基于倒錐形擴(kuò)散塔的礦井回風(fēng)熱能利用設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)研究

范紅斌

（太原理工大學(xué)電力學(xué)院，山西 太原030024）

0 引言

為響應(yīng)我國(guó)改善能源結(jié)構(gòu)、提高能源利用率和加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)的號(hào)召，如何實(shí)現(xiàn)煤礦現(xiàn)有廢熱資源的余熱回收利用以替換傳統(tǒng)供熱方式成為了一個(gè)重要的課題。

一般情況下，礦井總回風(fēng)的溫度、濕度一年四季基本保持恒定，其中蘊(yùn)藏大量的低溫?zé)崮埽壳斑@部分熱能沒有被利用，而是隨著礦井通風(fēng)被排放到大氣中去。熱泵是一種以消耗少量電能為代價(jià)，將大量不能直接利用的低溫?zé)崮茏優(yōu)橛杏玫母邷責(zé)崮艿难b置。

但現(xiàn)有的礦井回風(fēng)源余熱利用系統(tǒng)大都是針對(duì)傾斜式擴(kuò)散塔設(shè)計(jì)的，而對(duì)于一些煤礦中倒錐形的礦井回風(fēng)擴(kuò)散塔，直接安裝現(xiàn)有的礦井回風(fēng)源余熱回收利用裝置存在困難，不利于礦井回風(fēng)源余熱的回收利用。

因此，開展基于倒錐形擴(kuò)散塔的礦井回風(fēng)熱能利用方式及技術(shù)的研究，優(yōu)化礦井回風(fēng)熱能提取裝置，對(duì)于拓展礦井回風(fēng)熱能利用范圍，實(shí)現(xiàn)礦井回風(fēng)熱能的深度利用具有重要的意義。

1 回風(fēng)熱能設(shè)備的現(xiàn)狀和技術(shù)要求

1．1 熱泵機(jī)組設(shè)備配置

熱泵機(jī)組設(shè)備配置如表1所示。

表1 熱泵機(jī)組設(shè)備配置表

1．2 熱泵機(jī)組輔助設(shè)備

熱泵機(jī)組輔助設(shè)備包括：井口防凍循環(huán)泵（立式離心泵）、回風(fēng)換熱一次循環(huán)泵（立式離心泵）、回風(fēng)換熱二次循環(huán)泵（立式離心泵）、消防水池蓄熱污水泵（潛污泵）、定壓補(bǔ)水機(jī)組（ISG40－100）、全自動(dòng)軟化水設(shè)備、軟化水箱等。

1．3 井口加熱器、回風(fēng)換熱器選型設(shè)計(jì)

井口加熱器（型號(hào) KDJR－600）：換熱量 630kW，風(fēng)量45 000m3／h；數(shù)量12臺(tái)；電源380V／50Hz，電機(jī)功率11kW（防爆電機(jī)）；機(jī)外余壓100Pa。

回風(fēng)換熱器（型號(hào)KDHF－6000）：換熱量6 000kW；數(shù)量1套，含6個(gè)模塊；效率90%以上；循環(huán)水量1 620m3／h；消音量20dB以上；阻力小于50Pa。

1．4 配電柜

技術(shù)參數(shù)：斷路器、接觸器采用施耐德電氣產(chǎn)品，進(jìn)線柜總開關(guān)選用抽屜式斷路器，型號(hào)為 MT40H2／4P，配備7．0H型控制單元。出線選用NSX系列斷路器，并配施耐德Micrologic電子脫扣保護(hù)和選擇手柄，柜內(nèi)其他儀表、指示燈、熔斷器等元器件均采用知名廠商產(chǎn)品，配施耐德FDM121柜門顯示單元。

2 控制系統(tǒng)的總體要求

本系統(tǒng)采用小型一體化PLC為主的集中和分散相結(jié)合的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高低溫?zé)岜脵C(jī)組的工藝參數(shù)、電氣參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、控制、聯(lián)鎖和報(bào)警以及報(bào)表打印，通過使用監(jiān)控中心與主站以及主站與遠(yuǎn)程站間的一系列通訊鏈，完成整個(gè)水源和熱泵機(jī)組所必需的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通訊、順序控制、時(shí)間控制、回路調(diào)節(jié)及上位監(jiān)視和管理功能。

2．1 控制方式

本熱泵控制系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)上傳功能，同樣也具有控制功能，控制方式可以分為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備就地手動(dòng)控制、本地觸摸屏控制、遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)控制3種。

2．2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

熱泵控制系統(tǒng)分為4級(jí)，包括生產(chǎn)管理級(jí)（遠(yuǎn)程客戶端）、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)管理級(jí)（監(jiān)控中心）、現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)（PLC監(jiān)控站）及就地控制級(jí)（現(xiàn)場(chǎng)控制箱）?，F(xiàn)場(chǎng)各種數(shù)據(jù)通過PLC系統(tǒng)進(jìn)行采集，并通過主干通訊網(wǎng)絡(luò)——485通訊傳送到監(jiān)控中心操作員站進(jìn)行集中監(jiān)控和管理，同時(shí)操作員站作為服務(wù)器，將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)娇偙O(jiān)控客戶端，進(jìn)行統(tǒng)一生產(chǎn)監(jiān)控和管理。同樣，監(jiān)控中心操作員站的控制命令也通過上述通道傳送到各遠(yuǎn)程PLC控制站，實(shí)現(xiàn)各單元的分散控制。

3 監(jiān)控系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)

3．1 主要監(jiān)控參數(shù)

熱泵機(jī)組：5臺(tái)。熱泵機(jī)組冷凝進(jìn)出水溫度、蒸發(fā)進(jìn)出水溫度、運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行故障、停機(jī)溫度、溫差、保護(hù)溫度閾值、延后啟動(dòng)時(shí)間等參數(shù)。

軟化水箱：1臺(tái)。液位、進(jìn)水流量監(jiān)視。

回風(fēng)換熱水池：1座。液位、溫度參數(shù)。

消防水池：1座。液位、溫度參數(shù)。

水泵：井筒防凍循環(huán)泵4臺(tái)、回風(fēng)換熱一次循環(huán)泵4臺(tái)、回風(fēng)換熱二次循環(huán)泵3臺(tái)、消防水池水泵2臺(tái)、定壓補(bǔ)水泵2臺(tái)，共15臺(tái)水泵的運(yùn)行／停止?fàn)顟B(tài)、故障狀態(tài)、遠(yuǎn)程／就地狀態(tài)監(jiān)視，水泵出口母管壓力監(jiān)視。

室內(nèi)外：溫度參數(shù)。

3．2 技術(shù)要求

自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，監(jiān)控中心采用工業(yè)計(jì)算機(jī)作為監(jiān)控設(shè)備。在熱泵機(jī)房中設(shè)一大屏液晶電視及LED顯示燈，信息來自計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。可顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)、水倉(cāng)水位數(shù)據(jù)及其他數(shù)據(jù)信息。

監(jiān)控站配置2臺(tái)上位機(jī)，一主一備，可在一臺(tái)故障時(shí)另一臺(tái)繼續(xù)工作。上位機(jī)負(fù)責(zé)采集、存儲(chǔ)、查詢和統(tǒng)計(jì)分析熱泵系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)、曲線、事件信息、故障報(bào)警，遠(yuǎn)程監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行情況。上位機(jī)可以通過礦井網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將信息傳送到全礦井綜合自動(dòng)化平臺(tái)，全礦井綜合自動(dòng)化平臺(tái)對(duì)有關(guān)信息進(jìn)行分析后在WEB網(wǎng)頁(yè)上發(fā)布，實(shí)現(xiàn)信息的共享。

系統(tǒng)采集與檢測(cè)壓力、溫度等模擬量和設(shè)備開停狀態(tài)等數(shù)字量。當(dāng)水位超限及水位傳感器故障時(shí)報(bào)警，系統(tǒng)能夠通過圖形動(dòng)態(tài)顯示水泵、熱泵機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，采用改變圖形顏色和閃爍功能進(jìn)行事故報(bào)警，實(shí)時(shí)顯示各類溫度、水位等數(shù)值。系統(tǒng)應(yīng)開放通訊協(xié)議，監(jiān)控計(jì)算機(jī)能夠通過接入全礦井安全生產(chǎn)自動(dòng)化控制網(wǎng)，使礦方技術(shù)人員在大礦即可掌握系統(tǒng)設(shè)備的所有檢測(cè)數(shù)據(jù)及工作狀態(tài)。選用西門子S7－200系列PLC，模擬量輸入／輸出通道、開關(guān)量輸入／輸出點(diǎn)均應(yīng)有20%以上冗余量。操作臺(tái)選用西門子的觸摸屏，用于狀態(tài)顯示、參數(shù)輸入、故障查詢及水泵控制。線槽的電線不得超過線槽容量的70%。進(jìn)線裝置及密封圈應(yīng)與電纜相符，每種規(guī)格密封圈均應(yīng)提供所用量的2倍作為備用。操作臺(tái)的外殼應(yīng)盡量采用不銹鋼，如有困難，可采用其他材料，但必須能適應(yīng)井下工作環(huán)境，耐潮、耐腐蝕。系統(tǒng)應(yīng)能在電子噪聲、射頻干擾及振動(dòng)都很大的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中連續(xù)運(yùn)行，且不降低系統(tǒng)的性能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)采用各種抗干擾技術(shù)，確保正常工作。監(jiān)控系統(tǒng)能自動(dòng)或者按照運(yùn)行人員的操作實(shí)時(shí)打印記錄各主要設(shè)備各類操作、事故和故障的記錄及有關(guān)參數(shù)、表格，并能打印各種生產(chǎn)報(bào)表技術(shù)資料。

監(jiān)控系統(tǒng)能根據(jù)預(yù)定的決策及運(yùn)行人員輸入的（或者上級(jí)調(diào)度所發(fā)來的）命令完成熱泵機(jī)組運(yùn)行系統(tǒng)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換；能夠通過屏幕顯示器和機(jī)房?jī)?nèi)的液晶電視實(shí)時(shí)顯示熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、主要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、故障報(bào)警信號(hào)的有關(guān)參數(shù)和畫面。事故報(bào)警信息具有最高的優(yōu)先權(quán)，可以覆蓋正在顯示的其他畫面。

可以顯示的主要圖表有：

（1）熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行原理圖、熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行轉(zhuǎn)換圖；

（2）參數(shù)顯示圖；

（3）各類曲線（模擬量變化趨勢(shì)曲線等）；

（4）事故、故障統(tǒng)計(jì)表；

（5）工作報(bào)表、歷史記錄表。

軟件功能：

（1）能夠在標(biāo)準(zhǔn)畫面和用戶組態(tài)畫面上設(shè)定、匯集和顯示有關(guān)的運(yùn)行信息，供運(yùn)行人員對(duì)設(shè)備的運(yùn)行工況進(jìn)行監(jiān)視和控制。

（2）能夠監(jiān)視或控制本工藝點(diǎn)的生產(chǎn)過程畫面及生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并適時(shí)配以和實(shí)際相符的動(dòng)畫。

（3）采用組態(tài)軟件、模塊化設(shè)計(jì)。

（4）具有漢化界面。

（5）具有報(bào)警處理功能，在任何時(shí)間和任何工作站均應(yīng)能在畫面頂部或底部顯示出總的報(bào)警信息。

（6）在控制人機(jī)界面設(shè)計(jì)上能滿足人機(jī)界面應(yīng)運(yùn)用開放系統(tǒng)的圖形窗口技術(shù)，友好的操作人員界面，可修改和編輯畫面，帶有詳細(xì)的聯(lián)機(jī)幫助功能。

（7）具有安全登錄和密碼保護(hù)功能：設(shè)計(jì)監(jiān)控對(duì)應(yīng)多個(gè)操作級(jí)別，對(duì)各個(gè)級(jí)別的操作都設(shè)置密碼，并能記錄操作人員工號(hào)、操作內(nèi)容、時(shí)間等，防止非法操作，確保排水設(shè)備安全有序運(yùn)行。

（8）組網(wǎng)功能：通過工業(yè)用上位機(jī)的接口接入全礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。

4 結(jié)論與效益分析

通過整體技術(shù)研究和設(shè)計(jì)，能夠使礦井回風(fēng)熱交換器進(jìn)出口水溫溫差在3～5℃之間，降低主扇出風(fēng)口噪音30dB，礦井回風(fēng)熱交換器增加通風(fēng)局部阻力不大于50Pa。經(jīng)過井筒防凍散熱器后進(jìn)風(fēng)混合溫度在2℃以上，井筒防凍散熱器噪音不超過50dB。

回收礦井回風(fēng)低溫?zé)崮?，按照某礦的回風(fēng)井風(fēng)量為21 000m3／min提取熱量，為進(jìn)風(fēng)井14 000m3／min的井筒防凍提供熱源，可以替代2臺(tái)10t熱風(fēng)爐，每年可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用281萬(wàn)元，減少標(biāo)準(zhǔn)煤消耗3 715t，減少CO2排放9 659t，減少SO2排放74t。

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