基于倒锥形扩散塔的矿井回风热能利用设备的监控系统技术研究

2014-10-15范红斌

机电信息 2014年18期

关键词：热能热泵矿井

范红斌

（太原理工大学电力学院，山西太原030024）

0 引言

为响应我国改善能源结构、提高能源利用率和加强环境保护的号召，如何实现煤矿现有废热资源的余热回收利用以替换传统供热方式成为了一个重要的课题。

一般情况下，矿井总回风的温度、湿度一年四季基本保持恒定，其中蕴藏大量的低温热能，目前这部分热能没有被利用，而是随着矿井通风被排放到大气中去。热泵是一种以消耗少量电能为代价，将大量不能直接利用的低温热能变为有用的高温热能的装置。

但现有的矿井回风源余热利用系统大都是针对倾斜式扩散塔设计的，而对于一些煤矿中倒锥形的矿井回风扩散塔，直接安装现有的矿井回风源余热回收利用装置存在困难，不利于矿井回风源余热的回收利用。

因此，开展基于倒锥形扩散塔的矿井回风热能利用方式及技术的研究，优化矿井回风热能提取装置，对于拓展矿井回风热能利用范围，实现矿井回风热能的深度利用具有重要的意义。

1 回风热能设备的现状和技术要求

1．1 热泵机组设备配置

热泵机组设备配置如表1所示。

表1 热泵机组设备配置表

1．2 热泵机组辅助设备

热泵机组辅助设备包括：井口防冻循环泵（立式离心泵）、回风换热一次循环泵（立式离心泵）、回风换热二次循环泵（立式离心泵）、消防水池蓄热污水泵（潜污泵）、定压补水机组（ISG40－100）、全自动软化水设备、软化水箱等。

1．3 井口加热器、回风换热器选型设计

井口加热器（型号 KDJR－600）：换热量 630kW，风量45 000m3／h；数量12台；电源380V／50Hz，电机功率11kW（防爆电机）；机外余压100Pa。

回风换热器（型号KDHF－6000）：换热量6 000kW；数量1套，含6个模块；效率90%以上；循环水量1 620m3／h；消音量20dB以上；阻力小于50Pa。

1．4 配电柜

技术参数：断路器、接触器采用施耐德电气产品，进线柜总开关选用抽屉式断路器，型号为 MT40H2／4P，配备7．0H型控制单元。出线选用NSX系列断路器，并配施耐德Micrologic电子脱扣保护和选择手柄，柜内其他仪表、指示灯、熔断器等元器件均采用知名厂商产品，配施耐德FDM121柜门显示单元。

2 控制系统的总体要求

本系统采用小型一体化PLC为主的集中和分散相结合的控制系统，实现对高低温热泵机组的工艺参数、电气参数和设备运行状态的监测、控制、联锁和报警以及报表打印，通过使用监控中心与主站以及主站与远程站间的一系列通讯链，完成整个水源和热泵机组所必需的数据采集、数据通讯、顺序控制、时间控制、回路调节及上位监视和管理功能。

2．1 控制方式

本热泵控制系统主要完成数据上传功能，同样也具有控制功能，控制方式可以分为现场设备就地手动控制、本地触摸屏控制、远程计算机控制3种。

2．2 系统结构

热泵控制系统分为4级，包括生产管理级（远程客户端）、数据中转管理级（监控中心）、现场控制级（PLC监控站）及就地控制级（现场控制箱）。现场各种数据通过PLC系统进行采集，并通过主干通讯网络——485通讯传送到监控中心操作员站进行集中监控和管理，同时操作员站作为服务器，将数据通过以太网传输到总监控客户端，进行统一生产监控和管理。同样，监控中心操作员站的控制命令也通过上述通道传送到各远程PLC控制站，实现各单元的分散控制。

3 监控系统的研究设计

3．1 主要监控参数

热泵机组：5台。热泵机组冷凝进出水温度、蒸发进出水温度、运行状态、运行故障、停机温度、温差、保护温度阈值、延后启动时间等参数。

软化水箱：1台。液位、进水流量监视。

回风换热水池：1座。液位、温度参数。

消防水池：1座。液位、温度参数。

水泵：井筒防冻循环泵4台、回风换热一次循环泵4台、回风换热二次循环泵3台、消防水池水泵2台、定压补水泵2台，共15台水泵的运行／停止状态、故障状态、远程／就地状态监视，水泵出口母管压力监视。

室内外：温度参数。

3．2 技术要求

自动监控系统采用分层分布式结构，监控中心采用工业计算机作为监控设备。在热泵机房中设一大屏液晶电视及LED显示灯，信息来自计算机监控系统。可显示设备运行状态参数、水仓水位数据及其他数据信息。

监控站配置2台上位机，一主一备，可在一台故障时另一台继续工作。上位机负责采集、存储、查询和统计分析热泵系统运行数据、曲线、事件信息、故障报警，远程监视设备运行情况。上位机可以通过矿井网络系统将信息传送到全矿井综合自动化平台，全矿井综合自动化平台对有关信息进行分析后在WEB网页上发布，实现信息的共享。

系统采集与检测压力、温度等模拟量和设备开停状态等数字量。当水位超限及水位传感器故障时报警，系统能够通过图形动态显示水泵、热泵机组的运行状态，采用改变图形颜色和闪烁功能进行事故报警，实时显示各类温度、水位等数值。系统应开放通讯协议，监控计算机能够通过接入全矿井安全生产自动化控制网，使矿方技术人员在大矿即可掌握系统设备的所有检测数据及工作状态。选用西门子S7－200系列PLC，模拟量输入／输出通道、开关量输入／输出点均应有20%以上冗余量。操作台选用西门子的触摸屏，用于状态显示、参数输入、故障查询及水泵控制。线槽的电线不得超过线槽容量的70%。进线装置及密封圈应与电缆相符，每种规格密封圈均应提供所用量的2倍作为备用。操作台的外壳应尽量采用不锈钢，如有困难，可采用其他材料，但必须能适应井下工作环境，耐潮、耐腐蚀。系统应能在电子噪声、射频干扰及振动都很大的现场环境中连续运行，且不降低系统的性能。系统设计应采用各种抗干扰技术，确保正常工作。监控系统能自动或者按照运行人员的操作实时打印记录各主要设备各类操作、事故和故障的记录及有关参数、表格，并能打印各种生产报表技术资料。

监控系统能根据预定的决策及运行人员输入的（或者上级调度所发来的）命令完成热泵机组运行系统的自动转换；能够通过屏幕显示器和机房内的液晶电视实时显示热泵系统的运行状态、主要设备的运行状态、故障报警信号的有关参数和画面。事故报警信息具有最高的优先权，可以覆盖正在显示的其他画面。

可以显示的主要图表有：

（1）热泵系统的运行原理图、热泵系统的运行转换图；

（2）参数显示图；

（3）各类曲线（模拟量变化趋势曲线等）；

（4）事故、故障统计表；

（5）工作报表、历史记录表。

软件功能：

（1）能够在标准画面和用户组态画面上设定、汇集和显示有关的运行信息，供运行人员对设备的运行工况进行监视和控制。

（2）能够监视或控制本工艺点的生产过程画面及生产实时数据，并适时配以和实际相符的动画。

（3）采用组态软件、模块化设计。

（4）具有汉化界面。