DM-1200/10（AL）型移动式膜分离制氮机监控装置研究

王继政

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 沈抚示范区 110172；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 沈抚示范区 110172）

0 引言

煤矿开采过程中会涌出大量瓦斯等易燃易爆气体，极易发生火灾。可采用释放大量氮气的方式降低煤矿工作面氧气含量，从而实现防灭火的目的和效果[1-3]。DM-1200/10（AL）型移动式膜分离制氮机可在短时间内制备及释放大量氮气，实现降低井下环境氧气含量的目的，其也是实现防灭火的重要设备[4-6]。从DM-1200/10（AL）型移动式膜分离制氮机的实践应用来看，其设备运行的稳定性还欠缺，针对性地设计了监控装置，可有效提高该制氮机的自动化水平和运行可靠性，实践应用效果理想。

1 工程概况

山西某煤矿位于山西省朔州市怀仁县新家园乡，矿井1960 年投产，核定生产能力为210 万t/a，截至2020 年底，剩余可采储量2.46 亿t，主采煤种为气煤。矿井为高瓦斯矿井，水文地质条件中等，主要开采工艺为综采和综采放顶煤工艺。该煤矿2020 年全年实现安全生产，完成煤炭产量209.03 万t，完成掘进进尺13210 m，最高单产24.9 万t，最高单进463 m。采煤机械化程度达到100%，掘进机械化程度为90.2%。在籍生产人员605 人，原煤工效13.24 t/人。全年煤炭销售收入为21366.13 万元，实现利润93.95 万元。该煤矿为高瓦斯矿井，配备有中煤科工集团沈阳研究院有限公司的DM-1200/10（AL）型移动式膜分离制氮机，用于煤矿井下的防灭火工作。

2 DM-1200/10（AL）型移动式膜分离制氮机

2.1 制氮机基本结构

DM-1200/10（AL）型移动式膜分离制氮机采用中空纤维膜分离制氮技术，生产能力为1200 m3/h，氮气压力0.8 MPa，氮气纯度98%以上。采用2 台185 kW电机同时工作，额定电压1140 V。该膜分离制氮装置主要由矿用隔爆空压机组、压缩空气预处理和膜分离段（制氮机）构成。矿用隔爆空压机组由启动柜、油冷却器、油气桶、电机、空压机主机、排污口、冷却水入口、冷却水出口等部件组成；压缩空气预处理段和膜分离段主要由防爆控制箱，显示仪表，活性炭除油器，流量传感器，温度传感器，压力传感器，流量调节阀，自动排水阀，流量计，后部冷却器，电加热器，AH、AO、AA、AX 精密过滤器，气动阀，放空阀，防爆电磁阀，手动排污阀，氮气取样口，氧气取样口，冷却水入口，冷却水出口，氮气出口，空气进口和膜组件等组成。

该制氮机配套用MLG28.8/12.5-220G 煤矿用螺杆式移动空气压缩机（MEH090008）、KXJ4-66/1140（660）ZD 制氮装置用隔爆兼本质安全型电控制箱（MAB180035）、RJD-25/1140（660）制氮装置用隔爆兼增安型电加热器（MAJ180019）、平板车、煤矿用聚乙烯绝缘编织屏蔽聚氯乙烯护套通信电缆、三环链、连接插销、煤矿用移动屏蔽橡套软电缆应有安全标志。

2.2 工作原理

膜分离制氮技术是20 世纪80 年代高科技研究成果，属于高分子材料科学，起步较晚但发展很快。膜分离法制氮是依据气体的“溶解扩散理论”来实现气体分离，即氧气和氮气首先在膜内溶解，然后在外界能量的推动下以不同速度向膜的低压侧扩散，因氧、氮对于分离膜的渗透率不同，分别在膜透侧和滞留侧得到富集，以此来达到分离气体制得氮气的目的。工作原理如图1 所示。

图1 膜分离制氮技术工作原理

2.3 特点及应用情况

膜分离制氮技术具备先进、产氮可调、纯度高、井下移动式、防爆产品、运转部件少、便于操作、效率高、制氩成本低的特点，主要表现如下：能耗低，由于中空纤维膜表面积大，具有较高的分离系数，因此能耗低；可靠性高，制氮装置没有运动部件，属静态运行，只需甚少保养，连续运行可靠性高；增容简单，若需增加氮气产量，只需增加相应数量的膜管即可；瞬时启动，开、停机方便迅速，系统采用微机控制，自动化程度高，操作简便；易于安装，该机属于分段组装，在井下可任意移动，无须特别土建和基础。

矿用膜分离制氮装置适用于瓦斯和非瓦斯矿井自燃煤层的采空区注氮阻爆、防灭火，特别是高产高效的综采、综放工作面采空区注氮惰化防火，同时也为惰泡防灭火提供了新的气源。膜分离制氮也被广泛用于石油、化工、冶金及食品等工业领域。

3 制氮机监控装置的总体方案设计

为有效提高DM-1200/10（AL）型移动式膜分离制氮机设备运行的稳定性，针对性地设计了监控装置。

3.1 监控装置总体结构

如图2 所示为设计的制氮机监控装置总体方案，主要包括模拟量采集、实时显示、通信协议、故障报警、自动控制、开关量采集六部分。通过安设的各类传感器对制氮机运行技术参数实时采集，实时处理采集数据，及时掌握设备的运行状态，将运行情况实时显示在上位机显示屏中，基于采集数据的处理结果实施对制氮机的自动化控制，针对监测中的故障进行报警，提醒工作人员及时处理。

图2 制氮机监控装置总体设计方案

3.2 监控装置主要功能

1）模拟量采集。通过安设的各类传感器采集制氮机运行状态数据信息，并将其换成为模拟量信号，并将模拟量信号进入设备PLC 控制器转换为数字量信号，进而对数据进行分析处理。

2）开关量采集。开关量信号指的通过对设备控制箱体中对应的按钮的操作，实施对开关量信息的采集和传输，进而实施设备的启、停等动作功能。

3）自动控制。基于传感器的监测结果+PLC 控制器，实施制氮机工作的全自动化控制，有效提高设备的运行效率，实现无人值守。

4）通信协议。该远程监控装置中通信协议为RS-485 总线，进而来与其他设备进行通信连接，保障数据传输的可靠性和稳定性。

5）故障报警。当采集数据中温度、压力、流量等指标超限后，装置会认定为设备运行存在故障，即通过声音和灯光进行报警，同步显示在上位机显示屏中，提醒工作人员及时处理。可有效提高设备故障的处理效率，提高设备运行的可靠性。

6）实时显示。对监控装置采集到的数据信息、故障信息等状态信息同步在上位机的显示屏中实时显示，可直观、及时、有效地掌握设备的运行状态。

4 制氮机监控装置的硬件设计

4.1 传感器的选型

该制氮机监控装置中，需要安设传感器对温度、压力、流量等参数进行监控。温度传感器选择GWP200-C（A）矿用本安型温度变送器（MAF160019）；压力传感器选择GYD60-Y2（A）矿用本安型压力传感器（MAF160017）；流量传感器选择GLW50/7 矿用本安型旋进旋涡流量计（MAK170033）。

4.2 PLC 控制器的选型与设计

在考虑到山西某煤矿防灭火现场情况基础上，监控装置PLC 控制器确定选择S7-200smart 型，该控制器可以完成对设备的检测、监控等功能，其结构如图3 所示。

图3 S7-200smart 控制器结构示意图

5 制氮机监控装置的软件设计

制氮机监控装置软件程序如图4 所示。监控装置运行后，第一步对各装置设置进行归零，检测装置是否正常运行；第二步启动传感器开始工作；第三步对监测的数据进行处理后实时显示；第四步实施设备的自动化运行及故障处理。

图4 制氮装置监控系统软件程序

6 实践应用及效果分析

DM-1200/10（AL）型移动式膜分离制氮机按以上方案完成监控装置的改造安装和调试后，设备在山西某煤矿防灭火工作中进行了实践应用。从2021 年5月至今，DM-1200/10（AL）型移动式膜分离制氮机及其监控装置运行稳定，可以实现对制氮机运行过程状态数据的自动采集并进行自动控制，有效提高了制氮机运行的可靠性和稳定性，为该煤矿防灭火工作提供了保障，为实现该煤矿高产高效安全开采奠定了基础。