控制排水器保溫的功能，利于節(jié)約電能，降本增效。

智能煤氣排水器的水位、溫度、煤氣壓力、防泄漏裝置、快速切斷閥、伴熱帶、環(huán)境CO 濃度以及報(bào)警等運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)傳輸，采用SIM 卡4G 無線物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，較好地解決了高爐煤氣管道排水器設(shè)置分散、布線不便的難題，實(shí)現(xiàn)了在PC 終端及手機(jī)APP上全天24 h 遠(yuǎn)程在線監(jiān)控，排水器實(shí)時(shí)工作狀態(tài)一目了然。排水器的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息數(shù)據(jù)自動(dòng)錄入后臺(tái)服務(wù)器，存儲(chǔ)1 年以上，可隨時(shí)調(diào)取打印成報(bào)表，方便崗位人員分析追溯運(yùn)行情況。

智能煤氣排水器的報(bào)警系統(tǒng)可同步進(jìn)行監(jiān)控終端報(bào)警和現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警。當(dāng)水位、溫度、煤氣壓力、環(huán)境CO 濃度等超設(shè)定值時(shí)，主控室監(jiān)控終端彈出報(bào)警信息（打開手機(jī)APP 也可看到報(bào)警信息），頁面上參數(shù)異常排水器顯示為黃、橙或紅色，同時(shí)警鈴發(fā)聲。設(shè)置在排水器上的報(bào)警器同步開啟現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警。智能煤氣排水器自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，對(duì)提醒崗位人員及時(shí)檢查、處理異常情況，以及警示排水器附近人員注意防范煤氣，效果明顯。

智能煤氣排水器設(shè)有巡檢記錄功能，在排水器上的配電箱面有巡檢按鈕，巡檢人員在到達(dá)排水器現(xiàn)場(chǎng)完成巡檢后，摁下巡檢按鈕，已巡檢信號(hào)通過物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)奖O(jiān)控終端并自動(dòng)記錄保存，有助于追蹤分析排水器的按期檢查維護(hù)情況和督促人員職責(zé)落實(shí)。

3.3 智能煤氣排水器的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

首鋼京唐公司高爐煤氣管道排水器智能化改造后，各級(jí)責(zé)任者可借助PC 終端或手機(jī)APP，隨時(shí)查看授權(quán)范圍內(nèi)的煤氣排水器運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、收到報(bào)警提示信息及處置情況反饋，為各層級(jí)各崗位更好地落實(shí)排水器安全風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管控提供了設(shè)備技術(shù)支撐，促進(jìn)了各層級(jí)各崗位分級(jí)管控排水器風(fēng)險(xiǎn)的落實(shí)，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)、處理排水器存在隱患于萌芽狀態(tài)，降低發(fā)生事故的可能性。智能煤氣排水器的應(yīng)用，減少了崗位人員進(jìn)入煤氣危險(xiǎn)區(qū)域巡檢的頻次及時(shí)長(zhǎng)。用LEC 法對(duì)煤氣排水器智能化改造前后巡檢作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行評(píng)估（見表1），可見排水器巡檢作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)由改造前的較大風(fēng)險(xiǎn)，降為改造后的低風(fēng)險(xiǎn)。

表1 煤氣排水器巡檢作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)值評(píng)估

4 應(yīng)用智能煤氣排水器遇到問題及建議

4.1 采用智能煤氣排水器前的準(zhǔn)備工作

對(duì)排水器進(jìn)行智能化改造時(shí)，需提前測(cè)量區(qū)域空間尺寸，避免因安裝空間不足，不能合理布置連接管、截止閥等。煤氣排水器的智能化，在提高效率、減輕體力勞動(dòng)的同時(shí)，需崗位人員具備操作智能設(shè)備的技能。設(shè)備維護(hù)由過去的機(jī)械維護(hù)為主，變成了機(jī)械、電氣、電信并重。故在智能煤氣排水器投用前要強(qiáng)化相關(guān)人員的培訓(xùn)，避免在智能煤氣排水器投用初期，操作和設(shè)備維護(hù)人員對(duì)遇到的問題處理起來較生疏。

4.2 智能煤氣排水器使用過程中注意事項(xiàng)

智能煤氣排水器的快速切斷閥，位于工況環(huán)境較惡劣的部位，存在發(fā)生卡滯的現(xiàn)象，為確?？焖偾袛嚅y開關(guān)靈活、到位，建議每周做一次現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)試驗(yàn)。

智能煤氣排水器用于排水量較大或者管網(wǎng)壓力波動(dòng)較大的部位，浮球閥會(huì)上下振蕩或突然下坐，在大振幅及急速下坐情況下，可造成浮球閥直接閉合在閥座上，此時(shí)，因水、氣在浮球閥上側(cè)的持續(xù)作用力，導(dǎo)致浮球無法上浮，形成“水阻”、“氣阻”，發(fā)現(xiàn)（參數(shù)）異常，需及時(shí)檢查，并進(jìn)行排水、排氣等維護(hù)，以保證煤氣排水器的正常排水功能和防泄漏功能。

4.3 智能煤氣排水器優(yōu)化建議

目前智能煤氣排水器運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)傳輸模塊時(shí)有損壞，觸發(fā)誤報(bào)警，影響正常監(jiān)控，使得崗位職工現(xiàn)場(chǎng)檢查維護(hù)的頻次偏高，建議對(duì)模塊進(jìn)行改造升級(jí)，確保設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，信號(hào)真實(shí)有效。智能煤氣排水使用4G 網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，帶寬窄、信號(hào)穩(wěn)定性較差，存在排水器監(jiān)控運(yùn)行系統(tǒng)掉線、平臺(tái)信息修改維護(hù)相應(yīng)慢等情況，需優(yōu)化升級(jí)為5G 網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高效的監(jiān)控排水器運(yùn)行。

智能煤氣排水器暫不支持在蘋果手機(jī)上安裝監(jiān)控APP，且現(xiàn)有手機(jī)APP 監(jiān)控系統(tǒng)只有進(jìn)入APP后才能看到報(bào)警信息，建議進(jìn)一步研發(fā)、拓展適用終端，并增設(shè)報(bào)警消息彈出提示功能。智能煤氣排水器監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)信息修改維護(hù)規(guī)則需優(yōu)化，如對(duì)“信息管理”頁的內(nèi)容維護(hù)，若有空缺項(xiàng)，不能設(shè)定報(bào)警接收人，無法修改保存信息，建議結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，優(yōu)化平臺(tái)信息維護(hù)規(guī)則，以便于使用者信息維護(hù)錄入。

5 結(jié)語

（1）煤氣排水器是保障煤氣管道安全運(yùn)行的重要附屬設(shè)備，然因排水器煤氣泄漏等導(dǎo)致的安全事故多次發(fā)生，各企業(yè)持續(xù)致力于更加安全可靠煤氣排水器的研制和應(yīng)用，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)煤氣排水器進(jìn)行智能化改造是當(dāng)前的趨勢(shì)之一。

（2）首鋼京唐公司高爐煤氣管道應(yīng)用智能煤氣排水器，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控煤氣排水器的運(yùn)行狀態(tài)，提高了作業(yè)效率，降低了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，提升了高爐煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)的本質(zhì)化安全管控水平。

（3）煤氣排水器的智能化改造，利于雙重預(yù)防工作機(jī)制的運(yùn)用，促進(jìn)了各層級(jí)崗位對(duì)排水器安全風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管控和隱患排查治理的落實(shí)，較好地推動(dòng)了把安全風(fēng)險(xiǎn)管控挺在隱患前面，把隱患排查治理挺在事故前面，對(duì)遏制安全事故發(fā)生起到了積極作用。

（4）智能煤氣排水器的安全使用，同樣須定期開展排水器筒內(nèi)清污作業(yè)，筒體打壓試驗(yàn)，防泄漏裝置動(dòng)作、密封性試驗(yàn)等。

（5）進(jìn)一步完善和改進(jìn)智能煤氣排水器的性能，消除“氣阻”“水阻”“誤報(bào)”“掉線”等缺陷，才能充分發(fā)揮好智能煤氣排水器作用。