乏風瓦斯催化氧化監控系統設計范文

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《礦業安全與環保雜志》2015年第五期

為加快煤層氣(煤礦瓦斯)的開發利用,保障煤礦安全生產,增加清潔能源供應,促進節能減排,保護生態環境,煤礦乏風瓦斯利用技術取得了長足的發展。其中以催化氧化技術[1-4]和逆流式熱氧化技術最具優勢,且工業化進程更為順利,國內外科研機構及學者對其研究正方興未艾。催化燃燒在燃氣輪機中應用概念最早由Pfefferle在20世紀70年代提出,并對穩定催化燃燒和催化裝置的設計進行了綜述。澳大利亞能源開發公司開發利用煤礦乏風瓦斯的燃氣輪機技術,利用的甲烷體積分數(濃度)為1.6%;美國Capstone燃氣輪機公司研究開發微型催化燃燒燃氣輪機,利用甲烷濃度為1%的煤礦乏風瓦斯。澳大利亞聯邦科學研究院CSIRO和我國上海交通大學合作,從事煤礦乏風瓦斯催化燃燒發電技術的研究,其低熱值催化燃燒燃氣輪機樣機實驗臺在澳洲布里斯班的QCAT中心搭建完畢,已經成功完成了點火試驗。然而,以上研究大都處于試驗研究階段,均未實現工業化應用。根本原因在于,與其他有機物利用技術不同,瓦斯催化氧化利用存在跨越瓦斯爆炸界限過程,需要對瓦斯濃度、流量等參數實現高精度控制,其難度高、危險性大。所以,設計研發安全可靠的監控系統是實現該項技術工業化的核心。

1監控系統總體設計

1.1乏風瓦斯催化燃燒燃氣輪機發電利用系統運行工藝流程乏風瓦斯催化氧化利用系統組成見圖1,主要包括摻混裝置、離心壓氣機、逆流回熱器、催化燃燒室、徑流透平和發電機等,其核心部件是催化燃燒室。該系統的運行工藝流程:乏風瓦斯在摻混裝置內摻混成濃度相對穩定(甲烷濃度1%左右)的原料氣,加壓后進入逆流回熱器,利用透平余熱加熱,在催化燃燒室內蜂窩狀催化劑表面發生催化氧化燃燒反應,高溫高壓的煙氣在透平內膨脹做功推動發電機進行發電,如此循環,實現乏風瓦斯催化燃燒化學能向電能的轉化。

1.2系統控制原理通過監控燃氣輪發電機的潤滑油壓力、振動、軸承溫度、轉速、發電機電氣故障、甲烷濃度,以及其他設備故障信號等,實現瓦斯濃度、流量等高精度控制,確保發電系統正常運行;同時監測對機組安全有重大影響的某些參數,與設定的安全值進行比對、判識,實現應急停機等,以保護設備和人身安全。乏風瓦斯催化氧化利用系統控制原理如圖2所示。監控系統采用PLC編程控制系統來實現全自動控制。控制系統采用主從式控制方式,由工業PC機作為主機,實現數據的運算、保存、修改處理,并預留MAX232串口通信,必要時可以打印數據。系統采用西門子PLCS7-300作為各個從機的處理器,主要負責采集溫度、流量、壓力等模擬量,控制裝置中的繼電器和開關。基于對裝置系統各重要部位的參數測定,如對各設備進出口氣體的參數(甲烷濃度、溫度、流量、壓力等)、發電機轉速、變速齒輪箱和壓氣機透平振動量、輸出功率等重要參數的測定,并迅速反饋,用PLC強大的通訊模塊可方便地對裝置系統進行遠程控制和數據采集,實現實時監控。系統中HIM表示人機交互;DI、DO分別表示數字量輸入輸出;AI、AO分別表示模擬量輸入輸出。監控系統硬件配置如圖3所示。

2系統控制流程

2.1啟動前檢查啟動前進行檢查,若任何一項不滿足流程要求,則聲光報警,不啟動電動油泵;排除故障后再次檢查,若全部滿足要求,才能執行后面的控制程序。閥門動作檢測是指全開、全關閥門,閥門動作無異常,閥位正常;同時,快開閥為常開閥,能在1s之內全開,調節閥能在規定的時間內全開或全關,目的是確保正常;油箱液位安保值可能有調整,以給定的值為參考。

2.2啟動準備當啟動檢查一切符合要求時,進行齒輪箱及透平主電動油泵及備用電動油泵的檢測,看能否建立要求的油壓,確保齒輪箱進口油壓和透平進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,則關閉電動油泵并查找故障,排除故障后重新檢測電動油泵。如果任何一項未達到要求,禁止執行后續程序,并聲光報警。在確保能夠建立正常油壓的條件下,關閉備用油泵,開啟主油泵進行預潤滑,持續3min。

2.3啟動及運行過程啟動過程中,系統的安保值、許可值在程序中得到反映情況,全程都需要進行安保監控。潤滑油系統安保監控包括以下內容:1)齒輪箱、透平的進油壓力。若齒輪箱、透平的進油壓力低于最低工作壓力,則聲光報警,啟動備用電動油泵;若進油壓力依然低于最低工作壓力,停機;若進油壓力高于最高工作壓力,關閉備用電動油泵。2)齒輪箱、透平油箱內油溫與齒輪箱的進口油溫。若油箱內油溫大于工作溫度,則打開油站冷卻水開關,進行水冷,若油箱內油溫上升到臨界溫度,停機;若油溫在工作范圍內,關閉冷卻水;若油溫低于啟動溫度,則開啟油加熱器加熱,到38益停止加熱。3)油箱內的液位。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訊器。油過濾器上附屬的壓差發訊器(壓差開關,無源觸點)的狀態,若開關閉合,說明過濾器兩端壓差達到危險值,則聲光報警。

2.4停機當自動控制系統已經開始控制渦輪機時,停機需按照下述順序自動進行:停機指令發出后立即打開快開閥(全開時間在1s之內),打開全開閥信號發出后,立即啟動后潤滑(若主油泵還在正常運行中,不開啟備用電動油泵,否則開啟),然后全關瓦斯調節閥,再全關空氣調節閥,檢測快開閥是否全開,調節閥是否全關,若其中任一閥門沒有全開或全關,則聲光報警;關閉油加熱器、發電機加熱器、冷卻水閥(如果沒有關閉)。在顯示終端屏幕上,顯示后潤滑運行提示,持續20min后,方可斷電,停機結束。

3系統安全防護設計

3.1系統安全防護硬件設計煤礦瓦斯屬于易燃易爆氣體,系統設計中盡量規避火源。在閥門選型中,選用低電壓控制的氣動閥門,使用軟密封替代常規的硬密封,避免產生電火花。并且瓦斯快速關斷閥采用單作用閥門,斷電斷氣短信號自動保護。

3.2系統安全防護軟件設計

3.2.1發電機、透平、齒輪箱系統安保監控溫度監測的主要對象有發電機前后2個軸承的溫度,電機U、V、W3個繞組的溫度,以及齒輪箱各軸承的溫度、透平回油溫度、燃燒室出口溫度。溫度報警分為二級報警,當溫度高于臨界值時,系統進行聲光報警;當溫度持續升高時,為保證系統安全,則進行緊急停機并檢修設備。基于透平的高速旋轉產生巨大振動,為確保系統正常安全運行,對透平殼體的振動強度的監測同樣重要。除此之外的監控對象還有渦輪機轉速、快開閥氣源壓力、發電機電流保護或短路保護等。

3.2.2閥門的互鎖與自鎖在系統運行階段需要考慮連鎖,催化氧化裝置中設計有多級連鎖保護,包括催化氧化室與起爐燃燒器溫度連鎖保護、各閥組之間的高溫連鎖保護和低溫連鎖保護,以及系統斷電連鎖保護。尤其作為危險源的瓦斯氣體流量、濃度的控制。該系統中涉及瓦斯進氣調節閥、空氣進氣調節閥,這兩個閥門的調節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%。故調節時將空氣閥和瓦斯閥進行互鎖保護設計,務必先調節空氣閥,再調節瓦斯閥,在確保燃燒濃度在工作范圍的同時,兼顧安全性。具體調節時,甲烷濃度超過臨界值立即聲光報警;若濃度持續增加,則需要立即停機檢查,直到設備檢修完成方可重新啟動。

4工業性試驗

試驗瓦斯氣體取自中煤科工集團重慶研究院有限公司清水溪實驗基地內的中梁山民用煤層氣,原料氣瓦斯濃度40%,經過混氣裝置配成CH4濃度為1.3%~1.5%的原料氣。根據催化過程的要求和設備的額定參數及理論計算,得到乏風瓦斯催化氧化正常運行的關鍵參數及其取值范圍,如表1所示。為驗證監控系統的可靠性與安全性,分別進行了12組乏風瓦斯催化氧化試驗,其中設定的CH4濃度為1.3%,混配后的瓦斯流量為10000m3/h(標準狀態),得到的監測數據見表2。監測數據表明,在催化氧化正常運行過程中監測的關鍵參數均在合理范圍內,同時燃燒室出口煙氣溫度接近900益,為催化氧化發電過程中換熱器與透平機提供可靠的原料氣,驗證了該控制系統的有效性和可靠性。

5結語

工業性試驗表明,所研發的乏風瓦斯催化氧化監控系統,可實現對乏風瓦斯催化氧化全過程的遠程監控,解決了以往設計中的“信息孤島冶與“重復建設冶問題,系統運行穩定可靠,對提高乏風瓦斯安全、穩定利用具有重要意義,也對同類課題的研發有一定的參考意義。

作者：馬代輝 單位：瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室 中煤科工集團重慶研究院有限公司