随着我国环境污染问题日益突出,煤矿乏风瓦斯利用受到了各方的重视。利用好乏风瓦斯不仅可以减少环境污染,还可以为社会提供清洁能源,实现变“害冶为“宝冶的目的。目前,乏风瓦斯利用方式主要是蓄热氧化利用。蓄热氧化利用是将一定浓度的乏风瓦斯通入高温蓄热装置,乏风中的甲烷在高温下发生氧化反应放出热量,其中一部分热量用于维持蓄热装置温度,多余的热量用来加热锅炉为煤矿生产或生活提供热能,余热特别大的还可以用于蒸汽发电[1-3]。我国乏风瓦斯浓度(甲烷体积分数)一般不大于0.3%,而蓄热氧化利用工程经济运行需要其浓度达到1.0%以上。为了解决该问题,采用把低浓度瓦斯和乏风瓦斯进行均匀混配的方法,使乏风瓦斯浓度达到经济利用要求后再送入蓄热氧化装置[4]。由于低浓度瓦斯具有爆炸燃烧危险性,混配后瓦斯分布的均匀性、浓度的稳定性,以及混配系统的安全性,是乏风瓦斯蓄热氧化利用工程顺利运行的关键[5-7]。为了保障混配均匀性研制了双螺旋混配装置。针对混配后瓦斯浓度的稳定性和混配系统的安全性,开展了混配装置调控系统设计研究。
1混配装置调控系统设计要求
1)浓度稳定性。为了乏风瓦斯蓄热氧化利用系统安全、稳定运行,进入蓄热氧化装置的瓦斯浓度必须稳定。一方面,瓦斯浓度波动大会造成蓄热氧化装置产生的余热量波动大,影响到后端利用系统的稳定性;另一方面,瓦斯浓度如果波动超过安全界限会带来爆炸危险性[8-9]。2)安全性。在低浓度瓦斯和乏风瓦斯混配后瓦斯浓度超过安全警戒线或发生其他紧急情况时,混配系统应具有紧急处理功能,以保障蓄热氧化利用工程的安全性。
2混配装置调控系统设计方案
根据混配装置调控系统设计要求,设计了浓度调控系统及紧急处理系统。
2.1浓度调控系统设计方案
浓度调控系统是为了实现混配后瓦斯浓度的稳定性,在自动控制系统中属于恒值控制系统,为此首先考虑将浓度调控系统设计为负反馈闭环控制系统。负反馈闭环控制系统利用浓度传感器监测混配后瓦斯浓度,并将其与设定值进行比较,如果两者的差值超过设定范围,则通过低浓度瓦斯管道调节阀调节低浓度瓦斯混配量,实现稳定瓦斯浓度的目的。负反馈闭环控制系统的一个缺点是被控对象出现偏差后再去调节,无法将扰动控制在被控对象偏离设定值之前。为了克服该缺点,调控系统在负反馈闭环控制系统的基础上增加前馈控制。当流量和浓度出现波动且超过预定值后,提前采取措施,调整调节阀开度,将混配后瓦斯浓度控制在安全范围内。低浓度瓦斯和乏风瓦斯混配浓度调控系统方案如图1所示。
3硬件设计及选型
混配装置调控系统包括上位机、下位机及现场的传感器、执行机构等。上位机实现人机信息交互,在系统中起主控作用,常选用工控机。下位机获取现场数据,接收上位机发出的指令,直接控制现场设备,工业现场常选用PLC[10]。混配装置调控系统如图2所示。出点(I/O)数量和类型,以及工艺流程控制要求确定,见表1。由表1可知,混配装置模拟量较多,并且混配装置要求调控系统响应快,为此选用西门子公司生产的S7-300系列PLC,其配置见表2。
3.1工控机及PLC选型
煤矿现场粉尘大、电磁干扰强,上位机选用工控机(IPC),综合考虑选用研华IPC-610H。PLC专用于现场级的工业控制,具有功能强、可靠性高、抗干扰能力强等优点[11-13]。PLC选型根据系统的输入/输2.2紧急处理系统设计方案紧急处理系统设计了紧急事件及紧急处理程序。当发生紧急事件时,紧急处理系统自动启动紧急处理程序,及时保障人员和设备的安全。紧急事件包括:低浓度瓦斯输送过程中出现爆炸燃烧事故;混配后瓦斯浓度超过安全警戒值;蓄热氧化装置发生紧急事故;后端利用系统发生紧急事故;紧急处理程序:切断低浓度瓦斯输送管道,打开低浓度瓦斯输送管道放空阀;切断混配后乏风瓦斯输送管道,关断蓄热氧化装置进气主风机。
3.2传感器选型
传感器包括浓度传感器、流量传感器、压力传感器、温度传感器等。1)浓度传感器选型。乏风瓦斯浓度一般为0郾2%~0.3%,波动较小,对混配后瓦斯浓度的影响小,为此选用煤矿管道用高浓度激光甲烷传感器。低浓度瓦斯传感器和混配后瓦斯浓度传感器的测量精度和响应时间直接影响到混配后瓦斯浓度调控性和系统的安全性,为此选用测量精度高、响应时间短的甲烷浓度传感器。2)其他传感器选型。根据测量原理,流量计分为靶式流量计、V锥流量计、孔板流量计和威力巴流量计等。其中,威力巴流量计适用于气体、液体和蒸汽的高精度流量测量,特别是相对其他原理的流量计其压力损失小。因此,流量计选用威力巴流量计。威力巴流量计带有温度和压力监测功能,故不再另配温度和压力传感器。
3.3调节阀及快速关断阀选型
快速关断阀是在紧急情况下迅速切断管道流通,保护系统的安全性,因此要求快速关断阀的响应时间越短越好。根据阀门驱动力的不同,阀门分为气动关断阀、电动关断阀和液压关断阀,其中响应时间最快的是气动阀门,故混配装置快速关断阀选用气动关断阀。调节阀的选择不仅与响应时间有关,还需要考虑阀门的流量特性。在实际现场应用中,调节阀前后压差总是变化的,应用较多的主要是直线和等百分比流量特性。直线特性调节阀在小开度时流量变化大,灵敏度高,容易引起振荡,对阀芯、阀座造成极大的破坏,负荷变化大的场合不宜采用。等百分比调节阀对负荷波动有较强的适应性,阀门的调节性能好。综合分析比较,混配装置调控系统的调节阀选择流量特性为等百分比的气动调节阀。
4软件设计
4.1下位机软件设计
下位机采用西门子公司的S7-300系列PLC,编程软件为SIMATIC-STEP7,编程语言采用梯形图[14]。混配装置调控系统下位机软件逻辑流程如图3所示。在下位机软件中设计了调节阀动作推理机,该推理机实现前馈和负反馈的组合作用,避免前馈控•53•制和反馈控制在调节阀门时发生冲突。
4.2上位机软件设计
上位机监控软件采用KingSCADA组态软件进行开发,设计了主界面、参数设置、历史数据查询、历史曲线查询、报警记录查询等操作界面[15]。主界面(见图4)上设计了混配系统工艺流程图,在线显示各种现场数据,让操作者一目了然;参数设置界面能够根据运行经验调整系统中的各种参数,优化调控系统的性能;历史数据和历史曲线查询功能使技术人员可以实时查询历史混配效果,给技术人员优化调控参数提供数据支持;报警记录查询功能帮助工作人员查找故障、分析故障原因、直至解决故障,避免再次出现同样的故障。5结语
我国乏风瓦斯蓄热氧化利用工程的建设呈现加速趋势,对混配装置的需求也越来越多。基于前馈控制和负反馈闭环控制的组合式调控系统保障了混配后瓦斯浓度的稳定性,调控系统专门设计的应急处理系统也大农业论文参考文献大提高了混配装置及乏风瓦斯蓄热氧化利用工程的安全性,可促进乏风瓦斯蓄热氧化工程的推广应用。
作者：黄克海 单位：瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室 中煤科工集团重庆研究院有限公司
