煤礦低濃瓦斯提純監(jiān)制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

王祥好（煤炭工業(yè)合肥設(shè)計(jì)研究院，安徽合肥230041）

煤礦低濃瓦斯提純監(jiān)制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

王祥好（煤炭工業(yè)合肥設(shè)計(jì)研究院，安徽合肥230041）

我國(guó)煤礦瓦斯儲(chǔ)量豐富，但是低濃瓦斯利用率低，使用真空變壓吸附（VPSA）實(shí)現(xiàn)煤礦低濃瓦斯提純，對(duì)煤礦的瓦斯資源利用、環(huán)境保護(hù)和節(jié)能減排有著重要的意義；本文對(duì)瓦斯提純技術(shù)的工藝系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)和展望。

瓦斯提純；真空變壓吸附；PLC控制系統(tǒng)

1 概述

煤層氣俗稱礦井瓦斯，CH4含量達(dá)95%以上，是優(yōu)質(zhì)的清潔燃料和化工原料，是一種新型潔凈能源。我國(guó)煤層氣資源非常豐富，已探明的儲(chǔ)量約為30～35×1012m3，居世界第三位；同時(shí)我國(guó)又是世界上最大的煤層氣排放國(guó)家，煤層氣年排放量約為8～10×109m3，占全球排放量的1/4左右。但是長(zhǎng)期以來，我國(guó)CH4濃度低于30%的瓦斯都是當(dāng)做廢氣直接向大氣中排放，既浪費(fèi)了能源又產(chǎn)生了嚴(yán)的環(huán)境重污染。

煤礦低濃瓦斯提純系統(tǒng)采用了真空變壓吸附 （VPSA）技術(shù)，依托監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)工藝參數(shù)檢測(cè)及程控閥等的控制，經(jīng)過吸附、均壓降壓、抽真空、均壓升壓和產(chǎn)品氣升壓等步驟，將抽采出的的低濃瓦斯進(jìn)行提純到30%以上。

2 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

監(jiān)控系統(tǒng)采用上位+下位式結(jié)構(gòu)，下位采用西門子S7-300可編程控制器，該控制器帶有PROFIBUS-DP總線接口與以太網(wǎng)接口模塊構(gòu)成監(jiān)控系統(tǒng)主站，完成工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的自動(dòng)控制和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)真空泵、程控閥等的聯(lián)鎖控制；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。上位工控機(jī)安裝西門子Wincc工業(yè)組態(tài)軟件，通過以太網(wǎng)與PLC進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的檢測(cè)與調(diào)節(jié)、瓦斯質(zhì)量與流量累計(jì)、故障報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)記錄等功能。控制室上位機(jī)通過以太網(wǎng)與PLC進(jìn)行通訊，可以將其采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)表打印，參數(shù)、故障顯示等集中管理。上位機(jī)配有與上級(jí)管理系統(tǒng)通訊的接口，可與局廣域網(wǎng)相連，使上級(jí)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)配站的監(jiān)控和調(diào)配，控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)功能

控制系統(tǒng)具有有自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式，正常情況下采用全自動(dòng)模式，系統(tǒng)根據(jù)圖2示意控制系統(tǒng)控制過程，自動(dòng)完成工藝系統(tǒng)的步序，無需人員操作。當(dāng)壓力變送器故障或工況需要時(shí)，將系統(tǒng)選擇在手動(dòng)模式下，運(yùn)行人員可在上位機(jī)人機(jī)交互界面中輸入各工藝參數(shù)和操作單臺(tái)設(shè)備。

2.3 控制算法

圖2 控制系統(tǒng)控制過程示意圖

本系統(tǒng)對(duì)泵、程控閥等設(shè)備是常規(guī)的“啟-停”控制，放空氣終升調(diào)節(jié)閥用于調(diào)節(jié)吸附塔終升的速度，該調(diào)節(jié)閥的工作狀態(tài)將影響裝置放空氣的穩(wěn)定，這里采用了控制理論中的經(jīng)常用到的PID調(diào)節(jié)。

PID控制算法是根據(jù)偏差的值，按照一定的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，用所得的運(yùn)算結(jié)果對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。PID控制有位置式控制和增量式控制，這里采用了增量式控制，方程如下：

PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。在此工作段內(nèi)，采用自適應(yīng)調(diào)節(jié)方式，控制回路采用PID控制，其給定值由程序內(nèi)部給定，給定值為變量，變量的起點(diǎn)為開始升壓時(shí)刻的正在升壓的吸附塔的壓力測(cè)量值，變量的終止點(diǎn)為放空氣壓力值的設(shè)定值。

2.4 控制系統(tǒng)注意事項(xiàng)

（1）本系統(tǒng)的運(yùn)行依靠計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)出故障，整個(gè)系統(tǒng)將癱瘓，因此，對(duì)控制系統(tǒng)的安全、可靠性要求比較高，實(shí)際運(yùn)行中，控制系統(tǒng)使用不間斷電源，保證市電掉電后保持不小于1h的工作時(shí)間；采取上位系統(tǒng)設(shè)冗余；下位系統(tǒng)留有20%以上的備用點(diǎn)，且關(guān)鍵元器件設(shè)有備件。

（2）提純系統(tǒng)中程控閥的動(dòng)作非常的頻繁，如果某個(gè)程控閥不動(dòng)作，則對(duì)應(yīng)的提純塔罐將無法工作，針對(duì)這個(gè)問題，一方面選用可高頻動(dòng)作的輸出繼電器，并留有備用，出現(xiàn)故障可直接熱插拔替換；另一方面將程控閥的開、關(guān)狀態(tài)通過閥位傳感器反饋給PLC系統(tǒng)，用于狀態(tài)顯示和監(jiān)控，并通過與輸出信號(hào)的對(duì)比實(shí)現(xiàn)閥門故障的判斷與報(bào)警。

3 總結(jié)與展望

煤礦低濃瓦斯提純技術(shù)（VPSA）的研究成功，將徹底改變目前低濃瓦斯只能用于發(fā)電這種單一利用模式，為低濃瓦斯利用的多樣化奠定基礎(chǔ)，也將大幅度提高煤礦瓦斯的利用率，在一定程度上改變我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)，為我國(guó)節(jié)約大量的清潔能源，減少對(duì)環(huán)境的污染，將會(huì)使我國(guó)低濃瓦斯利用產(chǎn)業(yè)化，必將創(chuàng)造巨大的環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

煤礦低濃瓦斯提純將會(huì)被廣泛應(yīng)用，在以后的工程實(shí)踐中可做以下的改進(jìn)與探索：

（1）可以將第一階段提純到的濃度為30～45%的瓦斯氣作為原料氣進(jìn)行二次提純，得到95%以上并符合國(guó)家天然氣標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)天然氣，從而拓展到天然氣利用的各個(gè)領(lǐng)域。

（2）可以進(jìn)行試驗(yàn)，得到吸附劑吸附能力與塔罐壓力、吸附時(shí)間的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的精確控制，提高提純系統(tǒng)的效率。

（3）可以改進(jìn)PID控制算法，得到更符合本系統(tǒng)的比例、積分、微分參數(shù)。

[1]張?jiān)銎?煤礦低濃瓦斯提純技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性分析.中國(guó)煤層氣，2010，2.

[2]田文廣，李五忠.煤礦區(qū)煤層氣綜合開發(fā)利用模式探討.天然氣工業(yè)，2008，3，28.

[3]王長(zhǎng)元，王正輝，陳孝通.低濃度煤層氣變壓吸附濃縮技術(shù)研究現(xiàn)狀.礦業(yè)安全與環(huán)保，2008，12.

TD712.67

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2095-2066（2016）33-0103-02

2016-11-12