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分类号 U D C 密 级 编 号 D31 专业硕士专业硕士学位论文学位论文 煤矿井筒空气加热自动控制系统设计 Design of Automatic Control System for Air Heating in Coalmine Shaft 2016 年 03 月 学位申请人学位申请人 李向飞李向飞 指 导 教 师 指 导 教 师 刘跃敏刘跃敏 教授教授 合合 作 教 师作 教 师 秦海青秦海青 高级工程师高级工程师 专 业 领 域专 业 领 域 控制工程控制工程 学 位 类 别 学 位 类 别 工程硕士工程硕士 万方数据 独创性声明独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下完成的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得河南科技大学或其它教育机构的其他 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名 日 期 关于论文使用授权的说明关于论文使用授权的说明 本人完全了解河南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校拥有 对所有学位论文的复制权、传播权、汇编权及其它使用权特殊情况需要保密的 论文应提前说明，但在解密后应遵守此规定。 需要保密的论文请填写本学位论文在 年 月至 年 月期 间需要保密，解密后适用本授权书。需要保密的学位论文无须向图书馆提供论 文的电子文档 研究生签名 导师签名 日 期 万方数据 摘要 I 摘摘 要要 井筒是煤矿矿井的咽喉，是地面和井下联系的重要通道。如果入风井筒防冻 问题解决不好，井筒温度低于 0℃使淋水结冰，会造成冰块坠落、矿车掉道等安 全事故，严重影响井筒的安全运输。因此搞好井筒防冻，对保证煤矿冬季正常生 产十分重要。 本文首先针对某煤矿目前井筒防冻成本高，保暖效果差这一难题，根据煤 炭工业矿井设计规范开展了空气加热系统的设计，采用将冷、热风在井筒内混 合的方法，在井口安装电加热蒸汽锅炉、空气加热器及热风道等设施，将被加热 的空气加热输送至井筒，该项目建成后达到了提高蒸汽的利用率，混合后的空气 温度达到了防冻标准，彻底解决冷凝水回流井筒造成二次结冰的危害。 其次是针对北方冬季昼夜温差大，温度变化频繁，人工调节井筒温度不能及 时准确等这一缺陷，开展了空气加热自动化控制系统的设计，采取在井筒壁淋水 处安装温度传感器，地面车间安装温度控制器，蒸汽管路安装电动调节阀，该设 计利用温度控制内的 PID 自整定功能调节控制相关设备运行，实现了根据室外 温度变化及设定温度，全天候“按需”输入井筒补偿热量，使设定保暖温度保持 恒定，克服了人工调节温度误差所造成井筒结冰的风险及蒸汽的浪费，与改造前 井筒保暖设备相比节能 51.5，降低了劳动强度，使空气加热设备运行更加稳定 可靠。 本文所设计的空气加热自动化控制系统在某煤矿的实际过程应用表明，该系 统具有根据室外温度变化，能够“实时、主动、精确”输入井筒补偿热量，使保 暖设定温度维持恒定，实现了空气加热的自动化、智能化控制，有效降低供暖成 本，提高井筒保暖质量，确保了井筒冬季的运输安全。 关关 键键 词词空气加热自动化；控制技术；井筒保暖防冻；节能温度控制 论文类型论文类型研究类 选题来源选题来源其他 万方数据 ABSTRACT II ABSTRACT Shaft throat coal mine is an important channel linking the ground and underground.If the wind wellbore antifreeze issues are not well,when the outdoor temperature is below 0℃,wellbore watering ice,seriously affecting the safe transport of the wellbore.Therefore,improving the mine shaft freezing,to ensure normal production and coal mine in winter is very important. Firstly, for a coal mine currently Shaft antifreeze high cost, poor thermal effects of this problem, according to “Coal Mine Industrial design specifications“ to carry out the design of air heating systems, the use of cold, hot air mixing within the wellbore s, electrical installation at the wellhead heating steam boilers, air heaters and hot air channels and other facilities, will be delivered to the heated air heating wellbore after completion of the project to achieve improved utilization of steam, mixed air temperature reaches freezing standard, completely solve the condensate return Shaft cause secondary icing hazards. Secondly, for the northern winter, the temperature difference between day and night, frequent changes in temperature, and adjust the artificial wellbore temperature can not be accurate for this deficiency, carried out air heating design automation control system, to take the temperature sensor installed in the wellbore wall watering at ground installation workshop temperature controller, steam pipes installed electric control valve, the design uses self-tuning PID temperature control function within the relevant regulatory control of equipment operation, realized according to the outdoor temperature and the set temperature, all-weather “on demand“ compensation wellbore heat , the setting remains constant warm temperature, overcoming the artificial ice regulating waste risks and wellbore temperature error caused by steam, and the transation of the er borehole thermal energy-saving equipment compared to 51.5, reducing the labor intensity, so that the air heating equipment more stable reliable. This article is designed air heating automation control system in a coal mine in the actual process of application it indicates that the system is based on the outdoor temperature changes, to “real-time, proactive, precise,“ enter the wellbore compensation heat, warm the set temperature is kept constant, to achieve the air heating automation, intelligent control, reduce heating costs and improve the quality of 万方数据 ABSTRACT III the wellbore warm, ensuring transport safety wellbore winter. KEY WORDS Air heating automation; Control technologies; Energy saving temperature control; Warm antifreeze wellbore Dissertation type Research Category Subject source Other 万方数据 目录 IV 目目 录录 第第 1 1 章章 绪论绪论 .................................................................................................. 1 1 1.1 研究背景及意义 ...................................................................................................... 1 1.2 平顶山矿区某矿井概况 .......................................................................................... 2 1.3 空气加热设备的发展及现状 .................................................................................. 4 1.3.1 空气加热设备的发展 ....................................................................................... 4 1.3.2 井筒保暖设备现状 ........................................................................................... 6 1.4 本文研究内容 .......................................................................................................... 8 1.5 论文章节安排 .......................................................................................................... 9 第第 2 2 章章 空气加热技术在井筒的设计及应用空气加热技术在井筒的设计及应用 ............................................ 1111 2.1 矿井原有的保暖设施概况 .................................................................................... 11 2.1.1 矿井原有的保暖设施现状及存在问题 ......................................................... 11 2.1.2 空气加热方案设计原则及规范 ..................................................................... 12 2.2 空气加热器参数计算、分类及选型 .................................................................... 16 2.2.1 空气加热量的计算 ......................................................................................... 16 2.2.2 空气加热器的选型 ......................................................................................... 17 2.3 空加热设施安装施工技术要求 ............................................................................ 20 2.3.1 空气加热设备的安装及技术要求 ................................................................. 21 2.3.2 空气加热机房内机组的安装要求 ................................................................. 22 2.3.3 西斜空气加热站风道与斜井交汇施工安全技术措施 ................................. 23 2.4 本章小结 ................................................................................................................ 26 第第 3 3 章章 煤矿井筒空气加热自动控制系统设计煤矿井筒空气加热自动控制系统设计 ........................................ 2727 3.1 系统控制需求分析 ................................................................................................ 27 3.2 控制方案设计 ........................................................................................................ 28 3.2.1 自动控制系统设计方案 ................................................................................. 28 3.2.2 温度控制器 PID 原理及自整定 .................................................................... 29 3.3 控制系统工程设计 ................................................................................................ 31 3.3.1 硬件系统设备选型 ......................................................................................... 31 3.3.2 WDR2.O-1.25-Ⅱ电加热锅控制功能介绍 ..................................................... 38 3.4 自动控制设备安装及调试 .................................................................................... 42 3.4.1 自动控制设备安装及参数整定 ..................................................................... 42 万方数据 目录 V 3.4.2 空气加热自动控制系统调试运行 ................................................................. 50 3.5 本章小结 ................................................................................................................ 52 第第 4 4 章章 煤矿井筒空气加热自动控制系统工业性实验煤矿井筒空气加热自动控制系统工业性实验 ............................ 5353 4.1 工业性实验情况 .................................................................................................... 53 4.1.1 煤矿空气加热系统人工操作运行数据统计 ................................................. 53 4.1.2 空气加热自动控制系运行数据统计 ............................................................. 55 4.2 工业性试验结果 .................................................................................................... 57 4.3 本章小结 ................................................................................................................ 58 第第 5 5 章章 煤矿井筒空气加热自动控制系统效果分析煤矿井筒空气加热自动控制系统效果分析 ................................ 5959 5.1 经济效益分析 ........................................................................................................ 59 5.1.1 直接经济效益分析 ......................................................................................... 59 5.1.2 间接经济效益分析 ......................................................................................... 62 5.2 社会效益分析 ........................................................................................................ 64 5.3 本章小结 ................................................................................................................ 66 第第 6 6 章章 结论结论 ................................................................................................ 6767 6.1 总结 ........................................................................................................................ 67 6.2 展望 ........................................................................................................................ 68 参考文献参考文献 ...................................................................................................... 6969 致致 谢谢 .......................................................................................................... 7272 万方数据 第 1 章 绪论 1 第第1章章 绪论绪论 井筒是煤矿人员、设备、煤炭运输的重要运输通道，煤矿井筒井壁有淋水、 排水沟或排水管时，当井筒气温低于 0℃时，会使井壁、井筒内的罐道梁、电 缆、水管、提升容器等部位结冰，造成井筒的提升能力降低，通风截面变小，还 可造成卡罐、托罐闸开闭不灵活、防坠落保险失灵等事故，如较大的冰块坠落 时，会造成井筒运输及提升设备的损坏以及人员伤亡的重大事故，对矿井安全生 产造成严重影响[1]，长期以来，各矿采取了多种措施处理这一难题，如井筒口加 装暖气片，蒸汽直入井筒加热，井筒密封等保暖措施，但效果不甚理想，井筒结 冰现象时常发生，因此，搞好矿井井筒保暖，确保冬季矿井安全运输显得尤为重 要。 1.1 研究背景及意义研究背景及意义 煤矿行业是公认的高危行业，搞好安全生产是煤矿一切工作的基础，为矿井 生产、职工工作创建良好的安全生产环境是减少事故发生的根本条件[2]。井筒是 煤矿矿井的咽喉，是地面联系井下的重要通道，我国煤矿大多位于黄河以北，而 该地区冬季最低温度一般都在-10℃以下，井筒是冬季受严寒天气影响最为严重 的地点，也是煤矿安全防范的最薄弱的环节。因为井筒一般都要穿过地下含水 层，井壁淋水是可避免，当井壁淋水与温度低于 0℃的冷空气相遇时，就会在井 筒壁形成冰凌甚至冰瘤，对矿井的安全运输及人员安全造成严重影响。 我国受严寒气候影响严重的北方地区大、中型煤矿矿井在设计初，一般都会 考虑在井口安装保暖设施，由于煤矿产能的不断提高，煤矿矿井进风量的不断增 大。这时大多煤矿都忽视了井口加热设施的升级改造，冬季气温骤然下降人工操 作保暖设备不当，或者加热设备出现故障等原因都会使井筒发生结冰现象[3]。冬 季井筒结冰会造成诸如以下严重危害 （1）井筒内结冰会使井壁和提升容器之间的间隙变小，结冰严重时会导致 容器与井壁冰层发生摩擦，严重影响矿井的正常生产。 （2）井筒内结冰会导致排供水管路内的存水结冰，影响矿井排供水。 （3）井筒内敷设的供电电缆和信号、通讯电缆表面结冰，随着接冰层的加 厚，其重量增加会造成电缆及支架断裂，使矿井供电、通讯中断引发安全事故。 （4）巷道壁和轨道上如形成冰凌，极易造成矿车掉道，跑车事故，在有人 乘坐的立井罐笼，罐道梁结冰，极易造成坠罐伤人事故。 （5）井筒内结冰最大的危害不是在结冰的初期，而是天气回暖冰瘤融化 万方数据 河南科技大学硕士学位论文 2 时，由于温度升高，依附在井壁和提升容器表面的冰层会突然垮落，轻则会造成 井筒设备的损坏，严重的会引发断绳，提升容器坠落的重大事故。 （6）井筒结冰严重时急需生产设备不能按时运到采掘一线，影响生产等。 如 1990 年 2 月 5 日,江苏省徐州矿务局旗山煤矿某井筒维修工,在罐笼帽上 整理井筒提升的钢丝绳时,被井壁坠落的冰块砸伤致死；2008 年 1 月因长期冷冻 天气造成江西丰城 21 个煤矿停电，使 132 名矿工相继被困在井下，经过全力救 援，1 月 27 日被困矿工全部脱险，丰城市决定从 26 日起停止该市全部煤矿的井 下作业；在 2008 年 2 月 17 日，神华宁煤集团金能煤矿一采 IX6 0 0 米南翼立 风井发生井壁结冰突然垮落致使一人死亡[4]等等，这些事故惨痛，教训深刻。 国家安全生产管理总局局长李毅中强调“所有煤矿都要制定防范雨雪冰冻 等自然灾害引发事故灾难的应急预案。”防止因恶劣天气引发安全事故等次生灾 害，安监总局要求如果煤矿供电系统发生故障，矿井停电停风后要立即撤人，重 新送电送风前一定要监测瓦斯浓度，必须按规定要求采取安全防范措施。为此井 筒的防冻保暖设施与矿井防瓦斯、防水一样，是煤矿安全生产中不可缺少的安全 设施。许多煤矿对突发生的结冰现象，都专门制定井筒防冻应急管理措施，确保 冬季井筒安全运行，但这些措施治标不治本，不能从根本上消除井筒结冰现象。 依据煤矿安全规程读本释义的第一百零二条规定“冬季,北方地面空气 温度较低,寒冷空气进人井筒后遇到井筒淋水和潮湿空气,容易在井壁,罐道梁等处 结冰,堵塞井筒的部分断面,并对提升设备和人员的安全构成严重威胁,曾发生罐道 梁上的冰凌突然坠落并穿透罐顶的恶性事故.因此,寒冷地区的进风井口都应安设 空气预热设施, 以保证进风井口以下的空气温度在 2℃以上。”还有煤炭工业 矿井设计规范GB 50215-2005 规范第 13.8.1 条的规定“采暖室外计算温度≤- 4℃地区的进风立井、≤-5℃的地区的进风斜井、-6℃地区的进风平硐，当有井 壁淋水、排水沟或排水管时，应设空气加热设备。”[5] 为此，按照煤矿安全规程要求，本文将针对平煤某矿井开展空气加热自 动化系统设计。 1.2 平顶山矿区某矿井概况平顶山矿区某矿井概况 平顶山矿区某矿井位于河南省西部沙河和汝河之间的低山丘陵地带，地面 海拔标高 200500m，该矿区的北西、北东、南东及南部边界受到数千米以上 的洛岗断层、郏县断层、襄郏断层以及鲁叶断层的切割，形成相应独立的水文地 质结构，煤田周围是数百米的第四系沉积物。北东部地区的首山，灵武山以三叠 系砂岩及平顶山砂岩构成弧山，西南部地区寒武系灰岩零星出露，形成残丘，岩 万方数据 第 1 章 绪论 3 溶裂隙发育，为大气降水的渗入创造了有利条件[6]。该煤矿主、副井井筒内有多 处裂隙出现的渗水，在距离井口深 30 米至 150 米处有明显涌水点五处，井深 60 米左右有 2 处明显的涌水，总涌水量估测在 24m3/天左右，虽巷道内设有排水 沟进行引流，但距离井筒 60 米处井壁上方淋水仍较为严重。 平顶山煤田位于河南省中西部地区，属大陆性半干旱气候，夏季炎热，冬季 寒冷，四季分明。近 4 年来平顶山气象平均气温 14.9℃，最高气温 42.6℃，最 低气温－10℃，年平均降雨量 794.6mm。冰冻期一般为 11 月到次年 3 月。最大 冻土深度 14mm，冬季多北风和西北风，最大风速 24m/s，平均风速 2.8m。从平 顶山近 4 年冬季温度统计表如表 1-1 所示，历年极端最低温度均有小于-6℃的情 况。由此根据 GB50215-2005 规范规定，平顶山矿区矿井井筒应设防冻设施。 表 1-1 顶山近 4 年的冬季温度统计表 Tab. 1-1 Statistics of winter temperature in Ping ding shan in recent four years 年份 月份 平均最高温度 平均最低温度 极端最高温度 极端最低温度 2011 1 4℃ -5℃ 9℃01-31 -10℃01-16 2 9℃ -1℃ 17℃02-24 -5℃02-14 3 15℃ 4℃ 24℃03-31 -2℃03-03 12 7℃ -1℃ 12℃12-14 -3℃12-24 2012 年 1 5℃ -3℃ 11℃01-31 -10℃01-21 2 7℃ -1℃ 14℃02-21 -5℃02-02 3 14℃ 4℃ 24℃03-27 2℃03-19 12 14℃ 4℃ 24℃03-27 2℃03-19 2013 年 1 5℃ -3℃ 14℃01-25 -7℃01-04 2 8℃ 0℃ 18℃02-23 -5℃02-07 3 17℃ 7℃ 28℃03-08 1℃03-02 12 10℃ -1℃ 16℃12-03 -6℃12-26 2014 年 1 11℃ -0℃ 17℃01-30 -5℃01-17 2 6℃ -1℃ 17℃02-02 -9℃02-11 3 19℃ 8℃ 28℃03-27 1℃03-01 万方数据 河南科技大学硕士学位论文 4 平顶山矿区某矿井通风系统的基本情况。煤矿井筒通风方法一般分为自然通 风及机械通风两种形式。自然通风是通过自然风压使空气在巷道中自然流通，山 区的小煤矿在建井初期主要采用。机械通风分为抽出式通风（也叫负压通风）与 压入式通风（也叫正压通风）[7]。 平煤股份有限公司某煤矿矿井通风方式为机械抽出对角混合式通风，通风方 法为抽出式，三平水平进风井进风，由西翼回风井和三水平回风井回风。有两个 主要进风井，一个主井为立井管子井，立井截面 12.5m2，进风量 2000m3/min， 风速 4m/s；一个副井为斜井，井筒截面 6-7m2，进风量 1800m3/min，风速 5- 6m/s 。 该 矿 井 风 量 及 风 压 全 矿 总 进 风 量16605m3/min ， 总 排 风 量 17528m3/min。其中西翼回风井担负二水平庚一采区、己二采区和己一采区，总 进风量 8963m3/min，总排风量 9766m3/min，风压 2500Pa 等；三水平回风井担负 二水平庚三采区和三水平庚一采区，总进风量 7642m3/min，总排风量 7762m3/min，风压 1760Pa。西翼回风井安装两台风机型号为 BDK618-8-№30 型 高效对旋轴流式主要通风机，配套电机型号 YBF630-8，功率 2560KW，一台 工作，一台备用，现西翼回风井主要通风机叶片运行角度为-6。三水平回风井 安装两台风机型号为 GAF28-16-1FB 型液压动叶可调轴流式主要通风机，配套电 机型号 Y560-8，功率 1000KW，一台工作，一台备用，现三水平回风井主要通 风机叶片运行角度为-8。 本文将针对该矿井抽出式通风实际情况进行空气加热自动化技术的研究与应 用。 1.3 空气加热设备的发展及现状空气加热设备的发展及现状 空气加热器是运用十分广泛的一种加热器，一般的都称其空气加热器，其实 可以按照加热气体的不同又细化分为许多类型，常用的有氢气加热器，氮气加热 器。这些又可以称为管道式气体加热器，现在已广泛使用到航空航天、化工工 业、兵器工业与高等院校等很多科研生产试验室。该空气加热器十分适合在自动 控温及大流量高温联合系统与附件试验。空气加热器使用的范围很广能够对任 何气体进行加热，所产生出的热空气具有干燥无水、不燃烧、不导电、不爆炸、 无污染、无化学腐蚀性、被加热空间升温快、安全可靠等优点。 1.3.1 空气加热设备的发展空气加热设备的发展 十九世纪制造的空气加热器比较拙劣的，最早出现的加热器适用于生活，如 1893 年电慰斗的雏型最早在美国生产并使用，后来到 1909 年发明电灶并使用， 那是在炉灶里面放入加热器，也就是加热方式从柴禾加热转移到电气加热，即从 万方数据 第 1 章 绪论 5 电能转换为热能。空气加热器工业真正的快速发展时期，是用作在电热元件的镍 铬合金发明后。在 1910 年美国最早研发成功使用镍铬合金电热丝制造的电加热 器，从根本上改变了空气加热器的结构，使用空气加热器快速得到推广。1925 年在日本研制出在锅炉内安装电热元件的产品，使其成为现代空气加热器的原 形。在这期间工业上出现实验使用的电炉，暖气器、熔胶炉等电加热产品。1910 年到 1925 年是空气加热器史上的发展迅速的阶段，在工业及家庭方面，各种类 型的出现及普及和应用得到了快速发展，特别以家庭应用方面为甚，所以发明镍 铬合金是奠定空气加热器工业发展的根本，早期空气加热器雏形如图 1-1 所示。 图 1-1 早期空气加热器雏形 Fig. 1-1 Early air heater 二十年代以后加热器在应用及发展上没有上时期多，而在这期间各种加热器 都不断进行改良和设计，是空气加热器发展史上的提高阶段。在工业应用领域， 与家用加热器一样，应用了自动控制装置和选用良好的材质，如熔铅炉、熔腊锅 及各种大型烘炉、热处理炉等全都得到广泛的提高和应用。 我国供热工业的发展经历了由照搬前苏联的供暖技术到结合中国国情，逐步 形成我国在供热领域的从设计、生产、施工、运行、管理、检测等过程的规范性 标准文件，在规模经历了由小到大，水平上从低到高的发展阶段。新中国成立以 万方数据 河南科技大学硕士学位论文 6 后，我国的供热技术发展迅速，从 20 世纪 50 年代建设热电厂，到建立城市集中 供暖系统，但是其主要供暖技术和设施都是从原苏联仿制或学习的。到 60-70 年 代，按照“独立自主，自力更生”方针的实施，供暖技术从仿制国外产品转向自 主开发。我国供热技术在 20 世纪的 80 年代进入快速发展阶段[8] 。一方面对全 国 20 万台效率低、能耗高的小锅炉进行改造，国家有关部门制定了一系列政策 及行业标准推动了集中供热的发展，并进一步规范了行业市场，1987 年国家计 划委员会对工业企业采暖通风和空气调节设计规范TJ19-1975进行修订完 善后改为采暖通风和空气调节