選煤廠煤倉瓦斯控制系統(tǒng)的研究

王金磊，朱良軍，趙峰雷

（1.兗煤藍(lán)天清潔能源有限公司，山東 鄒城 273500；2.兗礦能源集團(tuán)股份有限公司東灘煤礦，山東 鄒城 273500;3.兗礦能源集團(tuán)股份有限公司濟(jì)三煤礦，山東 濟(jì)寧 272069）

0 引 言

煤炭中的大部分氣體在地下開采、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)逸出，但生產(chǎn)出來的部分煤炭仍有吸附氣體。在煤進(jìn)入煤廠煤倉的過程中，會發(fā)生二次下落破壞，導(dǎo)致部分吸附氣體釋放到煤倉中[1]。隨著煤倉煤炭儲量的增加和煤倉儲存時間的延長，煤倉氣體逸出量不斷增加，給煤倉運行帶來了潛在的安全隱患[2]。而傳統(tǒng)選煤廠儲煤倉的瓦斯監(jiān)控與綜采工作面的設(shè)計方案類似，但由于二者瓦斯氣體的排放分布和變化趨勢不同，選煤廠的瓦斯控制系統(tǒng)往往存在著動力風(fēng)機耗能較大、人工檢修困難、瓦斯?jié)舛瘸拗卫聿患皶r等問題。通過研究煤倉氣體的分布與排放路徑，進(jìn)而優(yōu)化煤倉通風(fēng)結(jié)構(gòu)，采用重點區(qū)域的自然通風(fēng)與強制通風(fēng)相結(jié)合的方式，構(gòu)建基于PLC 的瓦斯控制系統(tǒng)，可有效解決儲煤倉積氣問題，對保證選煤廠安全穩(wěn)定運行具有重要作用。

1 儲煤倉瓦斯控制現(xiàn)狀

1.1 儲煤倉通風(fēng)現(xiàn)狀及存在問題

選煤廠對于瓦斯的監(jiān)控點主要是儲煤倉，由于選煤廠的煤倉結(jié)構(gòu)一般為筒倉封閉式，受結(jié)構(gòu)影響往往存在內(nèi)部通風(fēng)不良、局部瓦斯超限報警現(xiàn)象[3]。以山東能源集團(tuán)東灘煤礦選煤廠煤倉為例，當(dāng)儲煤倉煤量較多時，倉內(nèi)空間減少，在煤塊轉(zhuǎn)運過程中煤機的落煤口和倉頂?shù)纳嫌缃堑炔糠指装l(fā)生超限事件；同時根據(jù)實際經(jīng)驗，儲煤倉倉下帶式輸送機出煤口在夏季以及皮帶輸送點尾部在冬季都易發(fā)生瓦斯超限報警情況，從而導(dǎo)致非本質(zhì)安全型電源斷電影響生產(chǎn)，這都是由于現(xiàn)有瓦斯控制系統(tǒng)的抽放管路設(shè)計不規(guī)范、風(fēng)機布置不合理，從而導(dǎo)致有限空間內(nèi)通風(fēng)導(dǎo)向差、新風(fēng)少、系統(tǒng)的抽放效能較差。而儲煤倉內(nèi)大部分監(jiān)控區(qū)域的動力風(fēng)機都未與瓦斯?jié)舛葌鞲衅髟O(shè)置連鎖功能，一定程度上造成了不必要的電力消耗以及電氣安全隱患。因此通過對選煤廠煤倉內(nèi)瓦斯氣體的分布與排放路徑的分析，有利于根據(jù)瓦斯的散放運移規(guī)律來優(yōu)化傳感器的布局和排風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計，達(dá)到最優(yōu)的監(jiān)控和排放效果。

1.2 煤倉氣體的分布與排放路徑分析

以山東能源集團(tuán)東灘煤礦選煤廠的直徑21 m、高35 m、儲量1 萬t 的精煤倉為例，通過便攜式激光甲烷傳感器對儲煤倉內(nèi)的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)瓦斯?jié)舛容^高的幾個節(jié)點主要位于儲煤倉的頂部（上隅角）、倉壁中部、給煤機出煤口以及皮帶輸送點，采用GJC4 甲烷傳感器對這幾個節(jié)點的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行定點檢測，匯總一周內(nèi)監(jiān)測點的各個時間節(jié)點的最大瓦斯?jié)舛?，監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1。

表1 監(jiān)控節(jié)點瓦斯?jié)舛葏R總表

通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，儲煤倉的瓦斯?jié)舛鹊淖兓厔菹鄬ζ骄?，并沒有出現(xiàn)像綜采工作面瓦斯?jié)舛榷溉簧仙默F(xiàn)象，僅在局部區(qū)域由于渦流現(xiàn)象而發(fā)生氣體的分布趨勢變化[4]。如煤倉壁中部和給煤機出煤口都是由于煤體下落導(dǎo)致周圍氣流的攪動而使氣體聚集，導(dǎo)致局部瓦斯?jié)舛绕?；在給煤機出煤口和皮帶輸送點交接處，由于煤炭在機器的轉(zhuǎn)運過程中受到較大沖擊，煤體也會出現(xiàn)部分破碎，導(dǎo)致這兩個轉(zhuǎn)運部位的瓦斯?jié)舛葧霈F(xiàn)明顯增幅，易出現(xiàn)瓦斯超限事件。因此，排風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)注重重點區(qū)域的通風(fēng)，可進(jìn)行倉體結(jié)構(gòu)改造，通過建立局部的自然排風(fēng)系統(tǒng)取代部分動力風(fēng)機，盡量減少煤倉內(nèi)部的電氣設(shè)備，減少儲煤倉的安全隱患。

2 儲煤倉通風(fēng)結(jié)構(gòu)改造方案

2.1 儲煤倉進(jìn)氣孔分布設(shè)計

如圖1 所示，在儲煤倉倉頂以及頂部樓板處等角度開鑿24 個矩形進(jìn)氣孔，在儲煤倉的截錐殼處對稱開鑿12 個矩形進(jìn)氣孔，孔洞以中心點按15°角均勻排布，直徑300 mm，同時安裝縱向連通鋼管形成對流通風(fēng)系統(tǒng)，利用自然通風(fēng)完成儲煤倉內(nèi)的氣體交換，降低倉內(nèi)的瓦斯?jié)舛?。改造過程保留原倉體主體結(jié)構(gòu)，不破壞倉體預(yù)埋鋼筋結(jié)構(gòu)和樓板板梁。

圖1 儲煤倉進(jìn)氣開孔分布示意圖

2.2 儲煤倉頂部和內(nèi)壁排氣優(yōu)化

如圖2 所示，在儲煤倉倉頂和截錐殼處各開鑿6 個圓形回風(fēng)孔，其中倉頂處回風(fēng)孔直徑400 mm、截錐殼處回風(fēng)孔直徑為600 mm。拆除倉體原鑄鐵通風(fēng)管及動力風(fēng)機，閉合倉體結(jié)構(gòu)中部分易導(dǎo)致風(fēng)流短度的倉壁孔，必要時在倉壁或頂部開口架設(shè)部分無動力風(fēng)帽，利用自然風(fēng)力及倉體內(nèi)外溫度差形成氣體熱氣流，推動渦輪旋轉(zhuǎn)，從而利用離心力和負(fù)壓效應(yīng)將儲煤倉體內(nèi)的瓦斯氣體排出；同時安裝縱向連通鋼管，并以3 m 的間距均勻嵌入集氣裝置收集周圍氣體，孔洞周圍再架設(shè)多個旋流自然通風(fēng)器，利用進(jìn)空氣壓差形成自然縱向抽風(fēng)系統(tǒng)，實現(xiàn)倉內(nèi)瓦斯氣體的快速排放。

圖2 儲煤倉排氣優(yōu)化平面示意圖

2.3 給煤機出煤口和皮帶輸送點排氣優(yōu)化

由于倉體中間的連接梁厚度較大達(dá)到5 m，同時倉體下部的給煤機出煤口的平臺高度較高，都不利于在倉體內(nèi)部布置給煤機出煤口和皮帶輸送點抽放系統(tǒng)的主管道，因此將主管道布置于倉外南北走向，配備“一工一備”礦用防爆軸流式風(fēng)機與瓦斯傳感器連鎖，保證給煤機出煤口和皮帶輸送點的瓦斯?jié)舛仍谳^低范圍內(nèi)。同時在監(jiān)測點附近安裝低阻防倒灌風(fēng)帽匯集周圍氣體，其中風(fēng)帽及風(fēng)道管路周邊以阻燃物質(zhì)充填，利用旋流自然通風(fēng)器將匯集氣體通過風(fēng)路管道轉(zhuǎn)運至儲煤倉外，減少出煤口和皮帶輸送點處的瓦斯聚集現(xiàn)象，降低動力風(fēng)機的使用頻率。

3 煤倉瓦斯控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 整體設(shè)計

選煤廠煤倉瓦斯?jié)舛瓤刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示，系統(tǒng)可分為設(shè)備層、控制層和信息（監(jiān)控管理）層，實現(xiàn)了集中控制和上位機監(jiān)視兩大功能。其中設(shè)備層主要由分布在煤倉各個節(jié)點的動力風(fēng)機、瓦斯?jié)舛葌鞲衅?、聲光報警器組成，通過網(wǎng)絡(luò)RG45 接口轉(zhuǎn)換為光纖信號，實現(xiàn)與控制層和信息（監(jiān)控管理）層的連接交互，完成了瓦斯?jié)舛仍夹盘柕牟杉蟼鳌⒚簜}內(nèi)的安全通風(fēng)[5]；控制層包括PLC 控制系統(tǒng)、電源監(jiān)控系統(tǒng)、單機自動化系統(tǒng)，煤倉瓦斯?jié)舛炔杉盘柵c控制柜中的PLC 設(shè)備相關(guān)聯(lián)，通過PLC對設(shè)備層傳輸?shù)耐咚節(jié)舛取⒉蓸庸?jié)點位置數(shù)據(jù)預(yù)處理后，動態(tài)調(diào)整各個節(jié)點動力風(fēng)機的開關(guān)狀態(tài)；信息（監(jiān)控管理）層由工業(yè)開關(guān)、監(jiān)控計算機、遠(yuǎn)端服務(wù)器和LED 顯示屏組成，通過TCP/IP 通訊完成數(shù)據(jù)的傳輸和人機交互等功能。

圖3 煤倉瓦斯控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3.2 關(guān)鍵設(shè)備選型

根據(jù)儲煤倉進(jìn)氣孔分布以及對儲煤倉倉頂、倉壁、給煤機出煤口和皮帶輸送處的瓦斯排氣策略，結(jié)合山東能源集團(tuán)東灘煤礦選煤廠原有排氣設(shè)備及生產(chǎn)情況，確定了如下煤倉瓦斯控制系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，設(shè)備情況見表2。其中，瓦斯氣體傳感器主要布置于儲煤倉倉頂、倉壁、給煤機出煤口和皮帶輸送處的瓦斯氣體聚集點，動力風(fēng)機以及旋流自然通風(fēng)器按照前文中儲備倉通風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行布置，現(xiàn)場PLC 設(shè)備與上位機之間的通過Profinet 協(xié)議實現(xiàn)通訊連接。

表2 煤倉瓦斯控制系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備選型表

3.3 強制通風(fēng)策略

儲煤倉瓦斯控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源主要依靠布局在重點區(qū)域的瓦斯傳感器周期性采集獲得，并通過上位機完成模數(shù)轉(zhuǎn)換、閾值判斷、收發(fā)信息以及超限處理。具體監(jiān)控策略如下：當(dāng)監(jiān)控節(jié)點的瓦斯?jié)舛刃∮?.5% 時，電源設(shè)備正常運行，依靠回風(fēng)孔的空氣壓差和自然通風(fēng)器進(jìn)行瓦斯氣體稀釋排出；當(dāng)監(jiān)控節(jié)點出現(xiàn)瓦斯超限事件（瓦斯?jié)舛瘸^0.5%），非本質(zhì)安全型電源斷電，相應(yīng)節(jié)點的動力風(fēng)機開啟進(jìn)行排風(fēng)；當(dāng)監(jiān)控節(jié)點的瓦斯?jié)舛瘸^1% 時，電源設(shè)備斷電并觸發(fā)聲光報警開關(guān)，同時關(guān)閉洗選主設(shè)備，上傳超限信號至上位機，直至瓦斯?jié)舛然謴?fù)正常。

3.4 PLC 程序設(shè)計

儲煤倉的瓦斯控制采用自然通風(fēng)與強制通風(fēng)相結(jié)合的方式，其中儲煤倉瓦斯?jié)舛炔杉^程、動力風(fēng)機設(shè)備與選煤廠集中控制PLC 系統(tǒng)關(guān)聯(lián)。瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測采用防電磁干擾、防爆防燃的礦用GJC4（B）型瓦斯傳感器，動力風(fēng)機選用YBT-2.2 型礦用防爆軸流式風(fēng)機布局于煤倉頂部、倉壁中部、給煤機出煤口和皮帶輸送點處，上位機選用正肯IPC-710H 型工控機，配合西門子WINCC 組態(tài)軟件開發(fā)實現(xiàn)瓦斯?jié)舛鹊膶崟r采集、收發(fā)命令以及可編輯控制等功能，這些都是基于西門子STEP7 平臺的PLC 程序通過ST語言編程實現(xiàn)[6]。

按照瓦斯控制系統(tǒng)的功能需求和整體設(shè)計方案，PLC 的控制模塊置于選煤廠配電室內(nèi)，控制信號并入選煤廠主調(diào)度室內(nèi)，其控制程序分為就地柜手動控制和集控室遠(yuǎn)程操作，主要實現(xiàn)儲煤倉內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊闹芷谛圆杉捅O(jiān)控節(jié)點軸流風(fēng)機的啟停。同時通過設(shè)置瓦斯?jié)舛乳撝档瓤删庉嬛噶睿?jīng)過PLC的CPU 控制器的數(shù)模轉(zhuǎn)換、邏輯判斷等進(jìn)程后，實現(xiàn)瓦斯?jié)舛扰c各個節(jié)點動力風(fēng)機的動態(tài)啟停、瓦斯超限與非本質(zhì)安全型電源的連鎖等功能。

4 優(yōu)化效果分析

4.1 使用效果分析

經(jīng)過對儲煤倉的通風(fēng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、風(fēng)機布置和控制系統(tǒng)改造，對優(yōu)化后的儲煤倉內(nèi)的煤倉頂部、煤倉壁中部、給煤機出煤口和皮帶輸送點的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，一周內(nèi)的各個節(jié)點的瓦斯?jié)舛茸兓鐖D4 所示。通風(fēng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的各個節(jié)點的瓦斯?jié)舛让黠@降低，最大瓦斯?jié)舛然颈３衷?.20% 左右，降低了瓦斯氣體處理成本，減少了瓦斯超限事件的發(fā)生，提高了儲煤和選煤過程的安全性，確保了選煤廠的穩(wěn)定安全運行。

圖4 選煤廠煤倉瓦斯?jié)舛确逯祱D

4.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

在山東能源集團(tuán)東灘煤礦選煤廠瓦斯控制系統(tǒng)改造后，可直接節(jié)約設(shè)備成本約65 萬元，年度節(jié)約人力成本、能耗成本約為94 萬元，具體效益分析過程如下：

1）動力風(fēng)機減少數(shù)量為49-23 = 26（臺），按照每臺風(fēng)機2.5 萬元共計節(jié)省設(shè)備費用65 萬元。

2）改造前動力風(fēng)機及其配套合計功率大小為367.7 kW，改造后的總功率降為236.1 kW，避免了動力風(fēng)機24 h 運行模式，節(jié)能約36%，每年可節(jié)約電費約為：（367.7-236.1）kW×24 h×0.7 元/（kW/h）×30 d×12 月≈79.59 萬元。

3）動力設(shè)備的減少以及瓦斯控制系統(tǒng)整體自動化水平的提高，既實現(xiàn)了瓦斯?jié)舛群蛣恿υO(shè)備參數(shù)的實時監(jiān)控，又能大幅減少故障排查時間，崗位巡檢以及維護(hù)人員可減少3 人，按每人4 000 元/月工資計算，每年可節(jié)約人力成本約14.5 萬元。

4）東灘煤礦選煤廠瓦斯控制系統(tǒng)改造后，在2022 年10 月-2022 年12 月未出現(xiàn)局部超限事件造成非本質(zhì)安全型電源斷電從而影響生產(chǎn)。

5 結(jié) 語

通過對煤倉內(nèi)的氣體的分布與排放路徑研究，確定了重點區(qū)域的自然通風(fēng)與強制通風(fēng)相結(jié)合的方案，并對倉內(nèi)通風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，減少了瓦斯超限事件的發(fā)生，降低了動力設(shè)備的能耗和維護(hù)成本；同時現(xiàn)場傳感器、風(fēng)機設(shè)備接入PLC 構(gòu)建瓦斯控制系統(tǒng)，控制信號并入選煤廠主調(diào)度室內(nèi)，實現(xiàn)系統(tǒng)的智能化和信息化，確保生產(chǎn)的安全性和穩(wěn)定性。