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?yàn)榛钚圆钔高^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分離過程可以在接近室內(nèi)溫度時(shí)進(jìn)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(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，空氣過濾器由兩個(gè)精度等級(jí)的過濾器（精密和超精密過濾器）、風(fēng)干機(jī)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(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)閥和背壓閥通過與控制系統(tǒng)連接，保證分離過程各種參數(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 通過輸出模擬信號(hào)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，模擬信號(hào)經(jīng)過測(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，簡化操作流程，為煤礦生產(chǎn)安全提供保障。