乏風氧化裝置安全監控系統設計

劉武臣

（洛陽義安礦業公司，河南 洛陽 471821）

乏風氧化裝置安全監控系統設計

劉武臣

（洛陽義安礦業公司，河南 洛陽 471821）

乏風氧化裝置作為解決一項煤礦低濃度瓦斯利用的新技術，已在很多煤礦得到運用。為解決乏風氧化裝置運行過程中由于監控系統不到位而出現爆炸的問題，提高監控系統的安全可靠性，設計了一套新型乏風氧化裝置安全監控系統，其綜合了抽排瓦斯監控系統、摻混瓦斯監控系統、氧化裝置、余熱利用、引風機，可實現對乏風氧化裝置運行全方位自動控制。

乏風氧化裝置；自動控制；安全監控系統；設計

1 乏風氧化裝置安全監控系統總體設計

1.1 乏風氧化裝置工藝流程

乏風氧化裝置組成，主要包括抽排瓦管道、乏風管道、摻混管道、引風機、氧化床、蒸汽系統等，其主要部件是氧化床。

乏風氧化裝置的工藝流程是： 氧化裝置工作時由外部電源通過加熱器在氧化床內預先創造一個高溫反應環境。地面抽排泵站抽出瓦斯與礦井乏風進行混合，控制混合后濃度在0.8%左右，由引風機送入氧化床，在高溫區內乏風由蓄熱體預熱，即提供足夠的活化能，使甲烷與氧發生放熱化學反應。熱量一部分由下風側的蓄熱體留存，一部分以水蒸氣的形式取出利用，一部分由排氣帶出氧化床。之后，通過換向閥使后期進入氧化床內的風流改變方向，新進的乏風在氧化床內逐級預熱獲取氧化所需的活化能，在高溫區域開始氧化并釋放熱量，又將熱量留存在下風側的蓄熱體內，富余熱量由水蒸氣及排氣帶出氧化床。

如此周而復始，當甲烷氧化率達到一定程度時，停掉外部電源供給，氧化裝置靠乏風中甲烷自身能量自維持正常運行。在乏風氧化裝置逆流換熱過程中，加熱氧化裝置內的熱交換器，產生飽和蒸汽。

1.2 系統控制原理

通過監控乏風氧化裝置抽排瓦斯濃度和壓力、摻混濃度和壓力、引風機運行參數、氧化裝置溫度場、蒸汽壓力，以及其它故障信號，實現對瓦斯濃度壓力、蒸汽壓力流量進行自動控制，確保乏風氧化裝置安全運行；同時監控乏風氧化裝置安全參數，與設定上限值進行比對，超過則自動停機，瓦斯與蒸汽自動外排，保護設備及人身安全。乏風氧化裝置控制結構如圖1所示。

可擴展的、冗余的工業以太網，工控機可以隨時對乏風氧化裝置運行的各項參數進行全方位的監測、控制，PLC配置有以太網通訊，RJ45接口，方便數據傳輸和信號采集。PLC程控功能包括：抽排瓦斯濃度自動控制、霧化水泵自動控制、摻混濃度自動控制、蒸汽壓力過高自動放散、瓦斯自動外排、裝置自動停機等功能。系統中：DI、DO表示模擬量輸入輸出，AI、AO表示數字量輸入輸出。

圖1 乏風氧化裝置控制結構圖

2 監控系統的控制流程

2.1 啟動前檢查

在乏風氧化裝置啟動前，應對氧化裝置下列部分進行檢查，有一項不能自檢通過，則氧化裝置不能啟動電加熱。

（1）氧化裝置部分。①換向閥動作、反饋信號正常；②安全閥動作正常；③啟動引風機能正常工作。

（2）氧化裝置電氣部分。①電加熱器能正常投入；②各部分儀表指示是否正常；③監控系統無報警。

（3）蒸汽系統部分。①補水泵能正常工作，水壓達到1MPa以上；②水箱、汽水分離器水位達到設定值。

（4）瓦斯輸送與添加部分。①水封阻火器水位達到設定值；②瓦斯濃度傳感器顯示準確；③通過設定瓦斯濃度，抽排電動閥門與電動配氣閥門可自動打開關閉；④霧化水泵工作壓力達到設定壓力；⑤自動放散閥水位超過設定水位。

2.2 裝置啟動

氧化裝置正常工作時需外部電源通過加熱器在氧化床內預先創造高溫反應環境。只有在氧化裝置中心溫度達到650℃以上時，才能將混合濃度在0.8%左右的瓦斯，由引風機送入氧化床，在蓄熱體高溫區內氧化蓄熱。電加熱裝置初期投入電加熱功率為25%，控制程序會根據氧化床溫度自動調整電加熱功率，逐步調整至100%，等氧化床中心溫度達到650℃時，控制程序會根據程序逐步停止電加熱。

2.3 裝置運行

氧化裝置啟動完成后，控制程序會根據用戶指令通入合適的通風瓦斯保證裝置的穩定運行。一旦用戶設定好摻混瓦斯濃度，控制程序會自動調節配氣閥門及引風機。當檢測通風瓦斯濃度升高到極限值時，控制系統自動切斷安全閥，氧化裝置監控系統啟動緊急停機程序。裝置運行過程，安全監控系統會通過各運行設備的反饋信號，監控各設備的運行，當各設備運行參數超過設定值時，控制程序會自動發出警報，提醒值班人員。

2.4 停機

當用戶發出停機指令，氧化裝置監控系統會自動切斷瓦斯，打開安全閥，低頻運行引風機，將氧化床溫度降至100℃以內，汽包外排閥門也將自動打開，當氧化床溫度低于100℃，氧化裝置監控系統會自動停止引風機，裝置停機完成。

3 監控系統安全設計

3.1 硬件設計

因瓦斯屬于易燃易爆氣體，在瓦期管道及氧化裝置本體上采用防爆型設備及本安型測量元件。在蒸汽管上采用耐高溫的設備和測量元件。在測量精度要求高的測量元件，如瓦斯濃度、流量傳感器均采用進口ABB公司的產品。

3.2 軟件設計

（1）自動控制設計。在氧化裝置運行過程中，只要用戶設定好摻混瓦斯值，控制程序會自動調節配氣閥門的開度及引風機運行頻率，一旦風機運行頻率達到50Hz且瓦斯濃度還達不到家設定值時，控制程序會自動調節抽放外排閥門，保證瓦斯濃度達到設定值。在氧化裝置運行過程中，只要用戶設定好氧化床溫度范圍，控制程序會自動調節逆流換向時間，保證氧化裝置在規定溫度范圍內運行。在氧化裝置運行過程中，只要用戶設定好各設備水位，控制程序會自動控制各水泵，將液位補充到設定值。

（2）自動聯鎖設計。在氧化裝置運行過程中，考慮到安全性，將各設備之間進行聯鎖，包括：抽排閥門與配氣閥門聯鎖；引風機與機械關斷閥聯鎖；汽包低水位與電熱啟動聯鎖；抽排瓦斯壓力與放散閥聯鎖。為防止因地面抽排泵站停泵而導致抽排管道正壓增大、瓦斯聚集，設計地面抽放泵運行與瓦斯管道外排聯鎖，當氧化裝置運行期間地面抽放泵意外停泵，瓦斯管道外排會自動打開，并發出警報。

（3）系統報警設計。報警是指對氧化裝置運行出現的不正常情況發出的警報和緊急操作。系統報警分為運行參數異常報警和緊急報警，運行參數異常報警是指氧化裝置運行各項參數達到設定報警值，提醒值班人員，緊急處理，提醒進行相應的操作，緊急報警是指氧化裝置危險參數已超過上限值，安全監控系統將執行緊急停機程序，防止事故發生。

4 結束

通過在洛陽礦業公司乏風氧化裝置上對該安全監控系統進行現場試驗表明，該系統可實現對乏風氧化裝置運行全過程的安全自動控制，解決了以往監控不完善、不可靠、不到位問題，系統具有良好的穩定性和可靠性，對提高乏風氧化裝置安全可靠運行、煤礦瓦斯安全穩定利用具有重大意義。

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TD72；TP273

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1671-0711（2016）11（上）-0087-02