CN102174899A - 煤矿区煤层气安全集输智能调控系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤矿安全领域，特别涉及一种用于煤层气输送系统的煤矿区煤层气安全集输智能调控系统；包括监控主机、声光报警器，以及分布式设置于煤矿区煤层气集输管网中的多个监控分站，以及煤层气集输管网的管路中间隔设置的多组传感器和负压调节装置，所述每个监控分站接收至少一组传感器采集的管路内的监控数据并传输给监控主机，监控主站根据各个监控分站发来的监控数据，分析判断出煤层气集输管网是否存在异常，当存在管路泄漏或堵塞时，发出声光报警信号；当发生管路断裂时，通过负压调节装置将异常区域管路密闭；本发明能够对煤层气集输管网进行实时监测，根据监测结果判识煤层气输送管网故障情况并进行相应的操作，保证煤矿区井下抽采煤层气的安全输送。

Description

煤矿区煤层气安全集输智能调控系统

技术领域

本发明涉及煤矿安全领域，特别涉及一种用于煤层气输送系统的煤矿区煤层气安全集输智能调控系统。

背景技术

煤层气又称煤层瓦斯，煤层甲烷，它是成煤过程中经过生物化学热解作用以吸附或游离状态赋存于煤层及固岩的自储式天然气体，属于非常规天然气，它是优质的化工和能源原料

煤矿区抽采煤层气的浓度由其抽采方法工艺及抽采系统的集输管线的密封状态决定的，在具体的抽采条件下确定了其抽采方法及工艺后，抽采系统的集输管线的密封状态决定了其抽采浓度的高低。目前，煤矿区井下抽采的煤层气中，少数较好的抽采泵站浓度也仅为50％左右，有60％以上的泵站的抽采浓度低于30％。这一方面造成抽采系统能力的极大浪费，另一方面在泵站抽采浓度低于30％的这部分中，有很大部分的浓度还正好处于爆炸浓度范围，因而使得抽采、集输，乃至排空这部分煤层气过程中都存在很大的安全隐患。

为了达到较好的抽采效果，对于煤矿区煤层气抽采，不同的抽采方法需要不同的抽采参数，而且同一种抽采方法不同时间其抽采参数也不一样。因此，对抽采系统的集输管线的状态进行实时在线监控，从而保障抽采效果是至关重要的。

因此，需要一种能够对整个煤矿井下抽采管网运行状态进行实时监控的智能调控方法，当抽采系统运行异常时，能够自动确定抽采管路发生异常的管段，并执行相应的操作防止安全事故的发生。此外，还能够根据监控数据，对煤层气抽采管网的主要工艺参数进行调节，优化抽采系统运行状态，实现煤矿区井下抽采煤层气的安全输送，提高抽采煤层气利用效率。

发明内容

有鉴于此，为了解决上述问题，本发明公开了一种煤矿区煤层气安全集输智能调控系统，能够对煤层气集输管网进行实时监测，根据监测结果判断煤层气输送管网发生故障类型，并进行相应的操作防止安全事关的发生。

本发明的目的是这样实现的：煤矿区煤层气安全集输智能调控系统，包括监控主机、声光报警器，以及分布式设置于煤矿区煤层气集输管网中的多个监控分站，以及煤层气集输管网的管路中间隔设置的多组传感器和负压调节装置，所述每个监控分站接收至少一组传感器采集的管路内的监控数据并传输给监控主机，监控主站根据各个监控分站发来的监控数据，分析判断出煤层气集输管网是否存在异常，当存在管路泄漏或堵塞时，发出声光报警信号；当发生管路断裂时，通过负压调节装置将异常区域管路密闭。

进一步，每组传感器中至少包括甲烷浓度传感器、负压传感器和流量传感器各一个。

进一步，每组传感器中还包括一个温度传感器。

进一步，所述负压调节装置包括负压调节控制器和设置于管路中的电动阀门，所述负压调节控制器接收监控分站的控制信号，控制电动阀门的开合度以调节管路中的负压。

进一步，所述监控主站还根据各个监控分站发来的监控数据，分析判断煤层气集输管网的运行状态，通过负压调节控制器控制电动阀门调节管路中的负压。

进一步，监控主站根据如下方法判断煤层气集输管网是否存在异常：

1)根据同一管路中相邻两组传感器获取的数据，获取这两组传感器之间的管路的压力指标K₁、流量指标K₂和浓度指标K₃；

其中，压力指标K₁＝((P₂-P₁)-ΔP)/ΔP；

其中，P₁为远泵端负压传感器测得的负压值；P₂为近泵端负压传感器测得的负压值；

$\mathrm{\ΔP}=0.089{(\frac{\mathrm{\Δ}}{d_0}+\frac{17{\mathrm{v\πd}}_0}{Q})}^{0.25}\·\frac{L}{d_0^5}\mathrm{\ρ}{Q}^2-\mathrm{\ρg}(z_1-z_2)+\mathrm{\ξ}\·\frac{8}{{\mathrm{\π}}^2}\mathrm{\ρ}\frac{{Q_1}^2}{d_0^4};$

上式中，Q₁为远泵端流量传感器测得的气体流量；η_甲烷为远泵端浓度传感器测得的甲烷气体浓度；Δ为管道内壁绝对粗糙度；L为两点间管长；d₀为管内径；z₁为远泵端高程；z₂近远泵端高程；ξ为局部阻力损失系数；π为圆周率，g为重力加速度；

ρ＝1.295×(1-0.0058η_甲烷)；

上式中，v_甲烷为标准状态下纯瓦斯的运动粘度；v_空气为标准状态下空气的运动粘度；

流量指标 $K_2=\frac{Q_2-Q_1}{Q_1};$

上式中，Q₁为远泵流量传感器测得的气体流量；Q₂为近泵流量传感器测得的的气体流量；

浓度指标 $K_3=\frac{{\mathrm{\η}}_1-{\mathrm{\η}}_2^{\′}}{{\mathrm{\η}}_1};$

上式中，

为通过远泵端流量传感器和甲烷浓度传感器获得的纯瓦斯流量；

为通过近泵端流量传感器和甲烷浓度传感器获得的纯瓦斯流量；

2)对于工作面支管段管路，若K₁＞ε₁，且K₂＞ε₂或K₃＞ε₃，则判定该段管路发生泄漏；若K₁＞ε₁，且K₂＜ε₂或K₃＜ε₃，则判定该段管路发生堵塞；

对于干管和主管段管路，若K₂＜ε₂或K₃＜ε₃，且K₁＞ε₁，则判定该段管路发生泄漏；

当判定管路发生泄漏时，若Q₂-Q₁＝0.5Q₁，且P₁小于阈值，则说明管路发生断管，所述阈值为正常运行时远泵端负压传感器测得的负压值的50％。

进一步，所述煤矿区煤层气集输安全智能调控系统还包括数据库服务器，数据库服务器用于存储监控数据并提供查询调用。

本发明的有益效果如下：

1、能够对煤层气集输管网进行实时监测，根据监测结果判识出煤层气输送管路发生故障的类型，并且能确定发生故障的管段，当管路发生泄漏或堵塞时系统发出声光报警，以便对故障管段执行相应操作；当管路发生断裂时，系统能通过负压调节装置对断裂管段前后端实行联动截断，保证煤矿区井下抽采煤层气的安全输送。

2、能够根据监控数据，对煤层气抽采管网的主要工艺参数进行调节，优化抽采系统运行状态，实现煤矿区井下抽采煤层气的安全输送，提高抽采煤层气利用效率。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述：

图1示出了煤矿区煤层气安全集输智能调控系统的结构示意图。

具体实施方式

参见图1，煤矿区煤层气安全集输智能调控系统，包括监控主机、数据库服务器、声光报警器、分布式设置于煤矿区煤层气集输管网中的多个监控分站以及设置于煤层气集输管网的管路中间隔设置的多组甲烷浓度传感器、负压传感器、流量传感器、温度传感器和负压调节装置，所述每个监控分站接收至少一组甲烷浓度传感器、负压传感器、流量传感器、温度传感器采集的管路内的甲烷浓度、负压、流量和温度监控数据并传输给监控主机，监控主站根据各个监控分站发来的监控数据，分析判断出煤层气集输管网是否存在异常，当存在管路泄漏或堵塞时，发出声光报警信号；当发生管路断裂，通过负压调节装置将异常区域管路密闭，并发出声光报警信号；所述监控主站还可根据各个监控分站发来的监控数据，分析判断煤层气集输管网的运行状态，通过监控分站实时控制负压调节装置调节管路中的负压。所述数据库服务器用于存储监控数据并提供查询调用。

所述负压调节装置包括设置于管路中的电动阀门和负压调节控制器，所述负压调节控制器接收经监控分站转发的监控主机的控制信号，控制电动阀门的开合度以调节管路中的负压。优选的，电动阀门可以选用电动蝶阀。

监控主站判断煤层气集输管网是否存在异常的方法如下：

1)根据同一管路中相邻两组传感器获取的数据，获取这两组传感器之间的管路的压力指标K₁、流量指标K₂和浓度指标K₃；

其中，压力指标K₁＝((P₂-P₁)-ΔP)/ΔP；

其中，P₁为远泵端负压传感器测得的负压值；P₂为近泵端负压传感器测得的负压值；

$\mathrm{\ΔP}=0.089{(\frac{\mathrm{\Δ}}{d_0}+\frac{17{\mathrm{v\πd}}_0}{Q})}^{0.25}\·\frac{L}{d_0^5}\mathrm{\ρ}{Q}^2-\mathrm{\ρg}(z_1-z_2)+\mathrm{\ξ}\·\frac{8}{{\mathrm{\π}}^2}\mathrm{\ρ}\frac{{Q_1}^2}{d_0^4};$

上式中，Q₁为远泵端流量传感器测得的气体流量；η_甲烷为远泵端浓度传感器测得的甲烷气体浓度；Δ为管道内壁绝对粗糙度；L为两点间管长；d₀为管内径；z₁为远泵端高程；z₂近远泵端高程；ξ为局部阻力损失系数；π为圆周率，g为重力加速度；

ρ＝1.295×(1-0.0058η_甲烷)；

上式中，v_甲烷为标准状态下纯瓦斯的运动粘度；v_空气为标准状态下空气的运动粘度；

流量指标 $K_2=\frac{Q_2-Q_1}{Q_1};$

上式中，Q₁为远泵流量传感器测得的气体流量；Q₂为近泵流量传感器测得的的气体流量；

浓度指标 $K_3=\frac{{\mathrm{\η}}_1-{\mathrm{\η}}_2^{\′}}{{\mathrm{\η}}_1};$

上式中，

为通过远泵端流量传感器和甲烷浓度传感器获得的纯瓦斯流量；为通过近泵端流量传感器和甲烷浓度传感器获得的纯瓦斯流量；

2)对于工作面支管段管路，若K₁＞ε₁，且K₂＞ε₂或K₃＞ε₃，则判定该段管路发生泄漏；若K₁＞ε₁，且K₂＜ε₂或K₃＜ε₃，则判定该段管路发生堵塞；

对于干管和主管段管路，若K₂＜ε₂或K₃＜ε₃，且K₁＞ε₁，则判定该段管路发生泄漏；

当判定管路发生泄漏时，若Q₂-Q₁＝0.5Q₁，且P₁小于阈值，则说明管路发生断裂，所述阈值为正常运行时远泵端负压传感器测得的负压值的50％。

而作为泄漏的一种极端情况，即管路发生了断管，断管的判断方法如下：当判定管路发生泄漏的情况下，若Q₂-Q₁＝0.5Q₁，且P₁小于阈值，则说明管路发生断管，所述阈值为正常运行时远泵端负压传感器测得的负压值的50％。

以上所述仅为本发明的优选并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.煤矿区煤层气安全集输智能调控系统，其特征在于：包括监控主机、声光报警器，以及分布式设置于煤矿区煤层气集输管网中的多个监控分站，以及煤层气集输管网的管路中间隔设置的多组传感器和负压调节装置，所述每个监控分站接收至少一组传感器采集的管路内的监控数据并传输给监控主机，监控主站根据各个监控分站发来的监控数据，分析判断出煤层气集输管网是否存在异常，当存在管路泄漏或堵塞时，发出声光报警信号；当发生管路断裂时，通过负压调节装置将异常区域管路密闭。

2.根据权利要求1所述的煤矿区煤层气安全集输智能调控系统，其特征在于：每组传感器中至少包括甲烷浓度传感器、负压传感器和流量传感器各一个。

3.根据权利要求2所述的煤矿区煤层气安全集输智能调控系统，其特征在于：每组传感器中还包括一个温度传感器。

4.根据权利要求3所述的煤矿区煤层气安全集输智能调控系统，其特征在于：所述负压调节装置包括负压调节控制器和设置于管路中的电动阀门，所述负压调节控制器接收监控分站的控制信号，控制电动阀门的开合度以调节管路中的负压。

5.根据权利要求4所述的煤矿区煤层气安全集输智能调控系统，其特征在于：所述监控主站还根据各个监控分站发来的监控数据，分析判断煤层气集输管网的运行状态，通过负压调节控制器控制电动阀门调节管路中的负压。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的煤矿区煤层气安全集输智能调控系统，其特征在于：监控主站根据如下方法判断煤层气集输管网是否存在异常：

1)根据同一管路中相邻两组传感器获取的数据，获取这两组传感器之间的管路的压力指标K₁、流量指标K₂和浓度指标K₃；

其中，压力指标K₁＝((P₂-P₁)-ΔP)/ΔP；

其中，P₁为远泵端负压传感器测得的负压值；P₂为近泵端负压传感器测得的负压值；

$\mathrm{\ΔP}=0.089{(\frac{\mathrm{\Δ}}{d_0}+\frac{17{\mathrm{v\πd}}_0}{Q})}^{0.25}\·\frac{L}{d_0^5}\mathrm{\ρ}{Q}^2-\mathrm{\ρg}(z_1-z_2)+\mathrm{\ξ}\·\frac{8}{{\mathrm{\π}}^2}\mathrm{\ρ}\frac{{Q_1}^2}{d_0^4};$

上式中，Q₁为远泵端流量传感器测得的气体流量；η_甲烷为远泵端浓度传感器测得的甲烷气体浓度；Δ为管道内壁绝对粗糙度；L为两点间管长；d₀为管内径；z₁为远泵端高程；z₂近远泵端高程；ξ为局部阻力损失系数；π为圆周率，g为重力加速度；

ρ＝1.295×(1-0.0058η_甲烷)；

上式中，v_甲烷为标准状态下纯瓦斯的运动粘度；v_空气为标准状态下空气的运动粘度；

流量指标 $K_2=\frac{Q_2-Q_1}{Q_1};$

上式中，Q₁为远泵流量传感器测得的气体流量；Q₂为近泵流量传感器测得的的气体流量；

浓度指标 $K_3=\frac{{\mathrm{\η}}_1-{\mathrm{\η}}_2^{\′}}{{\mathrm{\η}}_1};$

上式中，

为通过远泵端流量传感器和甲烷浓度传感器获得的纯瓦斯流量；

为通过近泵端流量传感器和甲烷浓度传感器获得的纯瓦斯流量；

2)对于工作面支管段管路，若K₁＞ε₁，且K₂＞ε₂或K₃＞ε₃，则判定该段管路发生泄漏；若K₁＞ε₁，且K₂＜ε₂或K₃＜ε₃，则判定该段管路发生堵塞；

对于干管和主管段管路，若K₂＜ε₂或K₃＜ε₃，且K₁＞ε₁，则判定该段管路发生泄漏；

当判定管路发生泄漏时，若Q₂-Q₁＝0.5Q₁，且P₁小于阈值，则说明管路发生断管，所述阈值为正常运行时远泵端负压传感器测得的负压值的50％。

7.根据权利要求6所述的煤矿区煤层气安全集输智能调控系统，其特征在于：所述煤矿区煤层气集输安全智能调控系统还包括数据库服务器，数据库服务器用于存储监控数据并提供查询调用。

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