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《礦業(yè)安全與環(huán)保雜志》2015年第五期

為加快煤層氣(煤礦瓦斯)的開發(fā)利用,保障煤礦安全生產(chǎn),增加清潔能源供應(yīng),促進(jìn)節(jié)能減排,保護(hù)生態(tài)環(huán)境,煤礦乏風(fēng)瓦斯利用技術(shù)取得了長足的發(fā)展。其中以催化氧化技術(shù)[1-4]和逆流式熱氧化技術(shù)最具優(yōu)勢,且工業(yè)化進(jìn)程更為順利,國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)及學(xué)者對其研究正方興未艾。催化燃燒在燃?xì)廨啓C(jī)中應(yīng)用概念最早由Pfefferle在20世紀(jì)70年代提出,并對穩(wěn)定催化燃燒和催化裝置的設(shè)計(jì)進(jìn)行了綜述。澳大利亞能源開發(fā)公司開發(fā)利用煤礦乏風(fēng)瓦斯的燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù),利用的甲烷體積分?jǐn)?shù)(濃度)為1.6%;美國Capstone燃?xì)廨啓C(jī)公司研究開發(fā)微型催化燃燒燃?xì)廨啓C(jī),利用甲烷濃度為1%的煤礦乏風(fēng)瓦斯。澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)研究院CSIRO和我國上海交通大學(xué)合作,從事煤礦乏風(fēng)瓦斯催化燃燒發(fā)電技術(shù)的研究,其低熱值催化燃燒燃?xì)廨啓C(jī)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)在澳洲布里斯班的QCAT中心搭建完畢,已經(jīng)成功完成了點(diǎn)火試驗(yàn)。然而,以上研究大都處于試驗(yàn)研究階段,均未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。根本原因在于,與其他有機(jī)物利用技術(shù)不同,瓦斯催化氧化利用存在跨越瓦斯爆炸界限過程,需要對瓦斯?jié)舛取⒘髁康葏?shù)實(shí)現(xiàn)高精度控制,其難度高、危險(xiǎn)性大。所以,設(shè)計(jì)研發(fā)安全可靠的監(jiān)控系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)技術(shù)工業(yè)化的核心。

1監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1乏風(fēng)瓦斯催化燃燒燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電利用系統(tǒng)運(yùn)行工藝流程乏風(fēng)瓦斯催化氧化利用系統(tǒng)組成見圖1,主要包括摻混裝置、離心壓氣機(jī)、逆流回?zé)崞鳌⒋呋紵摇搅魍钙胶桶l(fā)電機(jī)等,其核心部件是催化燃燒室。該系統(tǒng)的運(yùn)行工藝流程:乏風(fēng)瓦斯在摻混裝置內(nèi)摻混成濃度相對穩(wěn)定(甲烷濃度1%左右)的原料氣,加壓后進(jìn)入逆流回?zé)崞?利用透平余熱加熱,在催化燃燒室內(nèi)蜂窩狀催化劑表面發(fā)生催化氧化燃燒反應(yīng),高溫高壓的煙氣在透平內(nèi)膨脹做功推動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電,如此循環(huán),實(shí)現(xiàn)乏風(fēng)瓦斯催化燃燒化學(xué)能向電能的轉(zhuǎn)化。

1.2系統(tǒng)控制原理通過監(jiān)控燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)的潤滑油壓力、振動(dòng)、軸承溫度、轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)電氣故障、甲烷濃度,以及其他設(shè)備故障信號(hào)等,實(shí)現(xiàn)瓦斯?jié)舛取⒘髁康雀呔瓤刂?確保發(fā)電系統(tǒng)正常運(yùn)行;同時(shí)監(jiān)測對機(jī)組安全有重大影響的某些參數(shù),與設(shè)定的安全值進(jìn)行比對、判識(shí),實(shí)現(xiàn)應(yīng)急停機(jī)等,以保護(hù)設(shè)備和人身安全。乏風(fēng)瓦斯催化氧化利用系統(tǒng)控制原理如圖2所示。監(jiān)控系統(tǒng)采用PLC編程控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制。控制系統(tǒng)采用主從式控制方式,由工業(yè)PC機(jī)作為主機(jī),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、保存、修改處理,并預(yù)留MAX232串口通信,必要時(shí)可以打印數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用西門子PLCS7-300作為各個(gè)從機(jī)的處理器,主要負(fù)責(zé)采集溫度、流量、壓力等模擬量,控制裝置中的繼電器和開關(guān)。基于對裝置系統(tǒng)各重要部位的參數(shù)測定,如對各設(shè)備進(jìn)出口氣體的參數(shù)(甲烷濃度、溫度、流量、壓力等)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、變速齒輪箱和壓氣機(jī)透平振動(dòng)量、輸出功率等重要參數(shù)的測定,并迅速反饋,用PLC強(qiáng)大的通訊模塊可方便地對裝置系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)采集,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)中HIM表示人機(jī)交互;DI、DO分別表示數(shù)字量輸入輸出;AI、AO分別表示模擬量輸入輸出。監(jiān)控系統(tǒng)硬件配置如圖3所示。

2系統(tǒng)控制流程

2.1啟動(dòng)前檢查啟動(dòng)前進(jìn)行檢查,若任何一項(xiàng)不滿足流程要求,則聲光報(bào)警,不啟動(dòng)電動(dòng)油泵;排除故障后再次檢查,若全部滿足要求,才能執(zhí)行后面的控制程序。閥門動(dòng)作檢測是指全開、全關(guān)閥門,閥門動(dòng)作無異常,閥位正常;同時(shí),快開閥為常開閥,能在1s之內(nèi)全開,調(diào)節(jié)閥能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)全開或全關(guān),目的是確保正常;油箱液位安保值可能有調(diào)整,以給定的值為參考。

2.2啟動(dòng)準(zhǔn)備當(dāng)啟動(dòng)檢查一切符合要求時(shí),進(jìn)行齒輪箱及透平主電動(dòng)油泵及備用電動(dòng)油泵的檢測,看能否建立要求的油壓,確保齒輪箱進(jìn)口油壓和透平進(jìn)口油壓在最低工作壓力和最高工作壓力之間;如果超出范圍,則關(guān)閉電動(dòng)油泵并查找故障,排除故障后重新檢測電動(dòng)油泵。如果任何一項(xiàng)未達(dá)到要求,禁止執(zhí)行后續(xù)程序,并聲光報(bào)警。在確保能夠建立正常油壓的條件下,關(guān)閉備用油泵,開啟主油泵進(jìn)行預(yù)潤滑,持續(xù)3min。

2.3啟動(dòng)及運(yùn)行過程啟動(dòng)過程中,系統(tǒng)的安保值、許可值在程序中得到反映情況,全程都需要進(jìn)行安保監(jiān)控。潤滑油系統(tǒng)安保監(jiān)控包括以下內(nèi)容:1)齒輪箱、透平的進(jìn)油壓力。若齒輪箱、透平的進(jìn)油壓力低于最低工作壓力,則聲光報(bào)警,啟動(dòng)備用電動(dòng)油泵;若進(jìn)油壓力依然低于最低工作壓力,停機(jī);若進(jìn)油壓力高于最高工作壓力,關(guān)閉備用電動(dòng)油泵。2)齒輪箱、透平油箱內(nèi)油溫與齒輪箱的進(jìn)口油溫。若油箱內(nèi)油溫大于工作溫度,則打開油站冷卻水開關(guān),進(jìn)行水冷,若油箱內(nèi)油溫上升到臨界溫度,停機(jī);若油溫在工作范圍內(nèi),關(guān)閉冷卻水;若油溫低于啟動(dòng)溫度,則開啟油加熱器加熱,到38益停止加熱。3)油箱內(nèi)的液位。若液位低于最低液位高度,則開啟加油,加到齒輪箱油箱正常工作高度停止。4)油過濾器上附屬的壓差發(fā)訊器。油過濾器上附屬的壓差發(fā)訊器(壓差開關(guān),無源觸點(diǎn))的狀態(tài),若開關(guān)閉合,說明過濾器兩端壓差達(dá)到危險(xiǎn)值,則聲光報(bào)警。

2.4停機(jī)當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)已經(jīng)開始控制渦輪機(jī)時(shí),停機(jī)需按照下述順序自動(dòng)進(jìn)行:停機(jī)指令發(fā)出后立即打開快開閥(全開時(shí)間在1s之內(nèi)),打開全開閥信號(hào)發(fā)出后,立即啟動(dòng)后潤滑(若主油泵還在正常運(yùn)行中,不開啟備用電動(dòng)油泵,否則開啟),然后全關(guān)瓦斯調(diào)節(jié)閥,再全關(guān)空氣調(diào)節(jié)閥,檢測快開閥是否全開,調(diào)節(jié)閥是否全關(guān),若其中任一閥門沒有全開或全關(guān),則聲光報(bào)警;關(guān)閉油加熱器、發(fā)電機(jī)加熱器、冷卻水閥(如果沒有關(guān)閉)。在顯示終端屏幕上,顯示后潤滑運(yùn)行提示,持續(xù)20min后,方可斷電,停機(jī)結(jié)束。

3系統(tǒng)安全防護(hù)設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)安全防護(hù)硬件設(shè)計(jì)煤礦瓦斯屬于易燃易爆氣體,系統(tǒng)設(shè)計(jì)中盡量規(guī)避火源。在閥門選型中,選用低電壓控制的氣動(dòng)閥門,使用軟密封替代常規(guī)的硬密封,避免產(chǎn)生電火花。并且瓦斯快速關(guān)斷閥采用單作用閥門,斷電斷氣短信號(hào)自動(dòng)保護(hù)。

3.2系統(tǒng)安全防護(hù)軟件設(shè)計(jì)

3.2.1發(fā)電機(jī)、透平、齒輪箱系統(tǒng)安保監(jiān)控溫度監(jiān)測的主要對象有發(fā)電機(jī)前后2個(gè)軸承的溫度,電機(jī)U、V、W3個(gè)繞組的溫度,以及齒輪箱各軸承的溫度、透平回油溫度、燃燒室出口溫度。溫度報(bào)警分為二級(jí)報(bào)警,當(dāng)溫度高于臨界值時(shí),系統(tǒng)進(jìn)行聲光報(bào)警;當(dāng)溫度持續(xù)升高時(shí),為保證系統(tǒng)安全,則進(jìn)行緊急停機(jī)并檢修設(shè)備。基于透平的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生巨大振動(dòng),為確保系統(tǒng)正常安全運(yùn)行,對透平殼體的振動(dòng)強(qiáng)度的監(jiān)測同樣重要。除此之外的監(jiān)控對象還有渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速、快開閥氣源壓力、發(fā)電機(jī)電流保護(hù)或短路保護(hù)等。

3.2.2閥門的互鎖與自鎖在系統(tǒng)運(yùn)行階段需要考慮連鎖,催化氧化裝置中設(shè)計(jì)有多級(jí)連鎖保護(hù),包括催化氧化室與起爐燃燒器溫度連鎖保護(hù)、各閥組之間的高溫連鎖保護(hù)和低溫連鎖保護(hù),以及系統(tǒng)斷電連鎖保護(hù)。尤其作為危險(xiǎn)源的瓦斯氣體流量、濃度的控制。該系統(tǒng)中涉及瓦斯進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥、空氣進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥,這兩個(gè)閥門的調(diào)節(jié)受限于瓦斯氣與空氣混合之后甲烷的濃度:甲烷濃度為1%~1.2%,爆炸濃度為5%。故調(diào)節(jié)時(shí)將空氣閥和瓦斯閥進(jìn)行互鎖保護(hù)設(shè)計(jì),務(wù)必先調(diào)節(jié)空氣閥,再調(diào)節(jié)瓦斯閥,在確保燃燒濃度在工作范圍的同時(shí),兼顧安全性。具體調(diào)節(jié)時(shí),甲烷濃度超過臨界值立即聲光報(bào)警;若濃度持續(xù)增加,則需要立即停機(jī)檢查,直到設(shè)備檢修完成方可重新啟動(dòng)。

4工業(yè)性試驗(yàn)

試驗(yàn)瓦斯氣體取自中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司清水溪實(shí)驗(yàn)基地內(nèi)的中梁山民用煤層氣,原料氣瓦斯?jié)舛?0%,經(jīng)過混氣裝置配成CH4濃度為1.3%~1.5%的原料氣。根據(jù)催化過程的要求和設(shè)備的額定參數(shù)及理論計(jì)算,得到乏風(fēng)瓦斯催化氧化正常運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)及其取值范圍,如表1所示。為驗(yàn)證監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性與安全性,分別進(jìn)行了12組乏風(fēng)瓦斯催化氧化試驗(yàn),其中設(shè)定的CH4濃度為1.3%,混配后的瓦斯流量為10000m3/h(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)),得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)見表2。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明,在催化氧化正常運(yùn)行過程中監(jiān)測的關(guān)鍵參數(shù)均在合理范圍內(nèi),同時(shí)燃燒室出口煙氣溫度接近900益,為催化氧化發(fā)電過程中換熱器與透平機(jī)提供可靠的原料氣,驗(yàn)證了該控制系統(tǒng)的有效性和可靠性。

5結(jié)語

工業(yè)性試驗(yàn)表明,所研發(fā)的乏風(fēng)瓦斯催化氧化監(jiān)控系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)對乏風(fēng)瓦斯催化氧化全過程的遠(yuǎn)程監(jiān)控,解決了以往設(shè)計(jì)中的“信息孤島冶與“重復(fù)建設(shè)冶問題,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠,對提高乏風(fēng)瓦斯安全、穩(wěn)定利用具有重要意義,也對同類課題的研發(fā)有一定的參考意義。

作者：馬代輝 單位：瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司