冷热电联供系统在煤矿降温系统中的应用.pdf

DOI 10． 13347/j． cnki． mkaq． 2014． 02． 32 冷热电联供系统在煤矿降温系统中的应用 陈孜虎， 姬建虎， 曾明明 1． 中煤科工集团重庆研究院有限公司， 重庆 400037; 2． 瓦斯灾害监控与应急技术国家重点 实验室， 重庆 400037 摘要 在冷热电联供系统集成技术的基础上， 提出了冷热电联供模式的矿井降温系统的设计方 案和基于 PLC 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 WinCC 编写，实际 运行情况表明， 冷热电联供系统运行平稳、 能源利用效率高。 关键词 冷热电联供; 热害矿井; 矿井降温; PLC; 系统集成 中图分类号 TD727文献标志码 B 文章编号 1003 －496X 2014 02 －0100 －02 Application of Combined Cooling Heating and Power System in Mine Cooling System CHEN Zihu， JI Jianhu， ZENG Mingming 1． China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Ｒesearch Institute， Chongqing 400037，China; 2． State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology，Chongqing 400037，China Abstract On the basis of integration technology of combined cooling heating and power system CCHP ，the article proposes mine cooling design scheme based on CCHP and mine cooling control scheme based on the PLC controller and industrial computer． The con- trol program is compiled with WinCC software． Actual operation shows that CCHP system runs smoothly and has high energy efficiency． Key words CCHP;heat damage mine;mine cooling; PLC; system integration 基 金 项 目 “十 二 五 ”科 技 部 科 技 支 撑 计 划 资 助 项 目 2012BAK04B00 1矿用冷热电联供系统构成 矿用冷热电联供系统主要由发电部分、 余热利 用部分、 管道与高压水降压装置构成。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; 由于冷冻水从煤矿地面输 送至降温采掘面的垂直深度导致水的静压超过末端 空冷器的承压能力， 因此必须先将压力降低到空冷 器的承压范围内， 才能供给空冷器使用， 就需要采用 高压水降压装置; 高压水降压装置包括高低压换热 器和高低压转换装置。地面集中制冷降温系统的工 艺流程为 地面降温制冷站将制取的冷冻水通过保 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 10 MPa 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， 需经高低压转换装置将高压水降压至空冷器能 够承受的范围， 然后将低压冷冻水输往空冷器使用。 由于有电站余热可供使用， 地面制冷站设置 1 套溴化锂吸收式制冷机组， 利用发电乏汽将冷冻水 降温至5 ℃左右， 然后经过一级电制冷机组， 将冷冻 水温度进一步降低至 2． 5 ℃左右; 冷冻水通过保温 管道输往井下高低压转换装置硐室。降压后的冷冻 水经过空冷器之后温度上升至15 ℃左右， 通过井下 循环水泵将回水输送到高低压转换装置增压后输送 至地面制冷站， 形成闭合的循环回路［1 ］。 2矿井降温系统部分的控制方案及硬件 2． 1系统控制方案 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。 液压控制阀门的控制原理是根据系统的流量， 计算出腔体充满和排空的时间， 然后根据腔体的温 度和压力， 确定液压阀门的开关逻辑时序。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 60 p n 1 001 第 45 卷第 2 期设计开发 式中 Q 为泵的流量; n 为电机转速; f 为频率; p 为磁极对数。 由式 1 可知， 泵的流量和频率成正比。 2． 2控制系统硬件 控制系统的硬件包括 工控机， 西门子 DP 系列 通讯模块， PLC 控制单元 S7 －200 ， 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。 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; 它由一段直管道、 流量 传感器、 进出水温度传感器和电动调节阀等组成 矿用冷热电联供系统井下控制系统如图 1。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 3 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， 采用 PＲOFIBUSDP/MPI 工业总线方式采 集系统的运行参数。 图 1矿用冷热电联供系统井下控制系统 3系统软件设计 采用组态软件 WinCC 编写通讯程序、 控制程序 及监控页面， 并完成数据的存储与实时查阅。由于 组态软件具备强大的网络扩展功能， 因此可以满足 用户在今后网络化升级及更多的数据采集需求。组 态软件 WinCC 还可以通过接口程序实现对不同软 件程序的兼容 ［2 ］。 WinCC 采用了 32 位技术的过程监控软件， 具 有良好的开放性和灵活性。无论是单用户系统， 还 是多用户系统， WinCC 均是较好选择。通过 Ac- tiveX， OPC， SQL 等标准接口， 可以 WinCC 与其它软 件进行通信。WinCC 与 S7 － 200 系列 PLC 的通 信 ［3 －4 ］， 可以采用 PPI 或 Profibus 通信协议。 控制软件由工程浏览器、 工程管理器和画面运 行系统 3 部分组成。通过工程浏览器可以查看工程 的各部分的组成， 也可以完成数据库的构造、 定义外 部设备等工作。 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， 而 且具有数据打印和输出， 系统故障报警等功能。 4使用效果 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 16 MW， 冷冻水进水温 度一般为 3． 5 ℃， 回水温度一般为 18 ℃左右， 具体 温度视运行负荷而定。 瓦斯发电机组运行稳定， 发电可供矿方直接使 用或并网运行; 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， 效果良好， 机组运行平稳， 制冷机组的进回 水温度为 18 ℃和 5 ℃; 热水还可供应给热水用户。 工作面干球温度可以降到28 ℃以下， 湿球温度 降到 25 ℃以下， 湿度降到 76 ～90; 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， 又能够最大限度的节约能耗。 5结语 实际运行情况表明， 冷热电联供系统运行平稳、 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。 参考文献 ［ 1］ 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 309． ［ 2］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． ［ 3］ 甄立东． 西门子 WinCC V7 基础与应用［ M］ ． 北京 机 械工业出版社， 2011． ［ 4］ 西门子中国有限公司． 西门子 PLC S7 －200 使用说明 书［ S］ ． 作者简介 陈孜虎 1983 － ， 男， 硕士， 主要研究方向为 工程热物理、 矿井降温工艺及设备等。 收稿日期 2013 －04 －26; 责任编辑 李力欣 101 设计开发 2014 －02