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安徽神源煤化工有限公司邹庄矿井瓦斯抽放监控系统设计方案中煤科工集团重庆研究院二○一三年一月1KJ30瓦斯抽放监控系统设计方案1.1设计目标1)对邹庄矿井瓦斯抽放监控系统实施科学管理；2)提高邹庄矿井瓦斯抽放监控系统安全性、准确性、可靠性；3)提高邹庄矿井瓦斯抽放监控系统自动化程度；4)确保邹庄矿井瓦斯抽放监控系统的先进性和经济性得到最佳组合。1.2设计依据1)《煤矿瓦斯抽放泵站设计规范》2)《煤矿安全监控系统通用技术要求》（AQ6201-2006）3)《煤矿瓦斯抽放规范》（AQ1027-2007）4)《爆炸性环境用防爆电气设备通用要求》5)《爆炸性环境用防爆电气设备本质安全型电路和电气设备要求》6)《煤矿安全规程》新版7)《煤矿安全质量标准化标准》8)《矿山电力设计规范》（GB50070-2009）9)《爆炸及火灾危险环境电力装置设计规范》（GB50058-92）10)《煤矿低浓度瓦斯管道输送安全保障系统设计规范》（AQ1027-2009）11)《供配电系统设计规范》（GB50052-95）1.3设计原则在对瓦斯抽放监控系统的设计过程中，我们充分考虑了用户实际应用的需求，使用目前成熟、稳定且先进的技术，来整体规划和设计系统方案结构。1）先进性系统既要采用先进、成熟的气体流量和瓦斯浓度检测技术，确保设备满足应用的需求，又要注意结构、设备等的相对成熟度。要求采用的设备、技术不但能反映业界的先进水平，而且具有一定的前瞻性，在未来若干年内能占主导地位。2）实时性由于瓦斯抽放对于煤矿安全生产的重要性。因此，在设计上应保证系统对瓦斯抽放工况监测参数的实时数据处理能力。3）高可靠性实时监控的不可间断性决定了在系统设计中必须考虑提高设备运行的可靠性；因此，在系统结构、技术措施、设备性能、系统管理、厂商技术支持及维修能力等方面着手，确保系统运行的可靠性和稳定性。4）灵活性整个系统必须满足便于安装、便于管理、便于维护、便于使用的要求。5)经济性在一定的资金资源下，尽量有效地利用，以适当的投入，建立一个尽可能高水平的、完善的瓦斯抽采监控系统。所有设备的选型配置和采购订货，坚持性能价格比最优的原则，同时兼顾供货商的资信度和维修服务能力。1.4项目简介本项目主要对地面抽放泵站工程进行监控，工程具体情况如下：1）地面泵站共建4台抽放泵，主进气管为2趟，主管径分别为DN700和DN600；2）循环水泵4台；3）冷却塔2台；4）循环水池2座；5）电动阀门24台。1.5监控内容1.5.1系统监测参数对于监控系统来说，可靠的监测是瓦斯抽放系统安全运行的保障。监测内容其主要包括：管道参数：管道工况、标况混合流量，管道瓦斯浓度、温度、压力、一氧化碳浓度，并根据以上参数自动计算出管道标况纯流量及其累计量、管道标况混合流量的累计量；泵站环境参数：瓦斯泵房环境瓦斯浓度、环境温度等；工况参数：抽放泵前后轴温、电机前后轴温、瓦斯泵开停状态、水泵开停状态、冷却塔开停状态、阀门工作状态及防爆安全装置压差等；供水参数：真空泵供水状态、热水池水位及水温、冷却水池水位及水温等。1.5.2控制内容本系统对于瓦斯抽放系统中实施控制的设备主要包括：抽放泵的启停、水泵的启停、冷却塔、电动阀的工作状态控制等。此方案利用PLC对以上设备进行多种方式控制，确保系统高效、可靠、安全地运行，降低工人劳动量，方便管理。1.6系统结构KJ30瓦斯抽放监控系统具有国家安标证，可单独成为系统，也可作为子系统接入到KJ90监控系统中。本方案充分利用矿现有资源，将井下管道抽放参数通过分站直接接入矿现有的KJ90NA安全监控系统中；地面抽放泵站监控部分独立成为子系统。地面泵站系统结构如下图，系统监测和监控功能有机结合为一个整体，数据共享方便、快捷、有效，各层次之间的数据传输稳定、可靠；监测功能由所有传感器分别实现，然后通过监控柜采集整理并上传数据至中心站，最后通过Web站点方式实时发布监测数据，实现远程网络监测的全部功能；监控功能则依靠监测所得各项数据，实时判断是否满足控制条件，以上位机运算和下发控制指令、PLC可编程控制柜接收指令并发出动作指令为核心实现全自动远程监控的全部功能。在监测结构方面，系统采用中心站、显示控制装置、检测传感器三层结构。中心管理层：中心站负责管理整个瓦斯抽采系统中各设备检测的数据、抽放监控柜实时数据通讯、统计存储、屏幕显示、查询打印、网络通讯等任务；显示控制装置层（分站）：采集现场各传感器数据、数据计量及操作控制、故障保护、面板操作、现场数据显示、声光报警等；传感器层：采集瓦斯抽采系统中的各种参数。在控制结构方面，系统采用上位机、PLC可编程控制柜、受控设备三层结构，其中：上位机负责实时监控整个抽放系统所有设备的运行状态，采集监测数据，判断控制条件，下发控制指令，共享控制权力（实现网络远程控制）；PLC可编程控制箱：PLC可编程控制箱集中控制现场所有受控设备，通过储存的程序指令以条件式地判断分别精确地实现远程控制；受控设备：如抽放泵、电动阀等。1.7系统功能1)自动监测瓦斯抽放系统管道瓦斯浓度、管道压力、管道温度、管道工况流量、管道CO等管道参数；2)根据以上管道参数自动计算出管道标况混合流量和标况纯流量；3)自动统计出管道标况混合流量和管道标况纯流量的年、月、日、分累计量；4)自动监测瓦斯抽放系统中抽放泵轴温、电机轴温度、抽放泵开停、阀门工作状态、冷却塔开停、水泵开停、防爆安全装置压差等工况参数；5)自动监测真空泵供水状态、热水池水位、水温、冷却水池水位、水温供水参数；6)以上各监测参数和累计量等在监控柜和上位机实时显示；7)对系统的控制，提供无源的控制触点，而且常开/常闭状态，触点之间是否需要互锁可以自由选择，完全满足现场不同设备的控制接入需要；8)系统控制方式灵活，根据不同的需要，可以选择自动、手动、检修等控制模式；9)在自动模式下，当监控系统接收到启动、停止或者切换等信号时，可以根据工艺流程按顺序自动启动、自动停止或者切换抽放泵和相应设备（电动阀、冷却塔、水泵等）；10)在手动模式下，可以对系统中各设备实施分步操作，但是各环节之间存在先后顺序的闭锁；11)在检修模式下，可以对系统中各设备实施分别操作，各环节之间将不存在先后顺序的闭锁；12)可以在上位操作计算机组态画面上实现对瓦斯抽放系统的集中监控；13)系统具有自诊断和故障保护控制功能，当系统检测到瓦斯抽放站发生异常状态时，可以根据故障状态的差异，对瓦斯抽放站内被控设备发出控制指令，同时发出声光报警信号，并可以从抽放站和上位机上查询故障发生原因；14)当泵房环境泄漏瓦斯浓度超限时，管道瓦斯抽放浓度过低、一氧化碳浓度过高时能发出声光报警，当瓦斯浓度超过断电值时，能发出声光报警同时对相关设备进行断电控制；15)具有抽放泵缺水保护功能，能发出声光报警并实行控制；16)对其它参数如泵轴温、水温等也可设置超限报警功能；17)系统对采集到的数据进行实时分析处理、屏幕查询显示,并形成相应的历史统计数据,存储日、旬、月报表，系统可存储十年以上的历史数据，供有关人员随时查阅和打印；18)系统表格丰富,格式可由用户任意编排,或由矿方提供具体报表格式，以满足各监测管理数据报表的形成输出。实时监视画面，可对屏幕任意显示测点单击鼠标右键，弹出快捷菜单，快速的查询该点的数据、曲线、定义、运行状况等信息。19)在上位机所有的操作都具有操作权限管理和操作记录功能；20)上位机软件具有WEB发布功能和数据上传功能，在全矿局域网上任何一台计算机上，只要具备相应的权限（密码保护），即可以浏览瓦斯抽放系统的运行情况；21)系统可通过高速工业以太网将数据实时连接到调度中心；22)当交流断电时，系统可连续供电2小时以上，保证在停电情况下系统监测数据不丢失；23)系统留有20%的I/O接口点数备用。1.8系统优势系统在管道瓦斯浓度、流量这两个关键参数检测上，采取与国外先进技术相同的途径，设备性能指标达到了国际先进水平，很好地解决了国内煤矿生产企业长期以来瓦斯抽放过程中瓦斯浓度、流量测量不准确的难题。一）管道流量监测的优势在瓦斯抽放监控领域，中煤科工集团重庆研究院走在了国内的前列。经过长时间的努力，在煤炭行业最先研发成功的V锥流量计，含管道温度、压力监测，一个传感器相当于3个传感器，自主研发的“V”锥流量传感器不仅具有精度高、压损小、直管段要求低（前3D，后1D）、自整流、自清洁等特点，还在抗干扰、防雷击等方面采取了相应措施，与国外同类产品相比，更适合中国煤矿现场使用。具体比较见下表。多种流量计的综合性能比较二）管道瓦斯浓度监测的优势对于管道瓦斯浓度监测，我院在煤炭行业最先研发成功的管道红外甲烷浓度传感器，解决了一直困扰瓦斯抽放管道浓度监测领域的测量不准、稳定性差等诸多难题，其传感元件寿命长（5年），测量精度高，抗干扰能力强，适应性好等特点。其与管道热导瓦斯浓度传感器相比如下表所示：管道红外瓦斯浓度传感器与管道热导瓦斯浓度传感器性能比较三）自动控制上的优势系统对瓦斯抽放泵站采用全自动监控技术，为实现泵站无人值守提供了技术支撑。同时，系统能够根据设定值实现自动调节抽放负压、抽放浓度、抽放量等，保证抽放系统运行在最佳工作状态。系统能通过自动分析运行数据，实现故障预警、保护等功能，保障抽放系统安全运行。名称测量范围测量精度工作稳定性使用寿命抗干扰性备注热导0-100%低短一般选择性差，易受背景气体影响影响测量准确性的因素较多且不易补偿红外0-100%高长长选择性好，不受背景气体影响为保证长期工作稳定性，必须有压力、温度补偿措施和气体预处理措施1.9主要设备介绍1.9.1瓦斯抽放监控柜工作电压：127V/220V/380V/660VAC通讯方式：RS485、Ethernet传感器输入信号格式：(200-1000)Hz,（4～20）mA,RS485传感器输入容量：2路V锥流量计，16路其它传感器控制输出格式：无源触点触点容量：220VAC,8A主要功能：（1）提供瓦斯抽放系统各主要运行参数的监测及直观显示以及查询界面；（2）提供对瓦斯抽放系统中各主要设备的集中操作界面；（3）部分参数的设置；（4）声光报警及故障诊断。瓦斯抽放监控显示柜面板上设置以下几部分内容：（1）数码管显示窗，实时显示以下监控参数内容：井下瓦斯抽放管道和地面瓦斯抽放管道的管道瓦斯浓度、管道绝对压力、管道温度、管道工况混合流量、管道标况混合流量及其年累计量与日累计量、管道标况纯流量及其年累计量和日累计量；各三防装置两端的压差；每台抽放泵的轴温、电流、电压、有功功率、供水状态；循环水池水位、水温；环境瓦斯浓度、环境温度；电动阀工作状况；（2）液晶屏：可以查询（1）中的所有实时数据；可以按年、月、日查询标况混合流量和标况纯流量的累计量；可以按照时间段查询任意两天之间的标况混合流量和标况纯流量的累计量；可以查询故障记录；设定抽放泵机组与抽放管道组合状态等；（3）蜂鸣器：在故障时刻发出声报警信号；（4）指示灯：指示系统工作模式（自动/手动/检修）；在故障时刻发出光报警信号；抽放泵运行状态；水泵运行状态等；（5）按钮：电动阀的开、关、停操作；抽放泵开、停操作；水泵开、停操作等；（6）向监控终端传送监控数据。1.9.2可编程控制箱KXJ660矿用隔爆兼本质安全型PLC可编程控制箱是一种适用于煤矿有瓦斯及煤尘爆炸危险场所的自动化控制设备，它采用德国西门子、美国AB等国际知名品牌PLC作为监控核心。PLC控制箱采用模块化设计，系统架构配置灵活，可根据不同的需要来设计程序，使现场复杂的逻辑控制变得简单易行。2主要技术指标1)工作电压和电流工作电压：AC220V/380V/660V工作电流：≤2A2)系统容量本安开关量输入：16点（可扩展）；非本安开关量输入：8点（可扩展）；本安开关量输出：16点（可扩展），触点容量：DC24V/0.5A；非本安开关量输出：16点常开/常闭触点输出（可扩展）。3)信号制式模拟量输入信号：0～20mA、4～20mA、0～10V；模拟量输出信号：0～20mA、4～20mA、0～10V；开关量输入