避难硐室自动供氧系统设计分析

刘云飞

（中煤科工集团沈阳研究院有限公司 辽宁省抚顺市 113122）

现如今，对于当前避难硐室内供氧系统绝大多数应用多级防护系统，各层级供氧系统互相独立，然而系统相互间不可自动变换，且不可源源不断的稳定供氧等现象，设计研发了一种根据PLC 与PID 控制技术的避难硐室自动供氧系统。此系统经过环形光纤系统把多层级供氧系统与避难硐室环境数据监控系统结合为一个整体，根据及时检测的环境数据，借助PLC 与PID 监控技术，从而进一步达成了各层级供氧系统相互间的智能化调整与井下硐室之间的自动持续供氧，同时能够在某一层级供氧系统发生问题时，自动开启切换模式，调转到下一层级供氧系统，进一步提升了避难硐室供氧的平稳性与安全性。同时最终的现场测试结果也完全印证了此系统的稳定性。因此，国内全力促进六大系统建设工作，当中的紧急避险系统中的避难硐室可给逃生人员提供氧气支持与高效的防护空间，针对硐室中供氧系统的探究具有很重要意义。

1 自动供氧系统硬件构成及其程序设计解析

1.1 自动供氧系统硬件构成

避难硐室自动供氧系统主要由多层级供氧系统与硐室环境参数监控系统构成。当中多层级供氧系统具体包含：井下压风供氧系统、地面钻孔压风供氧系统与氧气瓶组供氧系统。避难硐室自动供氧系统核心枢纽为位置于避难硐室内部的硐室供氧监测中心站。此站经过环形光纤系统把多层级供氧系统与硐室环境参数监控系统密切的关联起来。硐室供氧监测中心站依据硐室环境数据监控系统收集的硐室环境参数从而更好的把控多层级供氧系统，最终完成井下硐室的自动持续供氧。

然而，井下压风供氧系统主要有井下压风供氧监控分站、电磁阀A、气动球阀与井下压风管道构成。地面钻孔压风供氧系统则从地面钻孔压风供氧监控分站、空压机、储气罐、电磁阀B、气动球阀与空调构成。氧气瓶组供氧系统则有氧气瓶组监控分站、电磁阀C、气动球阀与氧气瓶组构成。硐室环境监控系统则有硐室环境监控分站、CO2传感器、O2传感器与温度传感器构成。

多层级供氧系统都是有手动与自动控制。当中手动控制借助闸阀来完成，自动控制借助硐室自动供氧系统来完成。硐室自动供氧系统的硬件构成如图1 所示。

1.2 自动供氧系统程度设计分析

此系统控制程序主要借助西门子Step7-MicroWin V4.0 SP6 软件来编写，且把编写好的程序下载至CPU226CN 处理器当中，针对系统实施检测与控制。

硐室环境参数监控系统可以完成收集硐室内部氧气浓度、二氧化碳浓度与温度等数据，同时把上述参考数据传送至井下自动供氧监控中心站。要想确保井下人员生命安全，上述环境数据需参照一个指标数值：氧气参数指标值是18.5%至23%，二氧化碳参数指标数值是＜1%，温度指标数值为＜35℃。井下自动供氧监控中心站则会参照环境参数有没有实现指标数值为参照，按照运转自动供氧系统监控程序，随后开启硐室环境参数监测系统，紧接着开启井下压风供氧系统，随后在开启电磁阀A，当二氧化碳小于0.18 时，则开启地面压风供氧系统，随后开启电磁阀B，随后二氧化碳小于0.18时，开启氧气瓶组供氧系统，随后开启电磁阀C，随后二氧化碳小于0.18 时，打开手动阀，随后程序结束，参照上述程度针对多层级供氧系统实施智能化调控，给避难硐室内技术人员带去舒适的生存环境。

避难硐室自动供氧系统关键划分为多层级供氧，每一级供氧系统都可经过PID 运算来完成针对氧气浓度的把控。接下来主要以地面钻孔压风供氧系统举例，从而阐述氧气浓度控制程序。此系统关键依据硐室内氧气浓度的改变从而调整地面钻孔压风管道里面空气输出数量。其监控中心站率先获取氧气浓度设计值SV，随后依据硐室环境参数监控系统反应出现阶段氧气浓度数值PV 实施PID 计算，把控PLC 输出口Q0.0 的电压开断频率，从而把控电磁阀B 的启动时间，进一步精准调整空气释放数量。尤其在控制流程中，把氧气浓度设立为20%，经过PID 参数的确定，结果把硐室内的氧气浓度保持在18.5%至23%，地面钻孔压风供氧工质程序具体流程如图2 所展示。

2 自动供氧系统具体现场验证分析

2.1 自动供氧系统介绍

文章实施实验的避难硐室尺寸长度是51m、宽度是4.1m、高度是2.8m，根据每人1.0m3的空间核算，排除设备需要占用空间，需有100m3的有效使用空间，同时可容纳一百人生存需要。此避难硐室需要具体包含一个休息室、进风侧过渡室与回风侧过渡室。自动供氧系统包含：

（1）地面钻孔压风供氧系统；

（2）井下压风供氧系统；

（3）硐室环境参数监控系统；

（4）氧气瓶组监控系统；第五，硐室自动供氧监控中心站。其中配备有传感器监测点，此监测点都跟硐室环境监控分站相关联。每个监测点务必监测到此处的氧气浓度、二氧化碳浓度与温度情况。

2.2 现场验证具体分析

如何验证避难硐室自动供氧系统的稳定性，及其检测此系统在某一级供氧系统发生问题时的应急处置能力，需要遵照下述步骤分开进行。

（1）把避难硐室自动供氧系统关联好，开启系统，系统开始实时的硐室环境参数监控与多层级供氧系统控制状态，计时启动。

（2）等到避难硐室内环境数据完成标准数值之后，第50min时让五十个年轻技术员走入避难硐室开始测试实验。

图1：硐室自动供氧系统的硬件构成图

图2：地面钻孔压风供氧工质程序具体流程

（3）第100 min 后经过手动闭合井下压风管路闸阀来模拟井下压风供氧系统出现问题。

（4）第200 min 之后经过手动闭合地面钻孔压风管路闸阀来模拟地面钻孔压风供氧系统发生问题。

（5）第300 min 之后，经过手动闭合氧气瓶组供氧管路闸阀来模拟氧气瓶组供氧系统发生问题。

（6）针对硐室环境监控系统收集相关信息实施处理解析。

2.3 现场验证结论及其解析

通常大气中的氧气浓度为21%，然而在空气中的氧气浓度在18%之上时，通常大家可以自由呼吸；相反氧气浓度在16%至18%区间时，一般大家会体会到呼吸困难；而在氧气浓度小于16%时，大家则会感受到窒息。因此，井下氧气标准数值需要设置在18.5%至23%区间。通过实验避难硐室平均氧气浓度伴随着时间变化曲线具体分析出，在前50min 之内，自动供氧系统率先实施井下压风供氧控制程序。避难硐室内无逃生人员时，自动供氧系统的氧气平衡性非常好，氧气浓度保持在19.98%至20.01 %区间，变动幅度非常小。当有技术员走入避难硐室之后，技术员自然消耗了硐室内氧气，其氧气浓度会以0.027%/min 的速率呈现降低到19.84%。然而，等到氧气浓度小于20%时，井下压风供氧监控分站控制球阀A 开启，给硐室内灌入氧气，随后硐室内氧气浓度呈现减少随后在提升趋势。当井下存在逃生技术员时，氧气浓度的变动数值非常大，一般保持在19.84%～20.06%。

在此级供氧系统出现问题时，当监控中心站监测到硐室内氧气浓度小于20%的时长超出15min 时，自然而然开启变换至下一级供氧系统。当100min 时井下压风供氧系统出现问题时，硐室内氧气浓度会随着井下技术员的损耗随之不断降低，到115min 时，硐室自动供氧监控中心随即切换至地面钻孔压风供氧模式，地面钻孔压风供氧监控分站控制球阀B 随即开启频率步入供氧。随后3min硐室内氧气浓度逐渐提升，在氧气浓度提升到20%之后，也会有小幅度提升，直到提升至20.32%，平均提升速度为0.037%/min。具体原因为氧气浓度小于20%时，球阀启动频率越频繁，供氧量增大，造成氧气浓度可达到20%之后依然会提升0.32%。

在地面钻孔压风供氧系统发生问题时，监控中心则把供氧方法变换到氧气瓶组供氧系统模式。随后氧气瓶组供氧监控分站控制球阀C 启动。硐室内氧气浓度立刻会以0.11%/min 速率快速的提升，同时不断的提升达到20.91%。此原因为氧气瓶组所释放的纯氧浓度非常大，导致空气中氧气浓度获得迅速提升。

平均二氧化碳浓度伴随着时间改变也随之产生变动，尤其在井下技术员走入避难硐室前，硐室内的二氧化碳浓度变动数值非常小，基本维持在0.2 %。在第50 min，逃生技术人员走入到避难硐室之后，硐室内的二氧化碳浓度渐渐提升，结果上升至0.28%。随即井下压风供氧系统调节球阀A 启动时间随即供氧，二氧化碳浓度渐渐下降到0.2%上下。当75至100 min内硐室内二氧化碳浓度基本维持平稳，波动数值在0.03%。

在100 min 井下压风供氧系统发生问题时，硐室内技术人员不断消耗氧气同时生成二氧化碳，随即二氧化碳的浓度渐渐上升。在118.94 min 时二氧化碳浓度可实现最高值0.64 %，随后二氧化碳浓度下降，且在0.2%左右变动。当在200 min 时地面钻孔压风供氧系统发生问题，硐室内二氧化碳浓度渐渐上升。第241min 时二氧化碳浓度可达最高值0.67%，之后则会快速下降。

在硐室环境的的主要参数就是氧气与二氧化碳的浓度，然而，氧气与二氧化碳的浓度有没有达到相关指标设置数值则直接关系到逃生技术员的生命安全。当自动供氧系统在某一级供氧系统发生故障之后，则会自动调节下一层级供氧系统，同时氧气与二氧化碳的浓度变动在标准设定值范畴内，才能确保逃生技术员的人身生命安全。

2.4 压缩氧气供氧系统具体解析

（1）供氧量核算。在氧气浓度低于18. 5%时，在判定为缺氧情况，从而导致逃生技术员丧失知觉，严重的情况导致死亡；在氧气浓度高于32%时，则判定为氧气中毒情况。国内煤矿井下紧急避险系统建造管理暂行规定要求，氧气浓度需要把控在18.5%至23%范畴之内。依据国内人体情况及其遭遇危险过程中的生理变化情况反映出，每个人供氧量q 需要不小于0.5L/min，则硐室内之内二十四小时的供氧量是V1=Ntq=72000L，公式当中的N 为避险人数量，取值100；t 是避险时间段，取值24 小时。获取人员富余系数k=1.2，则九十六小时的供氧量则为V=4V1k=345600L。参照波义耳定律，一个氧气瓶可使用气体体积是V0=（P-P0）1OV2=7020L，公式当中的P 是氧气瓶工作压力，取值12MPa；P0则为氧气瓶最小工作压力，取值0.3MPa；V2则是氧气瓶容积，取值60L。最后总共需要的理论氧气瓶数量是n=V/V0≈49.23 个，取值50 个，即能够给避难硐室内配备50 瓶高压氧。

（2）供氧基本原理。在地面风压系统在井下管路受到破坏时，压缩氧气供氧系统依旧可以高效的供氧。其供氧数量可参照实践具体状况，通过手动调节来操控，从而确保人体正常的生命体征。此装置借助储存在钢瓶当中的医用压缩氧气，经过供氧控制装置，给逃生技术员人提供大量数量额氧气供应。然而，在生存室内设置氧气钢瓶，出口经过压力表、减压阀、截止阀，最后经过气幕喷淋，把医用压缩氧气传送到避难硐室内。

（3）重点技术参数分析。氧气瓶供氧的重点技术参数具体包含：所采取的氧气瓶规格、压力，技术员多余系数及其单个氧气瓶实际供氧数量等。

3 气幕喷淋系统具体分析

在气幕喷淋系统实践中划分为两路，第一路接到避难硐室内部，当做提供紧急避险逃生人员的氧气管路；第二路接到紧挨着避难硐室第一道门里面。第二路的关键功能为：毕竟紧急避险技术员在启动避难硐室第一道门过程中，自然而然会进入相应浓度的一氧化碳及其其他有毒有害的气体，此一路重点处置外部有毒有害气体的进入避难硐室内部的难题。然而，气幕吹洗设置在第一道门内侧，致使压缩空气经过气幕管产生致密的气帘，阻隔外部空气进入，并且清除外部进入探身人员身上携带的有毒有害物质。喷淋需要经过进入大量的新鲜压缩空气，把有毒有害的气体稀释掉，且经过泄压阀排出到室外，从而实现减少毒害气体浓度的目标，最终将避难硐室内的环境变得更适宜逃生人员生存下去。而气幕管透气缝隙设计是0.05mm，在在0.5 至0.6MPa 的压力下，需要涵盖1.2 米远的吹扫距离。气幕管长度可以参照避难硐室门大小来定制。

4 总结

总而言之，避难硐室自动供氧系统经过环形光纤系统把多层级供氧系统与环境参数监控系统关联为高度自动的系统。此系统依据实施检测环境参数，不但能够保持井下持续的供氧，同时也可在某一系统出现问题时，自动启动至下一系统环节，最终确保井下避难硐室不断有氧气提供。当某一层级供氧系统没有出现问题时，则避难硐室自动供氧系统可使用氧气浓度能够保持在19.84%至20.06%区间。在某一层级供氧系统出现问题时，氧气浓度变动非常大，氧气浓度则为19.47%至20.9%区间，然而最小氧气浓度依然高于18.5%，从而才能确保给井下逃生技术员的提供充足的氧气供应。