瓦斯抽采管路自動排水系統(tǒng)的研究

楊樹軍

(西山煤電集團(tuán)公司官地礦，山西 太原 030022)

1 瓦斯抽采系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

西山煤電集團(tuán)公司官地礦瓦斯抽放泵站在運(yùn)行過程中，管路內(nèi)的積水造成抽放泵負(fù)壓高，溫度高，抽氣減小，嚴(yán)重影響了抽放效果。井下凝結(jié)水的排出問題也顯得尤為關(guān)鍵，為此在管路系統(tǒng)中安設(shè)了放水器。放水器由人工操作，放水方法為:每隔一段時(shí)間預(yù)計(jì)管路內(nèi)有積水或聽到管路內(nèi)有水聲時(shí)，人工關(guān)閉放水器與水箱連接的閥門，并打開水箱上口的通氣閥和下口的排水閥實(shí)現(xiàn)排水目的。

存在的問題:

1)因泵站內(nèi)噪音高，人不易聽到管路內(nèi)的積水聲或是人員問題，長時(shí)間未進(jìn)行放水，會造成管路內(nèi)大量積水，抽放泵抽氣減小，抽放效果差。

2)人工放水系統(tǒng)穩(wěn)定性差，需要人力多，閥門磨合和誤操作幾率高，在反復(fù)旋動閥門的操作中，由于人工動作不均衡，會導(dǎo)致閥門工作時(shí)經(jīng)常關(guān)閉不嚴(yán)，造成使用壽命縮短，影響抽放泵的正常運(yùn)行;且單次操作放水時(shí)間長(至少30 min)，安全可靠系數(shù)低。

3)瓦斯抽放管道中積水時(shí)有溢滿，淹沒、損壞儀器的情況經(jīng)常發(fā)生，不利于井下含瓦斯氣體的正常排放，影響抽放泵的安全運(yùn)行，嚴(yán)重影響和制約著煤礦安全生產(chǎn)。

2 系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)

抽放管路自動排水系統(tǒng)是根據(jù)“管控一體化”的思路在三層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)框架下，結(jié)合自動化、信息化、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、通訊的新理論和新技術(shù)，利用世界先進(jìn)的自動化產(chǎn)品、網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品、工業(yè)控制組態(tài)軟件，將抽放管路和抽放泵的供電系統(tǒng)、運(yùn)行設(shè)備，管路中的負(fù)壓、溫度、流量、高瓦斯、一氧化碳、管路排水等所有監(jiān)測和監(jiān)控信息統(tǒng)一在一個平臺下，形成一個統(tǒng)一、完整的有機(jī)整體。

1)系統(tǒng)設(shè)計(jì)用途。

瓦斯抽采主泵房一般設(shè)在距離監(jiān)控中心較遠(yuǎn)的地方，泵房不僅需要就地觀察抽采設(shè)備的運(yùn)行狀況，而且還需要控制設(shè)備的啟停，部分?jǐn)?shù)據(jù)還需要與礦監(jiān)測中心機(jī)房相互傳遞。因此，瓦斯抽采管路自動排水系統(tǒng)和原瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)要在同一個平臺上顯示和操作，兩個系統(tǒng)既要相互獨(dú)立，又要互相聯(lián)系。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)以安全、可靠、先進(jìn)為原則。實(shí)現(xiàn)對瓦斯抽采管路中的冷凝積水自動排放，做到無人值守，確保設(shè)備安全可靠運(yùn)行。

2)原理。

a)設(shè)計(jì)思路。由于瓦斯抽放管道工作在負(fù)壓排風(fēng)狀態(tài)，需不斷使排水管道正負(fù)壓變換才能排出積水，該礦采用將三個電動執(zhí)行裝置裝入主管道和水箱，在主控操作機(jī)上由軟件通過PLC控制閥門的組合順序開停，實(shí)現(xiàn)管道中正負(fù)壓轉(zhuǎn)換和排水。

b)系統(tǒng)組成。系統(tǒng)主要由主控計(jì)算機(jī)、PLC控制柜、防爆兼本安型高可靠電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)、分站、各種傳感器等組成。

c)系統(tǒng)分類。該系統(tǒng)有井上和井下兩大類，具體特點(diǎn)如下:井上排水系統(tǒng)可多套分散使用，中央集中控制。井下排水系統(tǒng)通常單系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，控制系統(tǒng)更小巧，且就地顯示，無人值守，也可與井上系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)、集中顯示和控制。

3)實(shí)施的關(guān)鍵技術(shù)。

a)煤礦自動排水方法由人工操作改成人工操作按鈕電動啟停后，將原來的由人工判斷和改變抽放管內(nèi)的正負(fù)壓，在常壓下一對一啟停，改成自動判斷和對三個電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)組合順序控制啟停。

b)選用國內(nèi)有煤安標(biāo)志的、性能穩(wěn)定可靠的小型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

c)高性價(jià)比:原電磁閥使用壽命短，雖然便宜，但更換成本高，而本次選用的電動執(zhí)行器在PLC控制下能平穩(wěn)運(yùn)行，10年內(nèi)不需更換。

d)瓦斯監(jiān)測與PLC工況監(jiān)測和控制集中在一個平臺上操作。

3 具體實(shí)施方案

結(jié)合該礦實(shí)際情況，制定了切實(shí)可行的方案，采用以德國西門子PLC擴(kuò)容器和數(shù)據(jù)采集器(又稱PLC可編程邏輯控制器)為核心的控制系統(tǒng)，對各控制點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和控制，通過軟件控制流程系統(tǒng)，預(yù)設(shè)每個閥門進(jìn)水、排水、間隔時(shí)間;根據(jù)工藝流程編制各個管道排放水時(shí)間順序，通過電腦屏幕可以觀察到排水系統(tǒng)正在操作的位置、時(shí)間，提高排水系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性;消除管路局部積水隱患，改善排水效果，提高了抽放效率。操作工人現(xiàn)場一般無需操作，同時(shí)，井下的信號可通過環(huán)網(wǎng)平臺系統(tǒng)，發(fā)送到地面指揮中心，各參數(shù)隨時(shí)可調(diào)，各個跳控點(diǎn)都有在線監(jiān)測和歷史記錄曲線，實(shí)現(xiàn)了煤礦調(diào)度中心對井下運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

該系統(tǒng)機(jī)柜裝配好后，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，穩(wěn)定性好，把所需要的閥門連接起來，閥門改用電動閥。電動閥系統(tǒng)其特點(diǎn)是:系統(tǒng)防靜電、防腐蝕，可以在高瓦斯和高爆環(huán)境下連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行。功能可靠，安全耐用，維修費(fèi)用低。

4 試驗(yàn)方法和技術(shù)路線

在抽放泵的進(jìn)排氣主管路上安裝4套自動排水裝置，增加1臺機(jī)柜，利用原泵站監(jiān)測系統(tǒng)，用PLC收集并處理現(xiàn)場傳輸來的信號，實(shí)現(xiàn)PLC自動排水系統(tǒng)與泵站監(jiān)測系統(tǒng)兼容，從而將PLC自動排水系統(tǒng)納入原計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)同一平臺一體化管理。

1)正常工作狀態(tài)下，主進(jìn)水閥是打開的，處于常開狀態(tài)。主進(jìn)氣閥和主排水閥關(guān)閉，水箱處于自動積水狀態(tài)。

2)在排水狀態(tài)下，主進(jìn)水閥自動關(guān)閉后，先打開進(jìn)氣閥，使水箱由負(fù)壓變成正壓狀態(tài)，然后打開排水閥，水箱內(nèi)積水自動排出。

3)在抽放泵排氣主管路上，管內(nèi)平時(shí)屬于微正壓狀態(tài)，同樣適用于上述方法自動排水。

4)在計(jì)算機(jī)平臺上預(yù)先設(shè)定各閥門開閉間隔時(shí)間，設(shè)定開閉順序，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動控制，間隔時(shí)間可根據(jù)管路內(nèi)實(shí)際積水情況隨機(jī)調(diào)整。在操作面板上，單獨(dú)點(diǎn)擊系統(tǒng)中任意一個閥門，可隨機(jī)實(shí)行放水，或由自動排水狀態(tài)轉(zhuǎn)換為人工手動排水。該系統(tǒng)井下示意圖見圖1，圖2。

圖1 抽放管路井下自動排水系統(tǒng)示意圖

圖2 地面瓦斯抽放自動排水系統(tǒng)示意圖

5 結(jié)論

采用PLC智能控制自動排水系統(tǒng)后，運(yùn)行結(jié)果表明，無論是硬件、軟件還是閥門均不需人工干預(yù)，系統(tǒng)中的閥門壽命延長幾十倍。

該項(xiàng)目已經(jīng)取得國家專利，專利號 ZL 2011 2 0320875.1。本設(shè)計(jì)方案是針對瓦斯抽放泵站設(shè)計(jì)的自動化顯示和操控平臺，在官地礦運(yùn)行三年來，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了以下功能:

1)只需一人監(jiān)視和操作即可完成泵站的主管路自動排水，通過顯示器觀看管路積水、排水的時(shí)間以及設(shè)備供電狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)、瓦斯監(jiān)測數(shù)值，根據(jù)實(shí)際情況靈活設(shè)置積水、排水時(shí)間。

2)各種參數(shù)設(shè)置簡便，報(bào)警提示準(zhǔn)確及時(shí)，圖文顯示直觀全面。

3)系統(tǒng)監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)，減輕了工人的勞動強(qiáng)度，并且做到設(shè)備運(yùn)行有故障時(shí)能夠及時(shí)報(bào)警并處理，使瓦斯抽放系統(tǒng)正常運(yùn)行，保證礦井的安全生產(chǎn)，其社會效益、經(jīng)濟(jì)效益顯著提高。

6 需要進(jìn)一步研究的問題

1)本系統(tǒng)操作人員需具備一般計(jì)算機(jī)操作知識和一般電氣知識，對操作人員的知識技能水平有較高的要求。

2)本系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備隔爆電動閥門需進(jìn)一步研究，其在耐磨、耐瓦斯、耐腐蝕和機(jī)械定位方面有待進(jìn)一步探討。

［1］楊樹軍.瓦斯抽放自動排水裝置:中國，ZL 2011 2 0320875.1［P］.2012 －04 －18.

［2］王孝穎，張豐敏，張學(xué)松.PLC在煤礦井下主排水控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.中國煤炭，2000，28(8):43－45.

［3］付鐵斌，王洪林.礦井主排水系統(tǒng)監(jiān)測裝置的研究［J］.煤礦安全，2004，35(5):17－19.

［4］李澤松.井下水泵房自動排水系統(tǒng)研究［D］.太原:太原理工大學(xué)，2005.