選煤廠煤倉瓦斯控制系統的研究

王金磊，朱良軍，趙峰雷

（1.兗煤藍天清潔能源有限公司，山東 鄒城 273500；2.兗礦能源集團股份有限公司東灘煤礦，山東 鄒城 273500;3.兗礦能源集團股份有限公司濟三煤礦，山東 濟寧 272069）

0 引 言

煤炭中的大部分氣體在地下開采、運輸等環節逸出，但生產出來的部分煤炭仍有吸附氣體。在煤進入煤廠煤倉的過程中，會發生二次下落破壞，導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，給煤倉運行帶來了潛在的安全隱患[2]。而傳統選煤廠儲煤倉的瓦斯監控與綜采工作面的設計方案類似，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往往存在著動力風機耗能較大、人工檢修困難、瓦斯濃度超限治理不及時等問題。通過研究煤倉氣體的分布與排放路徑，進而優化煤倉通風結構，采用重點區域的自然通風與強制通風相結合的方式，構建基于PLC 的瓦斯控制系統，可有效解決儲煤倉積氣問題，對保證選煤廠安全穩定運行具有重要作用。

1 儲煤倉瓦斯控制現狀

1.1 儲煤倉通風現狀及存在問題

選煤廠對于瓦斯的監控點主要是儲煤倉，由于選煤廠的煤倉結構一般為筒倉封閉式，受結構影響往往存在內部通風不良、局部瓦斯超限報警現象[3]。以山東能源集團東灘煤礦選煤廠煤倉為例，當儲煤倉煤量較多時，倉內空間減少，在煤塊轉運過程中煤機的落煤口和倉頂的上隅角等部分更易發生超限事件；同時根據實際經驗，儲煤倉倉下帶式輸送機出煤口在夏季以及皮帶輸送點尾部在冬季都易發生瓦斯超限報警情況，從而導致非本質安全型電源斷電影響生產，這都是由于現有瓦斯控制系統的抽放管路設計不規范、風機布置不合理，從而導致有限空間內通風導向差、新風少、系統的抽放效能較差。而儲煤倉內大部分監控區域的動力風機都未與瓦斯濃度傳感器設置連鎖功能，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瓦斯氣體的分布與排放路徑的分析，有利于根據瓦斯的散放運移規律來優化傳感器的布局和排風系統的設計，達到最優的監控和排放效果。

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的瓦斯濃度進行檢測，發現瓦斯濃度較高的幾個節點主要位于儲煤倉的頂部（上隅角）、倉壁中部、給煤機出煤口以及皮帶輸送點，采用GJC4 甲烷傳感器對這幾個節點的瓦斯濃度進行定點檢測，匯總一周內監測點的各個時間節點的最大瓦斯濃度，監測數據見表1。

表1 監控節點瓦斯濃度匯總表

通過對監測數據可知，儲煤倉的瓦斯濃度的變化趨勢相對平緩，并沒有出現像綜采工作面瓦斯濃度陡然上升的現象，僅在局部區域由于渦流現象而發生氣體的分布趨勢變化[4]。如煤倉壁中部和給煤機出煤口都是由于煤體下落導致周圍氣流的攪動而使氣體聚集，導致局部瓦斯濃度偏高；在給煤機出煤口和皮帶輸送點交接處，由于煤炭在機器的轉運過程中受到較大沖擊，煤體也會出現部分破碎，導致這兩個轉運部位的瓦斯濃度會出現明顯增幅，易出現瓦斯超限事件。因此，排風系統的設計應注重重點區域的通風，可進行倉體結構改造，通過建立局部的自然排風系統取代部分動力風機，盡量減少煤倉內部的電氣設備，減少儲煤倉的安全隱患。

2 儲煤倉通風結構改造方案

2.1 儲煤倉進氣孔分布設計

如圖1 所示，在儲煤倉倉頂以及頂部樓板處等角度開鑿24 個矩形進氣孔，在儲煤倉的截錐殼處對稱開鑿12 個矩形進氣孔，孔洞以中心點按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系統，利用自然通風完成儲煤倉內的氣體交換，降低倉內的瓦斯濃度。改造過程保留原倉體主體結構，不破壞倉體預埋鋼筋結構和樓板板梁。

圖1 儲煤倉進氣開孔分布示意圖

2.2 儲煤倉頂部和內壁排氣優化

如圖2 所示，在儲煤倉倉頂和截錐殼處各開鑿6 個圓形回風孔，其中倉頂處回風孔直徑400 mm、截錐殼處回風孔直徑為600 mm。拆除倉體原鑄鐵通風管及動力風機，閉合倉體結構中部分易導致風流短度的倉壁孔，必要時在倉壁或頂部開口架設部分無動力風帽，利用自然風力及倉體內外溫度差形成氣體熱氣流，推動渦輪旋轉，從而利用離心力和負壓效應將儲煤倉體內的瓦斯氣體排出；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，孔洞周圍再架設多個旋流自然通風器，利用進空氣壓差形成自然縱向抽風系統，實現倉內瓦斯氣體的快速排放。

圖2 儲煤倉排氣優化平面示意圖

2.3 給煤機出煤口和皮帶輸送點排氣優化

由于倉體中間的連接梁厚度較大達到5 m，同時倉體下部的給煤機出煤口的平臺高度較高，都不利于在倉體內部布置給煤機出煤口和皮帶輸送點抽放系統的主管道，因此將主管道布置于倉外南北走向，配備“一工一備”礦用防爆軸流式風機與瓦斯傳感器連鎖，保證給煤機出煤口和皮帶輸送點的瓦斯濃度在較低范圍內。同時在監測點附近安裝低阻防倒灌風帽匯集周圍氣體，其中風帽及風道管路周邊以阻燃物質充填，利用旋流自然通風器將匯集氣體通過風路管道轉運至儲煤倉外，減少出煤口和皮帶輸送點處的瓦斯聚集現象，降低動力風機的使用頻率。

3 煤倉瓦斯控制系統設計

3.1 整體設計

選煤廠煤倉瓦斯濃度控制系統結構圖如圖3 所示，系統可分為設備層、控制層和信息（監控管理）層，實現了集中控制和上位機監視兩大功能。其中設備層主要由分布在煤倉各個節點的動力風機、瓦斯濃度傳感器、聲光報警器組成，通過網絡RG45 接口轉換為光纖信號，實現與控制層和信息（監控管理）層的連接交互，完成了瓦斯濃度原始信號的采集上傳、煤倉內的安全通風[5]；控制層包括PLC 控制系統、電源監控系統、單機自動化系統，煤倉瓦斯濃度采集信號與控制柜中的PLC 設備相關聯，通過PLC對設備層傳輸的瓦斯濃度、采樣節點位置數據預處理后，動態調整各個節點動力風機的開關狀態；信息（監控管理）層由工業開關、監控計算機、遠端服務器和LED 顯示屏組成，通過TCP/IP 通訊完成數據的傳輸和人機交互等功能。

圖3 煤倉瓦斯控制系統總體結構圖

3.2 關鍵設備選型

根據儲煤倉進氣孔分布以及對儲煤倉倉頂、倉壁、給煤機出煤口和皮帶輸送處的瓦斯排氣策略，結合山東能源集團東灘煤礦選煤廠原有排氣設備及生產情況，確定了如下煤倉瓦斯控制系統的關鍵設備，設備情況見表2。其中，瓦斯氣體傳感器主要布置于儲煤倉倉頂、倉壁、給煤機出煤口和皮帶輸送處的瓦斯氣體聚集點，動力風機以及旋流自然通風器按照前文中儲備倉通風結構設計進行布置，現場PLC 設備與上位機之間的通過Profinet 協議實現通訊連接。

表2 煤倉瓦斯控制系統關鍵設備選型表

3.3 強制通風策略

儲煤倉瓦斯控制系統的數據來源主要依靠布局在重點區域的瓦斯傳感器周期性采集獲得，并通過上位機完成模數轉換、閾值判斷、收發信息以及超限處理。具體監控策略如下：當監控節點的瓦斯濃度小于0.5% 時，電源設備正常運行，依靠回風孔的空氣壓差和自然通風器進行瓦斯氣體稀釋排出；當監控節點出現瓦斯超限事件（瓦斯濃度超過0.5%），非本質安全型電源斷電，相應節點的動力風機開啟進行排風；當監控節點的瓦斯濃度超過1% 時，電源設備斷電并觸發聲光報警開關，同時關閉洗選主設備，上傳超限信號至上位機，直至瓦斯濃度恢復正常。

3.4 PLC 程序設計

儲煤倉的瓦斯控制采用自然通風與強制通風相結合的方式，其中儲煤倉瓦斯濃度采集過程、動力風機設備與選煤廠集中控制PLC 系統關聯。瓦斯濃度監測采用防電磁干擾、防爆防燃的礦用GJC4（B）型瓦斯傳感器，動力風機選用YBT-2.2 型礦用防爆軸流式風機布局于煤倉頂部、倉壁中部、給煤機出煤口和皮帶輸送點處，上位機選用正肯IPC-710H 型工控機，配合西門子WINCC 組態軟件開發實現瓦斯濃度的實時采集、收發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語言編程實現[6]。

按照瓦斯控制系統的功能需求和整體設計方案，PLC 的控制模塊置于選煤廠配電室內，控制信號并入選煤廠主調度室內，其控制程序分為就地柜手動控制和集控室遠程操作，主要實現儲煤倉內瓦斯濃度的周期性采集和監控節點軸流風機的啟停。同時通過設置瓦斯濃度閾值等可編輯指令，經過PLC的CPU 控制器的數模轉換、邏輯判斷等進程后，實現瓦斯濃度與各個節點動力風機的動態啟停、瓦斯超限與非本質安全型電源的連鎖等功能。

4 優化效果分析

4.1 使用效果分析

經過對儲煤倉的通風結構優化、風機布置和控制系統改造，對優化后的儲煤倉內的煤倉頂部、煤倉壁中部、給煤機出煤口和皮帶輸送點的瓦斯濃度進行動態監測，一周內的各個節點的瓦斯濃度變化如圖4 所示。通風結構優化后的各個節點的瓦斯濃度明顯降低，最大瓦斯濃度基本保持在0.20% 左右，降低了瓦斯氣體處理成本，減少了瓦斯超限事件的發生，提高了儲煤和選煤過程的安全性，確保了選煤廠的穩定安全運行。

圖4 選煤廠煤倉瓦斯濃度峰值圖

4.2 經濟效益分析

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

1）動力風機減少數量為49-23 = 26（臺），按照每臺風機2.5 萬元共計節省設備費用65 萬元。

2）改造前動力風機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，避免了動力風機24 h 運行模式，節能約36%，每年可節約電費約為：（367.7-236.1）kW×24 h×0.7 元/（kW/h）×30 d×12 月≈79.59 萬元。

3）動力設備的減少以及瓦斯控制系統整體自動化水平的提高，既實現了瓦斯濃度和動力設備參數的實時監控，又能大幅減少故障排查時間，崗位巡檢以及維護人員可減少3 人，按每人4 000 元/月工資計算，每年可節約人力成本約14.5 萬元。

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

5 結 語

通過對煤倉內的氣體的分布與排放路徑研究，確定了重點區域的自然通風與強制通風相結合的方案，并對倉內通風結構進行了優化，減少了瓦斯超限事件的發生，降低了動力設備的能耗和維護成本；同時現場傳感器、風機設備接入PLC 構建瓦斯控制系統，控制信號并入選煤廠主調度室內，實現系統的智能化和信息化，確保生產的安全性和穩定性。