淺析鋼鐵企業煤氣柜檢測儀表及系統

郭秀新，蘆連東

（濟南伊斯達自控工程有限公司，山東 濟南250100）

1 鋼鐵企業煤氣柜概述

儲存煤氣的氣柜是能源工業和鋼鐵工業必不可少的大型設施。煤氣柜按密封方式有濕式煤氣柜和干式煤氣柜兩種。濕式煤氣柜為用水密封的套筒式圓柱形結構；干式煤氣柜為用稀（干）油或柔膜密封的活塞式結構。

干式煤氣柜是具有非水密封且由活塞來平衡外部管網煤氣壓力的煤氣柜，包括干油密封煤氣柜（克隆型柜）、稀油密封型煤氣柜（曼恩型柜）和橡膠膜密封型煤氣柜（維金斯柜），簡稱干式柜或煤氣柜。干式煤氣柜與濕式煤氣柜相比，有儲氣壓力高、壓力穩定、使用壽命長、煤氣不增濕、污染少、占地面積小及操作安全可靠等優點。

按照《鋼鐵企業煤氣儲存和輸配系統設計規范》，鋼鐵企業煤氣儲存設施應選用干式煤氣柜。目前國內干式煤氣柜主要分為3種柜型：多邊形稀油密封型煤氣柜；圓筒形稀油密封型煤氣柜；橡膠膜密封型煤氣柜。多邊形稀油密封型煤氣柜是以稀潤滑油作密封介質的外殼為正多邊形的儲氣柜，簡稱多邊形稀油柜。圓筒形稀油密封型煤氣柜是以稀潤滑油作密封介質的外殼為圓筒形的儲氣柜，簡稱圓筒形稀油柜。橡膠膜密封型煤氣柜是采用橡膠膜作為活塞密封方法的干式柜，具有采用特制橡膠膜的活塞結構和圓筒形的外形特征，簡稱橡膠膜柜，也稱布簾式柜、皮膜柜、卷簾柜。

2 干式煤氣柜檢測儀表系統配置

從儲存介質的特性來講，鋼鐵企業干式柜儲存的是多組份具有危化品特征的可燃混合氣體，人工煤氣存在一氧化碳中毒危害。根據有關國家標準規范，為保證安裝施工質量、保障操作運行安全，干式柜應設現場控制室，室內設有壓力計、流量計、高度指示計、容積上下限聲光訊號裝置和聯系電話。還應設活塞升降速度、煤氣出入口閥、煤氣放散閥的狀態和開度等測定儀，及各種閥的開、關和故障信號裝置以及與活塞上部操作人員聯系的通信設備。一次儀表不得引入操作值班室內。

對煤氣柜本體所設檢測儀表系統配置進行總結如下：

2.1 活塞檢測

以橡膠膜密封型煤氣柜為例，該型干式煤氣柜的外部是一個圓柱體，內部的活塞做成球冠形狀，活塞位置指示儲氣量，活塞的上下運動指示著氣柜儲氣量的改變，因此柜位是煤氣柜設計中必須要監測的參數。為保證煤氣柜安全運行，必須采用自動化手段對煤氣柜中活塞的運行狀態參數進行檢測，并實現有效的遠程監控。通過傳感器和智能儀器自動采集現場數據，并遠程傳輸至監控管理區域，實時顯示氣柜活塞的位置、傾斜度和漂移度參數，從而判斷氣柜的運行狀態，并對異常狀態實現預警或報警，對保障煤氣柜的安全運行具有重要意義。

應設檢測參數有：活塞位置、活塞升降速度、活塞傾斜度、活塞旋轉、對稀油柜還應設活塞油溝油位高度檢測、橡膠膜柜則可設活塞漂移量（密封間距）檢測。

標準規定干式柜應設置機械柜位計和電子式柜位計各1套。對橡膠膜柜在工藝附屬設施的設計中應設帶柜位發訊裝置的機械式柜容指示器和電子式柜容指示器，當工藝設計配置不全時應補全設備。宜選正交4點在線檢測活塞傾斜測量值。

2.2 煤氣安全檢測

干式柜活塞上部應設置固定式煤氣濃度監測裝置，其監測信號應送到干式柜的控制室并設置聲、光報警的顯示和記錄。在活塞上部應設不少于4點固定式一氧化碳檢測報警裝置。

2.3 調試及運行檢測

干式煤氣柜安裝完成后，要進行活塞走行試驗和氣密性試驗。活塞行走試驗是對活塞傾斜、導輪壓力、密封裝置、柜位計等進行綜合考核。氣密性試驗時，先向柜內充氣，充氣量為柜內容量的90%左右，然后擱置7晝夜，每天當氣溫穩定（一般在日出前）時測量其壓力、體積和溫度。按照計算，其泄漏率以不超過國家標準規定為合格。儲氣柜工藝總調試質量需要檢測的內容有：氣柜高度約1/2處的大氣壓力；柜內氣體溫度，活塞中部人孔處測1點，外側人孔處測2點；柜內氣體含水量；柜內氣體壓力。

現有的煤氣柜運行狀態監測主要有壓力、容量、熱力參數等的監測。煤氣柜的檢測和控制項目內容，應符合下面規定：煤氣柜應設煤氣溫度、密封油溫度、儲氣壓力、儲氣量。其中儲氣壓力、儲氣量等數值應遠傳到操作值班室或遠程控制中心的計算機上顯示。稀油柜還應設置底部油溝油位及水位在線檢測裝置。

綜上所述，根據干式柜調試的安全考核指標及調試和運行要求，柜本體檢測點及數量見表1。

表1 煤氣柜本體檢測點及數量配置

橡膠膜密封干式柜活塞漂移量規范未明確規定檢測，工藝總調試質量標準的密封間距需用到該參數。

2.4 活塞檢測儀表原理及選型

（1）活塞水平旋轉量：位移測量法。采用位移傳感器測量滑塊和防回轉立柱之間的距離，直接讀取位移量。可以選用激光位移傳感器進行測量。一般煤氣柜活塞扭轉量不超過±50 mm，安裝于煤氣柜內。

（2）活塞傾斜量：位移檢測運算法。第一種方法是連通器液位測量運算法，選用4個測量筒連通，安裝4個高精度液位傳感器，對測量數據進行數據處理，計算得活塞傾斜量最大值。此種方法亦可以用多個活塞位置檢測儀表的測量結果來實現。亦可采用4個電子式柜位計檢測參數經運算實現。

A、B、C、D四個測量點分別設置在活塞的平面坐標軸上，沿圓周分布，半徑為R。活塞傾斜時，將沿活塞圓上某一直徑旋轉。已知hA，hB，hC，hD，求H（∠γ），∠ψ。計算過程如下：

所以tgψ=（hD/hA）·（R2-hA2）0.5/（R2-hD2）0.5；

則ψ=arctg［（hD/4A）·（R2-hA2）0.5/（R2-hD2）0.5］；

因為tgγ=hA/a=hA/{（R2-hA2）0.5·cos arctg［（hD/

則H=R·tgγ=R··cos arctg［（hD/

γ=arctg{hA/·cos arctg［（hD/hA）·（R2-

此法為根據活塞傾斜對水平面的位移，求得最大傾斜量和傾斜角。

第二種方法，利用傾斜儀式檢測傾斜角度后進行換算，得到活塞最大傾斜量及其角度。

X-Y平面為活塞平面，活塞半徑為R。已知∠α，∠β（設最大傾斜時為h），求∠γ（H），∠ψ。計算過程如下：

可知tgγ=n/y’=m/x’；

則tgψ=tgα/tgβ；

所以ψ=arctg（tgα/tgβ）；

則tgγ=m/x’=R·sinα/（R·cosα·cosψ）=tgα/cos［arctg（tgα/tgβ）］；

所以γ=arctg{tgα/cos［arctg（tgα/tgβ）］}；

H=R·tgα/cos［arctg（tgα/tgβ）］。

此法為已知傾斜角度，求得最大傾斜角和傾斜量。

（3）活塞快降速度：位置檢測微分法。利用柜容位置編碼器和活塞位置檢測儀表，可以分析計算測量活塞升降速度。

（4）活塞位置：位移檢測。機械柜位計安裝在柜體上，醒目顯示柜容量（活塞位置）。由于機械柜位計的活塞利用繩輪機構和指針指示儀表相連，可以在儀表齒輪箱中加裝多圈絕對值編碼器來進行電氣轉換并接入PLC系統進行柜位信號處理。電子式柜位計還可以采用雷達物位計或激光柜位計等長距離非接觸式位移測量產品來實現。并且利用4點活塞位置測量可以實現活塞最大傾斜量的運算。

（5）活塞漂移量檢測：位移檢測運算法。位于活塞平面坐標軸上的4個測量點A、B、C、D分別檢測出活塞對柜殼的距離：活塞穩定時距離相等為固定值，活塞漂移后距離分別為a、c、a’、c’。活塞的漂移改變了活塞與柜殼之間的距離，活塞的最大漂移量計算：選測量最大值a，其對邊測量值為a；垂直邊測量值為c，c’。則活塞中心沿AC軸的漂移量為（a-a’）/2；沿BD軸的漂移量為（c-c’）/2。因此活塞中心的最大漂移距離為［（a-a’）2+（c-c’）2］0.5/2；漂移角為arctg［（c-c’）/（a-a’）］。

2.5 煤氣柜檢測儀表原則

煤氣柜檢測儀表的設置應以安全需要為原則、保證工作可靠并兼顧經濟性進行，所以在優先應用成熟的產品基礎上要做出經濟分析對比，以達到系統的性價比最優。煤氣柜內測量儀表由于工作環境惡劣，其工作可靠性對設備選擇尤其重要。

傾斜儀的對比：利用連通器液位測量原理，安裝復雜調試繁瑣，但是造價低；利用多柜位計測量，由于柜位計造價高，傾斜儀整體造價偏高，在柜頂外安裝，調試方便。

由于煤氣柜的檢測儀表的配置要充分考慮安全性，因此儀表的工作可靠性尤為重要，在儀表選用時應以可靠性優先，其次才考慮投資成本。

3 結語

鋼鐵企業煤氣柜大多為活塞式，活塞的安全運行成為生產安全重點，按照國家標準規范對其檢測儀表進行配置。本研究對幾個關鍵參數的測量方法進行了探討，提出了煤氣柜檢測儀表的選型原則，可供生產和工廠設計參考。