紧急避险智能供气技术与装置的研究.pdf

紧急避险智能供气技术与装置的研究舒远（中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆40 0 0 3 9）摘要：为解决紧急避险室采用手动启闭控制供气系统存在的误操作、不利于避险人员安全快速进入避难碱室、生存室内氧气过度消耗的问题,在PLC 和PID控制技术的基础上设计了紧急避险智能供气装置。该装置分为过渡室智能供气控制装置和生存室智能供气控制装置,过渡室智能供气控制装置包含热释光控传感器、基于PLC和PID的控制装置和电磁阀；生存室智能供气控制装置包含氧气浓度传感器、基于PLC和PID的控制装置和电磁阀。关键词：避险碉室;过渡室智能供气;生存室智能供气;PLC;PID;传感器中图分类号：F406.3；T D 7 7 4紧急避险系统作为煤矿井下安全避险六大系统之一,是为遇险人员安全避险提供生命保障的设施、设备、措施组成的有机整体 。紧急避险设施主要包括永久避难碱室、临时避难碱室、可移动式救生舱等，压风自救系统是其重要组成部分。避难碱室内压风自救系统的氧气供给方式包括采取钻孔、专用管路、自备氧 2 ，常见的永久避难碱室建设采用专用管路+自备氧+自救器的供氧模式。无灾害发生时，利用专用管路为避难碱室提供氧气；灾害发生时，专用管路无法提供氧气时，需避险人员手动切换至自备氧供氧系统。手动阀门控制的供气管路结构较为复杂，阀门较多，在发生紧急情况时容易出现操作失误，造成安全隐患。为进一步提高煤矿安全防护和应急救援水平，确保在紧急情况下为遇险人员安全避险提供生命保障，研究适用于紧急避险的智能供气技术与装备十分有必要。基于此问题,本文利用 PLC 和 PID 控制技术 3-5,研发了过渡室智能供气控制装置和生存室智能供气控制装置，实现永久避难碱室的智能供气，并选择40 人永久避难碱室实验室作为试验场地进行效果测试。1系统硬件组成及程序设计1.1 系统硬件组成本文选用的永久避难碱室实验室气源包括专用管路和自备氧，同时配备45min自救器。按照避险人员耗氧量需求接入专用管路供氧系统，供风量不低于0.3m/min人；接入的自备氧供氧系统，供氧量不低于0.5L/min人。本文在过渡室和生存室各安装智能供气控制装置一套，实现避难碱室供氧的智能化控制。供气系统硬件如图1 所示。4文献标识码：B文章编号：10 0 8-0 155(2 0 2 3)12-0 0 0 4-0 3地面空压机电磁阀厂井压风管路供氧地面安全监控调度室地面井下过渡室环境监测分站金CO热释光控02传感器传感器传感器传感器传感器 传感器 传感器传感器过渡室智能供自备压缩气控制装置气瓶供氧电磁阀A图1避难碉室智能供氧硬件布置图智能供气装置可手动和自动控制。手动控制通过供气管路闸阀实现，自动控制利用传感器、控制装置和电磁阀实现。1.2过渡室智能供气装置的设计过渡室智能供气装置通过热释光控传感器进行环境监测，利用过渡室智能供气控制装置进行检测判断，驱动电磁阀启闭，实现自动控制，具体流程如图2 所示。开始运行过渡室自动供气控制装置立启动热释光控传感器延时3 0 0 s关闭N检测到避险人员通过文YN确认进入避险区间文Y打开电磁阀结束图2 过渡室智能供气系统程序流程过渡室采用压风专用管路和自备压缩空气瓶组供储气罐井下安全监控系统工生存室环境监测分站立COCO2CH4生存室智能供气控制装置电磁阀B电磁阀C02温湿度气两种供气方式，为过渡室内安装的气幕装置、喷淋装置供气。当热释光控传感器监测到避难碱室出人口有人员经过时，传感器将电压信号发送至过渡室智能供气控制装置，智能供气控制装置持续检测、判断通行人员是否进人避难区间,确认进入避难区间后,发送指令打开电磁阀。为了实现节约氧气的目的，控制装置设置了延时自动关闭功能，在电磁阀开启3 0 0 s后自动关闭。1.3生存室智能供气装置的设计生存室智能供气控制装置通过氧气浓度传感器开展环境的监测，利用生存室智能供气控制装置对特征量阈值进行判断检测，驱动电磁阀的启闭，实现生存室的智能供气，具体流程如图3 所示。开始立运行生存室智能供气装置立启动氧气浓度传感器N检测生存室0 2 浓度 19%Y检测生存室0 2 浓度 3 0 s02浓度高于2 0%的打开电磁阁B时间超过3 0 5关闭立检测生存室0 2 浓度 5min02浓度高于2 0%的打开电磁阀C时间超过3 0 关品立结束图3 生存室智能供气系统程序流程生存室氧气供给采用压风专用管路、自备压缩氧气瓶组和自备45min自救器。无灾害时，采用压风管路供气作为气源；灾害发生后，采用自备压缩氧气瓶组作为气源，减压、过滤、消音后供避险人员呼吸；自备45min自救器作为应急储备措施。生存室内氧气浓度传感器收集的数据实时传输至生存室智能供气控制装置，装置根据氧气浓度进行PID运算，精准控制PLC输出口的电压，把控电磁阀的启闭频次和角度，精准调控碱室内的氧气浓度。为确保在额定防护时间内，紧急避险设施内部环境中的氧气含量应在18.5%2 3.0%之间。当生存室内氧气浓度低于19%、时间超过3 0 s时，电磁阀B开启，启动压风专用管路供气；当氧气浓度低于19%、持续时间超过5min时，电磁阀C开启，启动自备氧供氧。2现场试验验证本文进行试验的避难碉室总长为3 0 m，宽为5m，高为3 m。碱室包含两个过渡室、一个生存室，其中过渡室1长为3 m，过渡室2 长为8 m，生存室长为17 m，如图4所示。生存室的总面积为8 5m，除去设备占用空间，有效使用面积为6 0 m，有效使用空间为2 2 0 m，可满足40 人的避险要求。123过渡室11供氧系统包括井下压风专用供氧系统和自备压缩气瓶组供氧系统。过渡室智能供气控制装置包括过渡室外安装的热释光控传感器（1）、过渡室内安装的控制装置（2）和电磁阀（3）。生存室智能供气控制装置包括生存室内氧气浓度传感器、生存室智能供气控制装置（4）和电磁阀（5）。2.1过渡室智能供气控制装置试验验证为验证避难碱室过渡室智能供气控制装置的可靠性,检测该系统在某一级供氧系统出现故障时的应急N处置能力，按照以下步骤分别实施：启动过渡室智能供气控制装置，设置为手动模式，开始计时；设备开启10 min后，安排试验人员从1号过渡室门外进人，模拟紧急避险流程，手动操作开启压风供氧系统，保障气幕、喷淋装置工作正常，记录操作用时；设备开启20min后，安排1名试验人员从1号过渡室门外进入，模拟紧急避险流程，手动操作开启自备压缩气瓶供氧系统，保障气幕、喷淋装置工作正常，记录操作用时；设置过渡室智能供气控制装置为自动模式，系统进人实时的热释光控参数监控和供氧系统控制状态；设备开启3 0 min后，利用手动球阀，关闭压风管路供气系统，模拟井下压风供氧系统故障，安排试验人员从1号过渡室门外进入，对过渡室智能供气控制装置的启闭时间进行记录；设备开启40 min后，利用手动球阀，关闭自备压缩气瓶组供氧系统，模拟自备压缩气瓶组供氧系统故障，安排试验人员从1号过渡室门外进人，对过渡室智能供气控制装置的启闭时间进行记录；第50 分钟时，试验结束，对生存室智能供气控制装置手动/自动控制流程下采集的数据进行处理分析。2.2生存室智能供气控制装置试验验证在紧急避险过程中,井下压风供氧系统正常时，持续供应的新鲜压缩空气会在生存室形成不低于10 0 Pa的正压状态，试验人员呼出的二氧化碳通过自动排气阀排出生存室，可以保持避难碉室内氧气浓度在18.5%23.0%之间、二氧化碳浓度 1%，本文模拟井54151图4避难室示意图生存室5过渡室2下压风供氧系统故障环境进行试验。在生存室内储备有压缩空气瓶组和二氧化碳吸收剂，可以达到调节二氧化碳浓度的目的。启动生存室智能供气控制装置，设置为手动模式，打开自备压缩气瓶组供氧系统，手动控制碱室内氧气浓度在19.5%2 3%之间，记录试验的操作过程；待避难碱室内环境参数达到标准值后，第3 0 分钟时，请40 名试验人员进人避难碱室，模拟紧急避险流程，记录操作次数及用时；第150 分钟时，设置生存室智能供气控制装置为自动模式，系统进人实时的氧气浓度参数监控和多级供氧系统控制状态，记录智能控制装置的操作次数及用时；第2 7 0 分钟时，试验结束，对生存室智能供气控制装置手动/自动控制流程下采集的数据进行处理分析。2.3试验结果通过测试，得出过渡室手动和自动供气装置控制开启/关闭气幕、喷淋装置的时间对比表，如图5所示。手动控制自动控制51STI开启耗时供氧时间关闭耗时总耗时图5人工和自动控制供气时间对比表通过试验验证，使用过渡室智能供气控制装置实现自动控制,响应时间小于1s，节省操作时间2 9 s，节省气幕装置、喷淋装置用气量V室=2 9 s/60（0.5+0.5）m/m i n=0.483m,其主要功能是在紧急避险情况下，防止人员对设备的误操作。通过测试，得出生存室手动和自动供气的耗氧量。假设生存室的有效使用空间为2 2 0 m，则碉室内的氧气体积为V氢=2 2 0 m20.9%=45.98m；静坐条件下，健康成人男子标准耗氧量为0.5L/min人，40 人每分钟氧气消耗量V氧耗=0.5L/min人40=2 0 L/min，按此耗氧量计算，生存室内氧气浓度的下降速率为0.0435%/min。空气中的氧气浓度至少18%，是人类呼吸的安全限值。当避险人员进行手动控制时，一般会根据氧气浓度传感器的报警限值进行手动操作，即氧气浓度低于18.5%时,开启自备压缩气瓶组的供氧系统，氧气浓度高于2 3%时，关闭自备压缩气瓶组的供氧系统。氧气浓度首次由2 0.9%降至18.5%用时55.17 min，手动操作开启自备压缩气瓶组的供氧系统，氧气瓶组通过减压器、汇流排以3 m/min流量释放浓度很高的纯氧，生存室内氧气浓度以1.5%/min的速度快速提升，氧气6浓度高于2 3%时,关闭自备压缩气瓶组的供氧系统。整个过程用时T,=55.17min+(23%-18.5%)/1.5%/min=58.17min。在随后的避险过程中，氧气浓度低于18.5%时开启自备氧系统，高于2 3%时关闭自备氧系统，每次间隔时间为T，=（2 3-18.5）%/0.0 43 5%/m in+（2 3-18.5）%/1.5%/m in=10 6.45m in。在避险时段的9 6 h内，需要手动操作不少于54次，按照单次操作供氧9m计算，压缩氧气的消耗量不低于48 6 m避险人员使用生存室智能供气装置，设置氧气浓度低于19%时开启电磁阀，氧气浓度大于2 0.9%时关闭电磁阀,氧气浓度越高，电磁阀的开启角度越小，供给氧气越少。在整个避险过程中，氧气供给量V氧=0.5L/min 人x40 人6 0 minx961.2/100=138.24m。在试验过程中，生存室内CO，浓度随试验时间逐渐增加,通过储备的压缩空气和二氧化碳吸收剂,达到调节二氧化碳浓度的目的。通过试验验证，使用生存室智能供气装置实现自动控制,响应时间小于1s,通过更高的频率,在精准调节生存室氧气浓度的同时，减少氧气消耗量3 47.7 6 m13结语通过过渡室智能供气控制装置和生存室智能供气控制装置,实现了紧急避险智能供气的要求。过渡室智能供气控制装置利用热释光控传感器，结合PLC和PID技术驱动电磁阀启闭，实现过渡室内气幕、喷淋装置的自动供气。控制装置响应时间2 s，延时3 0 0 s自动关闭，避免了避险人员的误操作；生存室智能供气控制装置利用氧气浓度传感器监测,结合PLC和PID技术驱动多个电磁阀启闭，实现了不同供氧系统的切换,控制避险空间的氧气浓度处于19.5%2 3%的区间，为避险人员提供了稳定的生存环境，有效减少了氧气消耗。参考文献：1周松,蒋曙光,王凯.基于PID自动控制的压缩氧供氧系统实验研究 J.工矿自动化,2 0 15,41（0 6）：49-52.2席健，张英华，黄志安，等.矿井避难碉室自动控制系统研究 J.煤炭科学技术,2 0 16,44（0 3）：112-116+13 4.3史徐茂.基于人员定位和PLC的煤矿避难碉室供氧系统研究 D.中国矿业大学,2 0 19.4刘云飞.避难碉室自动供氧系统设计分析 J.电子技术与软件工程,2 0 2 1(0 7):9 2-9 4.5蒋文强，张明清，王沉，等.矿井避难碉室供氧系统评价与决策 J.采矿技术,2 0 2 0,2 0（0 2）：8 6-8 8+9 3.作者简介：舒远（19 8 7-），男，重庆人，本科，工程师，从事个体防护装备、矿山应急救援技术研究工作。