王金磊，朱良軍，趙峰雷

（1.兗煤藍(lán)天清潔能源有限公司，山東 鄒城 273500；2.兗礦能源集團(tuán)股份有限公司東灘煤礦，山東 鄒城 273500;3.兗礦能源集團(tuán)股份有限公司濟(jì)三煤礦，山東 濟(jì)寧 272069）

0 引 言

煤炭中的大部分氣體在地下開采、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)逸出，但生產(chǎn)出來的部分煤炭仍有吸附氣體。在煤進(jìn)入煤廠煤倉的過程中，會發(fā)生二次下落破壞，導(dǎo)致部分吸附氣體釋放到煤倉中[1]。隨著煤倉煤炭儲量的增加和煤倉儲存時間的延長，煤倉氣體逸出量不斷增加，給煤倉運(yùn)行帶來了潛在的安全隱患[2]。而傳統(tǒng)選煤廠儲煤倉的瓦斯監(jiān)控與綜采工作面的設(shè)計方案類似，但由于二者瓦斯氣體的排放分布和變化趨勢不同，選煤廠的瓦斯控制系統(tǒng)往往存在著動力風(fēng)機(jī)耗能較大、人工檢修困難、瓦斯?jié)舛瘸拗卫聿患皶r等問題。通過研究煤倉氣體的分布與排放路徑，進(jìn)而優(yōu)化煤倉通風(fēng)結(jié)構(gòu)，采用重點(diǎn)區(qū)域的自然通風(fēng)與強(qiáng)制通風(fēng)相結(jié)合的方式，構(gòu)建基于PLC 的瓦斯控制系統(tǒng)，可有效解決儲煤倉積氣問題，對保證選煤廠安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要作用。

1 儲煤倉瓦斯控制現(xiàn)狀

1.1 儲煤倉通風(fēng)現(xiàn)狀及存在問題

選煤廠對于瓦斯的監(jiān)控點(diǎn)主要是儲煤倉，由于選煤廠的煤倉結(jié)構(gòu)一般為筒倉封閉式，受結(jié)構(gòu)影響往往存在內(nèi)部通風(fēng)不良、局部瓦斯超限報警現(xiàn)象[3]。以山東能源集團(tuán)東灘煤礦選煤廠煤倉為例，當(dāng)儲煤倉煤量較多時，倉內(nèi)空間減少，在煤塊轉(zhuǎn)運(yùn)過程中煤機(jī)的落煤口和倉頂?shù)纳嫌缃堑炔糠指装l(fā)生超限事件；同時根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，儲煤倉倉下帶式輸送機(jī)出煤口在夏季以及皮帶輸送點(diǎn)尾部在冬季都易發(fā)生瓦斯超限報警情況，從而導(dǎo)致非本質(zhì)安全型電源斷電影響生產(chǎn)，這都是由于現(xiàn)有瓦斯控制系統(tǒng)的抽放管路設(shè)計不規(guī)范、風(fēng)機(jī)布置不合理，從而導(dǎo)致有限空間內(nèi)通風(fēng)導(dǎo)向差、新風(fēng)少、系統(tǒng)的抽放效能較差。而儲煤倉內(nèi)大部分監(jiān)控區(qū)域的動力風(fēng)機(jī)都未與瓦斯?jié)舛葌鞲衅髟O(shè)置連鎖功能，一定程度上造成了不必要的電力消耗以及電氣安全隱患。因此通過對選煤廠煤倉內(nèi)瓦斯氣體的分布與排放路徑的分析，有利于根據(jù)瓦斯的散放運(yùn)移規(guī)律來優(yōu)化傳感器的布局和排風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計，達(dá)到最優(yōu)的監(jiān)控和排放效果。

1.2 煤倉氣體的分布與排放路徑分析

以山東能源集團(tuán)東灘煤礦選煤廠的直徑21 m、高35 m、儲量1 萬t 的精煤倉為例，通過便攜式激光甲烷傳感器對儲煤倉內(nèi)的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)瓦斯?jié)舛容^高的幾個節(jié)點(diǎn)主要位于儲煤倉的頂部（上隅角）、倉壁中部、給煤機(jī)出煤口以及皮帶輸送點(diǎn)，采用GJC4 甲烷傳感器對這幾個節(jié)點(diǎn)的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行定點(diǎn)檢測，匯總一周內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)的各個時間節(jié)點(diǎn)的最大瓦斯?jié)舛龋O(jiān)測數(shù)據(jù)見表1。

表1 監(jiān)控節(jié)點(diǎn)瓦斯?jié)舛葏R總表

通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，儲煤倉的瓦斯?jié)舛鹊淖兓厔菹鄬ζ骄?，并沒有出現(xiàn)像綜采工作面瓦斯?jié)舛榷溉簧仙默F(xiàn)象，僅在局部區(qū)域由于渦流現(xiàn)象而發(fā)生氣體的分布趨勢變化[4]。如煤倉壁中部和給煤機(jī)出煤口都是由于煤體下落導(dǎo)致周圍氣流的攪動而使氣體聚集，導(dǎo)致局部瓦斯?jié)舛绕?；在給煤機(jī)出煤口和皮帶輸送點(diǎn)交接處，由于煤炭在機(jī)器的轉(zhuǎn)運(yùn)過程中受到較大沖擊，煤體也會出現(xiàn)部分破碎，導(dǎo)致這兩個轉(zhuǎn)運(yùn)部位的瓦斯?jié)舛葧霈F(xiàn)明顯增幅，易出現(xiàn)瓦斯超限事件。因此，排風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)注重重點(diǎn)區(qū)域的通風(fēng)，可進(jìn)行倉體結(jié)構(gòu)改造，通過建立局部的自然排風(fēng)系統(tǒng)取代部分動力風(fēng)機(jī)，盡量減少煤倉內(nèi)部的電氣設(shè)備，減少儲煤倉的安全隱患。

2 儲煤倉通風(fēng)結(jié)構(gòu)改造方案

2.1 儲煤倉進(jìn)氣孔分布設(shè)計

如圖1 所示，在儲煤倉倉頂以及頂部樓板處等角度開鑿24 個矩形進(jìn)氣孔，在儲煤倉的截錐殼處對稱開鑿12 個矩形進(jìn)氣孔，孔洞以中心點(diǎn)按15°角均勻排布，直徑300 mm，同時安裝縱向連通鋼管形成對流通風(fēng)系統(tǒng)，利用自然通風(fēng)完成儲煤倉內(nèi)的氣體交換，降低倉內(nèi)的瓦斯?jié)舛?。改造過程保留原倉體主體結(jié)構(gòu)，不破壞倉體預(yù)埋鋼筋結(jié)構(gòu)和樓板板梁。

圖1 儲煤倉進(jìn)氣開孔分布示意圖

2.2 儲煤倉頂部和內(nèi)壁排氣優(yōu)化

如圖2 所示，在儲煤倉倉頂和截錐殼處各開鑿6 個圓形回風(fēng)孔，其中倉頂處回風(fēng)孔直徑400 mm、截錐殼處回風(fēng)孔直徑為600 mm。拆除倉體原鑄鐵通風(fēng)管及動力風(fēng)機(jī)，閉合倉體結(jié)構(gòu)中部分易導(dǎo)致風(fēng)流短度的倉壁孔，必要時在倉壁或頂部開口架設(shè)部分無動力風(fēng)帽，利用自然風(fēng)力及倉體內(nèi)外溫度差形成氣體熱氣流，推動渦輪旋轉(zhuǎn)，從而利用離心力和負(fù)壓效應(yīng)將儲煤倉體內(nèi)的瓦斯氣體排出；同時安裝縱向連通鋼管，并以3 m 的間距均勻嵌入集氣裝置收集周圍氣體，孔洞周圍再架設(shè)多個旋流自然通風(fēng)器，利用進(jìn)空氣壓差形成自然縱向抽風(fēng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)倉內(nèi)瓦斯氣體的快速排放。

圖2 儲煤倉排氣優(yōu)化平面示意圖

2.3 給煤機(jī)出煤口和皮帶輸送點(diǎn)排氣優(yōu)化

由于倉體中間的連接梁厚度較大達(dá)到5 m，同時倉體下部的給煤機(jī)出煤口的平臺高度較高，都不利于在倉體內(nèi)部布置給煤機(jī)出煤口和皮帶輸送點(diǎn)抽放系統(tǒng)的主管道，因此將主管道布置于倉外南北走向，配備“一工一備”礦用防爆軸流式風(fēng)機(jī)與瓦斯傳感器連鎖，保證給煤機(jī)出煤口和皮帶輸送點(diǎn)的瓦斯?jié)舛仍谳^低范圍內(nèi)。同時在監(jiān)測點(diǎn)附近安裝低阻防倒灌風(fēng)帽匯集周圍氣體，其中風(fēng)帽及風(fēng)道管路周邊以阻燃物質(zhì)充填，利用旋流自然通風(fēng)器將匯集氣體通過風(fēng)路管道轉(zhuǎn)運(yùn)至儲煤倉外，減少出煤口和皮帶輸送點(diǎn)處的瓦斯聚集現(xiàn)象，降低動力風(fēng)機(jī)的使用頻率。

3 煤倉瓦斯控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 整體設(shè)計

選煤廠煤倉瓦斯?jié)舛瓤刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示，系統(tǒng)可分為設(shè)備層、控制層和信息（監(jiān)控管理）層，實(shí)現(xiàn)了集中控制和上位機(jī)監(jiān)視兩大功能。其中設(shè)備層主要由分布在煤倉各個節(jié)點(diǎn)的動力風(fēng)機(jī)、瓦斯?jié)舛葌鞲衅?、聲光報警器組成，通過網(wǎng)絡(luò)RG45 接口轉(zhuǎn)換為光纖信號，實(shí)現(xiàn)與控制層和信息（監(jiān)控管理）層的連接交互，完成了瓦斯?jié)舛仍夹盘柕牟杉蟼鳌⒚簜}內(nèi)的安全通風(fēng)[5]；控制層包括PLC 控制系統(tǒng)、電源監(jiān)控系統(tǒng)、單機(jī)自動化系統(tǒng)，煤倉瓦斯?jié)舛炔杉盘柵c控制柜中的PLC 設(shè)備相關(guān)聯(lián)，通過PLC對設(shè)備層傳輸?shù)耐咚節(jié)舛?、采樣?jié)點(diǎn)位置數(shù)據(jù)預(yù)處理后，動態(tài)調(diào)整各個節(jié)點(diǎn)動力風(fēng)機(jī)的開關(guān)狀態(tài)；信息（監(jiān)控管理）層由工業(yè)開關(guān)、監(jiān)控計算機(jī)、遠(yuǎn)端服務(wù)器和LED 顯示屏組成，通過TCP/IP 通訊完成數(shù)據(jù)的傳輸和人機(jī)交互等功能。

圖3 煤倉瓦斯控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3.2 關(guān)鍵設(shè)備選型

根據(jù)儲煤倉進(jìn)氣孔分布以及對儲煤倉倉頂、倉壁、給煤機(jī)出煤口和皮帶輸送處的瓦斯排氣策略，結(jié)合山東能源集團(tuán)東灘煤礦選煤廠原有排氣設(shè)備及生產(chǎn)情況，確定了如下煤倉瓦斯控制系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，設(shè)備情況見表2。其中，瓦斯氣體傳感器主要布置于儲煤倉倉頂、倉壁、給煤機(jī)出煤口和皮帶輸送處的瓦斯氣體聚集點(diǎn)，動力風(fēng)機(jī)以及旋流自然通風(fēng)器按照前文中儲備倉通風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行布置，現(xiàn)場PLC 設(shè)備與上位機(jī)之間的通過Profinet 協(xié)議實(shí)現(xiàn)通訊連接。

表2 煤倉瓦斯控制系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備選型表

3.3 強(qiáng)制通風(fēng)策略

儲煤倉瓦斯控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源主要依靠布局在重點(diǎn)區(qū)域的瓦斯傳感器周期性采集獲得，并通過上位機(jī)完成模數(shù)轉(zhuǎn)換、閾值判斷、收發(fā)信息以及超限處理。具體監(jiān)控策略如下：當(dāng)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的瓦斯?jié)舛刃∮?.5% 時，電源設(shè)備正常運(yùn)行，依靠回風(fēng)孔的空氣壓差和自然通風(fēng)器進(jìn)行瓦斯氣體稀釋排出；當(dāng)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)瓦斯超限事件（瓦斯?jié)舛瘸^0.5%），非本質(zhì)安全型電源斷電，相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的動力風(fēng)機(jī)開啟進(jìn)行排風(fēng)；當(dāng)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的瓦斯?jié)舛瘸^1% 時，電源設(shè)備斷電并觸發(fā)聲光報警開關(guān)，同時關(guān)閉洗選主設(shè)備，上傳超限信號至上位機(jī)，直至瓦斯?jié)舛然謴?fù)正常。

3.4 PLC 程序設(shè)計

儲煤倉的瓦斯控制采用自然通風(fēng)與強(qiáng)制通風(fēng)相結(jié)合的方式，其中儲煤倉瓦斯?jié)舛炔杉^程、動力風(fēng)機(jī)設(shè)備與選煤廠集中控制PLC 系統(tǒng)關(guān)聯(lián)。瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測采用防電磁干擾、防爆防燃的礦用GJC4（B）型瓦斯傳感器，動力風(fēng)機(jī)選用YBT-2.2 型礦用防爆軸流式風(fēng)機(jī)布局于煤倉頂部、倉壁中部、給煤機(jī)出煤口和皮帶輸送點(diǎn)處，上位機(jī)選用正肯IPC-710H 型工控機(jī)，配合西門子WINCC 組態(tài)軟件開發(fā)實(shí)現(xiàn)瓦斯?jié)舛鹊膶?shí)時采集、收發(fā)命令以及可編輯控制等功能，這些都是基于西門子STEP7 平臺的PLC 程序通過ST語言編程實(shí)現(xiàn)[6]。

按照瓦斯控制系統(tǒng)的功能需求和整體設(shè)計方案，PLC 的控制模塊置于選煤廠配電室內(nèi)，控制信號并入選煤廠主調(diào)度室內(nèi)，其控制程序分為就地柜手動控制和集控室遠(yuǎn)程操作，主要實(shí)現(xiàn)儲煤倉內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊闹芷谛圆杉捅O(jiān)控節(jié)點(diǎn)軸流風(fēng)機(jī)的啟停。同時通過設(shè)置瓦斯?jié)舛乳撝档瓤删庉嬛噶?，?jīng)過PLC的CPU 控制器的數(shù)模轉(zhuǎn)換、邏輯判斷等進(jìn)程后，實(shí)現(xiàn)瓦斯?jié)舛扰c各個節(jié)點(diǎn)動力風(fēng)機(jī)的動態(tài)啟停、瓦斯超限與非本質(zhì)安全型電源的連鎖等功能。

4 優(yōu)化效果分析

4.1 使用效果分析

經(jīng)過對儲煤倉的通風(fēng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、風(fēng)機(jī)布置和控制系統(tǒng)改造，對優(yōu)化后的儲煤倉內(nèi)的煤倉頂部、煤倉壁中部、給煤機(jī)出煤口和皮帶輸送點(diǎn)的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，一周內(nèi)的各個節(jié)點(diǎn)的瓦斯?jié)舛茸兓鐖D4 所示。通風(fēng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的各個節(jié)點(diǎn)的瓦斯?jié)舛让黠@降低，最大瓦斯?jié)舛然颈３衷?.20% 左右，降低了瓦斯氣體處理成本，減少了瓦斯超限事件的發(fā)生，提高了儲煤和選煤過程的安全性，確保了選煤廠的穩(wěn)定安全運(yùn)行。

圖4 選煤廠煤倉瓦斯?jié)舛确逯祱D

4.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

在山東能源集團(tuán)東灘煤礦選煤廠瓦斯控制系統(tǒng)改造后，可直接節(jié)約設(shè)備成本約65 萬元，年度節(jié)約人力成本、能耗成本約為94 萬元，具體效益分析過程如下：

1）動力風(fēng)機(jī)減少數(shù)量為49-23 = 26（臺），按照每臺風(fēng)機(jī)2.5 萬元共計節(jié)省設(shè)備費(fèi)用65 萬元。

2）改造前動力風(fēng)機(jī)及其配套合計功率大小為367.7 kW，改造后的總功率降為236.1 kW，避免了動力風(fēng)機(jī)24 h 運(yùn)行模式，節(jié)能約36%，每年可節(jié)約電費(fèi)約為：（367.7-236.1）kW×24 h×0.7 元/（kW/h）×30 d×12 月≈79.59 萬元。

3）動力設(shè)備的減少以及瓦斯控制系統(tǒng)整體自動化水平的提高，既實(shí)現(xiàn)了瓦斯?jié)舛群蛣恿υO(shè)備參數(shù)的實(shí)時監(jiān)控，又能大幅減少故障排查時間，崗位巡檢以及維護(hù)人員可減少3 人，按每人4 000 元/月工資計算，每年可節(jié)約人力成本約14.5 萬元。

4）東灘煤礦選煤廠瓦斯控制系統(tǒng)改造后，在2022 年10 月-2022 年12 月未出現(xiàn)局部超限事件造成非本質(zhì)安全型電源斷電從而影響生產(chǎn)。

5 結(jié) 語

通過對煤倉內(nèi)的氣體的分布與排放路徑研究，確定了重點(diǎn)區(qū)域的自然通風(fēng)與強(qiáng)制通風(fēng)相結(jié)合的方案，并對倉內(nèi)通風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，減少了瓦斯超限事件的發(fā)生，降低了動力設(shè)備的能耗和維護(hù)成本；同時現(xiàn)場傳感器、風(fēng)機(jī)設(shè)備接入PLC 構(gòu)建瓦斯控制系統(tǒng)，控制信號并入選煤廠主調(diào)度室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能化和信息化，確保生產(chǎn)的安全性和穩(wěn)定性。