分布式能源系统在煤矿上的应用研究

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，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： TD727        文献标识码： A         文章编号：

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 Energy (DE), it’s proposed that the mine cooling design schedule is upon the DE. It’s designed the centralized control system which is based on the PLC unit and industrial computer. The control program is made with WinCC software. Owing to the large Pure-time Delay and large inertia, i. e. in the system, 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. 

Keywords: DE;  hot mine;  Mine cooling

 

我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，据我国煤田有关资料统计，百米地温梯度为2~4℃/100m，埋深大于1000m的煤炭资源占全国预测总量的59.5%[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26℃，机电设备硐室的空气温度不得超过30℃。采掘工作面的空气温度超过30℃、机电设备硐室的空气温度超过34℃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80%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、末端空冷器及其他配套设备构成。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10MPa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输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。

 

图1  矿用分布式能源系统的矿井降温流程图

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。

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：

              （1）

其中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，所有的电气设备均应满足煤矿井下使用的防爆标准GB3836-2010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Elman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PID控制方式显然无法解决大滞后的问题，PID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；Smith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Elman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WinCC组态软件[4][5]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16MW，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。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18/5℃；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结论

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。

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，总第91期，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]. 冶金工业出版社, 2009. 5: 309.

［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]. 北京: 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]. 机械工业出版社, 2009. 7.

［6］甄立东. 西门子WinCC V7基础与应用[M]. 机械工业出版社, 2011. 1.

［7］西门子中国有限公司. 西门子PLC S7-200使用说明书.

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