洗選廠瓦斯監測監控系統的應用與研究

王冰濤

(晉城煤業集團 成莊礦，山西 晉城 048021)

洗選廠瓦斯監測監控系統的應用與研究

王冰濤

(晉城煤業集團 成莊礦，山西 晉城 048021)

針對礦井安全生產中瓦斯監測監控的重要性，介紹了成莊礦洗選廠瓦斯監測監控系統的組成和維護工作，并根據不同區域、不同瓦斯濃度對瓦斯易集聚區域設備進行了優化控制改造，組建了一套安全監測監控系統。通過改造成莊礦洗選廠實現了瓦斯系統實時監控，取得了明顯的經濟和社會效益。瓦斯監測監控系統的成功應用對企業安全生產，防范瓦斯、火災等事故，提高洗選廠管理水平具有重大意義。

洗選廠；瓦斯監測；瓦斯監控；維護

成莊礦是一座設計處理能力為4 Mt/a的特大型現代化礦井。經過改造擴建，目前原煤處理能力為8.3Mt/a，并建有配套的洗選廠。礦井瓦斯事故是煤礦安全生產中最嚴重的危害之一，從每年的事故統計中來看，煤礦發生特大事故絕大多數是由于瓦斯爆炸引發的，占特大事故的70%左右[1]。因此在煤礦生產過程中，如果對瓦斯認識不足、控制不當或管理不到位，很可能造成災難性事故。洗煤廠精煤倉瓦斯燃燒(爆炸)已有先例，通化礦務局八道江煤礦洗煤廠1990年冬因煤倉積塵需清理，在接入白熾燈照明線路送電瞬間發生瓦斯爆炸[2]。晉煤集團寺河礦煤場、煤倉在2002年4月、8月相續發生了瓦斯燃燒事故[3]。相關數據和案例統計表明原煤進入洗煤廠后，還將不斷釋放吸附狀態的瓦斯[4]。煤礦瓦斯監測監控系統是防止煤礦瓦斯事故的重要科技手段之一，它在預防瓦斯事故中起到了積極作用，提高了安全監管的技術水平[5]。洗選加工環節瓦斯易集聚，為防止瓦斯超限引發瓦斯事故，根據相關要求成莊礦洗煤廠在煤倉上、下口安裝了瓦斯監測監控系統，并對瓦斯監測監控系統進行了研究和優化改造，為洗選廠的安全生產提供保障。

1 瓦斯監控系統組成

成莊礦洗選廠瓦斯監測監控系統是加拿大康斯培克控制有限公司研制的森透里昂800型系統，由集控室設備、數據通訊設備、監控設備傳感器及報警斷電設備構成。集控室設備可實現系統的控制功能，將監控設備及傳感器采集到的各類數據進行處理、顯示，又對監控系統發出控制指令；數據通訊設備是溝通集控室設備與監控設備及傳感器的橋梁，可實現數據的遠距離傳送；監控設備接收集控室設備的控制指令，并完成各種控制功能，也可采集現場開關量、模擬量數據，并發送到集控室設備；傳感器主要用于采集現場的各類物理量，并將其變成電信號發送到集控室設備。

1.1 集控室設備

集控室設備主要由監控主機、備用機、服務機、打印機、干線驅動器、主備熱切換器、UPS電源、避雷器、計算機軟件和遠程終端等部分組成。

1.1.1 主機、備用機

主機、備用機主要功能是采集現場實時數據、顯示通訊狀態、判斷報警、顯示報警匯總表、打印報警數據等，同時也將采集到的數據傳送至服務器。當主機故障時，通過主備熱切換器將備用機自動接入系統使用(也可手動切換)，以確保監控系統的可靠性。

本系統主機、備用機采用工業控制計算機，除標準配置外，另配有2塊功能卡，一個是BLUEHEAT卡(具有8個串口輸出的多用戶卡)，主要用于向干線發出咨詢信號，接收由干線發出的應答信號，完成數據的采集及控制命令的傳遞；另一個是網卡，通過它將中心站的計算聯網。

1.1.2 服務機

服務機接收來自主機的數據，并以動態圖的形式及動態數據的方式進行顯示，同時將文件存儲到硬盤中。

1.1.3 主備熱切換器

主備熱切換器可以實現監控主機和備用機之間的自動及手動切換。當調至自動切換檔時，主機出現故障時，主備熱切換器可以在2分鐘內自動切換到備用機工作，以保證安全檢測系統的正常運行；打開主備熱切換器的復位按鈕，系統則切換回主機工作。當調至手動切換檔時，可以人為進行主機和備用機之間的操作切換。

1.1.4 干線驅動器

干線驅動器將主備機8通道多用戶卡串行口發出的RS-232信號轉換為適合遠距離傳輸的基帶信號，以實現運距離通訊。

1.2 數據通訊設備

系統數據通訊設備由干線擴展器、本案接線盒、干線電纜和備用電源箱等部分組成。

計算機與P5020B干線驅動器的連接參數如下：

(1)傳輸方式：串口RS232。

(2)信號傳輸波特率：4 800 bps。

(3)傳輸信號參數：峰值電壓6 V～12 V；峰值電流≤40 mA。

(4)最大傳輸距離：5 m。

P5000干線擴展器與P5000干線擴展器、傳感器、監控器的連接參數如下：

(1)傳輸方式：主從式。

(2) 信號傳輸波特率：4 800 bps。

(3)傳輸信號參數：峰值電壓6 V～12 V；峰值電流≤170 mA。

(4)最大傳輸距離：2 km。

1.2.1 干線擴展器

擴展器由各單元電路組成，其各單元相互關系和原理如圖1所示。擴展器接收干線驅動器發出的信號，并將信號放大后向本級擴展器的傳感器或下一級擴展器傳輸，同時接收由傳感器或下一級擴展器返回的信號并將信號整形放大傳輸給干線驅動器[6]。

圖1 干線傳輸電氣原理方框圖

1.2.2 備用電源箱

備用電源與P5000干線擴展器內非本安直流穩壓電源板P1168B并聯。當P5000干線擴展器由電網供電時，P1168B直流電源給蓄電池充電；停電時，備用電池將作為備用電源向P5000供電，以保持P5000擴展器的正常工作。當備用電池電壓下降至19 V～22 V 時，P5000干線擴展器內P1168B直流穩壓電源板切斷蓄電池，繼續放電。備用電源電氣原理圖如圖2所示。

圖2 備用電源電氣原理方框圖

1.3 系統報警和斷電

瓦斯監測監控系統實現了就地、遠程報警及斷電功能，并可以根據洗選廠實際情況進行選擇。

1.3.1 就地報警、斷電

甲烷傳感器本身帶有聲光報警器和斷電信號輸出功能，當甲烷濃度超過一定限額時，自動實現聲光報警、斷電。

1.3.2 遠程報警和斷電

系統通過集控室設備可以進行遠距離報警，當干線上的監控器或傳感器檢測的數據達到報警或斷電值時，在集控室發出報警信號，并通過本安干線驅動器發出斷電指令，以實現相應斷電器的斷電(需要時序進行控制)。

2 瓦斯監測設備的維護

瓦斯監測監控系統應用過程中，時常出現不通訊、傳感器顯示最大值、死機、誤報等現象。現將故障現象、事故原因以及采取措施匯總如下：

2.1 案例1

故障現象：2011年4月外運車間監測監控設備出現間斷性的不通訊、誤報問題，瓦斯傳感器顯示值突變，同時有部分傳感器顯示最大值后，出現死機、無法恢復正常的故障。

故障原因及分析：當發生故障后，首先檢查了電源系統，電源顯示正常；經過排查、分析，發現當544、542膠帶機運行時，瓦斯監測監控設備出現不穩定的狀況，其余時間運行穩定；檢查設備布置情況時，發現干線擴展器距離配電室只有5 m左右，并且配電室有兩臺544、542膠帶機電機驅動變頻器，因此分析故障原因可能是在變頻器運行時產生的電磁輻射影響了干線擴展器通訊板，從而發生通訊和顯示異常的現象。

采取措施：將干線擴展器移到相距50米以外的1#圓筒倉下，遠離配電室；將纜線橋架內的監測線與動力電纜分開布置；監測監控設備使用專門接地，并做到阻值低于2 Ω。

2.2 案例2

故障現象：2011年5月塊倉上口位置傳感器時常出現不通訊的問題，將干線擴展器通訊板斷開電源，再恢復電源，通訊恢復正常，有時隔5秒鐘左右自動恢復正常。

故障原因及分析：塊倉上口瓦斯監測監控設備供電電源與501膠帶機電機驅動變頻器供電電源使用同一段母線，變頻器運行時，造成電網諧波增大，影響到監測監控設備供電電源的穩定。

采取措施：在監測監控設備供電電源上增加凈化電源，以提高供電質量；凈化電源穩定度高，效率也較高，輸出電壓波形失真度較小，可靠性高，且具有隔離干擾的功能。

2.3 案例3

故障現象：干線擴展器周期性出現不通訊，每隔4個月出現一次故障。

故障原因及分析：長時間通電運行，監測監控部分零部件可能出現散熱不良，灰塵集聚的問題，從而造成部分元件短路，性能下降。

采取措施：每季度干線擴展器徹底斷電30分鐘；每季度對干線擴展器檢修一次。

3 現場設備控制

煤炭企業附屬洗(選)煤廠瓦斯管理規定煤倉上部側面應留設通風口，實現煤倉內自然通風，通風口數量和大小根據煤倉直徑和瓦斯釋放量確定，同時在煤倉上部安設抽風機，以便在自然通風治理瓦斯困難時，開啟風機處理倉內瓦斯[7]。AQ1029-2007管理規范也要求井下煤倉、地面選煤廠煤倉上方應設有甲烷傳感器[8]。山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司企業標準Q/JM J 1.0044—2013《甲烷傳感器設置規范》要求洗煤廠煤倉甲烷傳感器設置地點、報警值、斷電值、斷電范圍應符合表1的規定[9]。根據相關文件要求成莊礦洗煤廠在煤倉上口開設了通風口進行自然通風，全廠煤倉上下口共安裝5.5 kW抽風機35臺，瓦斯探頭32個。由現場測量的瓦斯數據可知，不同煤種瓦斯的釋放量不同，不同地點瓦斯聚集情況不同，因此對瓦斯易聚集區域的設備進行優化控制改造，既保障了生產安全、防范了瓦斯事故，又實現了效益最大化。

表1 洗煤廠、煤倉甲烷傳感器設置情況表

3.1 煤倉下口設備控制

煤倉下口瓦斯在給煤機運行過程中釋放出來，除一部分被抽風機抽出倉外，另一部分隨煤流釋放在煤倉下口[10]。瓦斯控制點設置為：當瓦斯濃度CH4≥0.8%時，系統報警；當瓦斯濃度CH4≥1.5%時，系統斷電。煤倉下口設備示意圖如圖3。

圖3 煤倉下口設備示意圖

結合現場應用數據可知，當給煤機運行給煤過程時，出現瓦斯釋放現象，經過對監測監控主機瓦斯傳感器時序進行改編，設定為當瓦斯濃度CH4≥0.6%時，觸發時序，輸出控制點，停止給煤機給煤，遏止瓦斯釋放，從而有效控制瓦斯釋放，避免瓦斯報警、斷電現象的發生。

3.2 塊倉上口設備控制

塊倉上口設備運行方式如圖4(a)所示，從圖中可以看出，共計16個塊倉，利用10臺5.5 kW抽風機不間斷運行，排出塊倉內的瓦斯，瓦斯控制點設置為：當瓦斯濃度CH4≥0.8%時，系統報警；當瓦斯濃度CH4≥1.5%時，系統斷電。

結合多年的瓦斯數據可知，塊倉瓦斯濃度一般CH4<0.1%，近3年內沒有發生瓦斯檢測監控系統報警、斷電的現象(除瓦斯傳感器故障誤報3次)，經過現場試驗和改造，改造后的設備示意圖

圖4 塊倉上口設備示意圖

如圖圖4(b)所示，從圖中可以看出，風機撤為1臺，并對監測監控主機瓦斯傳感器時序進行改編，改編后瓦斯控制點設置：當瓦斯濃度CH4≥0.6%時，觸發時序，輸出控制點，自動開啟抽風機，排放煤倉內瓦斯；當瓦斯濃度CH4<0.6%時，風機延時10分鐘后自動停止運行。經過優化改造，瓦斯濃度得到了有效的控制，同時減少了設備數量，取得了良好的經濟效益。

3.3 末倉上口設備控制

末倉上口設備運行方式如圖5所示，每個末倉配有2臺5.5 kW的抽風機，一臺不間斷運行，一臺備用，瓦斯控制點設置為：瓦斯濃度CH4≥0.8%，系統報警，瓦斯濃度CH4≥1.5%，系統斷電。

圖5 末倉上口設備示意圖

結合多年瓦斯數據可知，近3年內末倉瓦斯濃度超過報警值，發生瓦斯超限報警8次，斷電2次，2010年7月進行了3天停風試驗，將兩臺風機停止運行，并記錄數據，從數據分析可知，累計40次出現瓦斯濃度超過0.8%的現象，最大值為0.901%，因此有必要對監測監控主機瓦斯傳感器時序進行改編，改編后瓦斯控制點設置為：當瓦斯濃度CH4≥0.6%時，觸發時序，輸出控制點，自動開啟備用風機，兩臺抽風機同時運行，排放煤倉內瓦斯；當瓦斯濃度CH4<0.6%時，備用風機延時10 min后自動停止運行。通過改造后，瓦斯濃度得到了有效控制，避免了瓦斯報警和斷電現象的發生。

4 經濟效益

成莊礦洗選廠塊倉改造后，系統運行良好，每年可節約電費、創造效益約365(天)×24(小時)×8(臺)×5.5(kW)×1(元)=38.544萬元，成莊礦洗選廠瓦斯監測監控系統改造的成功，減少了風機維護費用、人工檢修費用、瓦斯斷電處罰費用、瓦斯惡性事故處理費用等，減少煤塵排放，凈化了環境，解決了洗選廠安全生產的現實問題。

5 結語

成莊礦洗選廠通過對日常數據監測，從實際出發，不斷優化監測監測系統，減少了瓦斯強制排放抽風機數量，并建立了一套自動控制生產設備和瓦斯排放的監測監控系統。該系統的成功改造，將瓦斯報警值、斷電值降低到了企業規定值以下，提高了安全生產保障，不僅為企業創造巨大的經濟效益，也是國家安全生產管理的需要，對瓦斯有效管理的研究具有很重要的意義。由于煤炭生產企業地理環境都不盡相同，各企業應根據實際情況不斷研究，采取相應的方法措施，實現瓦斯的有效控制。

[1] 李鶴鵬，賈進章.安全系統工程在煤礦中的應用與研究[J].煤炭技術，2009，28(1)：4-6.

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Application and study of the gas monitoring and control system in coal preparation plant

WANG Bing-tao

(Chengzhuang Coal Mine of Jincheng Coal Group, Jincheng, Shanxi 048021, China)

Following an elaboration on the importance of gas monitoring and control for safety operation in coal mine, the paper presents an introduction to the make-up of the gas monitoring and control system developed for use in Chengzhuang Mine Coal Preparation Plant aw well as the maintenance work involved. After the renovation directed toward the optimum control of the equipment operating in different zones where gas varies in concentration or is prone to accumulate, a gas monitoring and troll system is developed. The realization of real-time monitoring and control of gas in the plant has yield noticeable economic and social benefit for the plant. The successful application of the system is of vital importance for plant safety operation, prevention and control of gas and fire hazards and enhancement of level of management in coal preparation plant.

coal preparation plant; gas monitoring; gas control; maintenance

1001-3571(2016)06-0081-05

TD712

A

2016-10-05

10.16447/j.cnki.cpt.2016.06.021

王冰濤(1977—)，男，山西省晉城市人，工程師，主要從事機電管理工作。

E-mail：15635678695@163.com Tel：15635678695

王冰濤. 洗選廠瓦斯監測監控系統系統的應用與研究[J]. 選煤技術，2016(6)：81-85.