礦井瓦斯抽采管道安全防護(hù)裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

白雪

(1.中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 沈陽(yáng)研究院有限公司， 遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 撫順 113122)

0 引言

煤礦采空區(qū)的瓦斯是經(jīng)由固定管路抽采至地面進(jìn)行排空或發(fā)電利用。但當(dāng)瓦斯抽采泵站時(shí),常會(huì)因設(shè)備運(yùn)作靜電、雷暴等因素而產(chǎn)生一定的安全隱患，且管路與井下采空區(qū)相連，一旦發(fā)生爆炸將危及礦井安全。因此,瓦斯抽采泵站均需安設(shè)多級(jí)安全防護(hù)裝置后再進(jìn)行排空或發(fā)電利用[1]。瓦斯抽采管道安全防護(hù)裝置一般由阻爆裝置、抑爆裝置、水封阻火泄爆裝置三級(jí)安全防護(hù)子系統(tǒng)組成[2]。阻爆裝置一般采用快關(guān)蝶閥進(jìn)行自動(dòng)阻爆;抑爆裝置一般采用基于惰性氣體的主動(dòng)抑爆技術(shù);泄爆裝置一般采用帶有水位自控功能的水封式阻火泄爆技術(shù)。這三級(jí)子系統(tǒng)均需通過(guò)傳感器采集外部環(huán)境信息并進(jìn)行分析判斷，得到控制指令，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)阻爆、抑爆、泄爆裝置的控制，以達(dá)到自動(dòng)阻爆、主動(dòng)抑爆、水封泄爆的安全防護(hù)目的。在日常無(wú)火情狀態(tài)下，控制系統(tǒng)除需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道內(nèi)有無(wú)火情外，還需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各組成設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，確保溫度、壓力等指標(biāo)正常。一旦發(fā)生火情，三級(jí)防護(hù)系統(tǒng)能夠快速聯(lián)動(dòng)、準(zhǔn)確響應(yīng)、有效阻火滅火。

由此可見(jiàn),控制系統(tǒng)的性能在很大程度上決定了瓦斯抽采管道安全防護(hù)系統(tǒng)的性能及可靠性。因此,設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)一款數(shù)據(jù)采集功能強(qiáng)大、控制系統(tǒng)快速響應(yīng)、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的瓦斯抽采管道安全防護(hù)裝置控制系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用可編程控制器(PLC)技術(shù)，根據(jù)功能要求可分為數(shù)據(jù)采集及在線監(jiān)測(cè)模塊、控制模塊、故障診斷模塊3個(gè)部分。數(shù)據(jù)采集及在線監(jiān)測(cè)模塊對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和預(yù)處理，將信息傳送至控制模塊和故障診斷模塊，同時(shí)實(shí)時(shí)顯示控制模塊的輸出狀態(tài)和故障診斷模塊的處理結(jié)果[3];控制模塊對(duì)信息進(jìn)行運(yùn)算、處理后，向阻爆裝置、抑爆裝置、泄爆裝置發(fā)出控制指令;故障診斷模塊對(duì)異常信息進(jìn)行分析、記錄，并輸出故障報(bào)警指令?？刂葡到y(tǒng)硬件框架如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)硬件框架

圖1中的電源部分主要由變壓器、穩(wěn)壓電源和本質(zhì)安全型電源組成。由于PLC是非本質(zhì)安全型設(shè)備，在控制本質(zhì)安全型設(shè)備時(shí)，需通過(guò)光電隔離技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全型電路和非本質(zhì)安全型電路之間的隔離轉(zhuǎn)換。PLC通過(guò)串行通信口PORT1(非隔離的RS-485)與顯示屏進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，可在線顯示工藝流程圖及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2 分模塊設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集與在線監(jiān)測(cè)模塊

2.1.1 數(shù)據(jù)采集模塊

安全防護(hù)系統(tǒng)需要采集和處理的傳感器數(shù)據(jù)較多。每個(gè)子系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、火焰等多種傳感器，分別采集阻爆、抑爆、泄爆裝置狀態(tài)信息及環(huán)境參數(shù)[4]，如圖2所示。

圖2 傳感器組成

阻爆裝置采用液壓驅(qū)動(dòng)閥門快速關(guān)閉，故需監(jiān)測(cè)油箱油溫及蓄能器壓力，確保液壓系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)；當(dāng)阻爆裝置啟動(dòng)時(shí),需通過(guò)轉(zhuǎn)速傳感器監(jiān)測(cè)阻爆閥門是否動(dòng)作及關(guān)斷到位[5]?；鹧?zhèn)鞲衅鲗?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道內(nèi)火情，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)模塊，它是整個(gè)安全防護(hù)系統(tǒng)的核心部件。抑爆裝置需使用壓力傳感器監(jiān)測(cè)儲(chǔ)壓式抑爆器的鋼瓶壓力，確保噴撒速度和完成時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快速抑爆。泄爆裝置具有水封液位自動(dòng)控制功能，需使用水位傳感器、水壓傳感器和壓差傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)液位高度監(jiān)測(cè)及水位自動(dòng)補(bǔ)償。

數(shù)據(jù)采集模塊接收到傳感器信號(hào)后,對(duì)擾動(dòng)信息進(jìn)行篩除后送給控制模塊、故障診斷模塊。擾動(dòng)信息篩選模塊電氣原理如圖3所示。

圖3 擾動(dòng)信息篩選模塊電氣原理

2.1.2 在線監(jiān)測(cè)模塊

在線監(jiān)測(cè)模塊主要監(jiān)測(cè)阻爆、抑爆、泄爆裝置的工作狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)信息顯示到控制系統(tǒng)顯示屏上。在線監(jiān)測(cè)界面如圖4所示。

圖4 在線監(jiān)測(cè)界面

2.2 控制模塊

控制模塊是控制系統(tǒng)的核心，控制系統(tǒng)所發(fā)出的控制命令均由控制模塊來(lái)完成。多種傳感器信號(hào)經(jīng)由數(shù)據(jù)采集及在線監(jiān)測(cè)模塊傳送到控制模塊，控制模塊利用模糊理論判定并解析信號(hào)。

2.2.1 阻爆裝置和抑爆裝置的連鎖控制

如果信號(hào)被控制模塊解析辨別為瓦斯爆炸，控制模塊立即對(duì)阻爆裝置、抑爆裝置同時(shí)發(fā)出指令。

1) 阻爆裝置:接到指令后立即驅(qū)動(dòng)快關(guān)液壓蝶閥關(guān)閉，阻斷火源的傳播通道，傳感控制及阻爆閥門徹底關(guān)閉時(shí)間小于100 ms。當(dāng)快關(guān)蝶閥觸發(fā)到全關(guān)限位開(kāi)關(guān)時(shí)，控制模塊立即終斷關(guān)閉閥門動(dòng)作，防止蝶閥出現(xiàn)關(guān)過(guò)現(xiàn)象。

2) 抑爆裝置:接到指令后在5 ms內(nèi)打開(kāi)閥門，通過(guò)噴嘴組件排出處于壓縮狀態(tài)的抑爆介質(zhì)，瞬間生成高能抑爆屏障,抑制爆炸的擴(kuò)散，將爆炸造成的損失降到最低[6]。具體控制流程如圖5所示。

2.2.2 阻爆裝置液壓系統(tǒng)控制

液壓系統(tǒng)電控原理框架如圖6所示。當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)檢測(cè)到火焰?zhèn)鞲衅靼l(fā)來(lái)的瓦斯爆炸信息后，立即發(fā)出指令打開(kāi)快關(guān)蝶閥，液壓系統(tǒng)蓄能急劇釋放，推動(dòng)油缸帶動(dòng)蝶閥快速關(guān)閉，阻斷火焰?zhèn)鞑ネǖ馈?/p>

控制系統(tǒng)對(duì)油壓值進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)時(shí)，若油壓值大于預(yù)設(shè)的上限值時(shí)，則油泵電動(dòng)機(jī)停止工作；若油壓值小于預(yù)設(shè)的下限值時(shí)，則電磁啟動(dòng)器通過(guò)PLC啟動(dòng)，油泵電動(dòng)機(jī)開(kāi)始工作，對(duì)蓄能器進(jìn)行充油?？刂葡到y(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)油溫，當(dāng)溫度低于某一特定值時(shí)，加熱器開(kāi)始對(duì)油箱加熱，油溫正常后，自動(dòng)停止加熱。

圖5 阻爆裝置和抑爆裝置的控制流程

圖6 液壓系統(tǒng)電控原理

此控制系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程控制和就地控制兩種狀態(tài)，兩者互鎖。為了確?？焖俚y開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)不會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)位現(xiàn)象、關(guān)閉時(shí)能嚴(yán)密關(guān)緊，增加了閥體限位檢測(cè)功能。

2.2.3 泄爆裝置水位控制

控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集并分析液位傳感器的信號(hào)，判斷泄爆裝置水封筒內(nèi)液面高度是否正常。當(dāng)水位過(guò)低時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出指令開(kāi)啟進(jìn)水電磁閥，向筒內(nèi)補(bǔ)水，水位達(dá)到正常值后，關(guān)閉進(jìn)水電磁閥;當(dāng)水位過(guò)高時(shí)，則開(kāi)啟排水電磁閥；水位達(dá)到正常值后，關(guān)閉排水電磁閥[7]。泄爆裝置水位自動(dòng)控制流程如圖7所示。

圖7 泄爆裝置水位自動(dòng)控制流程

2.3 故障診斷模塊

故障診斷模塊是保障安全防護(hù)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的重要模塊,它主要是對(duì)傳感器采集信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷，判定阻爆裝置、抑爆裝置、水封泄爆裝置的運(yùn)行狀態(tài)。

1) 阻爆裝置的故障診斷。其主要是針對(duì)液壓系統(tǒng)的故障排除，確保PLC發(fā)出關(guān)閥控制指令時(shí)，液壓系統(tǒng)能夠驅(qū)動(dòng)阻爆閥門迅速關(guān)閉，主要包括油壓異常診斷、油溫異常診斷、油泵故障診斷、蓄能器故障診斷等。

2) 抑爆裝置的故障診斷。其主要是針對(duì)抑爆器的故障排除，確保抑爆器鋼瓶壓力大于5 MPa，可達(dá)到一定的噴撒速度和持續(xù)時(shí)間。

3) 泄爆裝置的故障診斷。其主要是針對(duì)水封液位的自動(dòng)補(bǔ)償功能，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)進(jìn)水閥壓力，確保水封桶內(nèi)缺水時(shí)可及時(shí)補(bǔ)水。

4) 火焰?zhèn)鞲衅髯鳛檎麄€(gè)安全防護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，也需要實(shí)時(shí)進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)，分為火焰?zhèn)鞲衅鲾嗑€、在線無(wú)火源、在線有火源、火焰?zhèn)鞲衅鲹p壞等狀態(tài)信息。具體故障診斷信息如表1所示。

3 工業(yè)性試驗(yàn)驗(yàn)證情況

為了驗(yàn)證多級(jí)防護(hù)裝置控制系統(tǒng)的可靠性，建立了直徑為500 mm、長(zhǎng)度為60 m試驗(yàn)管道,其布局如圖8所示。管道內(nèi)充滿體積分?jǐn)?shù)為9.5%的甲烷氣體，進(jìn)行瓦斯爆炸模擬試驗(yàn)。利用高速攝像機(jī)和多通道示波器對(duì)爆炸及阻爆、抑爆、水封泄爆過(guò)程進(jìn)行拍攝和測(cè)試。主要測(cè)試抑爆控制時(shí)間t1，即火焰?zhèn)鞲衅鬏敵鲂盘?hào)至抑爆器開(kāi)始噴撒抑爆介質(zhì)的時(shí)間；阻爆傳感響應(yīng)控制時(shí)間t2，即火焰?zhèn)鞲衅鬏敵鲂盘?hào)至阻爆閥門限位反饋信號(hào)時(shí)間。試驗(yàn)后，觀察阻爆液壓站蓄能器保壓狀況，以及泄爆裝置水封液位控制情況。共進(jìn)行5次試驗(yàn)，系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表1 故障診斷信息一覽表

由表2看出，抑爆控制時(shí)間t1<5.0 ms，阻爆傳感響應(yīng)控制時(shí)間t2<100.0 ms。爆炸后阻爆液壓系統(tǒng)快速向液壓站蓄能器中充油，達(dá)到設(shè)定壓力后自動(dòng)停止。由于爆炸沖擊波較大，泄爆裝置水封桶內(nèi)部分密封水被沖擊波帶走，控制系統(tǒng)檢測(cè)到水位過(guò)低，發(fā)出指令開(kāi)啟進(jìn)水電磁閥，向桶內(nèi)補(bǔ)水，水位達(dá)到正常值后，關(guān)閉進(jìn)水電磁閥。阻爆液壓系統(tǒng)保壓情況和泄爆裝置水封液位控制情況均正常。

圖8 安全防護(hù)系統(tǒng)試驗(yàn)裝置布局

表2 系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

瓦斯抽采管道安全防護(hù)裝置監(jiān)控系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集與在線監(jiān)測(cè)模塊、控制模塊和故障監(jiān)測(cè)模塊組成，阻爆、抑爆采用聯(lián)鎖控制方式，阻爆控制關(guān)斷時(shí)間小于100.0 ms，抑爆控制響應(yīng)時(shí)間小于5.0 ms。阻爆閥門采用液壓驅(qū)動(dòng)方式，且具有關(guān)限位和蓄能器自動(dòng)保壓功能，泄爆裝置具有水位自動(dòng)控制及補(bǔ)充功能。經(jīng)工業(yè)性試驗(yàn)測(cè)試表明,該監(jiān)控系統(tǒng)能精準(zhǔn)探測(cè)火焰信息并實(shí)現(xiàn)主動(dòng)抑爆、自動(dòng)阻爆、阻火泄爆，保障瓦斯抽采管路安全。