Design of Monitoring System for VAM Regenerative Thermal Oxidation

李　杰1，2　康建東1,2　霍春秀1,2

(瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1，重慶　400037；中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司2，重慶　400037)

乏風(fēng)瓦斯蓄熱氧化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Design of Monitoring System for VAM Regenerative Thermal Oxidation

李杰1，2康建東1,2霍春秀1,2

(瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1，重慶400037；中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司2，重慶400037)

摘要：乏風(fēng)瓦斯(VAM)蓄熱氧化監(jiān)控系統(tǒng)是用于監(jiān)控較低濃度瓦斯的RTO系統(tǒng)。針對(duì)目前乏風(fēng)瓦斯蓄熱氧化系統(tǒng)集成性差、彼此之間缺乏統(tǒng)籌聯(lián)系、設(shè)計(jì)成本高、維護(hù)效率低的問(wèn)題,提出了一種新的乏風(fēng)瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。該監(jiān)控系統(tǒng)集乏風(fēng)收集及摻混系統(tǒng)、蓄熱氧化系統(tǒng)、余熱利用系統(tǒng)于一體，實(shí)現(xiàn)對(duì)乏風(fēng)瓦斯蓄熱氧化過(guò)程的遠(yuǎn)程監(jiān)控。在多個(gè)煤礦上對(duì)該監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，該監(jiān)控系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性與可靠性。

國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：2011ZX05041-005)。

修改稿收到日期：2014-07-25。

第一作者李杰(1986-)，男，2013年畢業(yè)于重慶大學(xué)機(jī)械電子工程專(zhuān)業(yè)，獲碩士學(xué)位，助理工程師；主要從事低濃度煤層氣利用方面的研究。

關(guān)鍵詞：乏風(fēng)瓦斯煤礦蓄熱氧化設(shè)計(jì)監(jiān)控

Abstract：The monitoring system for ventilation air methane(VAM)regenerative thermal oxidation is used for the regenerative thermal oxidizer (RTO) with low concentration gas. At present, the gas regenerative thermal oxidation systemsare featuring poor integration, lack of co-ordination contact, high design cost and low maintenance efficiency, etc. Aiming at these problems, the design method of new VAM monitoring system is proposed. The monitoring system integrates the VAM collection and mixing system, RTO system, and waste heat utilization system to implement remote monitoring for VAM RTO process. The system has been tested in several coalmines, and the tests show that this monitoring system possesses excellent stability and reliability.

Keywords：Ventilation air methane(VAM)CoalmineRegenerative thermal oxidation(RTO)DesignMonitoring

0引言

井工開(kāi)采帶來(lái)了大量礦井通風(fēng)瓦斯(乏風(fēng))排放，由于濃度低(≤0.75%)、缺乏有效的利用方式，瓦斯被直接排入大氣。甲烷的溫室效應(yīng)相當(dāng)于二氧化碳的21倍，如能將這些甲烷加以利用，既可以節(jié)約能源，又能減輕環(huán)境污染。目前，乏風(fēng)利用仍處于工業(yè)性實(shí)驗(yàn)階段，其主要的利用方式有乏風(fēng)蓄熱氧化和乏風(fēng)催化氧化。由于乏風(fēng)催化氧化在利用過(guò)程中需要使用帶有貴重金屬的催化劑，成本較蓄熱氧化方式更高，因此在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，乏風(fēng)蓄熱氧化方式較為普遍。

乏風(fēng)蓄熱氧化裝置[1]，作為低濃度瓦斯利用的核心技術(shù)，由于其能帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)收益和社會(huì)效益，已成為越來(lái)越多科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)爭(zhēng)相研究的目標(biāo)。最近幾年，國(guó)內(nèi)外關(guān)于乏風(fēng)蓄熱氧化工業(yè)性實(shí)驗(yàn)裝置的研究已經(jīng)初具規(guī)模，但離真正的市場(chǎng)化還有許多研究?jī)?nèi)容要做。針對(duì)乏風(fēng)瓦斯蓄熱氧化裝置，本文提出一種新的乏風(fēng)瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)。

1控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

乏風(fēng)瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，作為乏風(fēng)蓄熱氧化裝置的核心之一，其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣能最終決定整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，瓦斯蓄熱氧化系統(tǒng)大多是各個(gè)子系統(tǒng)單獨(dú)控制，彼此之間缺乏統(tǒng)籌聯(lián)系，設(shè)計(jì)成本高，維護(hù)效率低。

為了解決上述問(wèn)題，針對(duì)乏風(fēng)蓄熱氧化裝置，提出一種新的乏風(fēng)瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

1.1　控制原理

監(jiān)控系統(tǒng)[2-4]是乏風(fēng)瓦斯蓄熱氧化工業(yè)化裝置必不可少的保護(hù)控制系統(tǒng)，主要監(jiān)控功能包括：數(shù)據(jù)采集及處理；參數(shù)顯示(壓力、溫度、流量等)；控制系統(tǒng)及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)顯示；裝置系統(tǒng)有序管理。當(dāng)各允許條件滿(mǎn)足時(shí)，程序控制裝置的啟動(dòng)和停止以及保持其穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)允許條件不滿(mǎn)足時(shí)，執(zhí)行預(yù)先設(shè)計(jì)的保護(hù)邏輯，對(duì)燃燒裝置實(shí)施必要的保護(hù)性措施，以確保人員、設(shè)備的安全。

控制系統(tǒng)采用主從式控制方式。該控制方式是由工業(yè)PC機(jī)作為主機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、保存、修改處理，并預(yù)留MAX232串口通信，必要時(shí)可以打印數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用西門(mén)子PLC S7-300作為各個(gè)從機(jī)的處理器[5-8]，主要負(fù)責(zé)采集溫度、流量、壓力等模擬量與控制裝置中的繼電器和開(kāi)關(guān)。該控制系統(tǒng)使用觸摸屏進(jìn)行人機(jī)交互，觸摸屏同樣作為從機(jī)服務(wù)于工業(yè)PC機(jī)。工作人員可以在觸摸屏上根據(jù)需要設(shè)置工作參數(shù)、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、歷史記錄等操作。蓄熱氧化監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1　蓄熱氧化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2　控制過(guò)程的信號(hào)檢測(cè)

在試驗(yàn)研究過(guò)程中，全面有效地記錄試驗(yàn)過(guò)程中的重要數(shù)據(jù)是為數(shù)值模擬提供有力的數(shù)據(jù)支撐前提與基礎(chǔ)。因此，如何布置系統(tǒng)中傳感器的位置及數(shù)量是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

控制系統(tǒng)中需要監(jiān)測(cè)的參數(shù)有濃度、壓力、流量、溫度及火焰信號(hào),需要監(jiān)測(cè)的位置點(diǎn)及監(jiān)測(cè)項(xiàng)目如表1所示。

表1　系統(tǒng)監(jiān)測(cè)位置與檢測(cè)項(xiàng)目

表1中，表示需要檢測(cè)的項(xiàng)目。

1.2.1乏風(fēng)收集及摻混系統(tǒng)部分

摻混系統(tǒng)有兩個(gè)功能：一是將濃度為10%左右的抽采瓦斯摻混至乏風(fēng)中，使混合氣濃度達(dá)到1%；二是將空氣摻混至乏風(fēng)中，使乏風(fēng)濃度降低至0.2%左右。

乏風(fēng)收集系統(tǒng)主要由乏風(fēng)收集罩、干式阻火器、快速關(guān)斷閥等組成。乏風(fēng)收集罩的功能是將乏風(fēng)擴(kuò)散塔出口的乏風(fēng)收集起來(lái)，經(jīng)管道輸送到后續(xù)裝置。

1.2.2蓄熱氧化裝置部分

蓄熱氧化部分作為整個(gè)利用系統(tǒng)的主體，是摻混瓦斯焚燒的容器，它用于準(zhǔn)確地檢測(cè)氣體的溫度、壓力、流量等參數(shù)。

1.2.3余熱利用系統(tǒng)部分

當(dāng)裝置處理的乏風(fēng)瓦斯?jié)舛容^高時(shí)，可抽取部分高溫?zé)煔膺M(jìn)入余熱鍋爐，生產(chǎn)過(guò)熱蒸汽。在進(jìn)行余熱鍋爐選型前，需要首先確定裝置自熱平衡濃度，然后計(jì)算可用余熱量及可制取蒸汽量。

1.3　自動(dòng)化控制模式

根據(jù)工藝要求，采用現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制、自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程模式三種方式。

① 現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)模式：PLC操作界面上的“手動(dòng)/自動(dòng)”開(kāi)關(guān)選擇“手動(dòng)”方式時(shí)，既可通過(guò)PLC操作界面上的按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)設(shè)備的“運(yùn)行”或“停止”操作，也可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)操作柱進(jìn)行必要的手動(dòng)控制，同時(shí)可滿(mǎn)足裝置設(shè)備檢修及維護(hù)的需要。

② 自動(dòng)模式：PLC操作界面上的“手動(dòng)/自動(dòng)”開(kāi)關(guān)選擇“自動(dòng)”方式時(shí)，系統(tǒng)設(shè)備的安全由PLC根據(jù)系統(tǒng)的工況及生產(chǎn)要求來(lái)完成對(duì)整套設(shè)備或單個(gè)設(shè)備的“運(yùn)行”或“停止”控制，而不需要人工干預(yù)，從而最大限度地實(shí)現(xiàn)裝置的自動(dòng)運(yùn)行，減少人員配置，為裝置的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供保證。

③ 遠(yuǎn)程模式：通過(guò)PLC系統(tǒng)對(duì)裝置的工況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，如蓄熱室及燃燒室溫度、燃燒室火焰、鍋爐壓力、鍋爐液位、乏風(fēng)進(jìn)氣開(kāi)關(guān)、反吹風(fēng)機(jī)和燃燒器等的運(yùn)行狀況，以及試驗(yàn)要求提供的其他相關(guān)數(shù)據(jù)。

2系統(tǒng)的控制流程

蓄熱氧化系統(tǒng)工作狀態(tài)主要分為預(yù)熱啟動(dòng)階段、正常工作階段、摻混工作階段和余熱利用階段。

2.1　預(yù)熱啟動(dòng)階段

低濃度瓦斯只有在700 ℃左右高溫下才能實(shí)現(xiàn)蓄熱氧化。由于系統(tǒng)剛啟動(dòng)時(shí)，蓄熱體沒(méi)有達(dá)到高溫狀態(tài)，這就需要一個(gè)預(yù)熱狀態(tài)。在該階段，預(yù)熱系統(tǒng)啟動(dòng)，對(duì)蓄熱床1至床5逐個(gè)預(yù)熱到正常工作狀態(tài)。預(yù)熱啟動(dòng)階段的控制流程如圖2所示。

圖2　預(yù)熱啟動(dòng)階段的控制流程圖

2.2　正常工作階段

正常工作階段主要是將1%濃度的甲烷氧化成高溫?zé)煔狻Ｓ捎谕咚剐顭嵝枰粋€(gè)時(shí)間累計(jì)過(guò)程，因此需要多床連續(xù)切換，以達(dá)到證氧化過(guò)程連續(xù)性的目的。在預(yù)熱完成后，便進(jìn)入正常工作階段。該階段有五個(gè)流程循環(huán)，其控制流程如表2所示。

表2　正常工作階段控制流程

表2中，O為蓄熱，I為進(jìn)氣，B為吹掃。

2.3　摻混工作階段

瓦斯摻混是將低濃度瓦斯氣體維持在一個(gè)穩(wěn)定的濃度范圍。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，瓦斯摻混裝置的作用是可以通過(guò)調(diào)節(jié)不同的氣源流量得到濃度穩(wěn)定的混合氣體，以實(shí)現(xiàn)低濃度瓦斯的利用。其控制過(guò)程分為提高乏風(fēng)瓦斯?jié)舛群徒档头︼L(fēng)瓦斯?jié)舛取?/p>

2.4余熱利用階段

余熱利用系統(tǒng)的原理是，保證有水持續(xù)流過(guò)余熱鍋爐，讓部分高溫?zé)煔饬鬟^(guò)余熱鍋爐，讓余熱鍋爐按照升爐流程工作，直到達(dá)到正常工作狀態(tài)。

當(dāng)因出現(xiàn)異常情況需要關(guān)閉余熱鍋爐時(shí)，關(guān)閉鍋爐進(jìn)氣閥，直到余熱鍋爐內(nèi)部溫度低于100 ℃。

3系統(tǒng)的自鎖與報(bào)警

瓦斯氣體作為易燃易爆氣體，在瓦斯蓄熱氧化裝置進(jìn)行利用的過(guò)程中，由于存在高溫環(huán)境且低濃度瓦斯接近爆炸極限，因此對(duì)系統(tǒng)的自鎖連鎖與報(bào)警設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。

3.1　自動(dòng)控制連鎖設(shè)計(jì)

在余熱利用階段需要考慮的連鎖有液位連鎖控制，即鍋爐液位與給水流量連鎖，通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度來(lái)控制給水流量來(lái)調(diào)節(jié)鍋爐液位。鍋爐壓力與鍋爐煙氣出口風(fēng)門(mén)連鎖控制。

蓄熱氧化裝置中設(shè)計(jì)有多級(jí)連鎖保護(hù)，包括蓄熱氧化室與起爐燃燒器溫度連鎖保護(hù)、各閥組之間的高溫連鎖保護(hù)和低溫連鎖保護(hù)以及系統(tǒng)斷電連鎖保護(hù)。

3.2　系統(tǒng)報(bào)警設(shè)計(jì)

報(bào)警主要是針對(duì)系統(tǒng)出現(xiàn)不正常情況時(shí)發(fā)出的警告與系統(tǒng)緊急操作。系統(tǒng)的報(bào)警分為系統(tǒng)報(bào)警與公共報(bào)警。系統(tǒng)報(bào)警指蓄熱氧化室溫度上下限報(bào)警、鍋爐液位上下限報(bào)警、燃燒器不能啟動(dòng)報(bào)警，提醒工作人員進(jìn)行相應(yīng)操作。公共報(bào)警是指系統(tǒng)一旦故障報(bào)警，將報(bào)警通過(guò)公共報(bào)警傳送到DCS，以便操作人員到現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，并且報(bào)警發(fā)生后，能夠安全地使設(shè)備終止運(yùn)行，防止事故發(fā)生。

4結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)乏風(fēng)瓦斯蓄熱氧化裝置，提出一種新的乏風(fēng)瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。該監(jiān)控系統(tǒng)集成乏風(fēng)收集及摻混系統(tǒng)、蓄熱氧化系統(tǒng)、余熱利用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)乏風(fēng)瓦斯蓄熱氧化過(guò)程的遠(yuǎn)程監(jiān)控。本文提出的技術(shù)方案和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法，具有較強(qiáng)的可靠性和穩(wěn)定性，且對(duì)同類(lèi)課題的開(kāi)發(fā)有重要的參考意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 康建東，蘭波，嚴(yán)政.乏風(fēng)瓦斯蓄熱氧化試驗(yàn)研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2013,40(1):1-3.

[2] 張新榮，徐保國(guó).一種燃?xì)忮仩t溫度及水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表，2012,33(6)：23-25.

[3] 胡玲艷，唐鍇.臺(tái)車(chē)式退火爐PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表,2012,33(11):42-47.

[4] 王華，王言堂，劉猛.礦井中央水泵房自動(dòng)化排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)電，2010(5):32-33.

[5] 楊磊,綦耀光,任旭虎，等.基于PLC的構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制技術(shù)研究[J].電氣傳動(dòng)，2011,41(7):56-60.

[6] 申祖武,孫學(xué)先,王天運(yùn).基于PLC應(yīng)急保障車(chē)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械制造，2011,49(557):32-33.

[7] 王春波,李云鵬,危日光,等.西門(mén)子PLC在油管防腐熱固化爐上的應(yīng)用[J].電氣傳動(dòng)，2009,39(3):62-64.

[8] 李碩，李鵬陽(yáng).基于PLC的退火爐溫度控制系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程，2010,36(5):251-253.

中圖分類(lèi)號(hào)：TP679

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201501015