劉武臣
(洛陽義安礦業(yè)公司,河南 洛陽 471821)
乏風氧化裝置安全監(jiān)控系統(tǒng)設計
劉武臣
(洛陽義安礦業(yè)公司,河南 洛陽 471821)
乏風氧化裝置作為解決一項煤礦低濃度瓦斯利用的新技術,已在很多煤礦得到運用。為解決乏風氧化裝置運行過程中由于監(jiān)控系統(tǒng)不到位而出現(xiàn)爆炸的問題,提高監(jiān)控系統(tǒng)的安全可靠性,設計了一套新型乏風氧化裝置安全監(jiān)控系統(tǒng),其綜合了抽排瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)、摻混瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)、氧化裝置、余熱利用、引風機,可實現(xiàn)對乏風氧化裝置運行全方位自動控制。
乏風氧化裝置;自動控制;安全監(jiān)控系統(tǒng);設計
1.1 乏風氧化裝置工藝流程
乏風氧化裝置組成,主要包括抽排瓦管道、乏風管道、摻混管道、引風機、氧化床、蒸汽系統(tǒng)等,其主要部件是氧化床。
乏風氧化裝置的工藝流程是: 氧化裝置工作時由外部電源通過加熱器在氧化床內(nèi)預先創(chuàng)造一個高溫反應環(huán)境。地面抽排泵站抽出瓦斯與礦井乏風進行混合,控制混合后濃度在0.8%左右,由引風機送入氧化床,在高溫區(qū)內(nèi)乏風由蓄熱體預熱,即提供足夠的活化能,使甲烷與氧發(fā)生放熱化學反應。熱量一部分由下風側(cè)的蓄熱體留存,一部分以水蒸氣的形式取出利用,一部分由排氣帶出氧化床。之后,通過換向閥使后期進入氧化床內(nèi)的風流改變方向,新進的乏風在氧化床內(nèi)逐級預熱獲取氧化所需的活化能,在高溫區(qū)域開始氧化并釋放熱量,又將熱量留存在下風側(cè)的蓄熱體內(nèi),富余熱量由水蒸氣及排氣帶出氧化床。
如此周而復始,當甲烷氧化率達到一定程度時,停掉外部電源供給,氧化裝置靠乏風中甲烷自身能量自維持正常運行。在乏風氧化裝置逆流換熱過程中,加熱氧化裝置內(nèi)的熱交換器,產(chǎn)生飽和蒸汽。
1.2 系統(tǒng)控制原理
通過監(jiān)控乏風氧化裝置抽排瓦斯?jié)舛群蛪毫?、摻混濃度和壓力、引風機運行參數(shù)、氧化裝置溫度場、蒸汽壓力,以及其它故障信號,實現(xiàn)對瓦斯?jié)舛葔毫Α⒄羝麎毫α髁窟M行自動控制,確保乏風氧化裝置安全運行;同時監(jiān)控乏風氧化裝置安全參數(shù),與設定上限值進行比對,超過則自動停機,瓦斯與蒸汽自動外排,保護設備及人身安全。乏風氧化裝置控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。
可擴展的、冗余的工業(yè)以太網(wǎng),工控機可以隨時對乏風氧化裝置運行的各項參數(shù)進行全方位的監(jiān)測、控制,PLC配置有以太網(wǎng)通訊,RJ45接口,方便數(shù)據(jù)傳輸和信號采集。PLC程控功能包括:抽排瓦斯?jié)舛茸詣涌刂?、霧化水泵自動控制、摻混濃度自動控制、蒸汽壓力過高自動放散、瓦斯自動外排、裝置自動停機等功能。系統(tǒng)中:DI、DO表示模擬量輸入輸出,AI、AO表示數(shù)字量輸入輸出。
圖1 乏風氧化裝置控制結(jié)構(gòu)圖
2.1 啟動前檢查
在乏風氧化裝置啟動前,應對氧化裝置下列部分進行檢查,有一項不能自檢通過,則氧化裝置不能啟動電加熱。
(1)氧化裝置部分。①換向閥動作、反饋信號正常;②安全閥動作正常;③啟動引風機能正常工作。
(2)氧化裝置電氣部分。①電加熱器能正常投入;②各部分儀表指示是否正常;③監(jiān)控系統(tǒng)無報警。
(3)蒸汽系統(tǒng)部分。①補水泵能正常工作,水壓達到1MPa以上;②水箱、汽水分離器水位達到設定值。
(4)瓦斯輸送與添加部分。①水封阻火器水位達到設定值;②瓦斯?jié)舛葌鞲衅黠@示準確;③通過設定瓦斯?jié)舛?,抽排電動閥門與電動配氣閥門可自動打開關閉;④霧化水泵工作壓力達到設定壓力;⑤自動放散閥水位超過設定水位。
2.2 裝置啟動
氧化裝置正常工作時需外部電源通過加熱器在氧化床內(nèi)預先創(chuàng)造高溫反應環(huán)境。只有在氧化裝置中心溫度達到650℃以上時,才能將混合濃度在0.8%左右的瓦斯,由引風機送入氧化床,在蓄熱體高溫區(qū)內(nèi)氧化蓄熱。電加熱裝置初期投入電加熱功率為25%,控制程序會根據(jù)氧化床溫度自動調(diào)整電加熱功率,逐步調(diào)整至100%,等氧化床中心溫度達到650℃時,控制程序會根據(jù)程序逐步停止電加熱。
2.3 裝置運行
氧化裝置啟動完成后,控制程序會根據(jù)用戶指令通入合適的通風瓦斯保證裝置的穩(wěn)定運行。一旦用戶設定好摻混瓦斯?jié)舛龋刂瞥绦驎詣诱{(diào)節(jié)配氣閥門及引風機。當檢測通風瓦斯?jié)舛壬叩綐O限值時,控制系統(tǒng)自動切斷安全閥,氧化裝置監(jiān)控系統(tǒng)啟動緊急停機程序。裝置運行過程,安全監(jiān)控系統(tǒng)會通過各運行設備的反饋信號,監(jiān)控各設備的運行,當各設備運行參數(shù)超過設定值時,控制程序會自動發(fā)出警報,提醒值班人員。
2.4 停機
當用戶發(fā)出停機指令,氧化裝置監(jiān)控系統(tǒng)會自動切斷瓦斯,打開安全閥,低頻運行引風機,將氧化床溫度降至100℃以內(nèi),汽包外排閥門也將自動打開,當氧化床溫度低于100℃,氧化裝置監(jiān)控系統(tǒng)會自動停止引風機,裝置停機完成。
3.1 硬件設計
因瓦斯屬于易燃易爆氣體,在瓦期管道及氧化裝置本體上采用防爆型設備及本安型測量元件。在蒸汽管上采用耐高溫的設備和測量元件。在測量精度要求高的測量元件,如瓦斯?jié)舛取⒘髁總鞲衅骶捎眠M口ABB公司的產(chǎn)品。
3.2 軟件設計
(1)自動控制設計。在氧化裝置運行過程中,只要用戶設定好摻混瓦斯值,控制程序會自動調(diào)節(jié)配氣閥門的開度及引風機運行頻率,一旦風機運行頻率達到50Hz且瓦斯?jié)舛冗€達不到家設定值時,控制程序會自動調(diào)節(jié)抽放外排閥門,保證瓦斯?jié)舛冗_到設定值。在氧化裝置運行過程中,只要用戶設定好氧化床溫度范圍,控制程序會自動調(diào)節(jié)逆流換向時間,保證氧化裝置在規(guī)定溫度范圍內(nèi)運行。在氧化裝置運行過程中,只要用戶設定好各設備水位,控制程序會自動控制各水泵,將液位補充到設定值。
(2)自動聯(lián)鎖設計。在氧化裝置運行過程中,考慮到安全性,將各設備之間進行聯(lián)鎖,包括:抽排閥門與配氣閥門聯(lián)鎖;引風機與機械關斷閥聯(lián)鎖;汽包低水位與電熱啟動聯(lián)鎖;抽排瓦斯壓力與放散閥聯(lián)鎖。為防止因地面抽排泵站停泵而導致抽排管道正壓增大、瓦斯聚集,設計地面抽放泵運行與瓦斯管道外排聯(lián)鎖,當氧化裝置運行期間地面抽放泵意外停泵,瓦斯管道外排會自動打開,并發(fā)出警報。
(3)系統(tǒng)報警設計。報警是指對氧化裝置運行出現(xiàn)的不正常情況發(fā)出的警報和緊急操作。系統(tǒng)報警分為運行參數(shù)異常報警和緊急報警,運行參數(shù)異常報警是指氧化裝置運行各項參數(shù)達到設定報警值,提醒值班人員,緊急處理,提醒進行相應的操作,緊急報警是指氧化裝置危險參數(shù)已超過上限值,安全監(jiān)控系統(tǒng)將執(zhí)行緊急停機程序,防止事故發(fā)生。
通過在洛陽礦業(yè)公司乏風氧化裝置上對該安全監(jiān)控系統(tǒng)進行現(xiàn)場試驗表明,該系統(tǒng)可實現(xiàn)對乏風氧化裝置運行全過程的安全自動控制,解決了以往監(jiān)控不完善、不可靠、不到位問題,系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和可靠性,對提高乏風氧化裝置安全可靠運行、煤礦瓦斯安全穩(wěn)定利用具有重大意義。
[1]馬代輝.乏風瓦斯催化氧化監(jiān)控系統(tǒng)設計與研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2015(06).
[2]康建東,蘭波,嚴政,高鵬飛,許慧娟,龍伍見. 乏風瓦斯蓄熱氧化試驗研究[J]. 礦業(yè)安全與環(huán)保,2013(01) .
[3] 彭麗娟.熱逆流氧化裝置流量分配特性研究[D].山東理工大學,2014.
[4] 陳帥. 煤礦乏風瓦斯預熱催化氧化性能研究[D].山東理工大學,2013.
[5] 唐帥. 氧化裝置進出口乏風分配系統(tǒng)數(shù)值模擬與優(yōu)化設計[D].山東理工大學 2011.
[6] 劉釗.煤礦乏風逆流式催化氧化蓄熱裝置試驗研究[D].大連理工大學,2012.
[7] 王鑫陽.礦井乏風回收利用技術研究[D].遼寧工程技術大學,2008.
TD72;TP273
A
1671-0711(2016)11(上)-0087-02