Источник: По открытым материалам в Интернете.
Как известно, добыча угля в подземных выработках является одним из самых опасных производств. Ежегодно в России происходят десятки крупных аварий в угольных шахтах, уносящие сотни жизней. Выходит из строя дорогостоящее оборудование, шахты терпят огромные убытки вследствие вынужденного простоя. С каждым годом все больше внимания уделяется повышению безопасности работы в шахтах. Вводятся в действие новые нормативные документы, ужесточающие требования к условиям работы, используемому оборудованию, системам контроля и диагностики. Сами шахты вынуждены выделять значительные денежные средства на обеспечение безопасной работы.
То же происходит и в других странах. Так в Китае, где в 2004 году погибли более 6000 шахтеров, правительство выделило в 2005 году на обеспечение безопасности 362 миллиона долларов США. Всего же по оценке китайских экспертов на модернизацию угольных предприятий Китая требуется 6 миллиардов долларов США. Мировая статистика свидетельствует, что 70 … 80% аварий на угольных шахтах происходит из-за взрыва рудничного газа, либо угольной пыли. Инициатором взрыва является либо открытый огонь, либо высокая температура, например, сам уголь, если он склонен к самовоспламенению. Данные об авариях в России свидетельствуют о том, что до 70% пожаров и взрывов, возникающих в угольных шахтах, происходят в выработках, оборудованных ленточными конвейерами по причине возгорания ленточного полотна (доклад директора ФГУП Рос НИИ ГД Федоровича А.Г.).
Основными причинами появления мест локального перегрева ленточных конвейеров являются: заклинивание ролика вследствие поломки подшипников ролика, попадание породы в зазор между поверхностью ролика и конструктивным элементом конвейера, трение ленты.
В связи с тем, что предотвратить полностью возможность заедания роликов конвейеров в условиях угольных шахт нереально, актуальной является задача постоянного контроля за температурой роликов, ленточного полотна, др. механизмов и воздуха.
Постановлением Госгортехнадзора РФ от 05.06.2003 г. № 50 утверждены новые «правила безопасности в угольных шахтах», в которых в разделе, посвященном противопожарной защите шахты говорится: «…на новых, реконструируемых и действующих шахтах необходимо применение автоматических средств обнаружения начальных стадий подземных пожаров, … , средств контроля нагрева узлов ленточных конвейеров на всем протяжении, …». Несмотря на кажущуюся простоту, проблема контроля за превышением температуры вдоль шахтных ленточных конвейеров является достаточно сложной и в настоящее время не решена.
Чем обусловлена сложность решаемой задачи:
— протяженность линии контроля (длина конвейера может превышать 2 км),
— большое количество точек контроля — до 15 000,
— тяжелые условия эксплуатации: вибрация, угольная пыль, возможность резкого увеличения температуры,
— система должна легко монтироваться и демонтироваться в условиях шахты,
— система должна иметь низкую стоимость в расчете на одну точку контроля,
— система должна иметь возможность индикации места превышения температуры,
— конструкция системы, в том числе температурных датчиков должна обеспечивать возможность ее сертификации на взрывобезопасность в рудничных условиях,
— система должна быть ремонтопригодной в условиях шахты.
В идеальном варианте извещатель (система) должен иметь модульную разветвленную структуру, которая позволяет легко его монтировать и демонтировать, наращивать, добавлять дополнительные модули.
Извещатель должен иметь следующие функции:
а). измерение абсолютной температуры в нужных точках вдоль шахты с выводом информации на поверхность диспетчеру шахты, а также (либо) на ближайший контроллер сбора информации;
б). контроль за превышением температуры в точках возможного ее повышения (например, ролики конвейера, эл. двигатели, барабаны и т.д.) с выдачей местного светового сигнала и сигнала по линии связи в ближайший контроллер или диспетчеру о месте превышения температуры;
в). контроль за средней температурой и скоростью изменения средней температуры вдоль участков конвейера с выдачей сигнала по линии связи о месте возможной аварии.
В то же время извещатель не должен быть очень дорогим.
Ни одна из существующих на сегодняшний день систем контроля не может выполнять эти три функции. Применение же в шахте совместно различных систем затруднено их несовместимостью, необходимостью проведения дополнительных работ по монтажу и большой общей стоимостью оборудования.
Проблемой раннего обнаружения пожара вдоль протяженных ленточных конвейеров методом контроля температуры занимаются достаточно много компаний в мире. Однако ни один из продуктов, предлагаемых на сегодняшний день, нельзя считать полностью удовлетворяющим существующим требованиям.
Все имеющиеся на сегодняшний день так называемые линейные тепловые сенсоры можно разделить по принципу действия на три группы:
— газовые;
— оптические;
— электронные.
Газовые сенсоры представляют из себя длинную трубку, заполненную сжатым газом и блок пневмоэлектропреобразователя. При повышении температуры увеличение давления газа в трубке преобразовывается в электрический сигнал, пропорциональный средней температуре газонаполненной трубки сенсора. Существуют сенсоры с газонаполненной трубкой, изготовленной из легкоплавкого материала, температура плавления которого соответствует необходимой температуре срабатывания. При локальном перегреве такого сенсора происходит резкое падение давления в трубке, а преобразователь вырабатывает сигнал «Авария». Один из таких сенсоров — Transsafe ADW 511 изготавливает австрийская компания Schrack Seconet.
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.
Основным элементом всех оптических линейных температурных сенсоров является волоконно-оптический кабель. Так компания Neola corporation предлагает извещатель Liner heat detection with optical fibres, состоящий из плавкого оптоволоконного кабеля и контроллера. При превышении температуры в какой-либо точке кабеля, он начинает плавиться, а интенсивность прошедшего по кабелю света снижается. Такой линейный сенсор обладает малой инерционностью и служит только для сигнализации о перегреве в какой-то точке по линии контроля. Компания предлагает использовать небольшие отрезки кабеля, соединяя их в систему контроля.
Недостатки:
— кабель — одноразовый (неремонтопригодный);
— низкая функциональность системы (только контроль за локальным перегревом).
Tyco Safety Products изготавливает волоконнооптический термокабель MXF100. Данный кабель позволяет измерять температуру на длине 2 км с пространственным разрешением 1,25 м. Работает кабель с достаточно сложным и дорогим электронным блоком, включающим в себя блок питания, лазер, фотоприемник, контроллер с дисплеем. Блок электроники устанавливается в шахте в непосредственной близости от конвейера.
Диапазон контролируемой температуры — -40…+90°С.
Напряжение питания — 220 В.
Потребляемая мощность — 200 Вт.
Недостатки:
— неудобство в монтаже. Кабель — цельный, имеющий длину более 1 км, «нетерпящий» перегибов на радиус менее 0,5 м;
— неремонтопригодность в условиях шахты;
— высокая стоимость системы контроля;
— невозможность контроля конкретных небольших объектов (например: роликов, электродвигателей, редукторов и т.д.).
Наиболее широко распространенными являются электронные линейные тепловые сенсоры. Так, известные в области пожарной техники, компании: Fenwal Protection systems (Великобритания) и Kidde Fire Sistems (Канада) изготавливают линейный тепловой сенсор LHS, представляющий из себя кабель, состоящий из пары упругих стальных, покрытых медью, проволок, переплетенных между собой по всей длине кабеля с предварительно нанесенной на них термочувствительной диэлектрической пленкой. При нагреве кабеля в какой-то точке выше температуры плавления термочувствительного материала, проволоки замыкаются между собой. Подключаемый к кабелю прибор может регистрировать не только факт перегрева, но и, измеряя сопротивление, определять расстояние до места превышения температуры.
Преимущества такого кабеля: относительно низкая стоимость, удобство монтажа, простота в обслуживании.
Недостатки:
— низкая функциональность (работа только в качестве сигнализатора о превышении температуры в какой-либо точке);
— невозможность проверки на работоспособность без разрушения кабеля в месте проверки;
— высокая инерционность.
Очевидно, что данная система может защитить только от статического (недвижущегося) локального перегрева.
Совершенно другой принцип построения электронного линейного температурного сенсора предлагает фирма ADT Fire and Sucurity (Великобритания). Изготавливаемый этой фирмой кабель состоит из четырех жил и имеет общий диаметр 3…4,5 мм. Сопротивление диэлектрика между жилами уменьшается при увеличении температуры. Прибор, подключаемый к кабелю, срабатывает, если сопротивление между жилами оказывается меньше выставленной величины. Таким образом система срабатывает как при локальном перегреве, так и при небольшом увеличении температуры всего кабеля, например, для данной системы оказываются равнозначными следующие условия:
Длина участка кабеля, м Температура, °С
200 42
100 46
50 50
10 64
2 81
Компания-изготовитель рекомендует применять кабель длиной до 200 м.
Понятно, что такой кабель нельзя использовать для локального контроля за перегревом, а также для измерения температуры в каком-либо месте.
Такую задачу решает температурный кабель TSC515 производства фирмы Securition AG (Швейцария). Кабель содержит встроенные миниатюрные температурные цифровые датчики. Контроллер поочередно «опрашивает» датчики и выводит полученные значения температуры на дисплей. Применение данного кабеля ограничено максимальной температурой эксплуатации, временем опроса датчика, которое при большой длине кабеля может оказаться неприемлемым, высокой стоимостью.
Из вышеприведенной информации видно, что при кажущемся широком выборе средств контроля за температурой вдоль конвейера отсутствует комплексное решение проблемы.