Bewetterungs-Steuerung für die Eisenerzmine WALERT des Musée Nationale des Mines Rumelange
Im Rahmen des internationalen XPLORE 2012 – Automatisation-Wettbewerbs von Phoenix Contact Deutschland begann das studentische Team des BTS Génie Technique des LAM (Alliaume Philippe, Fuhs Brice, Scheid Gary, Jacobsen Daniel und Hammer Luc) ihr Projekt einer Bewetterungssteuerung im nationalen Museum der luxemburgischen Eisenerzgruben in Rumelange durchzuführen.
Die Bewetterungssteuerung wurde in dem unterirdischen Stollen der ehemaligen Eisenerzgrube Walert realisiert, die sich etwa 100 Meter unter Tage liegt und sich an der luxemburgisch-französischen Grenze befindet. In dem Stollen von 2,8 km Länge verkehrt ein mit einer Diesellokomotive bespannter Besucherzug, wobei bei einem Zwischenhalt in der Grube, die Besucher die Gelegenheit haben eine Ausstellung von ehemaligen Grubenmaschinen und Werkzeugen zu besichtigen.
Das Projekt besteht aus zwei Teilen:
1. Einem technischen Teil
Mittels einer Phoenix Contact SPS wurde die Ansteuerung der bereits vorhandenen und täglich verwendeten Ventilatoren zur Bewetterung der Mine realisiert. Die Kommunikation zwischen der im Empfangsgebäude angebrachten SPS, den Wetterstationenen in der Mine und am Empfangsgebäude und den Ventilatoren erfolgte usprünglich mittels DSL-Technik und Buskoppler über vorhandene Telefonleitungen, zusätzlich wurde noch ca. 600 Meter Spezialkabel zur Anbindung der Sensoren an die verschiedenen Schaltschränke verlegt.
2. Einem wissenschaftlichen Teil
Die Bewetterung einer Mine kann man als ein Belüftungskonzept auffassen, das dem Besucher ein Mindestmaß an Klimatisierung und Ergonomie bieten muss. Dabei ist das Klima in der Grube das Resultat des Zusammenwirkens von Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck, Windgeschwindigkeit, Windrichtung innerhalb und außerhalb der Grube.
Für die Bewetterung wurden daher folgende physikalischen Größen erfasst:
Wetterstation in der Grube: Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck, Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Sauerstoffgehalt, Kohlendioxidgehalt
Wetterstation an der Fassade des Empfangsgebäudes des Museums außerhalb der Grube: Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck
Um den Einfluss des Aufstellungsortes der Wetterstation innerhalb des Stollenquerschnittes auf die Messdaten zu ermitteln, nahmen die Studenten Messungen der Luftgeschwindigkeit abhängig vom Sensorort an einem selbst gefertigten Windkanal im Schullabor vor. Bedingt waren diese Untersuchungen durch die Tatsachen, dass die im Stollen vorhandenen Ventilatoren (Volumenstrom = 15000 m3/s) nicht den vollen Querschnitt des Stollens belüften, sondern sich wegen ihrer Abmessungen nur seitlich am Boden befinden können.
Der genaue Installationsort im Stollenquerschnitt wurde durch Testmessungen mit mobilen Geräten im Stollen selbst ermittelt. Es wurde an unterschiedlichen Stellen im Stollenquerschnitt ermittelt, ob eine Beeinträchtigung der erfassten Sensordaten bei eingeschaltetem Ventilator festzustellen sei, wenn sich der Besucherzug im Stollen zwischen den Ventilatoren und dem Minenausgang befindet. Es konnte keine wesentliche Beeinträchtigung festgestellt werden, als Ursachen kann man hier die geringe Zuglänge im Vergleich zur Stollenlänge von ca. 2800 Meter, der unregelmäßige Querschnitt des Stollens, wie auch das Vorhandensein von offenen Seitenstollen und schmale Öffnungen zu den oberen Galerien, die zur Luftzufuhr des Hauptstollens beitragen, annehmen.
Bei Projektbeginn wurde folgende Situation in der Grube Walert vorgefunden:
- Die vorhandenen Ventilatoren wurden aufgrund von Erfahrungs- werten manuell ein- und ausgeschaltet.
- Durch die vielen Nebenstollen, deren Eingänge teilweise noch nicht verschlossen sind, ist es schwierig eine gezielte (manuelle) Belüftung zu erreichen, da durch diese Seitenstollen zusätzliche Luftströme in den Hauptstollen geleitet werden. Darüber hinaus fand bis dahin noch keine permanente Überwachung der Luftgeschwindigkeit und Luftqualität statt, so dass die Laufzeiten der Ventilatoren unbestimmt und aus wirtschaftlicher Sicht nicht sinnvoll waren.
- Durch die Flutung der Stollen auf der französischen Seite wurden und werden die in der Mine über Jahrzehnte von den Arbeitsmaschinen erzeugten Abgase vor allem CO2 nach und nach in die höherliegenden Stollen und somit auch in den Hauptstollen des Museums hoch gedrückt.
- In der Grube installierte Rauchmelder detektieren einen möglichen Brandherd und lösen im Empfangsgebäude einen Alarm aus
Theoretisches Modell der Bewetterung
Es galt ein theoretisches Modell der Bewetterung der Mine zu erarbeiten, dazu wurden als Quellen das Lehrbuch der Bergbaukunde von C.F. Fritzsche und Befragungen ehemaliger Grubenarbeiter verwendet.
Bei der Erstellung des theoretischen Modells der Grubenbewetterung wurden folgende Überlegungen angestellt:
– Bei der Museumsgrube handelt es um eine inaktive Mine, wo kein Eisenerzabbau mittels Sprengungen mehr erfolgt. Im allgemeinen treten daher auch keine matten, giftigen oder schlagenden Wetter auf, die mittels Bewetterung zu verdünnen oder fortzuspülen wären.
Folgende Größen wurden berücksichtigt
– Der Luftbedarf für die Atmung wird in der Literatur zu 0,75 m³ Frischluft je Mann und Minute angegeben.
– Die atmosphärische Luft, die in die Stollen geführt wird, behält ihre ursprüngliche Zusammensetzung und Reinheit nicht, verursacht durch das Atmen der Menschen, die Abgase des Zugdieselmotors und die Fäulnis und Zersetzung von Holz. In Fäulnis begriffenes Holz, das selbst aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff besteht, zerfällt in die gasförmige Kohlensäure und in Wasser. Diesellokomotiven stellen eine Kohlenmonoxidquelle dar, die bei schlechter Wartung nicht unerhebliche Mengen des Gases liefern können. Eine gute Bewetterung der von Lokomotiven befahrenen Strecken ist in jedem Fall notwendig und vorgeschrieben.
– Im Vergleich zu Kohlegruben wird für Erzgruben geringer Tiefe im allgemeinen die Wetterführung dann als ausreichend erachtet, wenn sie dem Sauerstoffbedarf der Menschen Rechnung trägt.
– Stickstoff N2 spielt in Eisenerzgruben keine Rolle
– Wasserdampf: Der Wasserdampf spielt in den Grubenwettern eine besonders wichtige Rolle. Wichtig ist hier der Einfluss der Temperatur. Je nach dem Unterschied von Außen- und Innentemperatur wird bei Abkühlung der Luft die Sättigungsgrenze (Taupunkt) unterschritten, es tritt Nebelbildung ein oder der Wasserdampf schlägt sich in Form von Tropfen nieder oder wird dagegen gesättigte Luft erwärmt, so nimmt ihre relative Feuchte ab und vermag weiter Wasserdampfmengen aufzunehmen. Da sich der Ausstellungsbereich und damit auch die innere Wetterstation im ausziehenden Schacht befinden (die Richtung des Wetters wird durch die Wetterführung der Ventilatoren vorgegeben) stellt sich hier des öfteren Nebelbildung ein.
– Wettertemperatur: Die jährlichen wie auch die tageszeitlichen Temperaturschwankungen über Tage in der Grube klingen mit zunehmender Entfernung von der Einziehöffnung rasch ab. Für die Grube Walert wird die Wettertemperatur im wesentlich durch folgende Wärmequellen beeinflusst: – die Aufnahme oder Abgabe von Wasserdampf und die Gebirgswärme. Die Temperatur liegt in einer Teufe vun 25m durchschnittlich bei 10-11°C und steigt im Durchschnitt um 1°C je 33 m Teufe (geothermische Tiefenstufe). In der Grube Walert würde damit im Mittel ohne Bewetterung eine Temperatur am tiefsten Punkt also 100m unter Tage von etwa 13°C erreicht werden. Die Erwärmung der Wetter durch Umsatz von Energie in den Arbeitsmaschinen (Zug) oder elektrische Beleuchtung im Ausstellungsbereich kann vernachlässigt werden.
– Verdichtungswärme: Als Verdichtungswärme bezeichnet man die Temperatursteigerung, die infolge Selbstverdichtung der Wetter nach dem Poissonschen Gesetz im einziehenden Schacht und in den anschließenden seigeren und geneigten Grubenbauen eintritt. Nimmt man adiabatische Verdichtung an, so beträgt die Erwärmung je 100m Teufenzunahme 1°C. Dieser Einfluss ist bei der Grube Walert zu vernachlässigen.
– Kältemantel, Wärmemantel, Wärmeausgleichsmantel: Die vom Gebirge an den Wetterstrom abgegebene Wärmemenge hängt im wesentlichen ab von der Wärmeleitfähigkeit des Gebirges, dem Unterschied der Temperatur des Wetterstromes und des unverritzten Gesteins und dem von der Wettergeschwindigkeit und dem hydraulischen Durchmesser des Grubenbaus beeinflussten Wärmeübergang zwischen Gesteinsoberfläche und Wettern. Strecken mit hoher Wettergeschwindigkeit weisen aber nach 1- 2 Jahren so gut wie keine Wettererwärmung mehr auf.
Der Einziehstrom ist starken jahreszeitlichen Temperaturschwankungen unterworfen. Im Winter kommt es so zu einem Kältemantel, der im Sommer mehr oder weniger abgebaut wird (Wärmemantel). Durch diesen Wechsel erfolgt ein Ausgleich der Wettertemperaturen (Wärmeausgleichs-mantel). Daher verschwinden in einer gewissen Entfernung von der einziehenden Tagesöffnung die täglichen Temperaturschwankungen nahezu oder völlig. Der ausziehende und warme Wetterstrom kommt im Ausziehschacht allmählich mit kälteren Gebirgsschichten in Berührung und gibt unter Bildung eines Wärmemantels Wärme an das Gebirge ab. Die Länge, von der Tagesöffnung ab gerechnet, schwankt im allgemeinen zwischen 1000 und 3000m.
Für die Grube Walert mit einer Länge von ca. 2800m bedeutet dies, dass für den größten Teil der Grube ein Wärmeausgleichsmantel anzunehmen ist, also die gesamte Grubenlänge von den jahreszeitlichen Temperaturschwankungen betroffen ist. Dies deckt sich auch mit den Beobachtungen der Mitarbeiter des Museums.
– Oxydationswärme: Der Beitrag der Oxydation von Holz zur Bildung der Wettertemperatur ist analytisch schwierig zu ermitteln, wird meistens als Restglied betrachtet und kann daher für die Grube Walert vernachlässigt werden.
– Wetterstrom: Zur Bewetterung eines Grubengebäudes muss ein ununterbrochen fließender Wetterstom erzeugt werden. Die zur Bewegung der Wetter erforderliche Antriebe in der Grube Walert befinden sich im Stollen, man verwendet eine saugende Bewetterung. Die Lüfter erzeugen an der Ausziehöffnung einen Unterdruck gegenüber dem Atmosphärendruck (Depression). Im Gegensatz zur blasenden Bewetterung kann man von einer Verringerung der Temperatur ausgehen kann, was aber wegen der geringen Teufe hier keine Rolle spielt. Da die Ausziehöffnung in der Grube Walert höher liegt als die Einziehöffnung, liegt hier weiterhin eine aufsteigende Bewetterung vor, dies hat sich vor bei CO2-Ausströmungen als günstiger erwiesen.
Messtechnische Überwachung der Wetterüberwachung
– Druck: Für die Hauptbewetterung unter Tage sind folgende Größen von Bedeutung, es sind diese der statische Unterdruck gegenüber der Atmosphäre (Depression) und der statische Druckunterschied zwischen zwei Stellen. Mit Hilfe des statischen Unterdrucks der meist 100–400 kg/m2 beträgt, wird die Wetterbewegung in Gang gehalten. Die Widerstände, die sich der Wetterbewegung durch Reibung, Wirbelung und sonstige Einflüsse (z.B. Tropfwasser) entgegenstellen, werden durch ihn überwunden.
Mittels der beiden Wetterstationen wird im Museum der statische Atmosphärendruck und der statische Luftdruck im Besucherbereich gemessen, womit der statische Unterdruck gegenüber der Atmosphäre berechnet werden kann . Der dynamische Druck spielt infolge seiner geringen Größe im allgemeinen eine untergeordnete Rolle.
Der absolute Druck eines Punktes unter Tage wird jedoch nicht nur von den Luftverhältnissen an diesem Punkt und der Rasenhängebank (entspricht hier dem Empfangsgebäude) beeinflusst. Auch der Wärme- und Wasseraustausch und Widerstandsänderungen, denen der Wetterstrom auf seinem Wege ausgesetzt ist, spielen eine Rolle. Da der Einziehschacht infolge des Wärmeausgleichsmantel starke Einflüsse auf die Zustandsbedingungen des Wetterstromes ausübt, wird oft statt der Rasenhängebank das Füllort als Ausgangspunkt gewählt. In der Grube Walert entspricht keine Vorrichtung dem Füllort, so dass hier die Außenwand des Empfangsgebäudes als Ort der Druckmessung gewählt wurde.
Wegen der in den Drucksensoren angewandten Messverfahren (Absolutdruck), braucht der Einfluss von geodätischen Höhenunter-schiedes und Luftdruckschwankungen nicht berücksichtigt zu werden.
Bestimmung der Wettermenge V: Die Messung des Druckabfalls muss im allgemeinen von der Feststellung der Wettermenge begleitet sein, will man sichere Unterlagen für die rechnerische Erfassung und Planung der Wetterführung gewinnen. Die Bestimmung der Wettermenge V (m3/min) erfolgt über die Messung der Geschwindigkeit auf Grund der Beziehung , wobei w die Geschwindigkeit (m/s) und F den Querschnitt des Wetterweges (m²) bedeutet.
Rechnerische Erfassung der Wetterbewegung:
Berechnung des Druckabfalls ΔP: Beeinflussende Faktoren sind die Proportionalität mit der Wetterwichte , der Länge l des Wetterweges und seinem Umfang U, während sie zum Querschnitt F umgekehrt proportional ist. Da es sich bei der Bewetterung um eine turbulente Strömung handelt, besteht zugleich eine quadratische Abhängigkeit zur Geschwindigkeit w:
Die Größe des Reibungsbeiwertes λ hängt grundsätzlich von der Reynoldsschen Zahl und der relativen Rauigkeit des Strömungsweges ab, wobei die kinetische Zähigkeit der Luft (m2/s) und die Höhe der Rauigkeitserhebungen (m) bedeutet.
Da die in Wetterwegen unter Tage auftretenden Reynoldsschen Zahlen im allgemeinen zwischen 105 und 1,5▪106 liegen und die relative Rauigkeit verhältnismäßig hoch liegt, befindet man sich hier zumeist im Bereich hydraulisch rauer Strömung.
Die obige Gleichung gilt nur für gerade Strecken. Sie berücksichtigt nicht den Druckabfall durch Biegungen, plötzliche Richtungsänderungen des Wetterstromes und dgl., der sich mit dem Widerstandswert zu:
ergibt.
Die Mehrzahl der gemessenen Reibungsbeiwerte liegen in Strecken ohne Ausbau wie hier in der Grube Walert vorhanden in einem großen Streubereich zwischen 0,024 und 0,115.
Widerstandswert eines Wetterweges:
Der Widerstandswert eines Wetterweges R ist bestimmt durch Druckabfall und Wettermenge Vn in m3/s.
Für den Hauptstollen der Grube Walert, der auch als Wetterweg dient, gilt angenähert n = 2.
Diese Beziehung kann als das Widerstandsgesetz für Wetterströme angesehen werden. Es hat große Ähnlichkeit mit dem Ohmschen Gesetz der Elektrotechnik und unterscheidet sich von ihm durch den Exponenten der Wettermenge. Man kann so ein Grundgesetz über die Wetterstrom-Verteilung (Knotenpunktgesetz) und ein Grundgesetz über den Depressionsverlauf in geschlossenen Stromfiguren (Umlaufgesetz) formulieren. Mittels diesen beiden Gesetzen lassen sich dann Gleichungen für Reihen- und Parallelschaltung von Wetterwegen ableiten. Damit wird eine wettertechnische Planung und Überwachung der Wetterwege möglich und womit sich Modelle auf Rechnern implementieren lassen.
Technische Installation:
Die Installation besteht aus 5 Teilen und wurde in den Monaten Februar und März 2012 im Schullabor von den Studenten vormontiert und anschließend im Empfangsgebäude und im Stollen des Museums und in Betrieb genommen.
1) Wetterstation Außen (Schaltschrank SPS Rezeption MNM)
Hier befindet sich der 1. Schaltschrank. Wir nehmen hier 3 analoge Variablen auf: 1) Außenluftdruck, 2) Außenluftfeuchtigkeit 3) Außenlufttemperatur, wir steuern die Bewetterung und erzeugen SMS um Informationen und Alarme an das Museumspersonal weiterzuleiten.
Auf der Frontplatte jeder der 4 Schaltschränke verwenden wir 4 Signallampen um folgende Informationen darzustellen; 24V-Spannungsversorgung, den Betriebszustand der SPS, der Ansteuerungszustand der Ventilatoren (SPS oder manuell) und wir verwenden 2 Taster um aus der Distanz aus die SPS beeinflussen zu können.
2) Wetterstation Innen (Schaltschrank Sensoren, Besucherbereich)
m SHDSL/ETH (Kommunikation mit den anderen Schaltschränken über TCP/IP)
Wir nehmen hier 7 analoge Variablen auf: 1) Innenluftdruck, 2) Innenluftfeuchtigkeit 3) Innenlufttemperatur 4) Innenluftgeschwindigkeit, 5) Innensauerstoffgehalt, 6) Innenkohlendioxidgehalt, 7) Innenluftge-schwindigkeit.
3) Schaltschrank C2bis (Hauptstollen)
Wir stellten hier mittels Steuerkabel eine Verbindung zum vorhandenen Schaltschrank her, in dem sich die Ansteuerung von Ventilator VP3 befindet. Durch 2 Wechselkontaktrelais können jetzt entweder die bisherige manuelle Ansteuerung oder unsere Bewetterungssteuerung den Betriebszustand von Ventilator VP3 beeinflussen. Hier erfassen wir auch ob die manuelle Ansteuerung aktiv ist und verwenden dieses Signal um unsere SPS entsprechend zu beeinflussen. Bei einer manuellen Ansteuerung durch das Museumspersonal wird unsere Ansteuerung inaktiv und muss wieder per Taster gezielt eingeschaltet werden. Ein automatisches Umschalten darf aus Sicherheitsgründen nicht erfolgen.
4) Schaltschrank C3 (Hauptstollen)
Wir stellten hier mittels Steuerkabel eine Verbindung zum vorhandenen Schaltschrank her, in dem sich die Ansteuerung von Ventilator VP2 befindet. Durch 2 Wechselkontaktrelais können jetzt entweder die bisherige manuelle Ansteuerung oder unsere Bewetterungssteuerung den Betriebszustand von Ventilator VP2 beeinflussen. Hier erfassen wir auch ob die manuelle Ansteuerung aktiv ist und verwenden dieses Signal um unsere SPS entsprechend zu beeinflussen. Bei einer manuellen Ansteuerung durch das Museumspersonal wird unsere Ansteuerung inaktiv und muss wieder per Taster gezielt eingeschaltet werden. Ein automatisches Umschalten darf aus Sicherheitsgründen nicht erfolgen.
5) Public Display (Empfangsgebäude)
Im Ausstellungsbereich des Museums verwenden wir ein 41“- Display um den Besuchern vor der Minenbesichtigung die aktuellen Daten die von den beiden Wetterstationen stammen, wie auch den Betriebsstand der Bewetterung anzuzeigen. Hier können in Zukunft auch andere Informationen im Wechsel angezeigt werden.
Verwendete Sensoren:
Bei den Sensoren der beiden Wetterstationen handelt es sich um industrielle Ausführungen, die für den Einsatz im Außenbereich geeignet sind und deren Schnittstellen im Bereich 0 bis 10V respektive 0 bis 20mA arbeiten.
Sauerstoffsensor: Dalemans DTX420-O2, 0 .. 25% O2, 4 – 20mA
Verwendet wird hier ein elektrochemisches Verfahren. Durch die chemische Reaktion des Sauerstoffs mit den Elektroden entsteht zwischen den beiden Elektroden ein der Gaskonzentration proportionaler Strom.
Kohlendioxidsensor: Dalemans DAT420-IR-CO2, 0 .. 4% CO2, 4 – 20mA
Verwendet wird hier das Infrarotverfahren. Da die Installation im Hauptstollen wegen des Luftzuges vom Hersteller nicht erlaubt ist, wurde der Sensor in einem Nebenstollen des Besucherbereiches angebracht. Da das Kohlendioxid sich in Bodennähe sammelt, wurde der Sensor auf einer Höhe von ca. 1 Meter befestigt.
Temperatursensor: S+S Thermasgard-1052, AD592, -50 .. +90%, 0 – 10V
Außenwandwiderstandsthermometer mit Witterungsfühler in externen Fühlerrohr aus Edelstahl, Feuchte < 95% r.H.
Luftdrucksensor: S+S Presmagard-1151, 850mbar .. 1150mbar, 0 – 10V
Der atmosphärische Luftdruck wird als Absolutdruck gemessen., Genauigkeit -+3,0% EW (bei 20°C), Linearität -+0,5%, Arbeitsbereich 10 bis 95% r.H., Einschaltzeit < 10min
Feuchtigkeitssensor: S+S Hygrasgard-122, 0 .. 100% r.H., 0 – 10V
Die relative Feuchte (in % r.H.) ist der Quotient aus dem Wasserdampfpartialdruck und dem Sättigungsdampfdruck bei der jeweiligen Gastemperatur. Es wird ein digitaler Feuchtesensor mit integriertem Temperatursensor verwendet, betauungsfest, kleine Hysterese, Abweichung Feuchte -+3% r.H. (20…80%) bei 20°C, sonst -+5% r.H.
Windgeschwindigkeitssensor: ATP AVM-888, 0,10 .. 25m/s, 0 – 10V
Das Messverfahren beruht auf dem Heißfilm – Anemometerprinzip, wobei als Sensoren speziell entwickelte Dünnschichtelemente zum Einsatz kommen. Genauigkeit ± 5% vom Endwert , Genauigkeit 0,01m/s.
Windrichtungsgeber: standard 0315 Wilmers Messtechnik
Messung der horizontalen Windrichtung: Ausgangssignal 0…358° = 0…10kΩ (Präzisionsdrahtpotentiometer), Auflösung 0,5°, Genauigkeit -+1,5°.
Messwerte am 10. Februar 2012 um 17h45:
– Wetterstation am Empfangsgebäude: Außenluftdruck: 1002 mbar, Außenluftfeuchtigkeit: 62,5%, Außenlufttemperatur: -6,8°C
– Wetterstation im Stollen: Innenluftdruck: 1062 mbar, Innenluftfeuchtigkeit: 66,8%, Innenlufttemperatur: 2,3°C , Innenluftgeschwindigkeit: 6,9 m/s, Innensauerstoffgehalt: 21,3%, Innenkohlendioxidgehalt: 1,2%
Weiterführung des Projektes:
Die ursprüngliche Kommunkationstechnik mittels DSL wurde mit Unterstützung von POST Technologies auf Glasfasertechnik umgebaut. Wegen der umfassenden Renovierungsarbeiten des Musée des Mines mussten Teile der Anlage abgebaut werden, das Projekt soll aber weitergeführt werden.
Dieses Projekt wurde ermöglicht durch die Unterstützung des Fond National de Recherche Luxembourg, den Firmen Phoenix Contact Deutschland, Paul Wurth und Post Technologies so wie der Unterstützung durch die Leitung und die Mitarbeiter des Musée Nationale des Mines Rumelange.