一种用于复杂瓦斯抽采工况下的节能型瓦斯泵组联运系统及控制方法

摘要

本发明公开了一种用于复杂瓦斯抽采工况下的节能型瓦斯泵组联运系统及控制方法。瓦斯抽采时，含大量煤粉的瓦斯进入瓦斯抽采泵组，工作液‑煤粉混合物经气液分离器排至斜板式水浴冷却箱进行煤粉强制沉淀和初步冷却，之后经矿用稠浆泵、二次冷却装置和高位过滤池再次进入瓦斯抽采泵组，通过对工作液的液位和粘度进行联锁控制，实现工作液的智能配制、补液及最佳节能粘度的自适应调节；通过对工作液的煤粉浓度和煤泥高度进行联锁控制，实现工作液的智能排污与净化。本发明可实现恶劣抽采条件下瓦斯泵的高效节能和安全可靠运行，智能化水平高，尤其适用于我国煤矿煤层钻孔或工作面上隅角等煤粉含量大、抽采工况差的地面大型(特大型)瓦斯抽采泵站。

说明书

技术领域

本发明涉及煤矿瓦斯抽采技术领域，具体涉及一种用于复杂瓦斯抽采工况下的节能型瓦斯泵组联运系统及控制方法，尤其适用于煤层钻孔或工作面上隅角等含煤粉杂质较多且工况条件恶劣的瓦斯抽采点。

背景技术

瓦斯抽采泵被广泛应用于煤矿瓦斯抽采系统，具有结构简单、安全可靠等突出优点，但也是业界公认的效率低下的高耗能设备。瓦斯泵的高耗低效性已成为制约我国发展低碳绿色高效矿山的重大技术瓶颈。为此，根据瓦斯抽采泵内气液两相流动特性和能量损失机理，该领域技术人员创新性地提出了减阻工作液降低瓦斯抽采泵能耗新技术，并开发了地面全封闭式瓦斯泵节能系统，该系统主要适用于高抽巷和采空区等煤粉杂质少、水质条件好的抽采地点，在煤矿适用范围较窄，且有如下不足：(1)每台瓦斯泵均需单独配置一套节能系统，而我国大型瓦斯抽采泵站会安装多达5～20台瓦斯泵，造成施工难度大、工程量大且成本高等问题；(2)瓦斯泵内工作液的蒸发会导致减阻液粘度升高，当粘度过高时，可能形成供液断流影响泵的稳定运行，且会影响该技术的节能效果，现工艺均未考虑到该问题；(3)循环池中的减阻液会发生生物降解或剪切降解，粘度改变影响节能效果，且无法实现智能调控；(4)减阻液中硬质颗粒(如煤粉等)未能有效处理，存在管路堵塞、泵体磨损严重等风险，且需人为定期频繁排污，人力消耗大。

截至目前，针对地面大型(特大型)瓦斯抽采泵站，尚无适用于煤层钻孔或工作面上隅角等煤粉含量大、抽采工况差等特点而构建的基于高分子减阻液的瓦斯泵组联运节能系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于复杂瓦斯抽采工况下的节能型瓦斯泵组联运系统，可根据瓦斯抽采泵的运行工况，实时调整工作液的最佳粘度、液位与洁净程度，保证瓦斯泵的高效稳定运行。

本发明的另一目的是提供上述节能型瓦斯泵组联运系统的控制方法，智能化程度高，人力成本低。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种用于复杂瓦斯抽采工况下的节能型瓦斯泵组联运系统，包括瓦斯抽采泵组运行系统、工作液循环降温系统、减阻工作液配补一体化系统、泵内自适应恒粘系统、工作液智能净化系统和泵组PLC监控分站；

所述的瓦斯抽采泵组运行系统包括由至少两台瓦斯抽采泵联运的瓦斯抽采泵组，每台瓦斯抽采泵的进气管路上依次安装有进气调节阀和瓦斯综合参数测试仪，每台瓦斯抽采泵分别连接一气液分离器，所述气液分离器的顶部排气口连接排气管路，每台瓦斯抽采泵还分别连接一套矿用电参数测量仪；

所述的工作液循环降温系统包括斜板式水浴冷却箱、矿用稠浆泵、低位凉水池、二次冷却装置、高位过滤池和温度传感器，所述气液分离器的底部排液口通过排液管路连接所述斜板式水浴冷却箱，斜板式水浴冷却箱置于所述低位凉水池内，斜板式水浴冷却箱的出液口通过进液管路依次连接所述矿用稠浆泵、二次冷却装置、高位过滤池、温度传感器和瓦斯抽采泵组，所述矿用稠浆泵的进液端和所述高位过滤池的出液端分别设有手动调节阀；

所述的减阻工作液配补一体化系统包括全自动减阻液配制装置、补液泵、管道泵、电动开关阀I、电磁流量计I、液位传感器I、粘度传感器I，所述全自动减阻液配制装置顶部设有变频喂料机，全自动减阻液配制装置的配制罐内安装液位传感器II，所述全自动减阻液配制装置通过补液管路与补液泵和所述斜板式水浴冷却箱相连，所述低位凉水池通过进水管路依次与管道泵、电动开关阀I、电磁流量计I和所述全自动减阻液配制装置相连，所述液位传感器I和粘度传感器I均安装在所述斜板式水浴冷却箱内；

所述的泵内自适应恒粘系统包括供水泵、电动调节阀、粘度传感器II及电磁流量计II，电动调节阀和电磁流量计II与瓦斯抽采泵的数量相同，所述粘度传感器II与所述气液分离器连接，所述低位凉水池通过轴封供水管路依次与供水泵、电动调节阀、电磁流量计II及瓦斯抽采泵组相连；

所述的工作液智能净化系统包括排污泵、电动开关阀II、污泥储槽、泥位计及煤粉浓度传感器，所述泥位计及煤粉浓度传感器均安装在所述斜板式水浴冷却箱内，所述污泥储槽设置在所述斜板式水浴冷却箱底部，污泥储槽通过排污管路依次与电动开关阀II、排污泵相连；

所述的泵组PLC监控分站包括PLC控制柜及上位机，所述瓦斯综合参数测试仪、矿用电参数测量仪、温度传感器、电磁流量计I、电磁流量计II、液位传感器I、液位传感器II、粘度传感器I、粘度传感器II、泥位计以及煤粉浓度传感器分别与PLC控制柜输入端信号连接，PLC控制柜输出端分别与全自动减阻液配制装置、变频喂料机、补液泵、管道泵、电动开关阀I、电动调节阀、电动开关阀II、排污泵信号连接，PLC控制柜与上位机电性连接。

进一步地，所述的管道泵与补液泵的流量一致。

优选的，所述的瓦斯抽采泵组的联运台数为2～20台瓦斯抽采泵。

进一步地，所述的斜板式水浴冷却箱上部安装部分斜板，斜板之间间距为50～150mm，斜板倾斜角度为30～60°。

优选的，所述污泥储槽的数量为2～5个。

进一步地，所述的高位过滤池的出液口处设有过滤网，过滤网目数为100～140目。

本发明还提供上述用于复杂瓦斯抽采工况下的节能型瓦斯泵组联运系统的控制方法，包括以下步骤：

(1)通过泵组PLC监控分站对斜板式水浴冷却箱中的液位和粘度进行联锁控制，并将其与参数阈值进行对比；

(2)通过泵组PLC监控分站对瓦斯抽采泵内的粘度进行稳粘控制；

(3)通过泵组PLC监控分站对斜板式水浴冷却箱中工作液的煤粉浓度和煤泥高度进行联锁控制，并将其与参数阈值进行对比。

其中，步骤(1)的具体实施过程为：如果斜板式水浴冷却箱液位小于(h

如果斜板式水浴冷却箱液位大于等于(h

其中，步骤(2)的具体实施过程为：根据气液分离器中的液温和水分蒸发量经验公式，设定轴封供水量初始值及电动调节阀开度；延迟15min采集气液分离器内的粘度：若粘度大于等于0.85η

若粘度小于0.85η

其中，步骤(3)的具体实施过程为：如果煤粉浓度低于1％，下一步判断煤泥高度：若煤泥高度低于0.1m，则将采集的数据传输给上位机进行数据存储并开始下一轮监测；若煤泥高度大于等于0.1m，开启排污泵和电动开关阀II，排至煤泥高度为0时，关闭排污泵和电动开关阀II，停止排泥，开始下一轮监测；

如果煤粉浓度高于1％，开启排污泵和电动开关阀II，直至斜板式水浴冷却箱内液位降至h

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.本发明提供的节能型瓦斯泵组联运系统可同时联运2～20台瓦斯抽采泵，摒弃了传统的单一系统独立运行的缺陷，工程量小且投资成本低；利用斜板式水箱内斜板所起的大颗粒煤粉强制沉淀作用和高位过滤池的小颗粒二次过滤作用，辅以PLC智能排污程序，实现了对工作液内各粒径颗粒的充分净化，大幅延长瓦斯泵的无故障运行周期；利用“水浴式初步冷却+二次冷却”的双重换热降温方案，实现了工作液的充分冷却，有利于增加瓦斯泵的瓦斯抽采流量；通过轴封供水量的自适应调节，实现了减阻工作液的稳粘效果，提高了瓦斯泵的运行稳定性，且可大幅降低减阻工作液的消耗成本；通过“液位为主，粘度为辅”的逻辑性程序设计，首先保障了瓦斯抽采泵站的可靠运行，进而实现了泵站的最大节能化。

2.本发明提供的节能型瓦斯泵组联运系统，可大幅降低瓦斯抽采系统的能耗，实现了减阻液的恒粘稳粘作用和净化作用，尤其适用于我国煤矿煤层钻孔或工作面上隅角等煤粉含量大、抽采工况差的地面大型(特大型)瓦斯抽采泵站。本系统操作简单、安全可靠、智能化程度高，节能效果明显，具有广泛的适用性。

附图说明

图1是本发明节能型瓦斯泵组联运系统的示意图；

图2是本发明减阻工作液配补一体化系统的控制方法流程图；

图3是本发明泵内自适应恒粘系统的控制方法流程图；

图4是本发明工作液智能净化系统的控制方法流程图。

图中：1、瓦斯抽采泵；2、气液分离器；3、进气管路；4、排气管路；5、瓦斯综合参数测试仪；6、进气调节阀；7、矿用电参数测量仪；8、斜板式水浴冷却箱；9、矿用稠浆泵；10、低位凉水池；11、二次冷却装置；12、高位过滤池；13、进液管路；14、排液管路；15、手动调节阀；16、温度传感器；17、全自动减阻液配制装置；18、补液泵；19、管道泵；20、电动开关阀I；21、电磁流量计I；22、液位传感器I；23、粘度传感器I；24、补液管路；25、进水管路；26、供水泵；27、轴封供水管路；28、电动调节阀；29、粘度传感器II；30、电磁流量计II；31、排污泵；32、电动开关阀II；33、排污管路；34、污泥储槽；35、泥位计；36、煤粉浓度传感器；37、PLC控制柜；38、上位机；39、变频喂料机；40、液位传感器II。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种用于复杂瓦斯抽采工况下的节能型瓦斯泵组联运系统，包括瓦斯抽采泵组运行系统、工作液循环降温系统、减阻工作液配补一体化系统、泵内自适应恒粘系统、工作液智能净化系统和泵组PLC监控分站。

所述的瓦斯抽采泵组运行系统包括由2～20台瓦斯抽采泵1联运的瓦斯抽采泵组，每台瓦斯抽采泵1的进气管路3上依次安装有进气调节阀6和瓦斯综合参数测试仪5，每台瓦斯抽采泵1分别连接一气液分离器2，所述气液分离器2的顶部排气口连接排气管路4，每台瓦斯抽采泵1还分别连接一套矿用电参数测量仪7。

所述的工作液循环降温系统包括斜板式水浴冷却箱8、矿用稠浆泵9、低位凉水池10、二次冷却装置11、高位过滤池12和温度传感器16，所述气液分离器2可对瓦斯和工作液进行高效分离，气液分离器2的底部排液口通过排液管路14连接所述斜板式水浴冷却箱8，斜板式水浴冷却箱8置于所述低位凉水池10内，用于对工作液进行初步冷却和大颗粒煤粉的强制沉淀，斜板式水浴冷却箱8的出液口通过进液管路13依次连接所述矿用稠浆泵9、二次冷却装置11、高位过滤池12、温度传感器16和瓦斯抽采泵组，所述矿用稠浆泵9的进液端和所述高位过滤池12的出液端分别设有手动调节阀15；斜板式水浴冷却箱8上部安装部分斜板，斜板之间间距为50～150mm，斜板倾斜角度为30～60°；矿用稠浆泵9适合于输送具有黏稠性的减阻工作液，二次冷却装置11用于对工作液进行二次冷却，起到工作液的进一步降温作用；所述的高位过滤池12的出液口设有过滤网，过滤网目数为100～140目，用于对小颗粒煤粉进行二次过滤，进一步避免瓦斯泵的磨损老化作用。

所述的减阻工作液配补一体化系统包括全自动减阻液配制装置17、补液泵18、管道泵19、电动开关阀I20、电磁流量计I21、液位传感器I22、粘度传感器I23，所述全自动减阻液配制装置17通过补液管路24与补液泵18和所述斜板式水浴冷却箱8相连，所述低位凉水池10通过进水管路25依次与管道泵19、电动开关阀I20、电磁流量计I21和所述全自动减阻液配制装置17相连，所述液位传感器I22和粘度传感器I23均设置在所述斜板式水浴冷却箱8内；所述的全自动减阻液配制装置17顶部设有变频喂料机39，可定量配制不同粘度的减阻液，以实现两个功能：1、在液位不足时对最佳粘度减阻液的配制；2、在粘度较低时对高粘度减阻液的配制，以更快地达到最佳节能粘度。此外，其配制罐内安装液位传感器II40，与全自动减阻液配制装置17连接的管道泵19与补液泵18的流量一致，以实现均衡地进排液。

所述的泵内自适应恒粘系统包括供水泵26、电动调节阀28、粘度传感器II29及电磁流量计II30，电动调节阀28和电磁流量计II30与瓦斯抽采泵1的数量相同，所述粘度传感器II29与所述气液分离器2连接，所述低位凉水池10通过轴封供水管路27依次与供水泵26、电动调节阀28、电磁流量计II30及瓦斯抽采泵组相连；

所述的工作液智能净化系统包括排污泵31、电动开关阀II32、污泥储槽34、泥位计35及煤粉浓度传感器36，所述污泥储槽34设置在所述斜板式水浴冷却箱8底部，数量为2～5个，所述泥位计35的底部伸入污泥储槽34中，所述煤粉浓度传感器36设置在所述斜板式水浴冷却箱8内，污泥储槽34通过排污管路33依次与电动开关阀II32、排污泵31相连；

所述的泵组PLC监控分站包括PLC控制柜37及上位机38，所述瓦斯综合参数测试仪5、矿用电参数测量仪7、温度传感器16、电磁流量计I21、电磁流量计II30、液位传感器I22、液位传感器II40、粘度传感器I23、粘度传感器II29、泥位计35以及煤粉浓度传感器36分别与PLC控制柜37输入端信号连接，PLC控制柜37输出端分别与全自动减阻液配制装置17、变频喂料机39、补液泵18、管道泵19、电动开关阀I20、电动调节阀28、电动开关阀II32、排污泵31信号连接，PLC控制柜37与上位机38电性连接；瓦斯综合参数测试仪5用于监测进气管路3上的瓦斯的流量、浓度和负压，矿用电参数测量仪7用于监测瓦斯抽采泵1电机的轴功率，温度传感器16用于监测工作液的温度，电磁流量计I21和电磁流量计II30分别用于监测进水管路25的水流量和轴封供水管路27的供水流量，液位传感器I22和液位传感器II40分别用于监测斜板式水浴冷却箱8和全自动减阻液配制装置17的液位，粘度传感器I23和粘度传感器II29分别用于监测斜板式水浴冷却箱8和气液分离器2内的粘度，泥位计35和煤粉浓度传感器36分别用于监测斜板式水浴冷却箱8内煤泥高度和工作液所含的煤粉浓度。上位机38负责采集瓦斯综合参数测试仪5、矿用电参数测量仪7、温度传感器16、电磁流量计I21和电磁流量计II30、液位传感器I22和液位传感器II40、粘度传感器I23和粘度传感器II29、泥位计35以及煤粉浓度传感器36所反馈的瓦斯抽采参数、电机轴功率、温度、流量、液位、粘度、煤泥高度和煤粉浓度的信号，并依此对减阻工作液配补一体化系统、泵内自适应恒粘系统和工作液智能净化系统进行精准控制。

如图2所示，通过泵组PLC监控分站对斜板式水浴冷却箱中的液位和粘度进行联锁控制，并将其与参数阈值进行对比，具体步骤为：

如果斜板式水浴冷却箱8液位小于(h

如果斜板式水浴冷却箱8液位大于等于(h

如图3所示，通过泵组PLC监控分站对泵内的粘度进行恒粘控制，具体步骤为：

根据气液分离器2中的液温和水分蒸发量经验公式，设定轴封供水量初始值及电动调节阀28开度；延迟15min采集气液分离器2内的粘度：若粘度大于等于0.85η

若粘度小于0.85η

如图4所示，通过泵组PLC监控分站对斜板式水浴冷却箱中工作液的煤粉浓度和煤泥高度进行联锁控制，并将其与参数阈值进行对比，具体步骤为：

如果煤粉浓度低于1％，下一步判断煤泥高度：若煤泥高度低于0.1m，则将采集的数据传输给上位机38进行数据存储并开始下一轮监测；若煤泥高度大于等于0.1m，开启排污泵31和电动开关阀II32，排至煤泥高度为0时，关闭排污泵31和电动开关阀II32，停止排泥，开始下一轮监测；

如果煤粉浓度高于1％，则会影响减阻液的节能效果，需开启排污泵31和电动开关阀II32，直至斜板式水浴冷却箱8内液位降至h