乏風(fēng)氧化裝置安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉武臣

（洛陽(yáng)義安礦業(yè)公司，河南 洛陽(yáng) 471821）

乏風(fēng)氧化裝置安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉武臣

（洛陽(yáng)義安礦業(yè)公司，河南 洛陽(yáng) 471821）

乏風(fēng)氧化裝置作為解決一項(xiàng)煤礦低濃度瓦斯利用的新技術(shù)，已在很多煤礦得到運(yùn)用。為解決乏風(fēng)氧化裝置運(yùn)行過(guò)程中由于監(jiān)控系統(tǒng)不到位而出現(xiàn)爆炸的問(wèn)題，提高監(jiān)控系統(tǒng)的安全可靠性，設(shè)計(jì)了一套新型乏風(fēng)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(fēng)機(jī)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)乏風(fēng)氧化裝置運(yùn)行全方位自動(dòng)控制。

乏風(fēng)氧化裝置；自動(dòng)控制；安全監(jiān)控系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

1 乏風(fēng)氧化裝置安全監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 乏風(fēng)氧化裝置工藝流程

乏風(fēng)氧化裝置組成，主要包括抽排瓦管道、乏風(fēng)管道、摻混管道、引風(fēng)機(jī)、氧化床、蒸汽系統(tǒng)等，其主要部件是氧化床。

乏風(fēng)氧化裝置的工藝流程是： 氧化裝置工作時(shí)由外部電源通過(guò)加熱器在氧化床內(nèi)預(yù)先創(chuàng)造一個(gè)高溫反應(yīng)環(huán)境。地面抽排泵站抽出瓦斯與礦井乏風(fēng)進(jìn)行混合，控制混合后濃度在0.8%左右，由引風(fēng)機(jī)送入氧化床，在高溫區(qū)內(nèi)乏風(fēng)由蓄熱體預(yù)熱，即提供足夠的活化能，使甲烷與氧發(fā)生放熱化學(xué)反應(yīng)。熱量一部分由下風(fēng)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(guò)換向閥使后期進(jìn)入氧化床內(nèi)的風(fēng)流改變方向，新進(jìn)的乏風(fēng)在氧化床內(nèi)逐級(jí)預(yù)熱獲取氧化所需的活化能，在高溫區(qū)域開(kāi)始氧化并釋放熱量，又將熱量留存在下風(fēng)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(fù)始，當(dāng)甲烷氧化率達(dá)到一定程度時(shí)，停掉外部電源供給，氧化裝置靠乏風(fēng)中甲烷自身能量自維持正常運(yùn)行。在乏風(fēng)氧化裝置逆流換熱過(guò)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(guò)監(jiān)控乏風(fēng)氧化裝置抽排瓦斯?jié)舛群蛪毫?、摻混濃度和壓力、引風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)、氧化裝置溫度場(chǎng)、蒸汽壓力，以及其它故障信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯?jié)舛葔毫?、蒸汽壓力流量進(jìn)行自動(dòng)控制，確保乏風(fēng)氧化裝置安全運(yùn)行；同時(shí)監(jiān)控乏風(fēng)氧化裝置安全參數(shù)，與設(shè)定上限值進(jìn)行比對(duì)，超過(guò)則自動(dòng)停機(jī)，瓦斯與蒸汽自動(dòng)外排，保護(hù)設(shè)備及人身安全。乏風(fēng)氧化裝置控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。

可擴(kuò)展的、冗余的工業(yè)以太網(wǎng)，工控機(jī)可以隨時(shí)對(duì)乏風(fēng)氧化裝置運(yùn)行的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行全方位的監(jiān)測(cè)、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(hào)采集。PLC程控功能包括：抽排瓦斯?jié)舛茸詣?dòng)控制、霧化水泵自動(dòng)控制、摻混濃度自動(dòng)控制、蒸汽壓力過(guò)高自動(dòng)放散、瓦斯自動(dòng)外排、裝置自動(dòng)停機(jī)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(fēng)氧化裝置控制結(jié)構(gòu)圖

2 監(jiān)控系統(tǒng)的控制流程

2.1 啟動(dòng)前檢查

在乏風(fēng)氧化裝置啟動(dòng)前，應(yīng)對(duì)氧化裝置下列部分進(jìn)行檢查，有一項(xiàng)不能自檢通過(guò)，則氧化裝置不能啟動(dòng)電加熱。

（1）氧化裝置部分。①換向閥動(dòng)作、反饋信號(hào)正常；②安全閥動(dòng)作正常；③啟動(dòng)引風(fēng)機(jī)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(wú)報(bào)警。

（3）蒸汽系統(tǒng)部分。①補(bǔ)水泵能正常工作，水壓達(dá)到1MPa以上；②水箱、汽水分離器水位達(dá)到設(shè)定值。

（4）瓦斯輸送與添加部分。①水封阻火器水位達(dá)到設(shè)定值；②瓦斯?jié)舛葌鞲衅黠@示準(zhǔn)確；③通過(guò)設(shè)定瓦斯?jié)舛?，抽排電?dòng)閥門與電動(dòng)配氣閥門可自動(dòng)打開(kāi)關(guān)閉；④霧化水泵工作壓力達(dá)到設(shè)定壓力；⑤自動(dòng)放散閥水位超過(guò)設(shè)定水位。

2.2 裝置啟動(dòng)

氧化裝置正常工作時(shí)需外部電源通過(guò)加熱器在氧化床內(nèi)預(yù)先創(chuàng)造高溫反應(yīng)環(huán)境。只有在氧化裝置中心溫度達(dá)到650℃以上時(shí)，才能將混合濃度在0.8%左右的瓦斯，由引風(fēng)機(jī)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(huì)根據(jù)氧化床溫度自動(dòng)調(diào)整電加熱功率，逐步調(diào)整至100%，等氧化床中心溫度達(dá)到650℃時(shí)，控制程序會(huì)根據(jù)程序逐步停止電加熱。

2.3 裝置運(yùn)行

氧化裝置啟動(dòng)完成后，控制程序會(huì)根據(jù)用戶指令通入合適的通風(fēng)瓦斯保證裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。一旦用戶設(shè)定好摻混瓦斯?jié)舛?，控制程序?huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)配氣閥門及引風(fēng)機(jī)。當(dāng)檢測(cè)通風(fēng)瓦斯?jié)舛壬叩綐O限值時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)切斷安全閥，氧化裝置監(jiān)控系統(tǒng)啟動(dòng)緊急停機(jī)程序。裝置運(yùn)行過(guò)程，安全監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)通過(guò)各運(yùn)行設(shè)備的反饋信號(hào)，監(jiān)控各設(shè)備的運(yùn)行，當(dāng)各設(shè)備運(yùn)行參數(shù)超過(guò)設(shè)定值時(shí)，控制程序會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，提醒值班人員。

2.4 停機(jī)

當(dāng)用戶發(fā)出停機(jī)指令，氧化裝置監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切斷瓦斯，打開(kāi)安全閥，低頻運(yùn)行引風(fēng)機(jī)，將氧化床溫度降至100℃以內(nèi)，汽包外排閥門也將自動(dòng)打開(kāi)，當(dāng)氧化床溫度低于100℃，氧化裝置監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止引風(fēng)機(jī)，裝置停機(jī)完成。

3 監(jiān)控系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

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(shè)備及本安型測(cè)量元件。在蒸汽管上采用耐高溫的設(shè)備和測(cè)量元件。在測(cè)量精度要求高的測(cè)量元件，如瓦斯?jié)舛?、流量傳感器均采用進(jìn)口ABB公司的產(chǎn)品。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

（1）自動(dòng)控制設(shè)計(jì)。在氧化裝置運(yùn)行過(guò)程中，只要用戶設(shè)定好摻混瓦斯值，控制程序會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)配氣閥門的開(kāi)度及引風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率，一旦風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率達(dá)到50Hz且瓦斯?jié)舛冗€達(dá)不到家設(shè)定值時(shí)，控制程序會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)抽放外排閥門，保證瓦斯?jié)舛冗_(dá)到設(shè)定值。在氧化裝置運(yùn)行過(guò)程中，只要用戶設(shè)定好氧化床溫度范圍，控制程序會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)逆流換向時(shí)間，保證氧化裝置在規(guī)定溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。在氧化裝置運(yùn)行過(guò)程中，只要用戶設(shè)定好各設(shè)備水位，控制程序會(huì)自動(dòng)控制各水泵，將液位補(bǔ)充到設(shè)定值。

（2）自動(dòng)聯(lián)鎖設(shè)計(jì)。在氧化裝置運(yùn)行過(guò)程中，考慮到安全性，將各設(shè)備之間進(jìn)行聯(lián)鎖，包括：抽排閥門與配氣閥門聯(lián)鎖；引風(fēng)機(jī)與機(jī)械關(guān)斷閥聯(lián)鎖；汽包低水位與電熱啟動(dòng)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(dǎo)致抽排管道正壓增大、瓦斯聚集，設(shè)計(jì)地面抽放泵運(yùn)行與瓦斯管道外排聯(lián)鎖，當(dāng)氧化裝置運(yùn)行期間地面抽放泵意外停泵，瓦斯管道外排會(huì)自動(dòng)打開(kāi)，并發(fā)出警報(bào)。

（3）系統(tǒng)報(bào)警設(shè)計(jì)。報(bào)警是指對(duì)氧化裝置運(yùn)行出現(xiàn)的不正常情況發(fā)出的警報(bào)和緊急操作。系統(tǒng)報(bào)警分為運(yùn)行參數(shù)異常報(bào)警和緊急報(bào)警，運(yùn)行參數(shù)異常報(bào)警是指氧化裝置運(yùn)行各項(xiàng)參數(shù)達(dá)到設(shè)定報(bào)警值，提醒值班人員，緊急處理，提醒進(jìn)行相應(yīng)的操作，緊急報(bào)警是指氧化裝置危險(xiǎn)參數(shù)已超過(guò)上限值，安全監(jiān)控系統(tǒng)將執(zhí)行緊急停機(jī)程序，防止事故發(fā)生。

4 結(jié)束

通過(guò)在洛陽(yáng)礦業(yè)公司乏風(fēng)氧化裝置上對(duì)該安全監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)乏風(fēng)氧化裝置運(yùn)行全過(guò)程的安全自動(dòng)控制，解決了以往監(jiān)控不完善、不可靠、不到位問(wèn)題，系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，對(duì)提高乏風(fēng)氧化裝置安全可靠運(yùn)行、煤礦瓦斯安全穩(wěn)定利用具有重大意義。

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TD72；TP273

A

1671-0711（2016）11（上）-0087-02