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        基于倒錐形擴散塔的礦井回風(fēng)熱能利用設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)研究

        2014-10-15 09:14:40范紅斌
        機電信息 2014年18期
        關(guān)鍵詞:設(shè)備系統(tǒng)

        范紅斌

        (太原理工大學(xué)電力學(xué)院,山西 太原030024)

        0 引言

        為響應(yīng)我國改善能源結(jié)構(gòu)、提高能源利用率和加強環(huán)境保護的號召,如何實現(xiàn)煤礦現(xiàn)有廢熱資源的余熱回收利用以替換傳統(tǒng)供熱方式成為了一個重要的課題。

        一般情況下,礦井總回風(fēng)的溫度、濕度一年四季基本保持恒定,其中蘊藏大量的低溫?zé)崮埽壳斑@部分熱能沒有被利用,而是隨著礦井通風(fēng)被排放到大氣中去。熱泵是一種以消耗少量電能為代價,將大量不能直接利用的低溫?zé)崮茏優(yōu)橛杏玫母邷責(zé)崮艿难b置。

        但現(xiàn)有的礦井回風(fēng)源余熱利用系統(tǒng)大都是針對傾斜式擴散塔設(shè)計的,而對于一些煤礦中倒錐形的礦井回風(fēng)擴散塔,直接安裝現(xiàn)有的礦井回風(fēng)源余熱回收利用裝置存在困難,不利于礦井回風(fēng)源余熱的回收利用。

        因此,開展基于倒錐形擴散塔的礦井回風(fēng)熱能利用方式及技術(shù)的研究,優(yōu)化礦井回風(fēng)熱能提取裝置,對于拓展礦井回風(fēng)熱能利用范圍,實現(xiàn)礦井回風(fēng)熱能的深度利用具有重要的意義。

        1 回風(fēng)熱能設(shè)備的現(xiàn)狀和技術(shù)要求

        1.1 熱泵機組設(shè)備配置

        熱泵機組設(shè)備配置如表1所示。

        表1 熱泵機組設(shè)備配置表

        1.2 熱泵機組輔助設(shè)備

        熱泵機組輔助設(shè)備包括:井口防凍循環(huán)泵(立式離心泵)、回風(fēng)換熱一次循環(huán)泵(立式離心泵)、回風(fēng)換熱二次循環(huán)泵(立式離心泵)、消防水池蓄熱污水泵(潛污泵)、定壓補水機組(ISG40-100)、全自動軟化水設(shè)備、軟化水箱等。

        1.3 井口加熱器、回風(fēng)換熱器選型設(shè)計

        井口加熱器(型號 KDJR-600):換熱量 630kW,風(fēng)量45 000m3/h;數(shù)量12臺;電源380V/50Hz,電機功率11kW(防爆電機);機外余壓100Pa。

        回風(fēng)換熱器(型號KDHF-6000):換熱量6 000kW;數(shù)量1套,含6個模塊;效率90%以上;循環(huán)水量1 620m3/h;消音量20dB以上;阻力小于50Pa。

        1.4 配電柜

        技術(shù)參數(shù):斷路器、接觸器采用施耐德電氣產(chǎn)品,進線柜總開關(guān)選用抽屜式斷路器,型號為 MT40H2/4P,配備7.0H型控制單元。出線選用NSX系列斷路器,并配施耐德Micrologic電子脫扣保護和選擇手柄,柜內(nèi)其他儀表、指示燈、熔斷器等元器件均采用知名廠商產(chǎn)品,配施耐德FDM121柜門顯示單元。

        2 控制系統(tǒng)的總體要求

        本系統(tǒng)采用小型一體化PLC為主的集中和分散相結(jié)合的控制系統(tǒng),實現(xiàn)對高低溫?zé)岜脵C組的工藝參數(shù)、電氣參數(shù)和設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測、控制、聯(lián)鎖和報警以及報表打印,通過使用監(jiān)控中心與主站以及主站與遠程站間的一系列通訊鏈,完成整個水源和熱泵機組所必需的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通訊、順序控制、時間控制、回路調(diào)節(jié)及上位監(jiān)視和管理功能。

        2.1 控制方式

        本熱泵控制系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)上傳功能,同樣也具有控制功能,控制方式可以分為現(xiàn)場設(shè)備就地手動控制、本地觸摸屏控制、遠程計算機控制3種。

        2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        熱泵控制系統(tǒng)分為4級,包括生產(chǎn)管理級(遠程客戶端)、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)管理級(監(jiān)控中心)、現(xiàn)場控制級(PLC監(jiān)控站)及就地控制級(現(xiàn)場控制箱)?,F(xiàn)場各種數(shù)據(jù)通過PLC系統(tǒng)進行采集,并通過主干通訊網(wǎng)絡(luò)——485通訊傳送到監(jiān)控中心操作員站進行集中監(jiān)控和管理,同時操作員站作為服務(wù)器,將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)娇偙O(jiān)控客戶端,進行統(tǒng)一生產(chǎn)監(jiān)控和管理。同樣,監(jiān)控中心操作員站的控制命令也通過上述通道傳送到各遠程PLC控制站,實現(xiàn)各單元的分散控制。

        3 監(jiān)控系統(tǒng)的研究設(shè)計

        3.1 主要監(jiān)控參數(shù)

        熱泵機組:5臺。熱泵機組冷凝進出水溫度、蒸發(fā)進出水溫度、運行狀態(tài)、運行故障、停機溫度、溫差、保護溫度閾值、延后啟動時間等參數(shù)。

        軟化水箱:1臺。液位、進水流量監(jiān)視。

        回風(fēng)換熱水池:1座。液位、溫度參數(shù)。

        消防水池:1座。液位、溫度參數(shù)。

        水泵:井筒防凍循環(huán)泵4臺、回風(fēng)換熱一次循環(huán)泵4臺、回風(fēng)換熱二次循環(huán)泵3臺、消防水池水泵2臺、定壓補水泵2臺,共15臺水泵的運行/停止狀態(tài)、故障狀態(tài)、遠程/就地狀態(tài)監(jiān)視,水泵出口母管壓力監(jiān)視。

        室內(nèi)外:溫度參數(shù)。

        3.2 技術(shù)要求

        自動監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu),監(jiān)控中心采用工業(yè)計算機作為監(jiān)控設(shè)備。在熱泵機房中設(shè)一大屏液晶電視及LED顯示燈,信息來自計算機監(jiān)控系統(tǒng)??娠@示設(shè)備運行狀態(tài)參數(shù)、水倉水位數(shù)據(jù)及其他數(shù)據(jù)信息。

        監(jiān)控站配置2臺上位機,一主一備,可在一臺故障時另一臺繼續(xù)工作。上位機負責(zé)采集、存儲、查詢和統(tǒng)計分析熱泵系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)、曲線、事件信息、故障報警,遠程監(jiān)視設(shè)備運行情況。上位機可以通過礦井網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將信息傳送到全礦井綜合自動化平臺,全礦井綜合自動化平臺對有關(guān)信息進行分析后在WEB網(wǎng)頁上發(fā)布,實現(xiàn)信息的共享。

        系統(tǒng)采集與檢測壓力、溫度等模擬量和設(shè)備開停狀態(tài)等數(shù)字量。當水位超限及水位傳感器故障時報警,系統(tǒng)能夠通過圖形動態(tài)顯示水泵、熱泵機組的運行狀態(tài),采用改變圖形顏色和閃爍功能進行事故報警,實時顯示各類溫度、水位等數(shù)值。系統(tǒng)應(yīng)開放通訊協(xié)議,監(jiān)控計算機能夠通過接入全礦井安全生產(chǎn)自動化控制網(wǎng),使礦方技術(shù)人員在大礦即可掌握系統(tǒng)設(shè)備的所有檢測數(shù)據(jù)及工作狀態(tài)。選用西門子S7-200系列PLC,模擬量輸入/輸出通道、開關(guān)量輸入/輸出點均應(yīng)有20%以上冗余量。操作臺選用西門子的觸摸屏,用于狀態(tài)顯示、參數(shù)輸入、故障查詢及水泵控制。線槽的電線不得超過線槽容量的70%。進線裝置及密封圈應(yīng)與電纜相符,每種規(guī)格密封圈均應(yīng)提供所用量的2倍作為備用。操作臺的外殼應(yīng)盡量采用不銹鋼,如有困難,可采用其他材料,但必須能適應(yīng)井下工作環(huán)境,耐潮、耐腐蝕。系統(tǒng)應(yīng)能在電子噪聲、射頻干擾及振動都很大的現(xiàn)場環(huán)境中連續(xù)運行,且不降低系統(tǒng)的性能。系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)采用各種抗干擾技術(shù),確保正常工作。監(jiān)控系統(tǒng)能自動或者按照運行人員的操作實時打印記錄各主要設(shè)備各類操作、事故和故障的記錄及有關(guān)參數(shù)、表格,并能打印各種生產(chǎn)報表技術(shù)資料。

        監(jiān)控系統(tǒng)能根據(jù)預(yù)定的決策及運行人員輸入的(或者上級調(diào)度所發(fā)來的)命令完成熱泵機組運行系統(tǒng)的自動轉(zhuǎn)換;能夠通過屏幕顯示器和機房內(nèi)的液晶電視實時顯示熱泵系統(tǒng)的運行狀態(tài)、主要設(shè)備的運行狀態(tài)、故障報警信號的有關(guān)參數(shù)和畫面。事故報警信息具有最高的優(yōu)先權(quán),可以覆蓋正在顯示的其他畫面。

        可以顯示的主要圖表有:

        (1)熱泵系統(tǒng)的運行原理圖、熱泵系統(tǒng)的運行轉(zhuǎn)換圖;

        (2)參數(shù)顯示圖;

        (3)各類曲線(模擬量變化趨勢曲線等);

        (4)事故、故障統(tǒng)計表;

        (5)工作報表、歷史記錄表。

        軟件功能:

        (1)能夠在標準畫面和用戶組態(tài)畫面上設(shè)定、匯集和顯示有關(guān)的運行信息,供運行人員對設(shè)備的運行工況進行監(jiān)視和控制。

        (2)能夠監(jiān)視或控制本工藝點的生產(chǎn)過程畫面及生產(chǎn)實時數(shù)據(jù),并適時配以和實際相符的動畫。

        (3)采用組態(tài)軟件、模塊化設(shè)計。

        (4)具有漢化界面。

        (5)具有報警處理功能,在任何時間和任何工作站均應(yīng)能在畫面頂部或底部顯示出總的報警信息。

        (6)在控制人機界面設(shè)計上能滿足人機界面應(yīng)運用開放系統(tǒng)的圖形窗口技術(shù),友好的操作人員界面,可修改和編輯畫面,帶有詳細的聯(lián)機幫助功能。

        (7)具有安全登錄和密碼保護功能:設(shè)計監(jiān)控對應(yīng)多個操作級別,對各個級別的操作都設(shè)置密碼,并能記錄操作人員工號、操作內(nèi)容、時間等,防止非法操作,確保排水設(shè)備安全有序運行。

        (8)組網(wǎng)功能:通過工業(yè)用上位機的接口接入全礦綜合自動化系統(tǒng)。

        4 結(jié)論與效益分析

        通過整體技術(shù)研究和設(shè)計,能夠使礦井回風(fēng)熱交換器進出口水溫溫差在3~5℃之間,降低主扇出風(fēng)口噪音30dB,礦井回風(fēng)熱交換器增加通風(fēng)局部阻力不大于50Pa。經(jīng)過井筒防凍散熱器后進風(fēng)混合溫度在2℃以上,井筒防凍散熱器噪音不超過50dB。

        回收礦井回風(fēng)低溫?zé)崮?,按照某礦的回風(fēng)井風(fēng)量為21 000m3/min提取熱量,為進風(fēng)井14 000m3/min的井筒防凍提供熱源,可以替代2臺10t熱風(fēng)爐,每年可節(jié)約運行費用281萬元,減少標準煤消耗3 715t,減少CO2排放9 659t,減少SO2排放74t。

        [1]趙宗燠.余熱利用與鍋爐節(jié)能[M].寧夏人民出版社,1984

        [2]GB/T19409—2003 水源熱泵機組[S]

        [3]姚楊.暖通空調(diào)熱泵技術(shù)[M].中國建筑工業(yè)出版社,2008

        [4]柳延超.熱泵與礦井回風(fēng)余熱回收裝置耦合系統(tǒng)的研究[D].河北工程大學(xué),2012

        [5]程果.井口房采暖與降溫的CFD數(shù)值模擬及優(yōu)化研究[D].武漢理工大學(xué),2009

        [6]周華慧.礦井回風(fēng)余熱回收換熱裝置的換熱性能研究[D].河北工程大學(xué),2012

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