CN111780413A - 一种煤矿井口的高效防冻保温系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种煤矿井口的高效防冻保温系统及方法，涉及矿井保温技术领域，包括供暖风机、热交换器、热源交换器、温度传感器、风速监测仪和PLC控制器，空气从供暖风机的进风通道进入，通过供暖风机内设置的多个热交换器到达矿井井口，矿井井口设置有多个温度传感器用于监测温度，并设置有风速监测仪用于监测风速计算风量；热源交换器通过管路和热交换器相连，并为热交换器提供水蒸汽，热交换器的分配管将热水蒸汽送入，水蒸汽经过热交换器内的波纹薄板散热组后凝结，凝结后的水进入汇集管，汇集管将水送回热源交换器。该系统通过水蒸汽输送热源从而避免了水质问题对热交换器的影响，还监测矿井井口的通风及温度，合理便捷的控制保温系统工作。
Description
技术领域
本发明涉及矿井保温技术领域，尤其是一种用于煤矿井口的高效防冻保温系统及方法。
背景技术
煤炭作为重要的能源，煤矿的安全措施落实越来越受到重视。目前国内煤矿进风系统主要是煤矿的立井、斜井，而煤矿井口的保温防冻是影响煤矿在冬季安全生产的一个关键，措施落实不到位煤矿井口就会结冰，会影响提升系统的正常运行，罐笼及井口壁结冰后掉落的冰渣可能会造成卡罐及电缆损坏，同时可伤及乘罐人员及井口把钩人员，影响矿井的安全生产。我国在《煤矿安全规程》第一百三十七条中规定如下：煤矿进风井口以下的空气温度(干球温度)必须在2℃以上。因此在冬季煤矿矿井井口需采取防冻保温措施保障煤矿井口不出现结冰现象。
传统井口防冻保温装置采用天然气锅炉加热的热水通过泵送至井口保温散热装置，散热装置采用传统的暖气片结构(钢管铝片)，通过7.5KW、15KW等功率防爆风机将热量吹至井口进风位置，但该装置未能考虑极寒天气采用水作为介质带来的弊端，在上游设备出现故障的情况下极易对井口防冻保温装置上冻，将整个井口防冻保温装置冻坏。同时传统井口防冻保温装置未能做到精细化管理，整个冬季供暖季未根据大气气候温度的变化对风机运转频率以及风机开停的数量进行控制，而是采用人工控制开关柜，造成供暖资源的浪费，增加了冬季供暖成本以及人工成本。
为了有效的节约能源消耗，减少成本，需对煤矿井口保温控制系统做到精准化管理，需研发一套根据外界大气变化形成精准化控制的控制系统，同时该系统还应具备数据上传等功能，从管理控制上减少能源的消耗，节约成本。
发明内容
为了避免水质问题对热交换器的影响，减少热源的浪费，高效控制保温系统工作，本发明提供了一种煤矿井口的高效防冻保温系统及方法，具体技术方案如下。
一种煤矿井口的高效防冻保温系统，包括供暖风机、热交换器、热源交换器、温度传感器、风速监测仪和PLC控制器；供暖风机包括进风通道、出风通道和机房保温密封，供暖风机内还设置有多个热交换器，供暖风机外部的空气通过进风通道到达连接热交换器，空气经过热交换器从出风通道到达矿井井口；进风通道内或出风通道内设置有风机，矿井井口位置设置有风速监测仪和多个温度传感器，风速监测仪和多个温度传感器将监测数据传输至PLC控制器；热源交换器加热水提供热水蒸汽，热水蒸汽通过管路连接热交换器，热交换器内设置有波纹薄板散热组。
优选的是，进风通道内设置有金属纱网，出风通道和矿井井口相连的位置呈漏斗状。
还优选的是，进风通道和出风通道之间设置有2个以上的热交换器，所述热交换器之间串联或并联。
进一步优选的是，热交换器内设置有波纹薄板散热组，波纹薄板散热组包括冲压而成的多片波纹薄板，波纹薄板之间留有间隙。
还进一步优选的是，热交换器的分配管将热水蒸汽分送至各个波纹薄板散热组，热水蒸汽经波纹薄板散热组散热凝结成水后流至汇集管，汇集管将水导回热源交换器。
还进一步的，风机为矿用防爆风机。
一种煤矿井口的高效防冻保温方法，利用上述的一种煤矿井口的高效防冻保温系统，还包括风机变频控制器、电压表、电流表、手动操作台、急停控制器、开关柜和数据存储器；所述风速监测仪和多个温度传感器设置在煤矿井口的进风口处，温度传感器设置在供暖风机与煤矿井口交汇位置、煤矿井口与供暖风机交汇处的上游和下游位置，风速和温度监测信息传输至PLC控制器的换热量计算模块，所述电压表和电流表监测供暖风机的功率并将监测信息传输至换热量计算模块；所述PLC控制器的控制信息传输至供暖风机上的风机变频控制器，风机变频控制器控制开关柜，开关柜控制供暖风机，PLC控制器和手动操作台并联控制供暖风机，所述急停控制器设置在供暖风机所在的机房内，PLC控制器将监测数据和计算数据存储至数据存储器。
本发明的有益效果是，煤矿井口的高效防冻保温系统，利用热源交换器提供热源，输送热水蒸汽，避免矿井水因水质问题对该系统造成锈蚀和损坏；设置多个温度传感器，根据井口附近设置的多个温度传感器确定矿井所需的热量，从而避免无效的热量损失，热交换器的波纹薄板散热组结构保证了充足的散热面积，实现高效散热。该保温方法利用多个传感器监测风量和换热风机工作，其可靠性强；设置了热量交换计算模块，可做到热量的实时监测，根据温度变化做到精准控制；该系统可以在现有结构的基础上可以结合数据网络传输实现远距离传输控制的功能；另外该系统具有可操作性的控制系统，能够做到智能化和手动操作同时控制
附图说明
图1是煤矿井口的高效防冻保温系统组成示意图；
图2是热交换器结构示意图；
图3是煤矿井口的高效防冻保温系统控制流程示意图；
图4是PLC控制器的控制系统示意图；
图5是操作系统示意框图；
图6是控制系统的工作流程图；
图中：1-供暖风机，2-热交换器，3-热源交换器，4-温度传感器，5-风速监测仪，6-PLC控制器，7-热源，8-矿井井口，9-波纹薄板散热组，10-分配管，11-汇集管，12-开关柜，13-急停控制器。
具体实施方式
结合图1至图6所示，对本发明提供的一种煤矿井口的高效防冻保温系统及方法的具体实施进行说明。
实施例1
如图1至图4所示，一种煤矿井口的高效防冻保温系统具体包括供暖风机1、热交换器2、热源交换器4、温度传感器4、风速监测仪5和PLC控制器6，供暖风机1设置在矿井井口8附近，热交换器2在供暖风机内用于制造热风，热源交换器3用于提供热能，温度传感器4和风速监测仪5用于探测井口附件的风速和温度，PLC控制器用于接收监测参数并控制供暖风机工作制造热风。供暖风机1包括进风通道、出风通道和机房保温密封，供暖风机1内还设置有多个热交换器，供暖风机1外部的空气通过进风通道到达连接热交换器，空气经过热交换器从出风通道到达矿井井口，机房保温密封将供暖风机整体用铁皮或其他防风保温材料包裹。进风通道内或出风通道内设置有风机，矿井井口8的位置设置有风速监测仪5和多个温度传感器4，风速监测仪5和多个温度传感器4将监测数据传输至PLC控制器。热源交换器3加热水提供热水蒸汽，热水蒸汽通过管路连接热交换器，热交换器2内设置有波纹薄板散热组，热水蒸汽在波纹薄板散热组的位置放热凝结成水。
进风通道内设置有金属纱网，用于过滤空气中的悬浮物，保障空气清新，也便于后期的拆卸清洗与更换。出风通道和矿井井口相连的位置呈漏斗状，从而可以增大出口侧风压，便于与井口进风进行充分混合。进风通道和出风通道之间设置有2个以上的热交换器，热交换器之间串联或并联，串联时可以更好的方便气体流动，并列时可以通过控制不同的支路从而更好的节约热能，保证合理控制。
热交换器2内设置有波纹薄板散热组，波纹薄板散热组9包括冲压而成的多片波纹薄板，波纹薄板之间留有一定的间隙，热水蒸汽从间隙内流动。热交换器2的分配管将热水蒸汽分送至各个波纹薄板散热组，热水蒸汽经波纹薄板散热组散热凝结成水后流至汇集管，汇集管将水导回热源交换器。风机为矿用防爆风机，在风机工作下风从进风通道到达热交换器位置，冷风经过热交换器后被加热，随后热风到达矿井井口8，在井口处与矿井通风风量混合加热。
煤矿井口的高效防冻保温系统不直接利用矿井天然气锅炉加热后的热水作为热量流动媒介，而是使用热源交换器将热水变成高温蒸汽，使高温蒸汽在管道内进行传输，避免因水质对热交换器造成影响，热源交换器可以采用天然气锅炉、电锅炉及太阳能加热的热水，也可以采用矿井其他形式的新型能源结构，如瓦斯发电站余热、压风机余热、水源热泵余热、空气源热泵余热、乏风余热、电厂余热以及隧道窑余热等形式的热源作为井口保温的热量来源，避免传统单一形式的热源供给。
另外，煤矿井口的高效防冻保温系统还设置有多个温度计传感器4，传感器布置在矿井井口外大气环境中，可以实现对大气气候温度的实时监测。将监测到的大气气候温度实时传输到热量交换分析模块中进行热量分析。热量交换分析模块是根据矿井井口进风量及温度及大气气候温度数，利用热量交换守恒原理，建立起来的数值计算模型。该系统通过PLC控制系统自动控制供暖风机的开停数量或供暖风机的运行频率。为了精准掌握矿井井口加热后的进风温度，在矿井井口暖风出口侧设置多组温度传感器，对冷暖风混合后的风温进行监测，将监测数值反馈给热量交换分析模块，热量交换分析模块进行二次热量分析及校核，双重管控下确保矿井进风井口以下进风温度符合要求。由于该系统具有热量交换分析模块，对井口保温所需热量进行精准分析，实现了井口保温装置风量供应的量化管理，有效地控制动力风机开停数量或动力风机运行速度，实现了该装置的智能化控制、无人值守操作，达到了精细化管理，可有效节约能耗10％-30％。
热交换器的结构还可以包括换热铜管、防腐蓝箔和槽钢支架，槽钢支架的槽钢上设置有钻孔，换热铜管依次穿插通过各个钻孔，防腐蓝箔设置在换热铜管上避免换热通过受腐蚀，并且还可以增大散热面积。换热铜管在槽钢支架上设置有2层以上，多层换热铜管之间留有小的间隙，换热铜管末端和槽钢支架的中空槽钢相连，中空槽钢在槽钢支架的外沿，中空槽钢上设置有进汽口、出液口和补汽口，用于引流水蒸汽在换热铜管内流动，防腐蓝箔呈环状套设在换热铜管上，并且与换热铜管胀接相连，风机设置在换热铜管的侧面，风机吹动气流至换热铜管层处进行热交换，加热气流。
该系统利用矿井新型源能源结构为矿井井口保温提供能量，根据外界气候温度的变化可实时控制风机开停及转速，避免无效热量的损失；根据矿方需要可以接入矿井以太网，实现对相关参数进行实时监控；能够实现对大气温度及热量交换数据进行存储，便于后期数据分析对比；具有PLC控制器，可以实现无人操作及值守；通过水汽传输热量，避免矿井水因水质问题对该系统造成锈蚀和损坏；热交换器的交换面积大，能够实现井口进风风量热量匹配。
实施例2
一种煤矿井口的高效防冻保温方法，用于控制煤矿井口供暖，提供节能、高效的煤矿井口保温系统，其具体包括供暖风机、风机变频控制器、温度传感器、风速监测仪、电压表、电流表、手动操作台、急停控制器、开关柜、PLC控制器和数据存储器。煤矿井口保温供热控制系统的控制精准化程度高，利用多个传感器监测风量和换热风机工作，其可靠性强；设置了热量交换计算模块，可做到热量的实时监测，根据温度变化做到精准控制；该系统可以在现有结构的基础上可以结合数据网络传输实现远距离传输控制的功能；另外该系统具有可操作性的控制系统，能够做到智能化和手动操作同时控制。
其中，风速监测仪和多个温度传感器设置在煤矿井口的进风口处，温度传感器设置在供暖风机与煤矿井口交汇位置、煤矿井口与供暖风机交汇处的上游和下游位置，风速监测仪分别设置在煤矿井口和供暖风机的出风口位置。风速和温度监测信息传输至PLC控制器的换热量计算模块，电压表和电流表监测供暖风机的功率并将监测信息传输至换热量计算模块，通过计算功率，从而可以换算供热量，进而合理的控制供暖风机工作。PLC控制器的控制信息传输至供暖风机上的风机变频控制器，风机变频控制器和开关柜相连，开关柜与供暖风机相连，PLC控制器和手动操作台并联控制供暖风机，急停控制器设置在供暖风机所在的机房内，PLC控制器将监测数据和计算数据存储至数据存储器。供暖风机内设置有2个以上的供暖风机，供暖风机共用1个开关柜，开关柜控制各个供暖风机的启停，温度传感器在每个位置并联且设置了2个，从而可以确保温度监测的准确性及稳定性。
煤矿井口保温供热控制系统包括供暖风机、风机变频控制器、温度传感器、风速监测仪、电压表、电流表、手动操作台、急停控制器、开关柜、电源接头、PLC控制器和数据存储器等部件，另外其PLC控制器的控制包括温度监测控制系统、热量交换计算系统、数据存储系统、数据传输系统和反馈校核系统；为了保障该系统能够数据传输至煤矿调度指挥系统，在进行软件开发过程中按照目前煤矿常用的tcpip框架协议进行编码，保障数据传输的可靠性。
温度传感器采用高精度探头线性温度传感器，该种传感器灵敏度高，误差在±0.1℃范围内，保障监测数据的准确性。将该温度传感器组布置在煤矿井口进风通道外侧的大气气候环境当中，该传感器组布置位置应避免有其他物体遮挡以及产生热源的位置，为了保障监测数据的准确性，温度传感器组应为两组以上，避免一组出现故障，另一组能够正常工作。另外，还有一组温度传感器布置在供暖风机的出风侧与煤矿井口进风混合后的位置，该温度传感器的作用是用来监测混合后进风温度是否符合设定值，该数值直接传输至换热量计算模块，起到反馈校核的作用。该温度传感器具有故障报警功能，能够在温度探头出现故障的情况下进行报警，便于日常维护；在日常使用过程中，应按照周期对该系统温度传感器进行检查和校核，避免监测数据产生误差，影响后续使用。
该系统的换热量计算模块具体是，采用虚拟仿真系统，能够根据收集数据，远距离对相关参数进行调控。在编辑该软件系统时采用能量守恒原理、大气气候温度、矿井井口进风量、供暖风机功率、供暖风机风量、供暖风机运行频率进行自动计算，能够有效地保障热量供应满足设计要求。同时，该换热量计算模块与硬件系统中PLC控制系统组合，便于控制供暖风机运行频率或开停数量。
实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件各个模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种煤矿井口的高效防冻保温系统，其特征在于，包括供暖风机、热交换器、热源交换器、温度传感器、风速监测仪和PLC控制器；
所述供暖风机包括进风通道、出风通道和机房保温密封，供暖风机内还设置有多个热交换器，供暖风机外部的空气通过进风通道到达连接热交换器，空气经过热交换器从出风通道到达矿井井口；所述进风通道内或出风通道内设置有风机，所述矿井井口位置设置有风速监测仪和多个温度传感器，风速监测仪和多个温度传感器将监测数据传输至PLC控制器；所述热源交换器加热水提供热水蒸汽，热水蒸汽通过管路连接热交换器，热交换器内设置有波纹薄板散热组。
2.根据权利要求1所述的一种煤矿井口的高效防冻保温系统，其特征在于，所述进风通道内设置有金属纱网，出风通道和矿井井口相连的位置呈漏斗状。
3.根据权利要求2所述的一种煤矿井口的高效防冻保温系统，其特征在于，所述进风通道和出风通道之间设置有2个以上的热交换器，所述热交换器之间串联或并联。
4.根据权利要求1所述的一种煤矿井口的高效防冻保温系统，其特征在于，所述热交换器内设置有波纹薄板散热组，波纹薄板散热组包括冲压而成的多片波纹薄板，所述波纹薄板之间留有间隙。
5.根据权利要求4所述的一种煤矿井口的高效防冻保温系统，其特征在于，所述热交换器的分配管将热水蒸汽分送至各个波纹薄板散热组，热水蒸汽经波纹薄板散热组散热凝结成水后流至汇集管，汇集管将水导回热源交换器。
6.根据权利要求1、3或5任一项所述的一种煤矿井口的高效防冻保温系统，其特征在于，所述风机为矿用防爆风机。
7.一种煤矿井口的高效防冻保温方法，利用要求1、3或5任一项所述的一种煤矿井口的高效防冻保温系统，其特征在，所述煤矿井口的高效防冻保温系统还包括风机变频控制器、电压表、电流表、手动操作台、急停控制器、开关柜和数据存储器；
所述风速监测仪和多个温度传感器设置在煤矿井口的进风口处，温度传感器设置在供暖风机与煤矿井口交汇位置、煤矿井口与供暖风机交汇处的上游和下游位置，风速和温度监测信息传输至PLC控制器的换热量计算模块，所述电压表和电流表监测供暖风机的功率并将监测信息传输至换热量计算模块；所述PLC控制器的控制信息传输至供暖风机上的风机变频控制器，风机变频控制器控制开关柜，开关柜控制供暖风机，PLC控制器和手动操作台并联控制供暖风机，所述急停控制器设置在供暖风机所在的机房内，PLC控制器将监测数据和计算数据存储至数据存储器。
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