爱华网煤矿井下瓦斯抽采泵站
在线监控系统
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术
方
案
书
郑州广众科技科技发展有限公司
目录
1前言
本方案在遵循先进性、实时性、高可靠性、灵活性与经济性等设计原则的基础上，充分考虑了三河口煤矿的实际使用需求，在满足实用性要求的前提下，力争以最优化规划，最节省的投资完成三河口煤矿瓦斯抽放监控系统的建设，并确保三河口煤矿瓦斯抽放监控系统先进性和经济性得到最佳组合。
2需求分析
瓦斯抽放监控系统的建设，是提供煤矿瓦斯综合治理，实现煤矿安全生产的基础系统之一。为保证瓦斯抽采系统可靠运行，加快煤矿瓦斯抽采利用，促进煤矿安全生产形势稳定好转，为创建安全、高效、现代化矿井提供技术支撑。通过了解瓦斯抽采系统运行动态、从而更加有效管理及优化瓦斯抽采系统。
2.1系统需求
本工程瓦斯抽放监控系统的设计须具有以下功能：
1)井下瓦斯抽采泵站监测监控系统接入矿井现有的瓦斯监控系统；
2)瓦斯抽放监控系统的各项数据和信息资源与矿井瓦斯监控系统共享；
3)实现泵站各项工况参数的在线监测；
2.2工程建设需求
本工程建设时，由于瓦斯抽放监控系统接入矿井KJ90NA瓦斯监控系统，所以不再增加监控主机及相关辅助设备，只需增加监控终端。
3设计原则及依据
3.1设计原则
在对瓦斯抽放监控系统的设计过程中，我们充分考虑了用户实际应用的需求，使用目前成熟、稳定且先进的技术，来整体规划和设计系统方案结构。系统将遵循以下原则：
1、先进性
系统既要采用先进、成熟的气体流量和瓦斯浓度检测技术，确保设备满足应用的需求，又要注意结构、设备等的相对成熟度。要求采用的设备、技术不但能反映业界的先进水平，而且具有一定的前瞻性，在未来若干年内能占主导地位。
2、实时性
由于瓦斯抽放对于煤矿安全生产的重要性。因此，在设计上应保证系统对瓦斯抽放工况监测参数的实时数据处理能力。
3、高可靠性
实时监控的不可间断性决定了在系统设计中必须考虑提高设备运行的可靠性；因此，在系统结构、技术措施、设备性能、系统管理、厂商技术支持及维修能力等方面着手，确保系统运行的可靠性和稳定性。
4、灵活性
整个系统必须满足便于安装、便于管理、便于维护、便于使用的要求。
5、经济性
在一定的资金资源下，尽量有效地利用，以适当的投入，建立一个尽可能高水平的、完善的瓦斯抽采监控系统。所有设备的选型配置和采购订货，坚持性能价格比最优的原则，同时兼顾供货商的资信度和维修服务能力。
3.2设计依据
完善的设计方案要有坚实的设计依据和基础，本次瓦斯抽放监控系统的建设重庆研究院严格遵循以下煤矿行业相关设计规范及标准进行本方案的设计：
Ø《煤矿安全监控系统通用技术要求（AQ6201-2006）》
Ø《煤矿安全监控系统及检测仪器使用管理规范》(AQ1029-2007)
Ø《爆炸性环境用防爆电气设备通用要求》
Ø《爆炸性环境用防爆电气设备本质安全型电路和电气设备要求》
Ø《煤矿安全规程（2010版）》
Ø《煤矿安全质量标准化标准》
Ø《煤矿瓦斯抽放规范（AQ1027-2006）》
Ø《KJ30型瓦斯抽放监控系统产品企业标准》
Ø《煤矿安全监控系统软件通用技术要求(MT/T1008-2006)》
Ø《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》
4项目概况
井下瓦斯抽采泵站一共3台瓦斯抽采泵，1趟进气管，1趟出气管，管径为DN200mm，泵进水管管径暂定为DN100mm。
泵站一个设置2个水池，1台循环水泵。
5主要安装设备配置
为了保障煤矿瓦斯系统运行的安全性和可靠性，为其配套可靠性高，计量精确且运行稳定的瓦斯抽放监测监控系统是必不可少的。根据《4、项目概况》的瓦斯抽放系统的总体情况说明，对如下项目进行监测。
5.1参数监测
1)主进气管路里安设管道红外瓦斯传感器、管道一氧化碳传感器、V形锥流量传感器各一台；
2)进气管路、出气管路防回火装置各安设压差传感器一台；
3)泵房内安设环境瓦斯传感器4台；
4)瓦斯泵站下风侧栅栏外设置一台甲烷传感器；
5)泵房内安设环境温度传感器一台；
6)每台抽放泵安设开停传感器、缺水传感器、泵轴温传感器；
7)每台抽放泵电机安设轴温传感器；
8)每台循环水泵安设开停传感器一台；
9)两个水池分别安设水位传感器、水温传感器各一台；
10)瓦斯泵总进水管安设水压传感器一台；
11)泵房安设2台监控分站。
5.2被控设备
瓦斯泵（电机）的缺水保护控制，环境瓦斯超限自动报警控制。
6系统结构
6.1系统组成
本系统全称为KJ30瓦斯抽放监控系统，它是集瓦斯抽采及利用、计量监测、设备控制于一身，主要针对煤矿瓦斯抽采及利用中的管道工况参数、环境参数、供水参数、供电参数、供气参数等进行实时监测及部分参数计量，并根据以上参数对瓦斯抽放泵、加压泵、水泵、冷却塔和管道阀门等设备进行自动控制，最终实现瓦斯泵站的无人值守。系统能够独立运行，也可以接入综合监控系统平台。
在本系统中监测和监控功能有机结合为一个整体系统功能，数据共享方便、快捷、有效，各层次之间的数据传输稳定、可靠。
监测功能由所有传感器分别实现，然后通过监控柜采集整理并上传数据至中心站，最后通过Web站点方式实时发布监测数据，实现远程网络监测的全部功能。
监控功能则依靠监测所得各项数据，实时判断是否满足控制条件，以上位机运算和下发控制指令、PLC可编程控制箱接收指令并动作为核心实现全自动远程监控的全部功能。
6.2系统结构
KJ30瓦斯抽放监控系统采用应用管理、显示控制、检测与执行三层结构。其中应用管理层：上位机负责实时监控整个抽放系统所有设备的运行状态、采集监测数据，判断控制条件，下发控制指令，共享控制权力（实现网络远程控制）、检测数据的管理、统计存储、动态显示工艺流程、查询打印、网络通讯等任务。
显示控制层：显示控制柜/PLC控制柜负责采集现场各传感器数据、数据计量及操作控制、故障保护、面板操作、现场数据显示、声光报警、控制现场所有受控设备，通过储存的程序指令以条件式地判断分别精确地实现远程控制等。
检测与执行层：各类传感器与执行器负责采集瓦斯抽放系统中的各种参数，执行抽放泵（电机）的开停、电动阀的开停、冷却塔的开停指令。系统结构如图1所示：
图1KJ30瓦斯抽放监控系统拓扑图
7系统功能
1)自动监测瓦斯抽放系统管道瓦斯浓度、管道压力、管道温度、管道工况及标况混合流量等管道参数；
2)根据以上管道参数自动计算出管道标况纯流量；
3)自动统计管道标况混合流量和管道标况纯流量的年、月、日累计量；
4)可自动监测瓦斯抽放系统中环境瓦斯浓度、环境温度等环境参数，当监测点瓦斯浓度值达到报警值时，系统进行声光报警并显示该点报警信息；
5)可自动监测瓦斯抽放系统中瓦斯抽放泵、循环水泵的运行状态、瓦斯泵轴承温度、电机轴温、防回火装置两端压差等工况参数；
6)具有瓦斯抽放泵断水保护功能，当瓦斯抽放泵缺水时报警并显示该点报警信息；
7)可自动监测瓦斯抽放系统中瓦斯抽放泵供水状态、水池水位、水池水温等供水参数；
8)以上各监测参数和瓦斯累计量等在瓦斯抽放监控系统上位机实时显示；
9)上位机软件具有WEB发布功能和数据上传功能，在全矿局域网上任何一台计算机上，只要具备相应的权限（密码保护），即可以浏览瓦斯抽放系统的运行情况；
10)监控系统具有停电保持功能，备用电池可以工作两小时以上；
11)可以进行历史数据查询、报警查询和报表打印功能，对数据的保存在10年以上；
12)在上位机所有的操作都具有操作权限管理和操作记录功能；
13)可以在中心站进行报警点等参数设置。
14)系统可以与KJ90NA/NB瓦斯监控系统无缝连接，系统数据可以在瓦斯抽放站监控室和调度室同时监测，显示。
15)系统基于C/S和B/S模式混合开发，可以实现网络远程监测监控功能。中心站可以InternetWEB站点方式数据发布，实现局域网或广域网实时数据监测监控，局域网方式需当前中心站主机接入相应网络，如果以广域网方式实现数据发布及共享则需当前中心站主机有广域网内静态IP地址及域名映射。
8技术优势
系统在管道瓦斯浓度、流量这两个关键参数检测上，采取了与国外先进技术相同的途径，设备性能指标达到了国际先进水平，很好地解决了国内煤矿生产企业长期以来瓦斯抽放过程中瓦斯浓度、流量测量不准确的难题。
8.1管道红外甲烷传感器
自主研发的管道红外甲烷传感器，采取了温度、压力补偿以及气体预处理措施，不仅整体技术指标达到国外同类产品的水平，还能适用于正压端、负压端等复杂工况（国外同类产品由于无压力补偿、无气体预处理措施，只能用于排空端使用）。
图2管道红外传感器与热导传感器的性能比较
图3：温度补偿图4：压力补偿
8.2V形锥流量计
自主研发的“V”锥流量传感器不仅具有精度高、压损小、直管段要求低（前3D，后1D）、自整流、自清洁等特点，还在抗干扰、防雷击等方面采取了相应措施，与国外同类产品相比，更适合中国煤矿现场使用。
图5：多种流量计的永久压损比较
图6：多种流量计的综合性能比较
本系统中采用的V形锥流量计和管道红外甲烷传感器已广泛应用于煤矿行业的CDM项目瓦斯计量系统中，如：山西阳城民生燃气、晋城寺河电厂、四川芙蓉集团、河南磴槽金岭矿、贵州盘江山脚树电厂、贵州水城矿业集团、四川华蓥山广能集团、贵州盘江煤电煤层气公司、四川川南煤业公司。其中阳城民生燃气、晋城寺河电厂、四川芙蓉集团已经拿到碳排放交易资金。
在用于CDM项目时，提供达到贸易结算要求并由国家级检验机构出具的单台对应的相关证书。如图7和图8所示：
图7V形锥流量传感器校准证书
图8管道红外甲烷传感器校准证书
9主要设备技术指标
9.1KJ90-F16(D)监控分站
9.1.1基本功能
1)通讯功能
分站具有与上级传输接口及下级智能设备的双向通信功能。
2)显示功能：具有数码管显示
a)分站具有甲烷、风速、风压、一氧化碳、温度等模拟量采集及显示功能。
b)分站具有馈电状态、风筒开关、风门开关、烟雾等开关量采集及显示功能。
c)分站具有累计量采集及显示功能。
d)分站具有轮流显示下级智能设备传输给分站的数据信息、运行状态、通讯状态等功能。
3)分站具有红外遥控功能。
4)分站具有控制（含断电和声光报警，声光报警可由传感器或声光报警器完成）功能。
a)甲烷浓度超限声光报警和断电/复电控制功能：（由分站、传感器、声光报警器、断电器组合完成）
Ø甲烷浓度达到或超过报警浓度时，声光报警；
Ø甲烷浓度达到或超过断电浓度时，切断被控设备电源并闭锁。甲烷浓度低于复电浓度时，自动解锁；
Ø与闭锁有关的设备未投入正常运行或故障时，应切断该设备所监控区域的全部非本质安全型电气设备的电源并闭锁。当与闭锁控制有关的设备工作正常并稳定运行后，自动解锁；
b)甲烷风电闭锁功能：（由分站、传感器、声光、断电器组合完成）
Ø掘进工作面甲烷浓度达到或超过1.0%CH4时，声光报警；掘进工作面甲浣浓度达到或超过1.5%CH4时，切断掘进巷道内全部非本质安全型电气设备的电源并闭锁；当掘进工作面甲烷浓度低于1.0%CH4时，自动解锁；
Ø掘进工作面回风流中的甲烷浓度达到或超过1.0%CH4时，声光报警、切断掘进巷道内全部非本质安全型电气设备的电源并闭锁；当掘进工作面回风流中的甲烷浓度低于1.0%CH4时，自动解锁；
Ø被串掘进工作面入风流中的甲烷浓度达到或超过0.5%CH4时，声光报警、切断被串掘进巷道内全部非本质安全型电气设备的电源并闭锁；当被串掘进工作面甲烷浓度低于0.5%CH4时，自动解锁；
Ø局部通风机停止运转或风筒风量低于规定值时，声光报警、切断供风区域的全部非本质安全型电气设备的电源并闭锁；当局部通风机或风筒恢复正常工作时，自动解锁；
Ø局部通风机停止运转，掘进工作面或回风流中甲烷浓度大于3.0%CH4，必须对局部通风机进行闭锁使之不能起动，只有通过密码操作软件或使用专用工具方可人工解锁；当掘进工作面或回风流中甲烷浓度低于1.5%CH4时，自动解锁。
Ø与闭锁控制有关的设备（含分站、甲烷传感器、设备开停传感器、电源、断电控制器、电缆、接线盒等）故障或断电时，声光报警、切断该设备所监控区域的全部非本质安全型电气设备的电源并闭锁；与闭锁控制有关的设备接通电源1min内，继续闭锁该设备所监控区域的全部非本质安全型电气设备的电源；当与闭锁控制有关的设备工作正常并稳定运行后，自动解锁。严禁对局部通风机进行故障闭锁控制。
5)分站具有初始化参数设置和掉电保存功能。初始化参数可通过中心站软件输入和修改。
6)分站具有外接备用电源，当电网停电后，能对甲烷、风速、风压、一氧化碳、局部通风机开停、风筒状态、下级智能设备等主要监控量继续监控。
9.1.2主要技术指标
1)供电电源
工作电压：9V～24.5VDC(本安)。
工作电流：≤450mA。
2)信号制式
Ø模拟量
频率型信号：200Hz～1000Hz，输出高电平时应不小于3V（输出电流为2mA时），输出低电平时不大于0.5V，其正脉冲和负脉冲宽度均不得小于0.3ms；1200Hz～2000Hz，输出高电平时应不小于3V（输出电流为2mA时），输出低电平时不大于0.5V，其正脉冲和负脉冲宽度均不得小于0.15ms。
Ø开关量
电流型信号：1mA/5mA。电流≤1.5mA时表示为停，电流≥4mA时表示为开。
Ø数字量
分站与数字量信号传感器的传输方式：RS485（主从式、半双工、双极性）；
分站与数字量信号传感器的传输速率：2400bps；
分站与数字量信号传感器的最大传输距离：2.5km(使用MHYVP1×4电缆，单芯截面积不小于1.5mm2)；
传输信号工作电压直流峰峰值：不大于15V；
传输信号工作电流峰峰值：不超过150mA。
Ø控制量
电平型信号：输出高电平时应不小于3V（输出电流为2mA时），输出低电平时不大于0.5V。
Ø控制执行时间
分站甲烷超限断电及甲烷风电闭锁的控制执行时间不大于2s。
9.2KDW660/24B(A)型矿用隔爆兼本安直流稳压电源
9.2.1主要技术参数
1）稳压电源的防爆形式为矿用隔爆本质安全型，防爆标志为Exd[ib]I。
2）输入电压等级：660V/380V/220V/127V，50HZ。
3）输入电压波动范围：75％～110％。
4）主要性能：
a.提供12V/500mA本安电源；
b.提供24V/500mA本安电源；
c.提供5V/2500mA本安电源；
d.当交流停电时，备用电源自动投入供电，可保证额定负载下连续工作2小时以上。
5）本安电源输出路数：
1路12V输出，5路24V输出，2路5V输出。
9.2.2主要技术功能
主要为矿井本安设备提供本质安全直流稳压电源。应用于煤矿井下有瓦斯或煤尘爆炸的危险场所。
9.3矿用气体流量传感器（V形锥）
在本系统中，推荐使用比孔板流量计、涡街流量计更先进的V形锥流量计。相对于孔板流量计和涡街流量计，V形锥流量计测量精度更高，可以达到1.5级精度。
同时，V形锥流量计集成了压力传感器（测量管道内绝对压力）和温度传感器。由于压力传感器是直接测量管道内绝对压力，可以避免因为当地大气压变化而在流量换算中引起的系统误差。
9.3.1主要特点
⑴抗干扰能力强，V形锥流量计不像涡街流量计那样易受电磁干扰，且可以用于管道振动的场合，而涡街流量计不适用于管道振动的场合；
⑵V形锥流量计可以测量低流速，可达到1m/s（一般小于5m/s的低流速，涡街流量计就难于测量）；
⑶设备具有自整流功能，对直管段没有要求，可以安装于管路条件复杂的场所；
⑷测量元件不和被测介质直接接触，调校方便；
⑸设备具有自清洁功能，所以不易堵塞。
9.3.2主要技术指标
⑴基本误差：≤1.5%；
⑵重复性：±0.1%；
⑶工作稳定性：节流面积长期稳定，信号稳定；
⑷测量管径：12mm---3000mm；
⑸输出信号：200-1000HZ或RS485智能输出。
9.4管道红外甲烷传感器
GJG100H（C）管道红外甲烷传感器采用红外气体检测原理检测管道内瓦斯浓度，红外敏感元件采用英国e2v公司的产品，具有测量范围宽、稳定性好、测量误差小、使用寿命长、响应时间快、体积小、不受其它背景气体的影响等优点。并配有拥有专利技术的管道瓦斯气体预处理装置，克服了目前管道瓦斯浓度测量中普遍存在的易受水汽、冷凝水、低流速、温度、压力等因素影响的缺点。
9.4.1主要特点
⑴采用红外吸收原理，性能可靠、寿命长，调校周期>1年；
⑵完备的汽水分离装置，不会因管道内含水含尘而影响检测精度；
⑶特殊的气路设计，适用于正压及负压管道甲烷浓度检测；
⑷采用红外遥控设置传感器参数及标定，使用简单方便；
⑸温度补偿精确、精度不会因温度变化而漂移；
⑹抗干扰能力强，检测精度不受水蒸汽、H2S、H2、SO2等等杂质气体影响；
⑺提供频率、电流、RS-485、CAN等数据输出接口，与多种接口兼容。
9.4.2主要技术指标
⑴工作电压：9～24VDC；
⑵工作电流：≤60mA；
⑶测量范围：0～100%；
⑷测量误差：真值的±7%；
⑸适应压力范围（绝压）：20～150KPa；
⑹适应温度范围：-20～50℃；
⑺输出信号：200Hz～1000Hz频率信号。
10售后服务
售后服务（系统设备安装调试完成以后）。重庆研究院具有完善的售后服务体系，有专人负责售后服务工作，系统安装运行后，一般性故障24小时内及时派人赶到现场维修，如遇矿方不能排除的故障如系统瘫痪等重大事故，只要收到矿方的函电，2小时内将及时答复，24小时内重庆研究院将及时派人赶到现场服务。
1、对其提供的所有设备均提供一年免费质保，若外购产品质保期大于两年的按原产品的质保期进行。
2、在质保期内所有设备，只要不是人为因素损坏，重庆研究院将免费一切维修费用，如确是质量问题，负责包换；
3、在包修期过后，对产品进行保修时，对所更换器件只收取成本费；
4、软件方面用户今后在使用过程中，如根据不同情况，需要添加新功能，我们将积极配合，免费为用户提供服务；
5、系统在使用中，如操作维护人员还要求进行再培训，重庆研究院也将免费继续培训，直到熟练掌握为止；
6、系统安装安毕后，试运行正常一个月后，由重庆研究院及用户组织相关部门对系统进行验收、移交。
7、网络化服务。为了完善产品售后服务体系，利用网络方面的高新技术，在Internet网上建立了服务网站，开辟了网络化售后服务手段，在国际互联网上用户随时可通过我们的网站得到诸如单位资讯、新产品信息、技术支持、资料下载、软件升级，电子邮件通讯（疑难解答，技术讨论等）等服务，使得我们的售后服务更加方便快捷。
如有疑问请咨询广众技术部：13526735001杨爱民
