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        礦山用制氮設(shè)備控制系統(tǒng)的改進(jìn)策略

        2021-04-08 09:34:52董加利
        機(jī)械管理開發(fā) 2021年2期
        關(guān)鍵詞:制氮膜分離空氣

        董加利

        (晉能控股煤業(yè)集團(tuán)馬脊梁礦西三綜合區(qū), 山西 大同 037000)

        引言

        煤礦的高效率生產(chǎn)使得煤礦的日常防火工作成為保證礦井正常生產(chǎn)的首要問(wèn)題,防滅火工作的好壞決定了生產(chǎn)能否安全順利進(jìn)行。N2作為不可燃性氣體可以作為煤礦防滅火材料,采取制氮注氮設(shè)備制備惰性氣體N2也成為煤礦防滅火方式的首選,這種防范在很多國(guó)家也有應(yīng)用[1]。煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)必須具備防火措施,N2作為防火材料,可以適應(yīng)高性能、高效率煤礦防滅火工作的需要。膜制氮設(shè)備在煤礦中的推廣可有效提高煤礦日常工作的安全性,但是為了降低設(shè)備的操作難度,必須提升膜制氮設(shè)備控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度,簡(jiǎn)化日常防滅火工作的任務(wù),因此,采用安全穩(wěn)定的膜制氮注氮設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)成為礦山安全的關(guān)鍵[2]。因此研究膜分離制氮工藝及其自動(dòng)控制工藝流程,設(shè)計(jì)和改進(jìn)控制系統(tǒng),為保證煤礦運(yùn)營(yíng)安全具有重要的意義。

        1 膜分離制氮技術(shù)的特點(diǎn)

        通常制氮采取中空纖維膜分離制氮原理實(shí)現(xiàn)空氣中N2和O2的分離,纖維膜利用多個(gè)高分子薄膜細(xì)管密集集成在承壓管殼,空氣壓縮后在中空纖維膜流動(dòng),但是壓縮氣體中不同成分的物理特性不同,因此擴(kuò)散透過(guò)率也有差異,O2、水蒸氣的活性大,非常容易穿過(guò)膜壁而逸出,N2因?yàn)榛钚圆钔高^(guò)管壁較少,空氣壓力持續(xù)推動(dòng)管內(nèi)側(cè)N2沿著薄膜管經(jīng)過(guò)閥門注入儲(chǔ)氣罐,其原理如圖1 所示。采用膜分離制氮技術(shù)可以保證N2分離效果好,且能量低、自動(dòng)化程度得到相應(yīng)提高。N2分離過(guò)程可以在接近室內(nèi)溫度時(shí)進(jìn)行,分離過(guò)程為物理變化,因此具有很好的穩(wěn)定性和連續(xù)操作性。中空纖維膜也成為煤礦制氮的首選,膜分離制氮設(shè)備加熱方式為電加熱制氮或者汽加熱兩種制氮方式,由于電加熱過(guò)程容易控制,所以該制氮方式可實(shí)現(xiàn)很高的自動(dòng)化程度,但能耗相對(duì)較大,采取汽加熱制氮方式可以節(jié)能,維護(hù)方便,造價(jià)低,但是自動(dòng)化不容易實(shí)現(xiàn),操作過(guò)程對(duì)工人要求較高。

        圖1 N2 分離原理

        2 膜制氮自動(dòng)控制系統(tǒng)的工藝流程

        首先用雙螺桿空氣壓縮機(jī)壓縮機(jī)將空氣壓縮到1.6 MPa,滿足標(biāo)準(zhǔn)后注入空氣緩沖罐完成預(yù)處理,空氣過(guò)濾器由兩個(gè)精度等級(jí)的過(guò)濾器(精密和超精密過(guò)濾器)、風(fēng)干機(jī)和碳床過(guò)濾器等組成,以控制水分、油和粉塵的含量,其中含油量必須不大于0.001 mg/m3,固體顆粒不大于0.01μm。檢查過(guò)濾完成空氣,合格后加熱至40 ℃,空氣進(jìn)入內(nèi)膜組后繼續(xù)加熱至45 ℃。加熱空氣在膜分離制氮裝置完成N2的分離制備,分離后可獲得壓力不低于1.2 MPa、濃度不低于95%相對(duì)純凈的N2,工藝流程如圖2 所示。

        圖2 自動(dòng)控制膜制氮工藝

        膜制氮設(shè)備設(shè)置有保護(hù)程序和檢驗(yàn)裝置,對(duì)入膜空氣壓力、進(jìn)氣溫度和氣體預(yù)加溫度都進(jìn)行檢測(cè)并進(jìn)行控制,當(dāng)某一參數(shù)超過(guò)設(shè)定值就會(huì)激發(fā)保護(hù)程序進(jìn)入膜組保護(hù)狀態(tài)。在N2出口處設(shè)立濃度檢測(cè)裝置,當(dāng)?shù)獨(dú)鉂舛鹊陀?5%,放空閥開啟將N2放入大氣,當(dāng)檢測(cè)N2純度大于95%滿足要求,輸氣閥門自動(dòng)開啟,并實(shí)時(shí)顯示N2純度、流量及總流量的信息。

        加熱器實(shí)時(shí)控制壓縮空氣的溫度,保證膜的工作處于良好狀態(tài),有效提高了工作效能。膜分離組件設(shè)置有各種閥門和N2流量計(jì)、O2濃度測(cè)試儀等器件。調(diào)節(jié)閥和背壓閥通過(guò)與控制系統(tǒng)連接,保證分離過(guò)程各種參數(shù)的穩(wěn)定性。

        3 膜制氮控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

        隨著科技在煤礦生產(chǎn)中不斷被推廣應(yīng)用,自動(dòng)控制技術(shù)被用于煤礦生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié),尤其是自動(dòng)化的防滅火裝備,可以將管理系統(tǒng)和控制融合在一起??删幊炭刂破鱌LC 的快速普及,PLC 具有體積小、功能強(qiáng)、程序編制簡(jiǎn)單靈活的特點(diǎn),可適應(yīng)粉塵密度大、溫度高、強(qiáng)電干擾的煤礦企業(yè)[3-4]?;谀ぶ频⒌阑鹣到y(tǒng)采取PLC 進(jìn)行模擬量控制和數(shù)據(jù)處理。在要求防滅火設(shè)備可靠性高的同時(shí),各項(xiàng)滅火參數(shù)簡(jiǎn)單易懂。自動(dòng)化的注氮工作可以有效降低煤礦工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,提高工作效率。溫度控制決定了空纖維膜性能和效率,由于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)必須對(duì)溫度進(jìn)行分散控制,選擇PID 調(diào)節(jié)完成溫度實(shí)時(shí)控制模式,并對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示及其相關(guān)控制。PID 調(diào)節(jié)器可以直觀、可靠、精確地完成對(duì)于溫度的顯示和控制,并將信息通過(guò)內(nèi)置的RS485 與上位機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。同時(shí)對(duì)氣體壓力、02濃度、N2流量等多個(gè)參數(shù)控制通過(guò)PLC 實(shí)現(xiàn)控制及數(shù)據(jù)通訊。在上機(jī)位設(shè)置遠(yuǎn)程監(jiān)控,進(jìn)氣溫度、入膜溫度、預(yù)加熱溫度、儲(chǔ)氣罐壓力,N2流量和累計(jì)總量的這些數(shù)據(jù)全部上傳到至上位機(jī),關(guān)鍵參數(shù)如入膜壓力和N2濃度的控制和數(shù)據(jù)的處理交由PLC 實(shí)現(xiàn),控制系統(tǒng)的的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

        4 膜制氮控制系統(tǒng)下位機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

        圖3 膜制氮控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

        制氮設(shè)備與下位機(jī)直接相連,中下位機(jī)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝所需條件的自動(dòng)控制,保持制氮過(guò)程安全穩(wěn)定,以獲得最大的設(shè)備利用率。采用可編程控制器PLC 完成相關(guān)工藝參數(shù)的控制,根據(jù)進(jìn)氣溫度、入膜的溫度、預(yù)加熱溫度、儲(chǔ)氣壓力進(jìn)行編程開發(fā),實(shí)現(xiàn)一套完整的控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)主要硬件有微處理器、存儲(chǔ)器、輸入(出)接口、接口電路等組成。系統(tǒng)采取閉環(huán)控制,PLC 通過(guò)輸出模擬信號(hào)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu),模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)測(cè)量元件和變送器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)量程的直流電流或者電壓信號(hào)。數(shù)模轉(zhuǎn)換器將信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)發(fā)送給調(diào)節(jié)器PID,實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的閉環(huán)控制。

        5 結(jié)論

        我國(guó)煤礦防滅火裝置存在操作性差、自動(dòng)化程度低、作業(yè)難度大的問(wèn)題,因此研究自動(dòng)化的膜制氮技術(shù)特點(diǎn)和工藝,采用PLC 對(duì)制氮工藝參數(shù)進(jìn)行閉環(huán)控制,以保證制氮過(guò)程處于最佳狀態(tài),進(jìn)而增加防滅火工作自動(dòng)化程度,簡(jiǎn)化操作流程,為煤礦生產(chǎn)安全提供保障。

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