乏风瓦斯催化氧化监控系统设计范文

《矿业安全与环保杂志》2015年第五期

为加快煤层气(煤矿瓦斯)的开发利用,保障煤矿安全生产,增加清洁能源供应,促进节能减排,保护生态环境,煤矿乏风瓦斯利用技术取得了长足的发展。其中以催化氧化技术[1-4]和逆流式热氧化技术最具优势,且工业化进程更为顺利,国内外科研机构及学者对其研究正方兴未艾。催化燃烧在燃气轮机中应用概念最早由Pfefferle在20世纪70年代提出,并对稳定催化燃烧和催化装置的设计进行了综述。澳大利亚能源开发公司开发利用煤矿乏风瓦斯的燃气轮机技术,利用的甲烷体积分数(浓度)为1.6%;美国Capstone燃气轮机公司研究开发微型催化燃烧燃气轮机,利用甲烷浓度为1%的煤矿乏风瓦斯。澳大利亚联邦科学研究院CSIRO和我国上海交通大学合作,从事煤矿乏风瓦斯催化燃烧发电技术的研究,其低热值催化燃烧燃气轮机样机实验台在澳洲布里斯班的QCAT中心搭建完毕,已经成功完成了点火试验。然而,以上研究大都处于试验研究阶段,均未实现工业化应用。根本原因在于,与其他有机物利用技术不同,瓦斯催化氧化利用存在跨越瓦斯爆炸界限过程,需要对瓦斯浓度、流量等参数实现高精度控制,其难度高、危险性大。所以,设计研发安全可靠的监控系统是实现该项技术工业化的核心。

1监控系统总体设计

1.1乏风瓦斯催化燃烧燃气轮机发电利用系统运行工艺流程乏风瓦斯催化氧化利用系统组成见图1,主要包括掺混装置、离心压气机、逆流回热器、催化燃烧室、径流透平和发电机等,其核心部件是催化燃烧室。该系统的运行工艺流程:乏风瓦斯在掺混装置内掺混成浓度相对稳定(甲烷浓度1%左右)的原料气,加压后进入逆流回热器,利用透平余热加热,在催化燃烧室内蜂窝状催化剂表面发生催化氧化燃烧反应,高温高压的烟气在透平内膨胀做功推动发电机进行发电,如此循环,实现乏风瓦斯催化燃烧化学能向电能的转化。

1.2系统控制原理通过监控燃气轮发电机的润滑油压力、振动、轴承温度、转速、发电机电气故障、甲烷浓度,以及其他设备故障信号等,实现瓦斯浓度、流量等高精度控制,确保发电系统正常运行;同时监测对机组安全有重大影响的某些参数,与设定的安全值进行比对、判识,实现应急停机等,以保护设备和人身安全。乏风瓦斯催化氧化利用系统控制原理如图2所示。监控系统采用PLC编程控制系统来实现全自动控制。控制系统采用主从式控制方式,由工业PC机作为主机,实现数据的运算、保存、修改处理,并预留MAX232串口通信,必要时可以打印数据。系统采用西门子PLCS7-300作为各个从机的处理器,主要负责采集温度、流量、压力等模拟量,控制装置中的继电器和开关。基于对装置系统各重要部位的参数测定,如对各设备进出口气体的参数(甲烷浓度、温度、流量、压力等)、发电机转速、变速齿轮箱和压气机透平振动量、输出功率等重要参数的测定,并迅速反馈,用PLC强大的通讯模块可方便地对装置系统进行远程控制和数据采集,实现实时监控。系统中HIM表示人机交互;DI、DO分别表示数字量输入输出;AI、AO分别表示模拟量输入输出。监控系统硬件配置如图3所示。

2系统控制流程

2.1启动前检查启动前进行检查,若任何一项不满足流程要求,则声光报警,不启动电动油泵;排除故障后再次检查,若全部满足要求,才能执行后面的控制程序。阀门动作检测是指全开、全关阀门,阀门动作无异常,阀位正常;同时,快开阀为常开阀,能在1s之内全开,调节阀能在规定的时间内全开或全关,目的是确保正常;油箱液位安保值可能有调整,以给定的值为参考。

2.2启动准备当启动检查一切符合要求时,进行齿轮箱及透平主电动油泵及备用电动油泵的检测,看能否建立要求的油压,确保齿轮箱进口油压和透平进口油压在最低工作压力和最高工作压力之间;如果超出范围,则关闭电动油泵并查找故障,排除故障后重新检测电动油泵。如果任何一项未达到要求,禁止执行后续程序,并声光报警。在确保能够建立正常油压的条件下,关闭备用油泵,开启主油泵进行预润滑,持续3min。

2.3启动及运行过程启动过程中,系统的安保值、许可值在程序中得到反映情况,全程都需要进行安保监控。润滑油系统安保监控包括以下内容:1)齿轮箱、透平的进油压力。若齿轮箱、透平的进油压力低于最低工作压力,则声光报警,启动备用电动油泵;若进油压力依然低于最低工作压力,停机;若进油压力高于最高工作压力,关闭备用电动油泵。2)齿轮箱、透平油箱内油温与齿轮箱的进口油温。若油箱内油温大于工作温度,则打开油站冷却水开关,进行水冷,若油箱内油温上升到临界温度,停机;若油温在工作范围内,关闭冷却水;若油温低于启动温度,则开启油加热器加热,到38益停止加热。3)油箱内的液位。若液位低于最低液位高度,则开启加油,加到齿轮箱油箱正常工作高度停止。4)油过滤器上附属的压差发讯器。油过滤器上附属的压差发讯器(压差开关,无源触点)的状态,若开关闭合,说明过滤器两端压差达到危险值,则声光报警。

2.4停机当自动控制系统已经开始控制涡轮机时,停机需按照下述顺序自动进行:停机指令发出后立即打开快开阀(全开时间在1s之内),打开全开阀信号发出后,立即启动后润滑(若主油泵还在正常运行中,不开启备用电动油泵,否则开启),然后全关瓦斯调节阀,再全关空气调节阀,检测快开阀是否全开,调节阀是否全关,若其中任一阀门没有全开或全关,则声光报警;关闭油加热器、发电机加热器、冷却水阀(如果没有关闭)。在显示终端屏幕上,显示后润滑运行提示,持续20min后,方可断电,停机结束。

3系统安全防护设计

3.1系统安全防护硬件设计煤矿瓦斯属于易燃易爆气体,系统设计中尽量规避火源。在阀门选型中,选用低电压控制的气动阀门,使用软密封替代常规的硬密封,避免产生电火花。并且瓦斯快速关断阀采用单作用阀门,断电断气短信号自动保护。

3.2系统安全防护软件设计

3.2.1发电机、透平、齿轮箱系统安保监控温度监测的主要对象有发电机前后2个轴承的温度,电机U、V、W3个绕组的温度,以及齿轮箱各轴承的温度、透平回油温度、燃烧室出口温度。温度报警分为二级报警,当温度高于临界值时,系统进行声光报警;当温度持续升高时,为保证系统安全,则进行紧急停机并检修设备。基于透平的高速旋转产生巨大振动,为确保系统正常安全运行,对透平壳体的振动强度的监测同样重要。除此之外的监控对象还有涡轮机转速、快开阀气源压力、发电机电流保护或短路保护等。

3.2.2阀门的互锁与自锁在系统运行阶段需要考虑连锁,催化氧化装置中设计有多级连锁保护,包括催化氧化室与起炉燃烧器温度连锁保护、各阀组之间的高温连锁保护和低温连锁保护,以及系统断电连锁保护。尤其作为危险源的瓦斯气体流量、浓度的控制。该系统中涉及瓦斯进气调节阀、空气进气调节阀,这两个阀门的调节受限于瓦斯气与空气混合之后甲烷的浓度:甲烷浓度为1%~1.2%,爆炸浓度为5%。故调节时将空气阀和瓦斯阀进行互锁保护设计,务必先调节空气阀,再调节瓦斯阀,在确保燃烧浓度在工作范围的同时,兼顾安全性。具体调节时,甲烷浓度超过临界值立即声光报警;若浓度持续增加,则需要立即停机检查,直到设备检修完成方可重新启动。

4工业性试验

试验瓦斯气体取自中煤科工集团重庆研究院有限公司清水溪实验基地内的中梁山民用煤层气,原料气瓦斯浓度40%,经过混气装置配成CH4浓度为1.3%~1.5%的原料气。根据催化过程的要求和设备的额定参数及理论计算,得到乏风瓦斯催化氧化正常运行的关键参数及其取值范围,如表1所示。为验证监控系统的可靠性与安全性,分别进行了12组乏风瓦斯催化氧化试验,其中设定的CH4浓度为1.3%,混配后的瓦斯流量为10000m3/h(标准状态),得到的监测数据见表2。监测数据表明,在催化氧化正常运行过程中监测的关键参数均在合理范围内,同时燃烧室出口烟气温度接近900益,为催化氧化发电过程中换热器与透平机提供可靠的原料气,验证了该控制系统的有效性和可靠性。

5结语

工业性试验表明,所研发的乏风瓦斯催化氧化监控系统,可实现对乏风瓦斯催化氧化全过程的远程监控,解决了以往设计中的“信息孤岛冶与“重复建设冶问题,系统运行稳定可靠,对提高乏风瓦斯安全、稳定利用具有重要意义,也对同类课题的研发有一定的参考意义。

作者：马代辉 单位：瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室 中煤科工集团重庆研究院有限公司