蘆家窯煤礦供暖系統(tǒng)自動化技術(shù)改造研究

盧永濤

（江蘇徐礦能源股份有限公司龐莊分公司蘆家窯煤礦，山西 朔州 036807）

引言

隨著當(dāng)前科技的迅猛發(fā)展，綠色環(huán)保發(fā)展理念普及，國家對環(huán)保的要求不斷提高，2018年7月3日國務(wù)院公開發(fā)布《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計(jì)劃》，提出以下目標(biāo)：經(jīng)過3年努力，大幅減少主要大氣污染物排放總量，協(xié)同減少溫室氣體排放，進(jìn)一步明顯降低PM2.5濃度，明顯減少重污染天數(shù)，明顯改善環(huán)境空氣質(zhì)量，明顯增強(qiáng)人民的藍(lán)天幸福感。同時(shí)要求，有效推進(jìn)北方地區(qū)清潔取暖，堅(jiān)持從實(shí)際出發(fā)，宜電則電、宜氣則氣、宜煤則煤、宜熱則熱。

蘆家窯煤礦位于山西省朔州市平魯區(qū)，蘆家窯煤礦每年10月至次年5月為冬季供暖期，冬季平均氣溫為-3℃，1月份最冷，氣溫為-9.4～-14.9℃，地面和井下供暖、防寒防凍是礦井在冬季的一項(xiàng)重要任務(wù)。蘆家窯煤礦原有的供暖設(shè)備已經(jīng)陳舊，存在環(huán)保質(zhì)量差、供暖效率低等問題，不能滿足當(dāng)前需要。因此，為防止因寒冷天氣給職工生活和礦井安全生產(chǎn)帶來不利影響，采取更加環(huán)保、可靠、有效的供暖系統(tǒng)十分必要。

1 蘆家窯煤礦原供暖系統(tǒng)存在的問題

鑒于蘆家窯煤礦建設(shè)在遠(yuǎn)離城區(qū)位置，集中供暖存在維護(hù)難度大、成本較高、經(jīng)濟(jì)性較差等實(shí)際困難。通過考察，使用天然氣、電力、空氣能等潔凈能源供暖也存在供暖能力小、成本高、經(jīng)濟(jì)性差等問題，因此決定選用新型燃煤鍋爐替代原供暖設(shè)施，同時(shí)要求新鍋爐必須大大提高環(huán)保質(zhì)量、提高供暖效率，降低企業(yè)成本。新鍋爐在滿足降低煙氣中有害成分的排放基礎(chǔ)上，必須要實(shí)現(xiàn)自動化、智能化控制，從而達(dá)到簡化操作流程，減少作業(yè)人員的數(shù)量，降低作業(yè)人員的人為因素影響，降低職工勞動強(qiáng)度，設(shè)備運(yùn)行安全可靠等目的。

2 新購置鍋爐本體與自動化控制

2.1 鍋爐本體技術(shù)參數(shù)，如表1所示

表1 鍋爐本體技術(shù)參數(shù)

2.2 鍋爐本體性能

SZL14-1.0/115/70-AⅡ型熱水鍋爐具備了散裝鍋爐高效率、機(jī)械化程度高和使用壽命長等特點(diǎn)，符合TSGG0002—2010《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》的要求。該型鍋爐的燃燒過程為：燃料由膠帶輸送機(jī)運(yùn)輸至煤斗落入爐排面進(jìn)行充分燃燒，燃燒所需空氣由鼓風(fēng)機(jī)送入爐排下部，由爐排間隙進(jìn)入燃燒層，燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔庥蔂t膛輻射受熱面、對流管束以及尾部省煤器充分吸熱后，再經(jīng)布袋除塵器、雙堿法脫硫塔后排向大氣[1]。

2.3 鍋爐本體智能控制流程

鍋爐全自動智能化運(yùn)行：設(shè)置1個(gè)鍋爐出水溫度傳感器，由溫度傳感器將溫度電信號（4～20 mA）傳遞給PLC、由PLC智能控制爐排減速機(jī)運(yùn)行頻率,爐排減速機(jī)運(yùn)行頻率數(shù)據(jù)（該數(shù)據(jù)決定鍋爐負(fù)荷）再傳遞給PLC、由PLC智能控制鍋爐鼓風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行，自動實(shí)現(xiàn)鍋爐鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)量（氧量）與爐排減速機(jī)運(yùn)行頻率（煤量）協(xié)同調(diào)節(jié)。

設(shè)置1個(gè)鍋爐負(fù)壓壓力變送器，適時(shí)檢測鍋爐爐膛壓力狀況（微負(fù)壓0～50 Pa），將其壓力電信號（4～20 mA）傳遞給PLC、由PLC智能控制引風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行。

合適的爐膛配風(fēng)，一是確保爐內(nèi)燃煤的燃燒效果，二是鍋爐排放的煙氣含氧量低于基準(zhǔn)含氧量（9%），利于環(huán)保排放指標(biāo)的折算值。

2.4 綜合電控系統(tǒng)與自動控制

鍋爐控制系統(tǒng)由鍋爐本體控制系統(tǒng)和儀器儀表檢測系統(tǒng)組成，留有開放的以太網(wǎng)接口和標(biāo)準(zhǔn)的Modbus RTU接口，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程光纖或GPRS無線通信與上層控制網(wǎng)交互。

工控通訊網(wǎng)絡(luò)為光纖冗余環(huán)型工業(yè)以太網(wǎng)，通訊波特率≥100 Mbit/s，系統(tǒng)自適應(yīng)恢復(fù)時(shí)間<300 ms，通訊距離（無中繼器）≥1 km，網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)要求使用可直埋的光纜，出現(xiàn)故障時(shí)，可在線增加或刪除任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)，不會影響到其他設(shè)備的運(yùn)行和通訊。系統(tǒng)采用先進(jìn)的監(jiān)控操作站控制系統(tǒng)，即采用全開放式、關(guān)系型、面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)結(jié)構(gòu)，支持不同廠家的硬件在同一網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行，并支持實(shí)時(shí)多任務(wù)、多用戶的操作特點(diǎn)[2]。

控制系統(tǒng)能夠在工業(yè)環(huán)境下長期、穩(wěn)定地運(yùn)行。系統(tǒng)組件的選型符合工業(yè)等級，滿足國內(nèi)、國際的安全標(biāo)準(zhǔn)。具有易配置、易接線、易維護(hù)、隔離性好、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、抗腐蝕性強(qiáng)等特點(diǎn)，能適應(yīng)較大的溫度變化范圍。系統(tǒng)具備良好的電磁兼容性，支持I/O模板在系統(tǒng)運(yùn)行過程中進(jìn)行帶電熱插拔，能夠適應(yīng)工業(yè)環(huán)境的嚴(yán)格要求。

控制系統(tǒng)自帶一套完整的自診斷功能，可以在運(yùn)行中自動診斷出系統(tǒng)的任何一個(gè)部件是否出現(xiàn)故障，并且在監(jiān)控軟件中及時(shí)、準(zhǔn)確地反映出故障狀態(tài)、故障時(shí)間、故障地點(diǎn)以及相關(guān)信息。在系統(tǒng)發(fā)生故障后，I/O狀態(tài)返回到系統(tǒng)工藝要求的預(yù)設(shè)置狀態(tài)。

為了保證鍋爐滿足不同的控制要求，控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的擴(kuò)展能力，且在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留不少于40%的I/O接口?？刂葡到y(tǒng)主要用于鍋爐的控制、運(yùn)行操作和監(jiān)視管理等。不僅有可靠的硬件設(shè)備，還有延伸功能強(qiáng)大、運(yùn)行可靠、界面友好的系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件、編程軟件和控制軟件。監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)為面向?qū)ο蟮?、關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。操作系統(tǒng)和監(jiān)控軟件具有容錯(cuò)及災(zāi)難性恢復(fù)等功能[3]。

3 結(jié)論

1）與傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)相比，在相對獨(dú)立區(qū)域供暖實(shí)現(xiàn)自動化操作，各個(gè)系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況可實(shí)現(xiàn)24 h監(jiān)測，值班人員通過監(jiān)測畫面可以直觀觀測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，判斷故障發(fā)生點(diǎn)，從而提高檢修維護(hù)效率，節(jié)約時(shí)間和成本，保障供暖的穩(wěn)定性。整個(gè)供暖系統(tǒng)的上煤、出渣、藥劑添加等各個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了過程封閉化，當(dāng)排放煙氣含硫量或者煙氣不達(dá)標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)會自動啟動設(shè)備，有效杜絕了供暖環(huán)節(jié)的揚(yáng)塵污染，具備極強(qiáng)的環(huán)保性。整體系統(tǒng)監(jiān)測通訊，預(yù)留備用接口，后期可根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況及要求，進(jìn)行升級和擴(kuò)展，降低后期建設(shè)成本。整個(gè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的自動存儲，并有效存儲3個(gè)月，以備后期對故障以及系統(tǒng)各部分的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)隨時(shí)調(diào)閱查詢，為后期系統(tǒng)改造升級提供原始數(shù)據(jù)支持。

2）通過系統(tǒng)該改造，排放的煙氣能達(dá)到山西省最新的《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 14/1929—2019）燃煤鍋爐標(biāo)準(zhǔn)，將煙氣中顆粒物、二氧化硫及氮氧化物含量（質(zhì)量濃度）分別由30 mg/m3、200 mg/m3和200 mg/m3降至到20 mg/m3、100 mg/m3和150 mg/m3以下，煙氣黑度（林格曼黑度）≤1，有效保護(hù)了大氣環(huán)境，有利于改善當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，促進(jìn)礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。鍋爐綜合熱效率大大提高，熱有效利用率達(dá)到85%，有力地保障了礦井井下供暖，確保礦井冬季的安全生產(chǎn)。

3）系統(tǒng)改造后，可以對鍋爐內(nèi)的汽壓、水位、水溫、循環(huán)泵和煙氣溫度等關(guān)鍵環(huán)節(jié)、關(guān)鍵設(shè)施進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)異常情況，及時(shí)觸發(fā)警報(bào)，啟用補(bǔ)救措施，避免出現(xiàn)爐內(nèi)壓力過大、缺水等事故的發(fā)生，保障鍋爐運(yùn)行期間的安全。實(shí)際作業(yè)過程中實(shí)現(xiàn)自動添加藥劑、自動卸爐灰爐渣等作業(yè)環(huán)節(jié)，避免人員直接接觸，防止人員燙傷和藥劑對人體的傷害。

4）系統(tǒng)改造后，一個(gè)供暖季可節(jié)約用煤量1 510 t，材料費(fèi)用可節(jié)約61 250元，從業(yè)人員可減少17人，按目前煤炭400元/t的市場價(jià)格、從業(yè)人員按4000元/月的工資來計(jì)算，一個(gè)供暖季共可節(jié)約869 250元。