智能煤气排水器在特大型高炉煤气管道的应用

2022-09-06马勇健朱海俊刘长喜

冶金动力 2022年4期

曹锋，马勇健，朱海俊，刘长喜，陈建，王凯，刘祺

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北唐山 063200）

引言

高炉炼铁过程中产生的高炉煤气是一种重要的副产品和燃料［1-3］。在通过管道输送过程中，由于温度和压力的变化，煤气中的饱和蒸汽会形成冷凝水，而喷入的阻垢剂、脱硫剂会产生机械水，从煤气中分离出来的冷凝水和机械水积存在管道中，会造成管道因积水过多而超载，加重管道的腐蚀等不良影响［4］。

煤气排水器作为保证煤气管道畅通的重要附属设备，其主要作用是在封住管道中煤气基础上，收集并排出煤气管道中的煤气冷凝水、机械水和污物，确保煤气管网安全运行。然而，在实际生产中由于煤气管网压力波动、补水不及时、内部隔板/工作管锈蚀漏洞、防泄漏装置失效等原因，曾多次发生排水器泄漏煤气，造成人员中毒、死亡等事故［5］。众多企业技研人员一直致力于研发更安全可靠的煤气排水器。上世纪末，鞍钢较早研发并推广了排水器电伴热保温技术［6-7］。2009 年前后，湘钢开发应用了带有放散管和U 形管排水管的安全型排水器［8］。2010年莱钢创新改造并推广使用了浮球式防泄漏排水器［9］。首钢开发设计的自闭式煤气排水器，可实现超压等情况下的智能关闭，于2012 年在首钢迁安公司动力部在线试用，达到了预期效果［10］。同年，韶钢焙烧厂在混合煤气管网上应用了浮筒杠杆式防泄漏煤气排水器［11］。2017 年河钢承钢公司针对过压保护排水器运行中存在的“水阻”和“气阻”现象，研制了套筒式自动防击穿煤气排水器［12］。近年来，随着物联网技术的发展，越来越多的冶金企业通过采用安装智能煤气排水器［13-15］，来降低煤气排水器发生煤气泄漏的风险，保障安全生产。

1 智能煤气排水器的选用

煤气排水器按密封煤气的方式分为：干式排水器、水封式排水器；水封式排水器根据排水器本体结构不同分为：立式水封式排水器、卧式水封式排水器；立式水封式排水器根据本体水封级数不同分为：单级、多级（两级及以上）排水器［16］。首钢京唐公司有3 座5 500 m3的特大型高炉，根据《工业企业煤气安全规程》［17］等标准规范的要求，在炼铁区域高炉煤气管道上共设置有多级立式水封式煤气排水器43台。多级立式水封式排水器具有密封性好、实时排水性好、抗污染能力强、检查维护方便的特点。建厂初期高炉煤气管道选用的为非智能型排水器，排水器伴热、防泄漏装置动作情况等设备运行状态均需人工定期巡检确认，排水器数量多、分布广，检查耗时长，巡检时人员长时间暴露在煤气危险区域，人工检查的时效性也差，难以及时排查出存在隐患的排水器。遇有煤气管网压力波动，排水器筒体内水被挤出，造成排水器水封被击穿时，仅依靠人工不能快速找出击穿排水器，作业人员又须在煤气环境下进行煤气切断和恢复排水器水封的操作，作业安全风险大，易发生煤气中毒等事故。

2019 年以来，首钢京唐公司炼铁系统，按照提高效率、降低风险的总要求，大力推进煤气系统的本质化安全管理，陆续将高炉煤气管道的老式非智能煤气排水器更换为新型智能煤气排水器，经过近3 年的改造，79%高炉煤气管道排水器实现了智能化。

2 智能煤气排水器的结构及工作原理

2.1 智能煤气排水器的结构

首钢京唐公司特大型高炉煤气管道采用的智能煤气排水器主要由排水器本体、防泄漏装置、声光报警系统、数据采集系统、物联网监控系统等组成。图1为智能煤气排水器结构示意。

图1 智能煤气排水器结构示意图

2.2 智能煤气排水器的工作原理

智能煤气排水器防泄漏装置是在低压侧最后一个室内溢流管中安装一套浮球阀，当室内满水时，浮球浮起，浮球阀打开；当煤气压力超高击穿水封，或因其它情况，造成室内亏水到一定程度时浮球靠自重回落，浮球阀关闭。浮球上部与报警灯下部设一套电磁传感器，当电磁传感器接近阀口（≤15 mm）时，报警灯开始报警；当电磁传感器离开阀口时，报警灯停止报警。智能煤气排水器在连接管上设有快速切断阀，当浮球回落触发报警时，快速切断阀亦自动关闭，开关状态远传到控制室，形成防止煤气泄漏的双重保护。快速切断阀也可在主控室实现远程关闭，当主控室监控终端提示有煤气泄漏报警时，可在第一时间通过远程关闭快速切断阀切断泄漏煤气，降低人员现场检查处置的风险。

智能煤气排水器配置有一氧化碳气体报警器，采用了电伴热保温系统，在排水器筒体内低压室安装有温度数值采集器，高压室安装有水位数值采集器，在高压室连接管接口位置安装有压力数值采集器。智能煤气排水器将实时采集的CO 浓度、温度、水位、压力等数据，通过物联网系统传输至主控室PC 监控终端及手机APP，实现对排水器状态的实时监测。PC 监控终端及手机APP 监控页面见图2、图3。可根据实际需要设定排水器状态参数的预警、报警数值，达到设置限值，主控室PC 监控终端及手机APP 进行报警，排水器现场同步声光报警。此外，智能煤气排水器也设有常规排水器所具有的气体排空装置、排污口、水位机械标尺等。

图2 PC终端监控页面

图3 手机APP监控页面

3 智能煤气排水器的优化及性能特点

3.1 智能煤气排水器的优化

影响煤气排水器安全运行的因素有内隔板腐蚀、煤气管道超压、排水器亏水、排水器冻结等。首钢京唐公司高炉煤气管道智能煤气排水器采用耐蚀材质密封结构，来提升密封结构长期使用的可靠性。煤气排水器安全技术规程要求水封式排水器水封的有效高度应取煤气计算压力加500 mmH2O与煤气计算压力1.2 倍的较大值，并不得小于3 m［16］。结合多年来生产实践，首钢京唐公司在高炉煤气管道排水器智能化改造过程中，将主管网煤气排水器的有效水封高度由4 m提升为5 m，显著减少了煤气排水器水封被击穿情况的发生。而双重防泄漏保护设计，极大地避免了煤气管网压力波动或其它原因引起的煤气排水器有效水封高度降低，导致煤气泄漏，发生着火、爆炸、中毒等恶性事故的可能，提升了设备安全水平。

3.2 智能煤气排水器的性能特点

智能煤气排水器将防爆、阻燃、自限式电伴热带与温度数值采集器进行联锁，可根据工作环境设定启闭伴热带温度的上下限值，当温度低于设定下限数值时，伴热带加热，当温度高于设定上限数值时，伴热带停止加热，实现了温度自动控制排水器保温的功能，利于节约电能，降本增效。

智能煤气排水器的水位、温度、煤气压力、防泄漏装置、快速切断阀、伴热带、环境CO 浓度以及报警等运行状态参数传输，采用SIM 卡4G 无线物联网系统，较好地解决了高炉煤气管道排水器设置分散、布线不便的难题，实现了在PC 终端及手机APP上全天24 h 远程在线监控，排水器实时工作状态一目了然。排水器的实时状态信息数据自动录入后台服务器，存储1 年以上，可随时调取打印成报表，方便岗位人员分析追溯运行情况。

智能煤气排水器的报警系统可同步进行监控终端报警和现场报警。当水位、温度、煤气压力、环境CO 浓度等超设定值时，主控室监控终端弹出报警信息（打开手机APP 也可看到报警信息），页面上参数异常排水器显示为黄、橙或红色，同时警铃发声。设置在排水器上的报警器同步开启现场声光报警。智能煤气排水器自动报警系统，对提醒岗位人员及时检查、处理异常情况，以及警示排水器附近人员注意防范煤气，效果明显。

智能煤气排水器设有巡检记录功能，在排水器上的配电箱面有巡检按钮，巡检人员在到达排水器现场完成巡检后，摁下巡检按钮，已巡检信号通过物联网传输到监控终端并自动记录保存，有助于追踪分析排水器的按期检查维护情况和督促人员职责落实。

3.3 智能煤气排水器的风险评价

首钢京唐公司高炉煤气管道排水器智能化改造后，各级责任者可借助PC 终端或手机APP，随时查看授权范围内的煤气排水器运行状态数据、收到报警提示信息及处置情况反馈，为各层级各岗位更好地落实排水器安全风险分级管控提供了设备技术支撑，促进了各层级各岗位分级管控排水器风险的落实，有利于及时发现、处理排水器存在隐患于萌芽状态，降低发生事故的可能性。智能煤气排水器的应用，减少了岗位人员进入煤气危险区域巡检的频次及时长。用LEC 法对煤气排水器智能化改造前后巡检作业风险值进行评估（见表1），可见排水器巡检作业的风险由改造前的较大风险，降为改造后的低风险。

表1 煤气排水器巡检作业风险值评估

4 应用智能煤气排水器遇到问题及建议

4.1 采用智能煤气排水器前的准备工作

对排水器进行智能化改造时，需提前测量区域空间尺寸，避免因安装空间不足，不能合理布置连接管、截止阀等。煤气排水器的智能化，在提高效率、减轻体力劳动的同时，需岗位人员具备操作智能设备的技能。设备维护由过去的机械维护为主，变成了机械、电气、电信并重。故在智能煤气排水器投用前要强化相关人员的培训，避免在智能煤气排水器投用初期，操作和设备维护人员对遇到的问题处理起来较生疏。

4.2 智能煤气排水器使用过程中注意事项

智能煤气排水器的快速切断阀，位于工况环境较恶劣的部位，存在发生卡滞的现象，为确保快速切断阀开关灵活、到位，建议每周做一次现场手动试验。

智能煤气排水器用于排水量较大或者管网压力波动较大的部位，浮球阀会上下振荡或突然下坐，在大振幅及急速下坐情况下，可造成浮球阀直接闭合在阀座上，此时，因水、气在浮球阀上侧的持续作用力，导致浮球无法上浮，形成“水阻”、“气阻”，发现（参数）异常，需及时检查，并进行排水、排气等维护，以保证煤气排水器的正常排水功能和防泄漏功能。

4.3 智能煤气排水器优化建议

目前智能煤气排水器运行状态参数传输模块时有损坏，触发误报警，影响正常监控，使得岗位职工现场检查维护的频次偏高，建议对模块进行改造升级，确保设备稳定运行，信号真实有效。智能煤气排水使用4G 网络传输数据，带宽窄、信号稳定性较差，存在排水器监控运行系统掉线、平台信息修改维护相应慢等情况，需优化升级为5G 网络，以实现稳定高效的监控排水器运行。

智能煤气排水器暂不支持在苹果手机上安装监控APP，且现有手机APP 监控系统只有进入APP后才能看到报警信息，建议进一步研发、拓展适用终端，并增设报警消息弹出提示功能。智能煤气排水器监控系统平台信息修改维护规则需优化，如对“信息管理”页的内容维护，若有空缺项，不能设定报警接收人，无法修改保存信息，建议结合实际应用，优化平台信息维护规则，以便于使用者信息维护录入。