蘆家窯煤礦供暖系統自動化技術改造研究

盧永濤

（江蘇徐礦能源股份有限公司龐莊分公司蘆家窯煤礦，山西 朔州 036807）

引言

隨著當前科技的迅猛發展，綠色環保發展理念普及，國家對環保的要求不斷提高，2018年7月3日國務院公開發布《打贏藍天保衛戰三年行動計劃》，提出以下目標：經過3年努力，大幅減少主要大氣污染物排放總量，協同減少溫室氣體排放，進一步明顯降低PM2.5濃度，明顯減少重污染天數，明顯改善環境空氣質量，明顯增強人民的藍天幸福感。同時要求，有效推進北方地區清潔取暖，堅持從實際出發，宜電則電、宜氣則氣、宜煤則煤、宜熱則熱。

蘆家窯煤礦位于山西省朔州市平魯區，蘆家窯煤礦每年10月至次年5月為冬季供暖期，冬季平均氣溫為-3℃，1月份最冷，氣溫為-9.4～-14.9℃，地面和井下供暖、防寒防凍是礦井在冬季的一項重要任務。蘆家窯煤礦原有的供暖設備已經陳舊，存在環保質量差、供暖效率低等問題，不能滿足當前需要。因此，為防止因寒冷天氣給職工生活和礦井安全生產帶來不利影響，采取更加環保、可靠、有效的供暖系統十分必要。

1 蘆家窯煤礦原供暖系統存在的問題

鑒于蘆家窯煤礦建設在遠離城區位置，集中供暖存在維護難度大、成本較高、經濟性較差等實際困難。通過考察，使用天然氣、電力、空氣能等潔凈能源供暖也存在供暖能力小、成本高、經濟性差等問題，因此決定選用新型燃煤鍋爐替代原供暖設施，同時要求新鍋爐必須大大提高環保質量、提高供暖效率，降低企業成本。新鍋爐在滿足降低煙氣中有害成分的排放基礎上，必須要實現自動化、智能化控制，從而達到簡化操作流程，減少作業人員的數量，降低作業人員的人為因素影響，降低職工勞動強度，設備運行安全可靠等目的。

2 新購置鍋爐本體與自動化控制

2.1 鍋爐本體技術參數，如表1所示

表1 鍋爐本體技術參數

2.2 鍋爐本體性能

SZL14-1.0/115/70-AⅡ型熱水鍋爐具備了散裝鍋爐高效率、機械化程度高和使用壽命長等特點，符合TSGG0002—2010《鍋爐節能技術監督管理規程》的要求。該型鍋爐的燃燒過程為：燃料由膠帶輸送機運輸至煤斗落入爐排面進行充分燃燒，燃燒所需空氣由鼓風機送入爐排下部，由爐排間隙進入燃燒層，燃燒產生的高溫煙氣由爐膛輻射受熱面、對流管束以及尾部省煤器充分吸熱后，再經布袋除塵器、雙堿法脫硫塔后排向大氣[1]。

2.3 鍋爐本體智能控制流程

鍋爐全自動智能化運行：設置1個鍋爐出水溫度傳感器，由溫度傳感器將溫度電信號（4～20 mA）傳遞給PLC、由PLC智能控制爐排減速機運行頻率,爐排減速機運行頻率數據（該數據決定鍋爐負荷）再傳遞給PLC、由PLC智能控制鍋爐鼓風機變頻運行，自動實現鍋爐鼓風機進風量（氧量）與爐排減速機運行頻率（煤量）協同調節。

設置1個鍋爐負壓壓力變送器，適時檢測鍋爐爐膛壓力狀況（微負壓0～50 Pa），將其壓力電信號（4～20 mA）傳遞給PLC、由PLC智能控制引風機變頻運行。

合適的爐膛配風，一是確保爐內燃煤的燃燒效果，二是鍋爐排放的煙氣含氧量低于基準含氧量（9%），利于環保排放指標的折算值。

2.4 綜合電控系統與自動控制

鍋爐控制系統由鍋爐本體控制系統和儀器儀表檢測系統組成，留有開放的以太網接口和標準的Modbus RTU接口，可實現遠程光纖或GPRS無線通信與上層控制網交互。

工控通訊網絡為光纖冗余環型工業以太網，通訊波特率≥100 Mbit/s，系統自適應恢復時間<300 ms，通訊距離（無中繼器）≥1 km，網絡介質要求使用可直埋的光纜，出現故障時，可在線增加或刪除任意一個節點，不會影響到其他設備的運行和通訊。系統采用先進的監控操作站控制系統，即采用全開放式、關系型、面向對象的系統結構，支持不同廠家的硬件在同一網絡中運行，并支持實時多任務、多用戶的操作特點[2]。

控制系統能夠在工業環境下長期、穩定地運行。系統組件的選型符合工業等級，滿足國內、國際的安全標準。具有易配置、易接線、易維護、隔離性好、結構堅固、抗腐蝕性強等特點，能適應較大的溫度變化范圍。系統具備良好的電磁兼容性，支持I/O模板在系統運行過程中進行帶電熱插拔，能夠適應工業環境的嚴格要求。

控制系統自帶一套完整的自診斷功能，可以在運行中自動診斷出系統的任何一個部件是否出現故障，并且在監控軟件中及時、準確地反映出故障狀態、故障時間、故障地點以及相關信息。在系統發生故障后，I/O狀態返回到系統工藝要求的預設置狀態。

為了保證鍋爐滿足不同的控制要求，控制系統具有很強的擴展能力，且在系統設計時預留不少于40%的I/O接口。控制系統主要用于鍋爐的控制、運行操作和監視管理等。不僅有可靠的硬件設備，還有延伸功能強大、運行可靠、界面友好的系統軟件、應用軟件、編程軟件和控制軟件。監控系統的數據庫結構為面向對象的、關系型數據庫。操作系統和監控軟件具有容錯及災難性恢復等功能[3]。

3 結論

1）與傳統供暖系統相比，在相對獨立區域供暖實現自動化操作，各個系統設備運轉情況可實現24 h監測，值班人員通過監測畫面可以直觀觀測設備運行狀態，判斷故障發生點，從而提高檢修維護效率，節約時間和成本，保障供暖的穩定性。整個供暖系統的上煤、出渣、藥劑添加等各個環節實現了過程封閉化，當排放煙氣含硫量或者煙氣不達標時，系統會自動啟動設備，有效杜絕了供暖環節的揚塵污染，具備極強的環保性。整體系統監測通訊，預留備用接口，后期可根據實際運行情況及要求，進行升級和擴展，降低后期建設成本。整個系統可實現對監測監控數據的自動存儲，并有效存儲3個月，以備后期對故障以及系統各部分的數據實現隨時調閱查詢，為后期系統改造升級提供原始數據支持。

2）通過系統該改造，排放的煙氣能達到山西省最新的《鍋爐大氣污染物排放標準》（DB 14/1929—2019）燃煤鍋爐標準，將煙氣中顆粒物、二氧化硫及氮氧化物含量（質量濃度）分別由30 mg/m3、200 mg/m3和200 mg/m3降至到20 mg/m3、100 mg/m3和150 mg/m3以下，煙氣黑度（林格曼黑度）≤1，有效保護了大氣環境，有利于改善當地的生態環境，促進礦區的可持續發展。鍋爐綜合熱效率大大提高，熱有效利用率達到85%，有力地保障了礦井井下供暖，確保礦井冬季的安全生產。

3）系統改造后，可以對鍋爐內的汽壓、水位、水溫、循環泵和煙氣溫度等關鍵環節、關鍵設施進行監控，當監測發現異常情況，及時觸發警報，啟用補救措施，避免出現爐內壓力過大、缺水等事故的發生，保障鍋爐運行期間的安全。實際作業過程中實現自動添加藥劑、自動卸爐灰爐渣等作業環節，避免人員直接接觸，防止人員燙傷和藥劑對人體的傷害。

4）系統改造后，一個供暖季可節約用煤量1 510 t，材料費用可節約61 250元，從業人員可減少17人，按目前煤炭400元/t的市場價格、從業人員按4000元/月的工資來計算，一個供暖季共可節約869 250元。