大兴矿中央瓦斯泵站自动化技术.pdf

第 1 期2022 年 8 月铁法科技大兴矿中央瓦斯泵站自动化技术大兴矿张基名张朝川张磊摘要针对大兴矿中央瓦斯泵站运转设备多、调控阀门多、安全设施多及考核参数多的个性特点，采用人工手段操作、观测和检查不能满足大型瓦斯抽采泵站的管理要求，通过应用自动化技术使中央瓦斯泵站达到了设备集控操作、在线即时采集、可视集中管理的科技成果。关键词自动化安全高效大兴矿位于铁法煤田西南部，新建运行的中央瓦斯抽采泵站安设了 7 个地面管道立孔、10 台水环式真空泵、6 台水泵、170 个阀门、9 台水封阻火泄爆装置、9 台喷粉抑爆装置，总抽气量为 3560 m3/min，成为辽宁省抽气总量第一的大型地面永久瓦斯抽放泵站。针对大兴矿中央瓦斯泵站运转设备多、调控阀门多、安全设施多及考核参数多的个性特点，采用人工手段操作、观测和检查不能满足大型瓦斯泵站的安全管理要求，利用自动化技术科学管理大型瓦斯泵站成为首选条件。中央瓦斯泵站自动化技术通过编程、调试、可视化终端大屏显示三个阶段完善，使中央瓦斯泵站自动化技术达到了设备集控操作、在线即时采集、可视集中管理的科技成果。1中央瓦斯泵站简介1.1瓦斯泵站厂区构建大兴矿中央瓦斯泵站位于大兴矿西北方向，煤层气公司储气罐北侧。厂区长 90m，宽 64m，占地面积 5760m2。由主厂房、配电室、水泵房、水池等组成。（1）主厂房。主厂房长 60m，宽 24m，高 16m。采用混凝土排架结构，H 型钢屋架，保温彩板屋面，内设20t 桥式吊车一台。局部二层，一层管子间，二层集控室及休息室。（2）水泵房及水池。钢筋混凝土蓄水池一个，水池长 7.5m，宽 5.0m，池顶安装冷却塔一个。蓄水池为半地下式，地面以上外露 1.0m，地下 2.5m。旁边设长15m，宽 5m，高 3m，砖混结构，毛石基础，现浇楼板水泵房一座。（3）配电室。位于主厂房南侧长 32m，宽 10m，高4.3m，单层砖混结构配电室一座。1.2中央瓦斯泵站抽采能力（1）瓦斯泵配置中央瓦斯新泵站安装 10 台水环式真空泵，呈双排对开式排布，总抽气量 3560m3/min。其中：CBF810-2BG3 型真空泵 1 台，2BEC80 型真空泵 3 台、2BEC52 型真空泵 4 台、2BEC50 型真空泵 2 台。真空泵与地面管道立孔之间的运行方式采用任意组合方式，高低浓分抽随意调节方式。水泵采用自吸式离心泵，设置 6 台。设置冷却塔，用于泵体循环水冷却降温。详见表 1。问题探讨通风与安全窑窑80第 1 期2022 年 8 月铁法科技表 1 中央瓦斯新泵站抽采能力核定（2）泵站内管网及管道立孔配置中央瓦斯泵站厂房内相互连通的管路采用DN63010 型钢管，除设备、阀门及三通对接采用法兰口外均采用焊口对接。管道立孔在原泵房的基础上增加 3 个，总计 7 个井下管道立孔 1 个地面管道立孔。2中央瓦斯泵站自动化技术中央瓦斯泵站自动化技术由设备编程自动控制技术、多路信息采集控制技术和可视化终端大屏显示技术三部分组成，经技术方案编辑、分单元功能调试、终端配套组合三个阶段，从 2020 年 11 月开始实施至 2021 年 11 月末全部完成。2.1设备编程自动控制技术瓦斯泵运转操作流程一般是按下列步骤进行的：（1）运转瓦斯泵：打开进气阀门打开出气阀门打开进水阀门打开回水阀门开启瓦斯泵；（2）停止瓦斯泵：停止瓦斯泵关闭进气阀门关闭出气阀门关闭进水阀门关闭回水阀门。按照瓦斯泵、阀门的运行方法和操作循序，编辑 20 项一键启动方案，采用西门子 200SMART 编程软件编辑适合自身特色的一键启动程序。由于软件调试既不能影响井下瓦斯抽采，又要达到安全调试预期效果，需要在保证系统正常运转的状态下进行，因此有必要制定调试技术方案和安全技术措施。2.1.1设备编程自动控制技术方案根据瓦斯泵现场实际条件和管网结构及系统关系，确定了 20 项编程联动操作方案。详见表 2。瓦斯泵编号型号额定抽气量（m3/min）电机功率（kW）电压等级（V）传动方式调速方式10台356049801#2BEC501502501140减速机 工频2#2BEC522504001140减速机 工频3#2BEC522504001140减速机 工频4#2BEC805507106000减速机 变频5#2BEC805507106000减速机 变频6#2BEC501502001140减速机 工频7#2BEC522504001140减速机 工频8#2BEC522504001140减速机 工频9#2BEC805508006000减速机 变频10#CBF810-2BG36107106000减速机 变频表 2编程联动操作方案序号联动项目联动运行操作流程11#瓦斯泵注罐6#瓦斯泵停机联动操作前准备确认关闭 FD02打开 FD01打开 FD03启动 1#瓦斯泵6#瓦斯泵停机关闭 FD10关闭FD11关闭 FD12；1#瓦斯泵独立联动停机：1#瓦斯泵停机关闭 FD01关闭 FD02关闭 FD03。21#瓦斯泵排空6#瓦斯泵停机联动操作前准备确认关闭 FD01打开 FD02打开 FD03启动 1#瓦斯泵6#瓦斯泵停机关闭 FD10关FD11关闭 FD12；1#瓦斯泵独立联动停机：1#瓦斯泵停机关闭 FD01关闭 FD02关闭 FD0332#瓦斯泵注罐7#瓦斯泵停机联动操作前准备确认关闭 FD14打开 FD13打开 FD15启动 2#瓦斯泵7#瓦斯泵停机关闭 FD22关闭FD23关闭 FD24；2#瓦斯泵独立联动停机：2#瓦斯泵停机关闭 FD13关闭 FD14关闭 FD15。42#瓦斯泵排空7#瓦斯泵停机联动操作前准备确认关闭 FD13打开 FD14打开 FD15启动 2#瓦斯泵7#瓦斯泵停机关闭 FD22关闭FD23关闭 FD24；2#瓦斯泵独立联动停机：2#瓦斯泵停机关闭 FD13关闭 FD14关闭 FD15。53#瓦斯泵注罐8#瓦斯泵停机联动操作前准备确认关闭 FD26打开 FD25打开 FD27启动 3#瓦斯泵8#瓦斯泵停机关闭 FD34关闭FD35关闭 FD36；3#瓦斯泵独立联动停机：3#瓦斯泵停机关闭 FD25关闭 FD26关闭 FD27。63#瓦斯泵排空8#瓦斯泵停机联动操作前准备确认关闭 FD25打开 FD26打开 FD27启动 3#瓦斯泵8#瓦斯泵停机关闭 FD34关闭FD35关闭 FD36；3#瓦斯泵独立联动停机：3#瓦斯泵停机关闭 FD25关闭 FD26关闭 FD27。74#瓦斯泵注罐9#瓦斯泵停机联动操作前准备确认关闭 FD39打开 FD37打开 FD38启动强制风冷、强制润滑电机启动 4#瓦斯泵9#瓦斯泵停机关闭 FD46关闭 FD47关闭 FD48；4#瓦斯泵独立联动停机：4#瓦斯泵停机关闭 FD38关闭 FD39关闭 FD40强制风冷、强制润滑电机停机。窑窑81第 1 期2022 年 8 月铁法科技序号联动项目联动运行操作流程84#瓦斯泵排空9#瓦斯泵停机联动操作前准备确认关闭 FD38打开 FD37打开 FD39启动强制风冷、强制润滑电机启动 4#瓦斯泵9#瓦斯泵停机关闭 FD46关闭 FD47关闭 FD48；4#瓦斯泵独立联动停机：4#瓦斯泵停机关闭 FD38关闭 FD39关闭 FD40强制风冷、强制润滑电机停机。95#瓦斯泵注罐10#瓦斯泵停机联动操作前准备确认关闭 FD50打开 FD49打开 FD51启动强制风冷、强制润滑电机启动 5#瓦斯泵10#瓦斯泵停机关闭 FD58关闭 FD59关闭 FD60；5#瓦斯泵独立联动停机：5#瓦斯泵停机关闭 FD49关闭 FD50关闭 FD51强制风冷、强制润滑电机停机。105#瓦斯泵排空10#瓦斯泵停机联动操作前准备确认关闭 FD51打开 FD49打开 FD50启动强制风冷、强制润滑电机启动 5#瓦斯泵10#瓦斯泵停机关闭 FD58关闭 FD59关闭 FD60；5#瓦斯泵独立联动停机：5#瓦斯泵停机关闭 FD49关闭 FD50关闭 FD51强制风冷、强制润滑电机停机。116#瓦斯泵注罐1#瓦斯泵停机联动操作前准备确认关闭 FD11打开 FD10打开 FD12启动 6#瓦斯泵1#瓦斯泵停机关闭 FD01关闭FD02关闭 FD03；6#瓦斯泵独立联动停机：6#瓦斯泵停机关闭 FD10关闭 FD11关闭 FD12。126#瓦斯泵排空1#瓦斯泵停机联动操作前准备确认关闭 FD10打开 FD11打开 FD12启动 6#瓦斯泵1#瓦斯泵停机关闭 FD01关闭FD02关闭 FD03；6#瓦斯泵独立联动停机：6#瓦斯泵停机关闭 FD10关闭 FD11关闭 FD12。137#瓦斯泵注罐2#瓦斯泵停机联动操作前准备确认关闭 FD23打开 FD22打开 FD24启动 7#瓦斯泵2#瓦斯泵停机关闭 FD13关闭FD14关闭 FD15；7#瓦斯泵独立联动停机：7#瓦斯泵停机关闭 FD22关闭 FD23关闭 FD24。147#瓦斯泵排空2#瓦斯泵停机联动操作前准备确认关闭 FD22打开 FD23打开 FD24启动 7#瓦斯泵2#瓦斯泵停机关闭 FD13关闭FD14关闭 FD15；7#瓦斯泵独立联动停机：7#瓦斯泵停机关闭 FD22关闭 FD23关闭 FD24。158#瓦斯泵注罐3#瓦斯泵停机联动操作前准备确认关闭 FD35打开 FD34打开 FD36启动 8#瓦斯泵3#瓦斯泵停机关闭 FD25关闭FD26关闭 FD27；8#瓦斯泵独立联动停机：8#瓦斯泵停机关闭 FD34关闭 FD35关闭 FD36。168#瓦斯泵排空3#瓦斯泵停机联动操作前准备确认关闭 FD34打开 FD35打开 FD36启动 8#瓦斯泵3#瓦斯泵停机关闭 FD25关闭FD26关闭 FD27；8#瓦斯泵独立联动停机：8#瓦斯泵停机关闭 FD34关闭 FD35关闭 FD36。179#瓦斯泵注罐4#瓦斯泵停机联动操作前准备确认关闭 FD48打开 FD46打开 FD47启动 9#瓦斯泵4#瓦斯泵停机关闭 FD38关闭FD39关闭 FD40；9#瓦斯泵独立联动停机：9#瓦斯泵停机关闭 FD46关闭 FD47关闭 FD48。189#瓦斯泵排空4#瓦斯泵停机联动操作前准备确认关闭 FD47打开 FD48打开 FD47启动 9#瓦斯泵4#瓦斯泵停机关闭 FD38关闭FD39关闭 FD40；9#瓦斯泵独立联动停机：9#瓦斯泵停机关闭 FD46关闭 FD47关闭 FD48。1910#瓦斯泵注罐5#瓦斯泵停机联动操作前准备确认关闭 FD59打开 FD58打开 FD60启动 10#瓦斯泵5#瓦斯泵停机关闭 FD49关闭FD50关闭 FD51；10#瓦斯泵独立联动停机：10#瓦斯泵停机关闭 FD58关闭 FD59关闭 FD60。2010#瓦斯泵排空5#瓦斯泵停机联动操作前准备确认关闭 FD60打开 FD58打开 FD59启动 10#瓦斯泵5#瓦斯泵停机关闭 FD49关闭FD50关闭 FD51；10#瓦斯泵独立联动停机：10#瓦斯泵停机关闭 FD58关闭 FD59关闭 FD60。联动操作前确认内容：1）电动阀门开关面板手柄由就地扳至远程状态；2）瓦斯泵供水阀门、回水阀门打开适当开度；3）泵体盘根线进水阀门、减速机进回水阀门打开适当开度；4）联络阀门、管子间总进气阀门等其他阀门打开。5）4#、5#瓦斯泵变频器冷却风扇确认运行。续表窑窑822.1.2联动操作调试施工安全技术措施（1）本工作由抽采一队、运转队及辽宁瑞华实业集团联合完成中央瓦斯泵站联动调试。抽采一队安排一名队管理人员和一名泵站司机，负责联动调试监督管理和设备、阀门操作。运转队安排一名熟知泵站供电系统的电工，负责联动调试期间按需停送电等事项。辽宁瑞华实业集团的工作人员根据矿方的联动方案及时编程、调试，达到联动操作的预期效果。（2）本工作计划于 6 月 7 日至 11 日利用 5d 完成联动调试（可根据工程实际及时调整作业时间），每天调试时间为 8 时至 16 时。（3）施工人员携带无线通讯设备便于及时联系沟通。（4）每天调试前、调试结束后汇报保安区调度。（5）联动调试期间可能出现抽采系统负压波动，两防办、保安区、抽采一队、抽采二队、防冲大队及中央井各抽采地点做好瓦斯防治工作。（6）目前中央瓦斯泵站运行 6#瓦斯泵抽采井下高浓系统，运行 9#瓦斯泵抽采井下低浓系统。第 1 期2022 年 8 月铁法科技窑窑83先调试目前处于停机状态的 2#、3#、5#、7#、8#、10#瓦斯泵，调试合格后再通过倒泵调试目前正在运行的 6#、9#瓦斯泵。6#瓦斯泵倒开 7#瓦斯泵、9#瓦斯泵倒开 5#瓦斯泵，抽采系统正常运行后，调试 1#、6#、4#、9#瓦斯泵。调试前要将待调试运行的瓦斯泵循环阀门要打开，然后按联动运行流程逐点完成操作。联动调试全部合格后，将 7#瓦斯泵倒开 6#瓦斯泵，7#瓦斯泵停机，保持 5#、6#瓦斯泵运行。倒泵期间维持系统不变，倒泵后及时测定抽采参数，发现异常及时检查处理。（7）每一项联动调试先进行无载运行，调试合格后再进行带载调试（即先将开关小车抽出不带电机调试，无载调试合格后再将开关小车推入进行带载调试）。（8）联动调试人员要认真阅读执行联动调试方案和安全技术措施，执行每一动作前要电话通讯联系所处节点状态，达到要求后再执行操作，确保每一环节不失误。如遇临时故障及时商议合理步骤，及时调整操作流程。2.1.3设备编程自动控制技术验收与应用远程控制电脑设置在二层集控室，设备编程自动控制技术调试工作于 2021 年 7 月 8 日开始 7 月15 日结束，实现了 20 项瓦斯泵远程一键启停（图2）。经过多频次系统倒机运行，设备编程自动控制技术稳定性好，操作方便快捷、省时省力。人工操作一项流程需要 2535min，而采用设备编程自动控制技术仅需 56min。2.2多路信息采集控制技术中央瓦斯泵站多路信息采集控制技术由监测系统、视频监控系统、在线管道多参数计量系统、水位流量远程监视报警系统、设备温度多点监控系统、水封阻火泄爆和喷粉抑爆自动控制系统组成。2.2.1监控系统中央瓦斯泵站安装一套 KJ751 安全监控系统，在二层集控室设置瓦斯监控分站，在瓦斯泵主厂房、管子间设置 4 台甲烷传感器监测环境瓦斯浓度，断电值为0.5%，复电值为 0.5%，断电范围为瓦斯泵。2.2.2 视频监控系统泵站安装 12 路 4k 高清防爆摄像头，视面辐射范围为高压配电室 1 台、低压配电室 1 台、西门 1台、南门 1 台、水泵房 1 台、主厂房 4 台、管子间 2台、蓄水池（消防环路）1 台，实现对厂区全覆盖视频监控，视频信号传输到矿管理中心。2.2.3在线管道多参数计量系统在瓦斯泵进气端的 6 路管道立孔直线段和高浓瓦斯注罐管道直线段安装在线管道多参数计量装置，共计安装 7 套。在线管道多参数计量装置能够检测管道甲烷浓度、一氧化碳浓度、气体流量、管道压力、管道温度，在线管道多参数计量系统采集的信号传输到二层集控室和浏览器网页（图 1）。图 1 在线管道多参数计量系统监控画面2.2.4设备温度监控系统泵站设置设备温度监控系统，分别监视瓦斯泵的电机轴温、减速机轴温、瓦斯泵两端轴承温度、水池水温，共计监测温度传感器 42 个，轴承温度报警值设置65，温度超限在二层集控室电脑上出现红色报警。第 1 期2022 年 8 月铁法科技窑窑842.2.5水封阻火泄爆和喷粉抑爆自动控制系统（1）水封阻火泄爆和喷粉抑爆装置为西安博森安全科技有限公司出品，共计安装各 9 套设施。瓦斯管道输送水封阻火泄爆装置主要由 3 个液位传感器、2 个隔爆型电磁阀、1 个压力传感器和水位控制器等组成，用于煤矿抽放瓦斯发生意外爆炸事故时，阻止爆炸产生的冲击波破坏抽放系统，并隔断爆炸产生的火焰导入井下，防止事故扩大的一种专用设备。水封阻火泄爆装置的水位控制具备自动控制功能，其控制系统由液位传感器、隔爆型电磁阀和水位控制器组成，并满足如下要求；实时为水封阻火泄爆装置补水、放水，使水封阻火泄爆装置内水封高度保持在其有效水封高度要求范围内；当水封高度超出正常工作范围时，自动报警；当补水管道无水时，自动报警；具有自检功能，当出现故障时，自动报警。（2）瓦斯管道输送自动喷粉抑爆装置由 1 只紫外线传感器、1 只压力传感器、1 台自动抑爆控制器、2 台抑爆器组成。抑爆装置通过火焰传感器与压力传感器同时接收火焰和爆炸冲击波，并将其转换为相应电信号送入控制器，控制器触发抑爆器，并迅速产生驱动干粉灭火剂的气体，将干粉灭火剂喷射到火焰阵面上，扑灭火焰，阻止爆炸传播。泵站 9套瓦斯管道输送自动喷粉抑爆装置的采集信号共同输送到一台电脑主机上，形成监控主画面(图 2)。图 2 喷粉抑爆自动控制系统监控画面2.2.6供液远程监视报警系统水环式真空泵的运行介质为水，要求供水采用无钙镁离子的清洁水源，并保证持续稳流。采用三种技术管控水源：一是自动变频软化水装置，二是智能流量计调控给水量，三是失水报警语音系统。（1）自动变频软化水装置GR202 固定床软水器由精滤、软化罐 1、软化罐 2、加盐罐 1、加盐罐 2、软化水水箱、变频控制器和冲洗软化总成 8 部分组成，外部水源或池中水经精滤至软化罐，变频控制器、冲洗软化总成按自动编程控制加洗软化，利用工业盐代换水源中的钙镁离子，防止水中的钙镁离子在瓦斯泵表面形成钙质积垢。GR202 固定床软水装置具有变频自动运行的功能，软化水输送到软化水水箱，达到水箱水位后自动启动电动阀门、电机向瓦斯泵供水或排进蓄水池。（2）智能流量计调控给水量和失水报警系统水环式真空泵是以水为运行介质的，无水供给则不会产生抽气量，供水量过大真空泵也不能发挥最大效能，一般情况下，2BEC50 型水环式真空泵供水量为 7.818m3/h；2BEC52 型水环式真空泵供水量为 1221m3/h；2BEC80 型水环式真空泵供水量为 2660m3/h。为确保供水量精准、防止水源突然失水，在每台瓦斯泵的进水端安装了智能流量计和失水报警系统，智能流量计能够数字显示管路水流量瞬时值和供水总量，能够采集水管流量信号传送到电脑编制控制器，当运转的瓦斯泵供水管路无水时，触发语音报警信号，提醒瓦斯泵站司机快速查找失水原因，及时处理失水问题。2.3可视化终端大屏显示技术中央瓦斯泵站二层集控室为泵站管控中心，为安全管控大型设备采用可视化终端大屏显示技术装备集控室。可视化终端大屏显示技术由两台电脑主机和 24 台 55 寸 4K 高清液晶电视组成，采用分屏矩阵软件分屏显示多路采集信号，分别采集管道（上接第 14 页）第一作者简介：董崇军（1973-），男，高级工程师。2013 年毕业于辽宁科技学院采矿工程专业，现任晓南矿副矿长。联系电话：[phone]。冒落情况，如发现冒落不好需要及时在工作面两顺施工切顶预裂爆破钻孔进行爆破，确保采空区充分冒落。工作面前 45m 至运顺硬帮，用两层风筒布遮严，减少采空区漏风。每天利用水管清洗支架时，同时向架后采空区洒水。保证采煤机内喷雾压力达到雾化效果。采煤机回采至距回风隅角 20m 时，利用架间高压水管对 20m 范围内的煤壁进行浇水、湿润。采煤机割机尾时，架子不许移动；待采煤机向机头方向切割 20m 后，方准移架。准确掌握周期来压时间和垮落步距，每次来压前一个班要对回风隅角进行封堵，减少采空区内瓦斯涌出量。在回风隅角处安设喷雾向架后持续洒水。5小结复杂条件的综采工作面，需要结合多种工艺保证顺利回采，要及时总结、归纳各种生产工艺的特点，根据现场实际情况，采用最合理的生产工艺，既能提高劳动效率，还能提高安全系数，同时要不断加强作业人员技能提升及相关经验的积累，从而保障煤矿安全高效回采，针对 SE1402 工作面采用多种生产工艺结合回采的研究与总结，为以后相似的采煤工作面顺利回采提供一定的借鉴意义和参考价值。第一作者简介：张基名（1967-），男，高级工程师。1999年毕业于辽宁工程技术大学通风与安全专业，现任大兴矿抽采一队技术主管。联系电话：[phone]。第 1 期2022 年 8 月铁法科技窑窑85多参数计量信号、视频信号、设备编程自动控制信号、水封阻火泄爆信号、喷粉抑爆自动控制信号、供液远程监视报警信号、瓦斯泵及抽采立孔运行状态信号，以及瓦斯泵操作流程、应急预案管理等（图 3）。图 3可视化终端大屏显示主画面3结 语大兴矿中央瓦斯泵站自动化技术的应用，达到了大型瓦斯抽采泵站运行安全、高效、协调，填补了地面永久抽采瓦斯泵站智能化技术的空白，做到了监控管理调度全过程覆盖。通过现场实际应用中央瓦斯泵站自动化技术性能稳定可靠，可视化集控化成果明显，相比老泵站设备、管网、阀门的数量及抽采能力、复杂程度均增加了两倍，但是通过自动化技术的应用，做到了安全可控、减人提效。