信息化礦山建設(shè)中的智能化除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬 駿

(國(guó)家安監(jiān)總局職業(yè)安全衛(wèi)生研究所 (煤炭工業(yè)職業(yè)醫(yī)學(xué)研究所),北京市門頭溝區(qū),102300)

★煤炭科技·機(jī)電與信息化 ★

信息化礦山建設(shè)中的智能化除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬 駿

(國(guó)家安監(jiān)總局職業(yè)安全衛(wèi)生研究所 (煤炭工業(yè)職業(yè)醫(yī)學(xué)研究所),北京市門頭溝區(qū),102300)

介紹了一種新型煤炭粉塵治理新模式。該治理模式通過(guò)將粉塵在線監(jiān)測(cè)技術(shù)、噴霧降塵技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)有機(jī)結(jié)合,降塵裝置可根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),智能化的實(shí)施噴霧降塵,同時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可作為煤礦信息化建設(shè)的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

粉塵污染 信息化 在線監(jiān)測(cè) 高壓噴霧

AbstractThis paper introduces a new control method of coal dust pollution.Based on a rationalized combination of on-line dust monitoring,water mist spraying for dust suppression and digital control technology,the dust suppression system can command the high-pressure water mist spray work intelligently in line with relevant monitoring data. The monitoring data also serve as an important source of information for digital coal-mine construction.

Key wordsdust pollution,informatics,on-line monitoring,high-pressure spray

粉塵是煤炭行業(yè)主要危害因素之一,不僅引起安全事故,而且會(huì)導(dǎo)致塵肺,因此,粉塵控制歷來(lái)為煤炭行業(yè)所重視。我國(guó)粉塵污染的治理模式通常是監(jiān)測(cè)和除塵分別進(jìn)行,基本上沒(méi)有起到檢測(cè)結(jié)果指導(dǎo)防塵降塵的作用。目前,重慶煤科院、鄭州光力科技等單位成功應(yīng)用信息化技術(shù),提出了將粉塵在線監(jiān)測(cè)技術(shù)與噴霧降塵設(shè)備有機(jī)結(jié)合的新型粉塵治理模式,在煤礦粉塵治理領(lǐng)域的信息化發(fā)展中實(shí)現(xiàn)了技術(shù)和理念上的突破。

1 智能化除塵模式工作原理

煤礦粉塵在線監(jiān)測(cè)與噴霧降塵相結(jié)合的工作模式示意圖如圖1所示。

煤礦粉塵在線監(jiān)測(cè)與噴霧降塵相結(jié)合的粉塵治理系統(tǒng)通常由感測(cè)模塊、智能控制模塊、噴霧模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊組成,其目的是通過(guò)粉塵濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),與噴霧降塵控制實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng),使除塵能夠做到有的放矢,而最終實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化,其工作模式有以下3種。

圖1 煤礦粉塵在線監(jiān)測(cè)與噴霧降塵相結(jié)合的工作模式示意圖

(1)通過(guò)感測(cè)模塊檢測(cè)到粉塵濃度數(shù)據(jù)、經(jīng)由信息處理模塊傳輸至智能控制模塊,根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果,確定是否實(shí)施噴霧降塵。

(2)通過(guò)感測(cè)模塊檢測(cè)到粉塵濃度數(shù)據(jù)、經(jīng)由信息處理模塊傳輸至智能控制模塊,并最終傳輸至煤礦信息控制中心,由控制中心下達(dá)指令,實(shí)施降塵。

(3)現(xiàn)場(chǎng)工作人員根據(jù)所測(cè)得的數(shù)據(jù)直接控制噴霧模塊,直接實(shí)施降塵。

2 智能化除塵模式系統(tǒng)組成

2.1 感測(cè)模塊

感測(cè)模塊的功能是實(shí)時(shí)在線提供現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境的粉塵濃度數(shù)據(jù),并能夠進(jìn)行參數(shù)自校正和數(shù)據(jù)輸出。此外,由于國(guó)內(nèi)煤礦大多為深井,自然條件惡劣,該模塊還需有良好的防水、防塵性能。

目前粉塵濃度在線監(jiān)測(cè)常用自然光散射法與激光前向散射法。

(1)自然光散射法。自然光散射法是利用一定能量的光透過(guò)含塵空氣時(shí),產(chǎn)生信號(hào)衰減,信號(hào)衰減量和所測(cè)環(huán)境粉塵濃度有一定關(guān)系,據(jù)此測(cè)得粉塵濃度,采用該方法的傳感器通常由光源、光電轉(zhuǎn)換器、粉塵測(cè)量系統(tǒng)、抽氣系統(tǒng)、粉塵過(guò)濾器和控制電路組成。

(2)激光前向散射法。激光前向散射法是國(guó)際上近幾年新出現(xiàn)的一種粉塵在線監(jiān)測(cè)技術(shù),它是利用激光在穿過(guò)空氣中的粉塵、煙霧等微粒時(shí),發(fā)生散射作用,經(jīng)過(guò)光柵調(diào)制后通過(guò)透鏡匯聚進(jìn)行光電信號(hào)檢測(cè)。粉塵傳感器通過(guò)測(cè)量光電信號(hào)得到粉塵濃度。采用該方法的傳感器由激光器、光學(xué)系統(tǒng)組件、信號(hào)處理與單片機(jī) (微處理器)系統(tǒng)組成。

自然光散射法測(cè)量不同的粉塵需要不同的修正系數(shù),且在煤礦井下使用時(shí),維護(hù)和校驗(yàn)工作量很大,應(yīng)用范圍受到很大限制。而激光前向散射法由于通過(guò)光路的調(diào)制作用,使得光的散射強(qiáng)度只與入射角有關(guān),這一點(diǎn)至關(guān)重要,可以和便攜式β射線粉塵儀相媲美 (β射線粉塵儀雖有很多優(yōu)點(diǎn),但很難用于在線監(jiān)測(cè)),測(cè)量結(jié)果僅與被測(cè)粉塵顆粒的質(zhì)量有關(guān),與粉塵顆粒的材質(zhì)、形狀、表面光潔度、濃度和顏色等無(wú)關(guān),這使它成為粉塵濃度間接測(cè)量方法中較精確的一種,適合于國(guó)內(nèi)煤礦使用,是未來(lái)在線粉塵濃度監(jiān)測(cè)技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)之一。

2.2 噴霧模塊

噴霧降塵是國(guó)內(nèi)煤礦掘進(jìn)面、采煤工作面、液壓支架移架等工作場(chǎng)所采用的主要降塵技術(shù),也可用于煤礦生產(chǎn)的運(yùn)輸、轉(zhuǎn)載、凈化風(fēng)流等環(huán)節(jié)。它的除塵是通過(guò)噴霧器或?yàn)⑺鱽?lái)實(shí)現(xiàn)的,水通過(guò)噴霧器時(shí),由于旋轉(zhuǎn)和沖擊作用,噴射于空氣中而形成霧狀水珠。這種霧狀水珠與懸浮在空氣中的塵粒相遇后塵粒被濕潤(rùn),一部分直接落下來(lái),一部分隨著風(fēng)流飄移,塵粒之間互相碰撞,粘結(jié)成較大塵粒時(shí)再落下來(lái)。研究表明,噴霧降塵的效率與霧化粒徑、水滴與塵粒的相對(duì)速度、水壓等多方面因素有關(guān)。

(1)霧化粒徑。如果霧滴粒徑大,則水的分散性差,霧滴數(shù)量少,與粉塵碰撞、攔截的概率小,捕塵效果差;但是霧滴粒徑過(guò)小,在空氣中的時(shí)間過(guò)短,還未與粉塵碰撞就可能氣化。一般認(rèn)為,霧粒粒徑越接近所要捕集粉塵顆粒粒徑的直徑,降塵效率越高,因而粉塵直徑越小,最宜液滴直徑也越小。

(2)霧粒與塵粒的相對(duì)速度。相對(duì)速度越高,兩者碰撞時(shí)的動(dòng)量越大,有利于克服水的表面張力而將塵粒濕潤(rùn)捕獲。但因風(fēng)流速度高,塵粒與水滴接觸時(shí)間縮短,會(huì)降低捕塵效率。

(3)水壓。噴霧灑水降塵的過(guò)程,是塵粒與水滴發(fā)生碰撞、濕潤(rùn)、凝聚、增重而不斷沉降的過(guò)程。當(dāng)增大供水壓力時(shí),會(huì)在很大程度上提高霧化程度,增加霧滴密度和霧滴的運(yùn)動(dòng)速度,增加塵粒與霧粒之間的碰撞機(jī)會(huì)和碰撞能量,使細(xì)微粉塵易于捕捉。同時(shí),高壓灑水能使射體霧滴增加帶電性,產(chǎn)生靜電凝聚的效果。

綜合上述考慮,智能化除塵模式的噴霧模塊絕大部分采用了高壓外噴霧裝置,水壓可高至8～10 MPa,霧化粒徑在30～50μm以下 (呼吸性粉塵粒徑為5μm)。

此外,有的設(shè)備還配置噴霧粒徑控制單元,通過(guò)球閥開關(guān)量、壓力的調(diào)節(jié)等措施,控制噴霧霧粒的粒度分布范圍,達(dá)到最優(yōu)的降塵效率。

2.3 智能控制模塊

智能控制模塊是整個(gè)降塵模式中樞控制系統(tǒng),通過(guò)信息化技術(shù)的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息處理、燈光語(yǔ)音提示、數(shù)據(jù)處理、噴霧控制、信息顯示等多種功能。此模塊的硬件構(gòu)成主要包括CPU、存儲(chǔ)器、隔離器件、電源穩(wěn)壓電路、信息傳輸電路、開關(guān)量輸出電路等組成。

(1)CPU。多采用抗干擾能力較強(qiáng)、適用于煤礦井下的工業(yè)級(jí)CPU,使用較多的CPU包括STC89C54RD+、S3C44B0X等型號(hào)。

(2)存儲(chǔ)器。它的功能主要用于存儲(chǔ)放電后仍需要保存的代碼和數(shù)據(jù),以及在實(shí)時(shí)在線測(cè)量時(shí)所產(chǎn)生的冗余數(shù)據(jù)等,因而多數(shù)存儲(chǔ)器的選擇為非易失性、低功耗、大容量和擦寫速度快的Flash存儲(chǔ)器。

(3)隔離器件。主要實(shí)現(xiàn)電源隔離、信號(hào)隔離等功能,多采用快速光電耦合元器件。

此外,由于市場(chǎng)用戶需求不同,有些產(chǎn)品在控制單元加入了聲、光、觸、控等多種傳感器,以利于用戶更加方便的使用。

2.4 數(shù)據(jù)傳輸模塊

目前煤礦所采用的信息傳輸多為232、485模式,因此此電路的設(shè)計(jì)大多為232、485的處理模式。但隨著數(shù)字化礦山的建設(shè),CAN總線傳輸方式的傳輸是不可避免的,也有部分廠商設(shè)計(jì)了兼容CAN數(shù)據(jù)模式的電路。

此外,為防止數(shù)據(jù)丟失,多數(shù)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議中加入防丟包協(xié)議,以便數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確、穩(wěn)定。

3 結(jié)語(yǔ)

目前,國(guó)內(nèi)已經(jīng)有部分煤礦使用此類智能除塵系統(tǒng),如兗州煤業(yè)股份有限公司的煤礦粉塵在線監(jiān)測(cè)及聯(lián)動(dòng)自動(dòng)噴霧降塵控制系統(tǒng)、淄博礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司、雙鴨山礦業(yè)集團(tuán)公司的智能噴霧裝置等,經(jīng)試用后表明:

(1)智能化系統(tǒng)通過(guò)有的放矢的工作模式,實(shí)現(xiàn)了井下連續(xù)實(shí)時(shí)粉塵濃度檢測(cè)和智能化的除塵,有效地改善了井下作業(yè)環(huán)境,使煤塵對(duì)井下作業(yè)人員的危害大大降低。

(2)通過(guò)采用設(shè)置粉塵濃度報(bào)警值和上限噴霧值等方法,實(shí)現(xiàn)了智能化、集約式的噴霧除塵模式,降低了傳統(tǒng)降塵所消耗的人力、水、電等資源,為煤礦企業(yè)降低了污染治理的成本。

(3)通過(guò)與井下主干網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)機(jī)應(yīng)用,使管理人員可以在調(diào)度室、辦公室等終端實(shí)時(shí)掌握井下粉塵污染和噴霧除塵狀況,方便煤礦井下粉塵監(jiān)測(cè)和治理的管理,實(shí)現(xiàn)了辦公自動(dòng)化,促進(jìn)了煤礦管理模式的轉(zhuǎn)變。

這種智能化系統(tǒng)模式,代表了信息化技術(shù)在我國(guó)粉塵治理領(lǐng)域的一次初步成功應(yīng)用,是一次科技創(chuàng)新嘗試,但由于采掘技術(shù)的落后、行業(yè)人才的匱乏等因素,我國(guó)煤礦粉塵治理的信息化還有許多不足,需要進(jìn)一步發(fā)展創(chuàng)新,包括:

(1)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)煤塵監(jiān)測(cè)技術(shù)的創(chuàng)新,研制出更為穩(wěn)定、準(zhǔn)確的粉塵濃度傳感器。

(2)將檢測(cè)技術(shù)與除塵技術(shù)橫向結(jié)合,開發(fā)出適合煤層注水、通風(fēng)稀釋等除塵方式的智能化除塵技術(shù)。

(3)進(jìn)一步發(fā)展礦井信息傳輸技術(shù),實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)建設(shè)的整體信息化。

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(責(zé)任編輯 路 強(qiáng))

Design of an intellegent dust suppression system in the wake of digital mine construction

Ma Jun
(Institute of Occupational Safety and Health,State Administration of Work Safety, Mentougou district,Beijing 102300,China)

TD67

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馬駿 (1963-),男,教授,主任醫(yī)師,碩士生導(dǎo)師,國(guó)務(wù)院特殊津貼獲得者,國(guó)家安全生產(chǎn)專家,國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局職業(yè)危害專家組組長(zhǎng),衛(wèi)生部職業(yè)衛(wèi)生技術(shù)服務(wù)專家?guī)鞂＜?中華預(yù)防醫(yī)學(xué)會(huì)第四屆理事會(huì)理事,煤炭工業(yè)職業(yè)醫(yī)學(xué)專業(yè)委員會(huì)主任,獲部級(jí)二等獎(jiǎng)三個(gè)、三等獎(jiǎng)三個(gè)。發(fā)表論文二十余篇,出版著作五部。