董加利
(晉能控股煤業(yè)集團馬脊梁礦西三綜合區(qū), 山西 大同 037000)
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)的首要問題,防滅火工作的好壞決定了生產(chǎn)能否安全順利進行。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,這種防范在很多國家也有應(yīng)用[1]。煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場必須具備防火措施,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)的自動化程度,簡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控制工藝流程,設(shè)計和改進控制系統(tǒng),為保證煤礦運營安全具有重要的意義。
通常制氮采取中空纖維膜分離制氮原理實現(xiàn)空氣中N2和O2的分離,纖維膜利用多個高分子薄膜細(xì)管密集集成在承壓管殼,空氣壓縮后在中空纖維膜流動,但是壓縮氣體中不同成分的物理特性不同,因此擴散透過率也有差異,O2、水蒸氣的活性大,非常容易穿過膜壁而逸出,N2因為活性差透過管壁較少,空氣壓力持續(xù)推動管內(nèi)側(cè)N2沿著薄膜管經(jīng)過閥門注入儲氣罐,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、自動化程度得到相應(yīng)提高。N2分離過程可以在接近室內(nèi)溫度時進行,分離過程為物理變化,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,由于電加熱過程容易控制,所以該制氮方式可實現(xiàn)很高的自動化程度,但能耗相對較大,采取汽加熱制氮方式可以節(jié)能,維護方便,造價低,但是自動化不容易實現(xiàn),操作過程對工人要求較高。
圖1 N2 分離原理
首先用雙螺桿空氣壓縮機壓縮機將空氣壓縮到1.6 MPa,滿足標(biāo)準(zhǔn)后注入空氣緩沖罐完成預(yù)處理,空氣過濾器由兩個精度等級的過濾器(精密和超精密過濾器)、風(fēng)干機和碳床過濾器等組成,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。檢查過濾完成空氣,合格后加熱至40 ℃,空氣進入內(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%相對純凈的N2,工藝流程如圖2 所示。
圖2 自動控制膜制氮工藝
膜制氮設(shè)備設(shè)置有保護程序和檢驗裝置,對入膜空氣壓力、進氣溫度和氣體預(yù)加溫度都進行檢測并進行控制,當(dāng)某一參數(shù)超過設(shè)定值就會激發(fā)保護程序進入膜組保護狀態(tài)。在N2出口處設(shè)立濃度檢測裝置,當(dāng)?shù)獨鉂舛鹊陀?5%,放空閥開啟將N2放入大氣,當(dāng)檢測N2純度大于95%滿足要求,輸氣閥門自動開啟,并實時顯示N2純度、流量及總流量的信息。
加熱器實時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、O2濃度測試儀等器件。調(diào)節(jié)閥和背壓閥通過與控制系統(tǒng)連接,保證分離過程各種參數(shù)的穩(wěn)定性。
隨著科技在煤礦生產(chǎn)中不斷被推廣應(yīng)用,自動控制技術(shù)被用于煤礦生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié),尤其是自動化的防滅火裝備,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、程序編制簡單靈活的特點,可適應(yīng)粉塵密度大、溫度高、強電干擾的煤礦企業(yè)[3-4]?;谀ぶ频⒌阑鹣到y(tǒng)采取PLC 進行模擬量控制和數(shù)據(jù)處理。在要求防滅火設(shè)備可靠性高的同時,各項滅火參數(shù)簡單易懂。自動化的注氮工作可以有效降低煤礦工人的勞動強度,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)場必須對溫度進行分散控制,選擇PID 調(diào)節(jié)完成溫度實時控制模式,并對溫度進行實時顯示及其相關(guān)控制。PID 調(diào)節(jié)器可以直觀、可靠、精確地完成對于溫度的顯示和控制,并將信息通過內(nèi)置的RS485 與上位機之間進行數(shù)據(jù)傳輸,以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。同時對氣體壓力、02濃度、N2流量等多個參數(shù)控制通過PLC 實現(xiàn)控制及數(shù)據(jù)通訊。在上機位設(shè)置遠(yuǎn)程監(jiān)控,進氣溫度、入膜溫度、預(yù)加熱溫度、儲氣罐壓力,N2流量和累計總量的這些數(shù)據(jù)全部上傳到至上位機,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 實現(xiàn),控制系統(tǒng)的的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。
圖3 膜制氮控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)
制氮設(shè)備與下位機直接相連,中下位機實現(xiàn)生產(chǎn)工藝所需條件的自動控制,保持制氮過程安全穩(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)進氣溫度、入膜的溫度、預(yù)加熱溫度、儲氣壓力進行編程開發(fā),實現(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 通過輸出模擬信號控制執(zhí)行機構(gòu),模擬信號經(jīng)過測量元件和變送器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)量程的直流電流或者電壓信號。數(shù)模轉(zhuǎn)換器將信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號發(fā)送給調(diào)節(jié)器PID,實現(xiàn)對執(zhí)行機構(gòu)的閉環(huán)控制。
我國煤礦防滅火裝置存在操作性差、自動化程度低、作業(yè)難度大的問題,因此研究自動化的膜制氮技術(shù)特點和工藝,采用PLC 對制氮工藝參數(shù)進行閉環(huán)控制,以保證制氮過程處于最佳狀態(tài),進而增加防滅火工作自動化程度,簡化操作流程,為煤礦生產(chǎn)安全提供保障。