乏风瓦斯蓄热氧化监控系统设计

Design of Monitoring System for VAM Regenerative Thermal Oxidation

李　杰1，2　康建东1,2　霍春秀1,2

(瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室1，重庆　400037；中煤科工集团重庆研究院有限公司2，重庆　400037)

乏风瓦斯蓄热氧化监控系统设计

Design of Monitoring System for VAM Regenerative Thermal Oxidation

李杰1，2康建东1,2霍春秀1,2

(瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室1，重庆400037；中煤科工集团重庆研究院有限公司2，重庆400037)

摘要：乏风瓦斯(VAM)蓄热氧化监控系统是用于监控较低浓度瓦斯的RTO系统。针对目前乏风瓦斯蓄热氧化系统集成性差、彼此之间缺乏统筹联系、设计成本高、维护效率低的问题,提出了一种新的乏风瓦斯监控系统设计方法。该监控系统集乏风收集及掺混系统、蓄热氧化系统、余热利用系统于一体，实现对乏风瓦斯蓄热氧化过程的远程监控。在多个煤矿上对该监控系统进行了工业性试验，试验表明，该监控系统具有良好的稳定性与可靠性。

国家重大科技专项基金资助项目(编号：2011ZX05041-005)。

修改稿收到日期：2014-07-25。

第一作者李杰(1986-)，男，2013年毕业于重庆大学机械电子工程专业，获硕士学位，助理工程师；主要从事低浓度煤层气利用方面的研究。

关键词：乏风瓦斯煤矿蓄热氧化设计监控

Abstract：The monitoring system for ventilation air methane(VAM)regenerative thermal oxidation is used for the regenerative thermal oxidizer (RTO) with low concentration gas. At present, the gas regenerative thermal oxidation systemsare featuring poor integration, lack of co-ordination contact, high design cost and low maintenance efficiency, etc. Aiming at these problems, the design method of new VAM monitoring system is proposed. The monitoring system integrates the VAM collection and mixing system, RTO system, and waste heat utilization system to implement remote monitoring for VAM RTO process. The system has been tested in several coalmines, and the tests show that this monitoring system possesses excellent stability and reliability.

Keywords：Ventilation air methane(VAM)CoalmineRegenerative thermal oxidation(RTO)DesignMonitoring

0引言

井工开采带来了大量矿井通风瓦斯(乏风)排放，由于浓度低(≤0.75%)、缺乏有效的利用方式，瓦斯被直接排入大气。甲烷的温室效应相当于二氧化碳的21倍，如能将这些甲烷加以利用，既可以节约能源，又能减轻环境污染。目前，乏风利用仍处于工业性实验阶段，其主要的利用方式有乏风蓄热氧化和乏风催化氧化。由于乏风催化氧化在利用过程中需要使用带有贵重金属的催化剂，成本较蓄热氧化方式更高，因此在工业现场，乏风蓄热氧化方式较为普遍。

乏风蓄热氧化装置[1]，作为低浓度瓦斯利用的核心技术，由于其能带来良好的经济收益和社会效益，已成为越来越多科研机构和企业争相研究的目标。最近几年，国内外关于乏风蓄热氧化工业性实验装置的研究已经初具规模，但离真正的市场化还有许多研究内容要做。针对乏风瓦斯蓄热氧化装置，本文提出一种新的乏风瓦斯监控系统。

1控制系统总体设计

乏风瓦斯监控系统，作为乏风蓄热氧化装置的核心之一，其设计的优劣能最终决定整个系统的稳定性与安全性。在工业现场，瓦斯蓄热氧化系统大多是各个子系统单独控制，彼此之间缺乏统筹联系，设计成本高，维护效率低。

为了解决上述问题，针对乏风蓄热氧化装置，提出一种新的乏风瓦斯监控系统设计方法。

1.1　控制原理

监控系统[2-4]是乏风瓦斯蓄热氧化工业化装置必不可少的保护控制系统，主要监控功能包括：数据采集及处理；参数显示(压力、温度、流量等)；控制系统及设备运行状态显示；装置系统有序管理。当各允许条件满足时，程序控制装置的启动和停止以及保持其稳定运行；当允许条件不满足时，执行预先设计的保护逻辑，对燃烧装置实施必要的保护性措施，以确保人员、设备的安全。

控制系统采用主从式控制方式。该控制方式是由工业PC机作为主机，实现数据的运算、保存、修改处理，并预留MAX232串口通信，必要时可以打印数据。系统采用西门子PLC S7-300作为各个从机的处理器[5-8]，主要负责采集温度、流量、压力等模拟量与控制装置中的继电器和开关。该控制系统使用触摸屏进行人机交互，触摸屏同样作为从机服务于工业PC机。工作人员可以在触摸屏上根据需要设置工作参数、系统运行状态、历史记录等操作。蓄热氧化监控系统构成如图1所示。

图1　蓄热氧化系统结构图

1.2　控制过程的信号检测

在试验研究过程中，全面有效地记录试验过程中的重要数据是为数值模拟提供有力的数据支撑前提与基础。因此，如何布置系统中传感器的位置及数量是系统设计的关键。

控制系统中需要监测的参数有浓度、压力、流量、温度及火焰信号,需要监测的位置点及监测项目如表1所示。

表1　系统监测位置与检测项目

表1中，表示需要检测的项目。

1.2.1乏风收集及掺混系统部分

掺混系统有两个功能：一是将浓度为10%左右的抽采瓦斯掺混至乏风中，使混合气浓度达到1%；二是将空气掺混至乏风中，使乏风浓度降低至0.2%左右。

乏风收集系统主要由乏风收集罩、干式阻火器、快速关断阀等组成。乏风收集罩的功能是将乏风扩散塔出口的乏风收集起来，经管道输送到后续装置。

1.2.2蓄热氧化装置部分

蓄热氧化部分作为整个利用系统的主体，是掺混瓦斯焚烧的容器，它用于准确地检测气体的温度、压力、流量等参数。

1.2.3余热利用系统部分

当装置处理的乏风瓦斯浓度较高时，可抽取部分高温烟气进入余热锅炉，生产过热蒸汽。在进行余热锅炉选型前，需要首先确定装置自热平衡浓度，然后计算可用余热量及可制取蒸汽量。

1.3　自动化控制模式

根据工艺要求，采用现场手动控制、自动控制、远程模式三种方式。

① 现场手动模式：PLC操作界面上的“手动/自动”开关选择“手动”方式时，既可通过PLC操作界面上的按钮实现对单个设备的“运行”或“停止”操作，也可通过现场操作柱进行必要的手动控制，同时可满足装置设备检修及维护的需要。

② 自动模式：PLC操作界面上的“手动/自动”开关选择“自动”方式时，系统设备的安全由PLC根据系统的工况及生产要求来完成对整套设备或单个设备的“运行”或“停止”控制，而不需要人工干预，从而最大限度地实现装置的自动运行，减少人员配置，为装置的经济运行提供保证。

③ 远程模式：通过PLC系统对装置的工况进行实时监视，如蓄热室及燃烧室温度、燃烧室火焰、锅炉压力、锅炉液位、乏风进气开关、反吹风机和燃烧器等的运行状况，以及试验要求提供的其他相关数据。

2系统的控制流程

蓄热氧化系统工作状态主要分为预热启动阶段、正常工作阶段、掺混工作阶段和余热利用阶段。

2.1　预热启动阶段

低浓度瓦斯只有在700 ℃左右高温下才能实现蓄热氧化。由于系统刚启动时，蓄热体没有达到高温状态，这就需要一个预热状态。在该阶段，预热系统启动，对蓄热床1至床5逐个预热到正常工作状态。预热启动阶段的控制流程如图2所示。

图2　预热启动阶段的控制流程图

2.2　正常工作阶段

正常工作阶段主要是将1%浓度的甲烷氧化成高温烟气。由于瓦斯蓄热需要一个时间累计过程，因此需要多床连续切换，以达到证氧化过程连续性的目的。在预热完成后，便进入正常工作阶段。该阶段有五个流程循环，其控制流程如表2所示。

表2　正常工作阶段控制流程

表2中，O为蓄热，I为进气，B为吹扫。

2.3　掺混工作阶段

瓦斯掺混是将低浓度瓦斯气体维持在一个稳定的浓度范围。在工业现场，瓦斯掺混装置的作用是可以通过调节不同的气源流量得到浓度稳定的混合气体，以实现低浓度瓦斯的利用。其控制过程分为提高乏风瓦斯浓度和降低乏风瓦斯浓度。

2.4余热利用阶段

余热利用系统的原理是，保证有水持续流过余热锅炉，让部分高温烟气流过余热锅炉，让余热锅炉按照升炉流程工作，直到达到正常工作状态。

当因出现异常情况需要关闭余热锅炉时，关闭锅炉进气阀，直到余热锅炉内部温度低于100 ℃。

3系统的自锁与报警

瓦斯气体作为易燃易爆气体，在瓦斯蓄热氧化装置进行利用的过程中，由于存在高温环境且低浓度瓦斯接近爆炸极限，因此对系统的自锁连锁与报警设计尤为关键。

3.1　自动控制连锁设计

在余热利用阶段需要考虑的连锁有液位连锁控制，即锅炉液位与给水流量连锁，通过调节阀门开度来控制给水流量来调节锅炉液位。锅炉压力与锅炉烟气出口风门连锁控制。

蓄热氧化装置中设计有多级连锁保护，包括蓄热氧化室与起炉燃烧器温度连锁保护、各阀组之间的高温连锁保护和低温连锁保护以及系统断电连锁保护。

3.2　系统报警设计

报警主要是针对系统出现不正常情况时发出的警告与系统紧急操作。系统的报警分为系统报警与公共报警。系统报警指蓄热氧化室温度上下限报警、锅炉液位上下限报警、燃烧器不能启动报警，提醒工作人员进行相应操作。公共报警是指系统一旦故障报警，将报警通过公共报警传送到DCS，以便操作人员到现场确认，并且报警发生后，能够安全地使设备终止运行，防止事故发生。

4结束语

针对乏风瓦斯蓄热氧化装置，提出一种新的乏风瓦斯监控系统设计方法。该监控系统集成乏风收集及掺混系统、蓄热氧化系统、余热利用系统，实现对乏风瓦斯蓄热氧化过程的远程监控。本文提出的技术方案和系统实现方法，具有较强的可靠性和稳定性，且对同类课题的开发有重要的参考意义。

参考文献

[1] 康建东，兰波，严政.乏风瓦斯蓄热氧化试验研究[J].矿业安全与环保,2013,40(1):1-3.

[2] 张新荣，徐保国.一种燃气锅炉温度及水位控制系统设计[J].自动化仪表，2012,33(6)：23-25.

[3] 胡玲艳，唐锴.台车式退火炉PLC控制系统的优化设计[J].自动化仪表,2012,33(11):42-47.

[4] 王华，王言堂，刘猛.矿井中央水泵房自动化排水系统的设计[J].煤矿机电，2010(5):32-33.

[5] 杨磊,綦耀光,任旭虎，等.基于PLC的构造物理模拟实验系统控制技术研究[J].电气传动，2011,41(7):56-60.

[6] 申祖武,孙学先,王天运.基于PLC应急保障车控制系统的设计[J].机械制造，2011,49(557):32-33.

[7] 王春波,李云鹏,危日光,等.西门子PLC在油管防腐热固化炉上的应用[J].电气传动，2009,39(3):62-64.

[8] 李硕，李鹏阳.基于PLC的退火炉温度控制系统[J].计算机工程，2010,36(5):251-253.

中图分类号：TP679

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201501015