分布式能源系统在煤矿上的应用研究.pdf

2 0 1 3 年第 8 期2 0 1 3 年 8 月 收稿日期2 0 1 3 - 0 6 - 0 5 基金项目科技部“十二五”科技支撑计划项目 （ 2 0 1 2 B A K 0 4 B 0 0） 第一作者简介陈孜虎，1 9 8 3 年生，男，安徽阜阳人，2 0 1 0 年毕 业于重庆大学动力工程及工程热物理专业，硕士，工程师。 分布式能源系统在煤矿上的应用研究 陈孜虎，姬建虎，董浩民 （ 中煤科工集团重庆研究院 （ 瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室 ），重庆 4 0 0 0 3 7） 摘要 在对分布式能源利用系统集成技术进行研究的基础上，提出了分布式能源利用模式的矿井降温系统的设计方 案和基于 P L C控制器和工控机的井下降温系统控制方案；控制系统软件采用 Wi n C C编写，针对水系统的大滞后与大延 迟，提出了预测神经网络控制算法，改善了系统控制品质；为分布式能源利用系统在煤矿上的应用提供了理论指导。 关键词 冷热电联供；热害矿井；矿井降温 中图分类号 T D 7 2 7文献标识码 A文章编号 2 0 9 5 - 0 8 0 2 - 2 0 1 3 0 8 - 0 0 0 1 - 0 2 Research and Application of Distributed Energy in Mine CHEN Zi-hu，JI Jian-hu, DONG Hao-min Chongqing Research of China Coal Technology Engineering Group Corporation；National Key Laboratory of Gas Disaster Detecting, Preventing and Emergency Controlling, Chongqing 400037, China Abstract Based on the study of the integration technology of the Distributed EnergyDE, its proposed that the mine cooling design schedule is upon the DE. Its designed the centralized control system which is based on the PLC unit and industrial com－ puter. The control program is made with WinCC software. Owing to the large Pure-time Delay and large inertia, i. e. in the sys－ tem, a control policy, which unifies the neural network and the predictive control, is applied and it is improved the control quality, and increase the stability of the system. Key words DE；hot mine；mine cooling （总第 9 5 期 ） 0 引言 中国煤矿的开采过程中产生大量的伴生资源，如 矸石、瓦斯等；另外，据中国煤田有关资料统计，百 米地温梯度为 2℃/ 1 0 0m 4℃/ 1 0 0m ，埋深大于 10 0 0m的煤炭资源占全国预测总量的 5 9 . 5 [ 1 ]，随 着矿井开采深度的增加，矿井热害也越来越严重；根 据 煤矿安全规程 的规定，生产矿井采掘工作面空 气温度不得超过 2 6℃，机电设备硐室的空气温度不 得超过 3 0℃。采掘工作面的空气温度超过 3 0℃、 机电设备硐室的空气温度超过 3 4℃时，必须停止作 业。从能源综合利用的角度分析，建立分布式能源系 统可以有效解决矿井的电力、制冷、供热的需求。建 立了矸石、瓦斯电站为矿山的日常运行提供电力，利 用电站余热可以为吸收式制冷机组提供制冷驱动热源 用来制冷，满足矿井地面和井下的降温需求。高品位 热能用来发电，低品位的热能用于采暖制冷以及生活 热水等，它的能源综合利用效率可达 8 0 以上[ 2 ]，实 现了能源的“温度对口、梯级利用” 。 1 矿用分布式能源系统集成 矿用分布式能源系统主要由发电部分、余热利用 部分、矿井降温部分等构成。发电部分包括煤、矸石 电站和瓦斯发电机组等；余热利用部分主要是指吸收 式制冷机组；矿井降温部分包括管道、高压水降压装 置、末端空冷器及其它配套设备构成。地面冷冻水通 过保温管道输送至井下，由于从地面到井下垂直深度 达到千米左右，因此水的静压将达到 1 0M P a 左右； 冷冻水的压力远远超过了末端空冷器的承压范围。所 以，需经高压水降压装置将冷冻水压力降低后才能够 供空冷器使用。冷冻水通过保温管道输往井下高压水 降压装置，冷冻水经过空冷器之后，通过井下循环水 泵将回水通过高压水降压装置增压后输送至地面制冷 站。其流程图如图 1 所示。 2 矿井降温部分的控制方案及设计 该系统的控制对象有液压阀门、低压侧循环水 泵、补水系统水泵、系统的进回水流量和末端空冷器 水流量等。 本刊特稿 1 2 0 1 3 年 8 月2 0 1 3 年第 8 期 （下转 3 3 页 ） 循环水泵变频控制原理是根据制冷负荷所需要的 冷冻水流量，从而对应相应水泵转速，水泵的转速和 变频器的频率一一对应，流量、转速和频率之间的关 系如下 Q∝n f 6 0 p n，（ 1） 式 （ 1） 中 Q 为泵的流量，n 为电机转速，f 为频率， p 为磁极对数。由上述公式可知，泵的流量和频率成 正比。 控制系统的硬件包括工控机、西门子 D P系列 通讯模块、P L C控制单元 （ S 7 - 2 0 0），液压站，温度、 压力、流量传感器，低压侧循环水泵变频器、补水系 统水泵变频器和末端流量调节管道等，所有的电气设 备均应满足煤矿井下使用的防爆标准 G B 3 8 3 6 - 2 0 1 0 规 定的要求。其中末端流量调节管道的作用是根据空冷 器的负荷控制冷水流量的大小，达到冷水流量和降温 负荷相匹配、降低能耗的目的。 控制系统由数据采集模块和控制输出级、现场控 制级和远程控制级三部分组成。其中，数据采集模块 与执行机构、传感器、工控机的连接，采用数字量信 号直接通讯。 3 系统控制策略与软件设计 针对高低压转换装置系统的特性，提出了基于神 经网络与预测控制相结合的控制策略；提高了控制系 统的稳定性，改善了控制品质。 监控程序包括数据采集模块、数据分析与处 理、存储、通讯、曲线显示、参数用户显示界面等， 具有数据打印和输出、故障报警等功能。 3 . 1 系统的控制策略 控制策略选择基于 E l m a n 神经网络的预测控制算 法[ 3 ]，由于水系统比较庞大 （ 井下水系统通常有数千 米 ），因此存在响应速度慢，是典型的大滞后系统。 目前普遍采用的 P I D控制方式显然无法解决大滞后的 问题，P I D对制冷机组系统的控制不管是稳定性，还 是响应速度都很难满足控制的实际需求；S m i t h 预估 控制从理论上较好地解决了纯滞后系统的控制问题， 但是精确的数学模型往往很难获得，甚至无法获得。 因此，本文提出了基于 E l m a n 神经网络的预测控制算 法，它在非线性逼近特性、自学习能力、预测控制的 滚动优化和反馈校正等方面具有很大的优势。在建立 模型时，不需要被控对象的精确数学模型，便能够实 现对大滞后系统的自适应控制。 3 . 2 操作软件程序 采用 Wi n C C组态软件[ 4 - 6 ]编写的操作界面友好、 直观、可视化供能强大，操作人员易于掌握，培训简 单。为系统的良好运行提供必要的软件支撑。监控软 件具有系统各设备的运行状态监控、报警和逻辑控制 等功能，并可显示故障列表。 4 使用效果分析 以淮南丁集矿为例说明矿用冷热电联供系统的应 用效果。丁集矿制冷量为 1 6M W，冷冻水进水温度 一般为 3 . 5℃，回水温度一般为 1 8℃左右，具体温 度视运行负荷而定。发电机组烟气余热经余热锅炉之 后产生蒸汽或者热水，然后作为吸收式制冷机组的热 源制冷，制冷机组的进回水温度为 1 8℃/ 5℃；余热 锅炉还可以为矿区热水用户提供热水，比如澡堂、食 堂等。 煤矿井下采掘工作面干球温度降到 2 8℃以下， 湿球温度降到 2 5℃以下，湿度降到 7 6 9 0 ；实际 降温幅度最大达到 5℃ 8℃，使得工作面的温度和 湿度都降到人体感觉舒适的水平，大大改善了井下的 作业环境，提高了劳动生产率；另外，控制系统可以根 据人体的感觉温度来调整降温幅度的大小，从而既达到 工作面的降温需要，又能够最大限度地节约能耗。 5 结语 实际运行情况表明，分布式能源利用系统运行平 稳、能源利用效率高。煤矿的电厂余热、溴化锂吸收式 机组等形成冷热电联供系统，达到能源“品位对口、梯 级利用”的目的，对于煤矿的能源综合利用、降低制冷 设备的电耗有着重要的意义。因此，对于具有火力发电 厂 （ 如瓦斯电厂、矸石电厂等 ）、井下热害较严重的煤 矿，分布式能源利用系统具有很大的推广价值。 图 1 矿用分布式能源系统的矿井降温流程图 高压蒸汽 0 . 3M P a 0 . 4M P a 蒸汽→ 发电机汽轮机 凝汽器地面 2 . 5℃→ 1 5℃ → 1 5℃ 5℃ 图例 空调冷冻水 空调回水 5℃ 3℃ 高压水降压 装置 1 5℃ → → → → →→ → → 空冷器空冷器空冷器 2 2 0 1 3 年第 8 期2 0 1 3 年 8 月 参考文献 ［1］ 王永炜.中国煤炭资源分布现状和远景预测 ［J］ .煤， 2007 （5 ） 44-45. ［2］ 华贲， 赖元楷.优化利用天然气资源大力建设分布式能源 站 ［J］ .能源政策研究， 2003 （5 ） 42. ［3］ 杨德源， 杨天鸿.矿井热环境及其控制 ［M］ .北京 冶金工业 出版社， 2009. ［4］ 马宝萍， 徐治泉.基于改进的 Elman 网络的内模控制及其应 用 ［J］ .热能动力工程， 2000 （7 ） 429-431. ［5］ 刘华波， 王雪， 何文雪.组态软件 WinCC 及其应用 ［M］ . 北京 机械工业出版社， 2009. ［6］ 甄立东.西门子 WinCC V7 基础与应用 ［M］ .北京 机械工业 出版社， 2011. （责任编辑 刘倩倩 ） （上接 2 页 ） 制定好检测的规范制度，做好超前的准备工作，并要 做到定期检测和对设备运行的检查； b） 定期检测变电所电气保护及接地保护； c） 开展故障诊断和预报预测工作，可利用先进 的技术手段进行检测，通过检测来确保设备的正常 运作。 3.3.2加强考核力度切实落实责任 要想落实好检测责任，首先要落实好设备检修的 包机、包片责任制，把设备进行分片分批划分，每个 小组负责不同的设备检修工作，还可以采用上岗巡回 的检查制度；其次要加强机电设备的现场检查力度， 对现场设备进行开机检测，还要定期对设备的运行温 度进行检测，做好超前检测检查工作。 3.3.3把技术人员的业务素养作为重中之重 坚持以人为本的原则，积极采取“请进来和走出 去”的人才培养战略，培养出一大批优秀的技术人 员；定期对机电技术工作人员进行职业培训，坚持理 论与实际相结合的原则，切实提高他们的工作水平； 加强对技术人员的考核力度，对他们的工作情况、学 习情况进行不定期的抽查检查，还要对他们的工作进 行定量考核，对有突出表现的技术人员采取特殊奖励 的激励措施，激发技术人员的工作积极性，形成一种 良好的工作氛围。加强机电技术管理人员培训，落实 责任制，全面提高术管理水平。 a） 投入资金、时间，对技术人员进行培训，借 助现代网络技术，使培训更加的形象和生动，从而调 动学员的学习积极性，使理论与实践有机地结合在一 起，增强技术人员自身的实践应用能力； b） 机电设备技术人员是技术管理的主体。实施 技术人员责任制，不仅可以有效解决煤矿生产中的相 关问题，而且还可以充分发挥技术人员自身的作用； c） 为有效提高技术管理水平，应当严格落实机 电技术文件审批机制，逐级把关、分级负责，并且加 强对科技情报检索、技术资料累计的重视。 3 . 4 全面提高机电技术管理队伍整体素质 机电技术人才培养过程中，建议聘请实践经验比 较丰富的人员对其进行专门的业务技能培训，全面提 升机电设备技术管理人员自身的业务素质、文化水 平，保障机电设备技术管理人员能够对设备操作规程 更加的熟练，从而确保机电设备管理工作的顺利进 行。在此过程中，还要充分保护和尊重机电技术人 才，尤其对做出突出表现的个人，应当给予奖励，以 此来调动机电人员的积极性，从而提高机电技术管理 队伍的整体素质。 4 结语 总之，在煤矿企业的生产中，安全生产是永远不 变的主题。要想谋求企业的长足发展，必须要确保安 全生产。煤矿机电技术管理工作的发展，在很大程度 上为煤矿安全生产提供了可靠的保障，推动了煤矿企 业的发展。但是机电技术管理工作中仍然存在着许多 不足，对安全生产造成一定影响，因此要加强机电技 术管理工作，坚持理论联系实际的原则，不断进行改 革创新，把技术管理切实落实在煤矿企业的生产中， 保证安全生产的同时促进企业长远健康的发展。 参考文献 ［1］ 宋占文.煤矿机电技术管理在煤矿安全生产中的应用 ［J］ .内 蒙古煤炭经济， 2012 （11 ） 12-13. ［2］ 林继飞.煤矿机电技术管理在煤矿安全生产中的应用 ［J］ .民 营科技， 2012 （5 ） 46-47. ［3］ 陆宏新.煤矿机电技术管理在煤矿安全生产中的应用 ［J］ .企 业导报， 2011 （7 ） 22-23. ［4］ 李俊.煤矿机电技术管理在煤矿安全生产中的应用 ［J］ .硅 谷， 2010 （3 ） 18. ［5］ 刘文科.浅论煤矿机电技术管理与煤矿安全生产 ［J］ .中国科 技博览， 2013 （8 ） 59. （ 责任编辑刘倩倩 ） 张有双 煤矿机电技术管理在煤矿安全生产中的应用 3 3