Добыча полезных ископаемых в подземных выработках даже в современный век высоких технологий продолжает оставаться одним из самых опасных производств. Аварии на угольных шахтах, смерть горняков вновь обострили тему обеспечения безопасности. Одним из факторов повышения безопасности труда горняков является, в частности, обеспечение необходимого уровня контроля за температурными параметрами технологического процесса.
Контроль за параметрами воздушной среды или оборудования?
На предприятиях горнорудной отрасли измерению температурных характеристик уделяется значительное внимание. При этом в большинстве шахт, добывающих руду или минеральные ископаемые, приоритетным является контроль параметров воздушной среды, что напрямую связано в технологическими потребностями процесса добычи.
Как отмечает Александр Протопопов, начальник участка УТП ОАО «Сильвинит» (г. Соликамск, Пермский край) измерения температурных параметров – в основном за стабильностью температуры воздушной среды шахты – проводятся на разных глубинах: на устье и «горизонте» ствола (глубина 143 м) полуавтоматически с помощью термопреобразователей сопротивления (ТСМ) для контроля работы калориферных установок или подогревателей воздуха. Поддержание постоянной температуры воздушной среды (как правило, не ниже +4 С°) необходимо для нормального функционирования ствола шахты.
На угледобывающих же предприятиях, в силу потенциальной пожароопасности извлекаемых недр, особую проблему представляет контроль за превышением температуры вдоль шахтных ленточных конвейеров. Поскольку именно возгорания на ленточных конвейерах становятся одной из основных причин экзогенных пожаров (около 30% от общего числа). Конвейер пожароопасен по всей длине: так пожары происходят на приводных станциях (64 %), на натяжных станциях (10,8 %) и на линейной части конвейера (25,2 %). Однако, по словам зав. отделом систем контроля безопасности при подземной добыче полезных ископаемых ФГУП «Гипроуглеавтоматизация» (г. Москва), к.т.н Евгения Травкина, если возгорания на приводных и натяжных станциях более или менее надежно контролируются точечными датчиками температуры, то защита линейной части конвейера такими датчиками является проблематичной в виду большой протяженности конвейерных линий и непредсказуемости вероятных мест возгорания.
Эта проблема может быть решена созданием специальных систем температурного мониторинга, способных контролировать температуру по всей длине конвейера.
Варианты есть
Любая автоматизированная система должна быть построена на основе низовых датчиков температуры, занимающихся сбором первичной информации. Необходимость обнаруживать термические аномалии (в том числе локальные пожары) в ранней стадии и в любой точке шахты привела к созданию термокабелей, которые представляют собой по существу непрерывный, распределенный по длине выработки пожарный извещатель. Созданные и используемые в промышленности образцы термопреобразователей генерируют предупредительный или аварийный сигнал при нагреве воздушной среды в конвейерной выработке до температуры, соответствующей плавлению изоляции металлических жил термокабеля. Прибор должен выполнять ряд важнейших функций: 1) измерение абсолютной температуры в нужных точках вдоль шахты с выводом информации на поверхность диспетчеру шахты, либо на ближайший контроллер сбора информации; 2) контроль за превышением температуры в точках возможного ее повышения (например, ролики конвейера, электродвигатели, барабаны и т.д.) с выдачей местного светового сигнала и сигнала по линии связи в ближайший контроллер или диспетчеру о месте превышения температуры; 3) контроль за средней температурой и скоростью изменения средней температуры вдоль участков конвейера с выдачей сигнала по линии связи о месте возможной аварии.
В настоящий момент многие ведущие российские компании серийно выпускают широкий спектр термопреобразователей.
Например, разработка ОАО НПП «ЭТАЛОН» (г.Омск) – линейка многозонных термоэлектрических преобразователей ТХА 0309, ТХК 0309 позволяет проводить ступенчатое измерение температуры сразу в нескольких различных труднодоступных точках по длине, в глубинных шахтах. Приборы герметичны (водонепроницаемы).
В ГП «Метран» (г.Челябинск) для измерения температуры жидких и газообразных химически неагрессивных сред, а также агрессивных, не разрушающих материал оболочки кабеля разработаны кабельные преобразователи ТХА Метран-231 и ТХК Метран-232. Приборы изготовлены из термопарного кабеля КТМС-ХА (ХК) ТУ16-505.757-75 с оболочкой из стали 12Х18Н10Т или из термопарного кабеля КТМСп-ХА с оболочкой из сплава ХН78Т.
Взрывозащищенные версии ТХА Метран-251 и ТХК Метран-252 могут эксплуатироваться во взрывоопасных зонах и помещениях с содержанием аммиака, азотоводородной смеси, углекислого или природного газа.
По словам зам.гендиректора ООО «НПК «Раско» (Москва) Евгения Апарина, на рынке востребованы реле давления и температуры Д 231 ВМ, Д 21 ВМ, Т 21 ВМ во взрывозащитном исполнении.
Тем не менее, при широком выборе отдельных средств измерений, интегрированные системы контроля за температурой рабочей среды и шахтных конвейеров как таковые не выпускаются.
Архитектура на основе тепловых сенсторов
Сложность создания системы термомониторинга обусловлена большой протяженностью линии контроля (длина конвейера может превышать 2 км), требующей сотен точек контроля (в ряде случаев – до 15 000); тяжелые условия эксплуатации: вибрация, угольная пыль, возможность резкого увеличения температуры, система должна иметь низкую стоимость в расчете на одну точку контроля, конструкция системы, в том числе температурных датчиков должна обеспечивать возможность ее сертификации на взрывобезопасность в рудничных условиях, система должна быть ремонтопригодной в условиях шахты.
На рынке представлены три группы линейных тепловых сенсоров (по принципу действия): газовые (наиболее известное решение – «Transsafe ADW 511» австрийской компании «Schrack Seconet»); оптические (наиболее распространен электронный извещатель «LHS» – совместное производство «Fenwal Protection systems» (Великобритания) и «Kidde Fire Sistems» (Канада), сертифицированный в России МГП «Спецавтоматика» г. Москва) и электронные.
Наряду с очевидными преимуществами: контроль усредненной температуры и локального перегрева, относительная простота термочувствительного элемента данные линейные тепловые сенсоры обладают рядом серьезных недостатков: полная неремонтнопригодность в условиях шахты; небольшая возможная длина сенсора – 20 …130 м; необходимость обеспечения очень хорошего теплового контакта сенсора к местам возможного локального перегрева из-за наличия эффекта «растекания температуры» по трубке сенсора; неудобство монтажа.
Недостатки оптических сенсоров: низкие ремонтопригодность и функциональность системы в целом (возможность осуществления контроля только за локальным перегревом).
Наиболее широкое распространение в горнорудной промышленности, поэтому, получили электронные тепловые сенсоры.
Будущее - за комплексным решением?
В последние годы предпринимались попытки создания специальных систем температурного мониторинга подземных выработок с помощью средств волоконно- оптической техники. Среди них известна разработка НИИ «Гипроуглеавтоматизация» – волоконно-оптический термокабель ВОТК 1000 (аналог изделия американской компании «Protectowire company Inc.»). Первые испытания данного кабеля в составе комплекса раннего обнаружения пожаров успешно прошли на шахте «Листвяжная» (ОАО «Белон»).
Прибор способен не только генерировать сигнал о начавшемся пожаре при достижении температуры воздушной среды аварийного уровня, но и обеспечить постоянный мониторинг температуры во всем диапазоне её реальных изменений. Что позволяет более надежно и своевременно диагностировать процессы возгорания на ранней стадии.
Термокабель представляет собой многоканальную измерительную систему, в которой волоконный световод выступает одновременно и средой передачи информации и совокупностью чувствительных элементов, реагирующих на изменения температуры окружающей воздушной среды в каждом из измерительных участков конвейерной выработки. При этом формируется сигнал, несущий информацию о номере участка по длине выработки и температуре воздушной среды в пределах этого участка (каждому участку соответствует волоконно-оптический канал в 20 погонных метров термокабеля).
Большой интерес представляет разработка ЗАО «Рэлсиб» (Новосибирск). Как отмечает ген.директор Игорь Ландочкин, предлагаемая система мониторинга имеет модульную структуру, состоящую из отрезков температурного кабеля длиной 50…100 м со встроенными в него через 2 м адресными цифровыми температурными датчиками и адресных модулей (на основе терморезисторов ТРП68-01 и светоизлучателей СИТ68- 01). Температурные кабели имеют на концах разъёмы и соединяются между собой через адресные модули. Общая длина системы контроля может достигать 2 км.