DM-1200/10（AL）型移動式膜分離制氮機監控裝置研究

王繼政

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 沈撫示范區 110172；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 沈撫示范區 110172）

0 引言

煤礦開采過程中會涌出大量瓦斯等易燃易爆氣體，極易發生火災。可采用釋放大量氮氣的方式降低煤礦工作面氧氣含量，從而實現防滅火的目的和效果[1-3]。DM-1200/10（AL）型移動式膜分離制氮機可在短時間內制備及釋放大量氮氣，實現降低井下環境氧氣含量的目的，其也是實現防滅火的重要設備[4-6]。從DM-1200/10（AL）型移動式膜分離制氮機的實踐應用來看，其設備運行的穩定性還欠缺，針對性地設計了監控裝置，可有效提高該制氮機的自動化水平和運行可靠性，實踐應用效果理想。

1 工程概況

山西某煤礦位于山西省朔州市懷仁縣新家園鄉，礦井1960 年投產，核定生產能力為210 萬t/a，截至2020 年底，剩余可采儲量2.46 億t，主采煤種為氣煤。礦井為高瓦斯礦井，水文地質條件中等，主要開采工藝為綜采和綜采放頂煤工藝。該煤礦2020 年全年實現安全生產，完成煤炭產量209.03 萬t，完成掘進進尺13210 m，最高單產24.9 萬t，最高單進463 m。采煤機械化程度達到100%，掘進機械化程度為90.2%。在籍生產人員605 人，原煤工效13.24 t/人。全年煤炭銷售收入為21366.13 萬元，實現利潤93.95 萬元。該煤礦為高瓦斯礦井，配備有中煤科工集團沈陽研究院有限公司的DM-1200/10（AL）型移動式膜分離制氮機，用于煤礦井下的防滅火工作。

2 DM-1200/10（AL）型移動式膜分離制氮機

2.1 制氮機基本結構

DM-1200/10（AL）型移動式膜分離制氮機采用中空纖維膜分離制氮技術，生產能力為1200 m3/h，氮氣壓力0.8 MPa，氮氣純度98%以上。采用2 臺185 kW電機同時工作，額定電壓1140 V。該膜分離制氮裝置主要由礦用隔爆空壓機組、壓縮空氣預處理和膜分離段（制氮機）構成。礦用隔爆空壓機組由啟動柜、油冷卻器、油氣桶、電機、空壓機主機、排污口、冷卻水入口、冷卻水出口等部件組成；壓縮空氣預處理段和膜分離段主要由防爆控制箱，顯示儀表，活性炭除油器，流量傳感器，溫度傳感器，壓力傳感器，流量調節閥，自動排水閥，流量計，后部冷卻器，電加熱器，AH、AO、AA、AX 精密過濾器，氣動閥，放空閥，防爆電磁閥，手動排污閥，氮氣取樣口，氧氣取樣口，冷卻水入口，冷卻水出口，氮氣出口，空氣進口和膜組件等組成。

該制氮機配套用MLG28.8/12.5-220G 煤礦用螺桿式移動空氣壓縮機（MEH090008）、KXJ4-66/1140（660）ZD 制氮裝置用隔爆兼本質安全型電控制箱（MAB180035）、RJD-25/1140（660）制氮裝置用隔爆兼增安型電加熱器（MAJ180019）、平板車、煤礦用聚乙烯絕緣編織屏蔽聚氯乙烯護套通信電纜、三環鏈、連接插銷、煤礦用移動屏蔽橡套軟電纜應有安全標志。

2.2 工作原理

膜分離制氮技術是20 世紀80 年代高科技研究成果，屬于高分子材料科學，起步較晚但發展很快。膜分離法制氮是依據氣體的“溶解擴散理論”來實現氣體分離，即氧氣和氮氣首先在膜內溶解，然后在外界能量的推動下以不同速度向膜的低壓側擴散，因氧、氮對于分離膜的滲透率不同，分別在膜透側和滯留側得到富集，以此來達到分離氣體制得氮氣的目的。工作原理如圖1 所示。

圖1 膜分離制氮技術工作原理

2.3 特點及應用情況

膜分離制氮技術具備先進、產氮可調、純度高、井下移動式、防爆產品、運轉部件少、便于操作、效率高、制氬成本低的特點，主要表現如下：能耗低，由于中空纖維膜表面積大，具有較高的分離系數，因此能耗低；可靠性高，制氮裝置沒有運動部件，屬靜態運行，只需甚少保養，連續運行可靠性高；增容簡單，若需增加氮氣產量，只需增加相應數量的膜管即可；瞬時啟動，開、停機方便迅速，系統采用微機控制，自動化程度高，操作簡便；易于安裝，該機屬于分段組裝，在井下可任意移動，無須特別土建和基礎。

礦用膜分離制氮裝置適用于瓦斯和非瓦斯礦井自燃煤層的采空區注氮阻爆、防滅火，特別是高產高效的綜采、綜放工作面采空區注氮惰化防火，同時也為惰泡防滅火提供了新的氣源。膜分離制氮也被廣泛用于石油、化工、冶金及食品等工業領域。

3 制氮機監控裝置的總體方案設計

為有效提高DM-1200/10（AL）型移動式膜分離制氮機設備運行的穩定性，針對性地設計了監控裝置。

3.1 監控裝置總體結構

如圖2 所示為設計的制氮機監控裝置總體方案，主要包括模擬量采集、實時顯示、通信協議、故障報警、自動控制、開關量采集六部分。通過安設的各類傳感器對制氮機運行技術參數實時采集，實時處理采集數據，及時掌握設備的運行狀態，將運行情況實時顯示在上位機顯示屏中，基于采集數據的處理結果實施對制氮機的自動化控制，針對監測中的故障進行報警，提醒工作人員及時處理。

圖2 制氮機監控裝置總體設計方案

3.2 監控裝置主要功能

1）模擬量采集。通過安設的各類傳感器采集制氮機運行狀態數據信息，并將其換成為模擬量信號，并將模擬量信號進入設備PLC 控制器轉換為數字量信號，進而對數據進行分析處理。

2）開關量采集。開關量信號指的通過對設備控制箱體中對應的按鈕的操作，實施對開關量信息的采集和傳輸，進而實施設備的啟、停等動作功能。

3）自動控制。基于傳感器的監測結果+PLC 控制器，實施制氮機工作的全自動化控制，有效提高設備的運行效率，實現無人值守。

4）通信協議。該遠程監控裝置中通信協議為RS-485 總線，進而來與其他設備進行通信連接，保障數據傳輸的可靠性和穩定性。

5）故障報警。當采集數據中溫度、壓力、流量等指標超限后，裝置會認定為設備運行存在故障，即通過聲音和燈光進行報警，同步顯示在上位機顯示屏中，提醒工作人員及時處理。可有效提高設備故障的處理效率，提高設備運行的可靠性。

6）實時顯示。對監控裝置采集到的數據信息、故障信息等狀態信息同步在上位機的顯示屏中實時顯示，可直觀、及時、有效地掌握設備的運行狀態。

4 制氮機監控裝置的硬件設計

4.1 傳感器的選型

該制氮機監控裝置中，需要安設傳感器對溫度、壓力、流量等參數進行監控。溫度傳感器選擇GWP200-C（A）礦用本安型溫度變送器（MAF160019）；壓力傳感器選擇GYD60-Y2（A）礦用本安型壓力傳感器（MAF160017）；流量傳感器選擇GLW50/7 礦用本安型旋進旋渦流量計（MAK170033）。

4.2 PLC 控制器的選型與設計

在考慮到山西某煤礦防滅火現場情況基礎上，監控裝置PLC 控制器確定選擇S7-200smart 型，該控制器可以完成對設備的檢測、監控等功能，其結構如圖3 所示。

圖3 S7-200smart 控制器結構示意圖

5 制氮機監控裝置的軟件設計

制氮機監控裝置軟件程序如圖4 所示。監控裝置運行后，第一步對各裝置設置進行歸零，檢測裝置是否正常運行；第二步啟動傳感器開始工作；第三步對監測的數據進行處理后實時顯示；第四步實施設備的自動化運行及故障處理。

圖4 制氮裝置監控系統軟件程序

6 實踐應用及效果分析

DM-1200/10（AL）型移動式膜分離制氮機按以上方案完成監控裝置的改造安裝和調試后，設備在山西某煤礦防滅火工作中進行了實踐應用。從2021 年5月至今，DM-1200/10（AL）型移動式膜分離制氮機及其監控裝置運行穩定，可以實現對制氮機運行過程狀態數據的自動采集并進行自動控制，有效提高了制氮機運行的可靠性和穩定性，為該煤礦防滅火工作提供了保障，為實現該煤礦高產高效安全開采奠定了基礎。