鋼鐵廠管道輸送自動化與控制技術研究

作者簡介：崔政（2001-），男，汽車與工程機械用鋼研發工程師。研究方向為鋼鐵冶金。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.16.045

摘" 要：煉鋼廠大量的地下煤氣管道由于老舊，使用時送收段之間已經陸續開始出現壓力差。及時地修建輸送管道，運用現代化的技術，使一系列相關的流體在高儲與生產2個區段得到有效銜接是企業下一步的計劃。該文圍繞著鋼鐵廠管道輸送自動化與自動化控制技術進行剖析，分析鋼鐵廠管道輸送自動化的重要性和管道輸送自動化控制技術的類別，并提出要積極學習和引進先進國家的發展經驗，注重對鋼鐵廠管道輸送自動化控制人才的培訓，加大對自動化控制軟件的開發力度，利用現代技術來提升自動化控制的程度，健全鋼鐵廠管道輸送自動化的管理體系，希望能給相關企業和高校帶來一些啟示。

關鍵詞：鋼鐵廠；管道輸送；自動化；控制技術；風險評估

中圖分類號：TF089" " " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）16-0187-04

Abstract： Because a large number of underground gas pipelines in steelmaking plants are old， the pressure difference between sending and receiving sections has begun to appear one after another. The next step of the enterprise is to build the transportation pipeline in time and use modern technology to effectively connect a series of related fluids in the two sections of high storage and production. Based on the analysis of pipeline transportation automation and automatic control technology in iron and steel plants， this paper analyzes the importance of pipeline transportation automation in iron and steel plants and the categories of pipeline transportation automation control technology. It is also proposed that we should actively learn and introduce the development experience of advanced countries， pay attention to the training of talents for automatic control of pipeline transportation in iron and steel plants， and strengthen the development of automatic control software. Modern technologies should be used to enhance the degree of automation control， and improve the steel plant pipeline transportation automation management system， so as to bring some inspiration to relevant enterprises and colleges and universities.

Keywords： iron and steel plant; pipeline transportation; automation; control technology; risk assessment

在鋼鐵廠內，流體生產原料以管道輸送往往是快速、高效、精準調配的最佳選擇，但這對管道系統如何保障管網運行安全及可靠性有著較為苛刻的考驗。我國管道輸送領域的自動化雖然在油氣輸送方面得到了數據采集、實時調整的智能化集中調控、區域分級管控的發展，但在制造行業內依舊停留在較為落后的區域單獨管控模式，相比歐美發達國家在管道自動化技術的應用上仍然有著巨大的發展需求。文章以SCADA系統為出發點，對氣體的安全性和輸送風險進行評估，探討了鋼鐵廠管道輸送自動化的提升方向，對于后續修建輸送管道工作的開展具有重要意義。

1" 鋼鐵廠管道輸送技術的發展趨勢

1.1" 輸送管道的發展

21世紀，全世界各地的輸送管道工程都迎來了發展的黃金時期，新材料的突破，新制造工藝、新焊接工藝的層出不窮，使輸送管道工程技術取得了顯著進展。未來管道輸送的自動化勢必成為鋼鐵廠提升輸送效率、節約費用、控制風險的重要途徑。在鋼鐵廠管道輸送技術的發展方向上，有以下幾個方面的發展：管道內流體壓力進一步提高；管道安全性和強度更高；管道孔徑更大[1]；鋼鐵廠廠房內外的管道建設不斷向廠房內外兩極和地底延伸，且逐漸形成具有獨特風格的網絡狀大型輸送系統。

1.2" 輸送管道的自動化控制技術

國外在管道輸送方面的研究比較早，所以他們的自動控制技術具有比較高的程度，已經進入到了管道輸送自動化發展的新時代，其中自動控制技術的應用，可以有效地提升管道輸送的效率、使用率及管道輸送的安全性[2]。

雖然相對于國外，國內對管道輸送的理論研究相對滯后，但通過多年來的穩步發展和持續的實踐與創新，我國管道輸送的自動化程度已接近世界領先水平。“西氣東輸”工程是中國管道史上大型和典型的“世界之最”工程，是目前國內最大、最具代表性的一條管道工程。如圖1所示，SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，數據采集與監視控制）系統是目前在國內企業使用最多的管道輸送自動化控制技術[3]。

鋼鐵廠通過SCADA系統將管道輸送技術和計算機技術有機結合，在煤氣系統、水冷系統等領域具有廣泛的應用。該系統的工作方式為：利用計算機，對現場運行設備展開監視和控制，并在監控過程中，對各種數據進行收集和儲存，在分析過后對存在的安全隱患進行快速的識別并發出警報，協助從業人員盡快地將存在的問題消除掉，避免造成經濟損失。

另外，通過SCADA系統對輸送狀況進行實時、動態的監測，從而大大降低了操作人員的勞動強度。在風險比較大的測試工作中，工作人員不必親自到場，可以確保測試人員的人身安全。

圖1" SCADA系統的示意圖

2" 鋼鐵廠對管道輸送的自動控制

鋼鐵廠管道輸送自動化采用自動控制技術對管道輸送全流程進行管理和控制，管道輸送的自動控制對于提升管道輸送的效率、減少管道輸送的費用、控制管道輸送的風險起著非常關鍵的作用。

首先，與傳統的手工作業相比，利用SCADA技術實現管道輸送全程的自動作業，能夠極大地降低管道多段控制人員的勞動強度，提升管道輸送的整體協同率及工作效率。其次，鋼鐵廠的管道輸送屬于封閉式、連續性、高流速、高溫度和高危害性的工藝環境。封閉式、連續性是指在鋼鐵廠生產過程中，由于煤氣、熱風、煙塵和冷卻水輸送管道是一個持續封閉的輸送體系，若不采用現代科學技術，很難對其進行監測；高流速是指為了確保熱風的輸送效率，整個輸送過程中，各部位、各環節都要保持在高流速條件下，這就造成了手工監測輸送狀況的難度；高危害性是指煤氣在輸送過程中出現泄漏，不但會影響整體管道的壓力，導致能源的極大浪費，還會帶來巨大的危險，比如煤氣泄漏區的濃度高達5%～15%時，在一定的條件下可能會引發多段管道的連續性爆炸，造成重大事故。針對目前我國流體管道輸送存在的諸多問題，采用手工方式無法準確有效地解決，迫切需要推動流體管道輸送的自動控制工作。

3" 鋼鐵廠管道自動化技術的分級

3.1" 流體成分分析

相較于其他企業，鋼鐵廠內部管道的流體成分更為復雜，各管道內流體的各項參數差別很大，即便是同一種類別的流體，由于地理位置、地質條件、區域氣候等，也會產生各種成分的差別。為了保證鋼鐵公司管道輸送的安全性，必須對這些成分進行測試，以保證企業在使用過程中的安全性。通過對鋼鐵廠管道成分的分析，能夠根據企業的管道實際情況、當地氣候環境及管道內部流體所含有的雜質種類和含量，運用大數據分析和建立模型預測，對同一類型的管道成分進行分析，可有效地提升鋼鐵廠管道成分分析結果的精度[4]。

3.2" 氣體的安全性評估

各個企業的管道實際情況、當地氣候環境及實際生產波動導致的管道內部流體所含有的雜質種類和含量等因素都不盡相同，因此，對于各種類型的流體，所使用的承載管道的厚度和顏色也各不相同。在流體進入輸送管道之后，必須對其中的流體進行危險程度的評價，從而為管道中流體的輸送提供一種合適的流速波動和定時檢校的方法。危險評價的目的是評價事故的等級，一旦沒有得到正確的評價，會對企業的生產造成嚴重后果。

3.3" 輸送風險評估

鋼鐵廠管道輸送自動化控制技術的核心是鋼鐵廠管道輸送風險評估。通過對鋼鐵廠管道輸送狀態的檢測，根據各類鋼鐵廠管道安全隱患發生的頻率、危害性、隱患來源等，將鋼鐵廠管道的輸送風險進行等級劃分。目前，針對在鋼鐵廠的管道輸送過程中存在的健康問題、安全問題、環保問題、經濟損失、聲譽損失和產線中斷情況，參考一些學者對相關領域的定義，將鋼鐵廠的管道輸送風險分為高風險、極高風險、中等風險3種類型，管道輸送風險分級見表1。利用自動控制軟件，對鋼鐵公司的管道輸送情況進行定性定量的分析，并利用合適的數學推理模型，對鋼鐵公司的管道輸送情況進行預報，以便及早地找到危險的地方，采取相應的對策，進行有目的的防范，最大限度地減少安全問題的出現。

4" 鋼鐵廠管道輸送自動化的提升方向

4.1" 主動學習外國的先進經驗

與國外比較，國內在管道輸送方面的研究相對滯后，管道輸送的自動控制及自動化程度還有待進一步提高。所以，要對國外的發展進行主動的借鑒，總結國外在相近領域企業的管道輸送自動化建設中所積累的經驗和教訓，指導我國鋼鐵廠的管道輸送自動化建設工作。首先，通過搜集國外先進的有關管道自動控制的資料，對資料進行整理，得到較為客觀的結果，從而為國內管道自動控制系統的建立和完善奠定基礎。其次，要與國外先進的管道輸送技術相結合，加強對國外管道輸送技術的認識。最后，在學習國外成功經驗的基礎上引入先進自動化系統，針對性地對未來管道輸送自動化領域的發展趨勢進行主動的探索和創新，提升我國的綜合自動化技術水平。

4.2" 加強企業自動化技術人員的培訓

專業人才始終是工業發展的主要推動力量，鋼鐵廠輸送管道的設計與維護，自動控制系統技術的研究與開發，在現有大環境下與人工智能、遠程監控等的結合，急需具備高水平的專業素養和多學科知識的綜合型人才[5]。要想提升國內鋼鐵廠的管道輸送自動化水平和自動化控制能力，就需要加大對鋼鐵廠管道輸送自動化控制人員的培訓力度，成為真正意義上的從實踐中來，到實踐中去。首先，企業應該積極與各高校合作，針對不同的學科設置，適時地調整課程，增強課程的實用性和時代性，提升相應學科的實際應用能力，進而推動鋼鐵工業管道輸送的自動化與控制體系的發展。其次，相關企業也需要通過提升技術人員的薪酬福利，拓展技術人員的升遷通道，為技術人員搭建專業發展的平臺等方式，提升技術人員的綜合素質，促進技術人員在該領域中的快速發展。

4.3" 加強企業自控系統的研發

在我國，管道的輸送系統中，自動控制系統是能源與環保部門的輸送體系中必不可少的一個環節，其兼容程度和高效程度對流體輸送的自動化程度有很大的影響。首先，通過對自動識別系統中的數據進行集成，增強自動識別系統中的數據儲存和處理能力，實現對管道組成、失效程度、輸送風險等的準確、客觀評價，并提供與現實最為貼近的評價結果。其次，為了增強自動化系統的兼容性，在鋼鐵廠的管道輸送自動化系統中，必須接入計算機、電子通信、遠程監控和安全報警等系統，只有實現所有系統之間的互聯互通，才能使鋼鐵廠的管道輸送自動化管理與控制成為可能。自動識別系統的數據上傳模式如圖2所示。

圖2" 自動識別系統的數據上傳模式圖

4.4" 應用現代化的技術來改善自動化程度

在鋼鐵廠中，由于制造無縫鋼管技術的快速發展和產量的逐年提升，利用現代化的技術來實現流體管道輸送的自動化已經成為一種必然。鋼鐵廠可以與高校聯合，將動態仿真技術、數據采集技術、監控技術等有機地融合在一起，研制出適用于企業的大型流體輸送管道的動態仿真軟件。將這樣的仿真軟件與高校教學結合，不但可以提升我國大型流體輸送管道的設計水平[6]，還可以實現對各種突發事件的早期預警，使得工程技術人員可以在最短時間內處理突發事件，防止突發事件的發展，進而實現對大型流體輸送管道的安全防范。在鋼鐵廠中，為了解決管道鋪設困難這一問題，可以運用北斗/GPS定位技術，能夠有效地降低管道架設誤差，從而避免經濟損失，降低工程事故發生的概率。

4.5" 改進管道輸送的自動控制系統

鋼鐵廠的管道輸送牽涉分輸站、壓氣站、儲氣站、除塵環保、質檢和綜合管理等方面。由于涉及的體系復雜，其對應的管理工作涵蓋廣泛，具有較高的難度[7]。通過對管道輸送系統的改進，使管道輸送的自動化程度得到了進一步的提升。為了提高在鋼鐵廠的管道輸送中處理問題的效率，應該拋棄傳統的分散管理方式，采取一種適用于鋼鐵廠管道輸送自動化控制的統一領導、分級管理方式[8]，即制定和實施集中管理體制。該系統采用統一領導，分級管理的集約化管理模式，使整個鋼鐵廠的管道輸送系統在同一區域內運行。在鋼鐵廠，管道輸送過程中如果發生了故障，則將故障信號及時傳送給能環部門的主控制中心。通過對這些信息的分析，以及自身的工作經驗，總控制中心的工作人員可以快速地給出相應的處理方法，并協調設備部門的人員迅速處理[9]，保證鋼鐵廠的管道輸送工作順利進行。

4.6" 加大對鋼鐵廠管道自動化工程的資金力度

要在鋼鐵廠中實現管道自動化，就必須要有專門的人才和高兼容性自動控制軟件，還要有其他新材料、新工藝產業作為支撐，因此，鋼鐵廠中實現管道自動化，就必須要有足夠的資金支持。企業應該對煉鐵廠及煉鋼廠分撥專項資金，積極開展管道輸送自動化控制建設。除此之外，鋼鐵廠要具有前瞻性，要清楚地認識到鋼鐵廠管道自動化控制的發展趨勢[10]，在對鋼鐵廠管道設計進行優化的前提下，為鋼鐵廠管道輸送自動化控制工作提供研究經費，加大對自動化控制技術的投資力度，持續提升鋼鐵廠管道輸送自動化的管理和控制水平。

5" 結束語

總而言之，目前國內鋼鐵廠的管道輸送自動控制系統的建設，主要有3個內容：流體成分分析、氣體的安全性評估、輸送風險評估。進一步深研自動化工作技術，更新自動化運轉系統，加快我國鋼鐵廠管道輸送的自動監控系統的發展，對于改善鋼鐵廠管道輸送的運行效能與安全水平，有著十分重大的現實意義。

參考文獻：

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