CN102182932A - 煤矿区煤层气集输管路故障检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤矿安全领域，特别涉及一种煤矿区煤层气集输管路的故障检测方法，能够对煤层气集输管网进行实时检测，判断管路是否发生故障，所述方法包括如下步骤：1)采集煤矿区煤层气集输管路中的压力、流量、浓度和温度数据；2)根据相邻两个采集点的压力、流量、浓度和温度数据，获取这两个采集点之间管路的压力指标K₁；3)若压力指标K₁大于阈值ε₁，则判定该段管路发生故障；进一步，步骤2)中，还根据相邻两个采集点的压力、流量、浓度和温度数据，获取这两个采集点之间管路的流量指标K₂和浓度指标K₃，然后根据故障判别模型来判定发生故障的类型；本发明判断管路是否发生故障及其类型，可便于发出警报以及及时处理故障，实现煤矿区井下抽采煤层气的安全输送。

Description

煤矿区煤层气集输管路故障检测方法

技术领域

本发明涉及煤矿安全领域，特别涉及一种煤矿区煤层气集输管路的故障检测方法。

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。集输管线一旦泄漏或者断管，很可能会引起矿井瓦斯爆炸，以致于使整个矿井的安全受到了潜在威胁。并且由于井下抽采煤层气中含有一定水和煤渣煤尘，长期积累将可能堵塞管路，给矿井的安全生产造成隐患。

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检测的方法，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，以便于发出警报以及及时处理故障，实现煤矿区井下抽采煤层气的安全输送。

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集输管路故障检测方法，能够对煤层气集输管网进行实时检测，判断管路是否发生故障。

本发明的目的是这样实现的：煤矿区煤层气集输管路故障检测方法，包括如下步骤：

1)采集煤矿区煤层气集输管路中的压力、流量、浓度和温度数据；

2)根据相邻两个采集点的压力、流量、浓度和温度数据，获取这两个采集点之间管路的压力指标K₁：

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；

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

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为管路内壁绝对粗糙度；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；

3)若压力指标K₁大于阈值ε₁，则判定该段管路发生故障。

进一步，步骤2)中，还根据相邻两个采集点的压力、流量、浓度和温度数据，获取这两个采集点之间管路的流量指标K₂和浓度指标K₃；其中：

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。

进一步，所述步骤3)中，对于工作面支管段管路，若K₁＞阈值ε₁，且K₂＞阈值ε₂或K₃＞阈值ε₃，则判定该段管路发生泄漏，。

进一步，所述步骤3)中，对于工作面支管段管路，若K₁＞阈值ε₁，且K₂＜阈值ε₂或K₃＜阈值ε₃，则判定该段管路发生堵塞。

进一步，所述步骤3)中，对于干管和主管段管路，若K₂＞阈值ε₂或K₃＞阈值ε₃，且K₁＞阈值ε₁，则判定该段管路发生泄漏。

进一步，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％。

进一步，所述步骤3)中，对于干管和主管段管路，若K₂＜阈值ε₂或K₃＜阈值ε₃，且K₁＞阈值ε₁，则判定该段管路发生堵塞。

本发明的有益效果如下：能够对煤层气集输管网进行实时监测，根据辨别模型来判断煤层气集输管路是否发生故障，以及可以确定发生故障的管段和故障类型，以便于发出警报以及及时处理故障，实现煤矿区井下抽采煤层气的安全输送。

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集输管路故障检测系统的结构示意图；

图2示出了煤矿区煤层气集输管路故障检测方法的流程示意图。

具体实施方式

参见图1，本实施例的煤矿区煤层气集输管路故障检测方法可通过如下煤矿区煤层气集输管路故障检测系统实现，所述煤矿区煤层气集输管路故障检测系统包括监控主机、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，当存在异常时，通过监控分站控制对应的负压调节装置将异常区域管路密闭。

参见图2，本实施例的煤矿区煤层气集输管路故障检测方法，包括如下步骤：

1)采集煤矿区煤层气集输管路中多个采集点的压力、流量、浓度和温度数据；

2)根据相邻两个采集点的压力、流量、浓度和温度数据，获取这两个采集点之间管路的压力指标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；

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

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为管路内壁绝对粗糙度；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；

3)若压力指标K₁大于ε₁，则可判定该段管路发生故障。ε₁为压力指标的报警阈值，该值与检漏率、误报率、仪表精度等多种因素有关，应根据试验确定，一般为正常状态下压力差值的10％左右。

井下抽采管路出现的故障主要有在两种，一是管路泄漏，二是管路发生堵塞，对整个抽采管网而言，位于工作面顺槽的抽采支管路除可能发生泄漏外，还极容易发生管路堵塞，而干管和主管发生的故障多泄漏，因此，不同管网区段采用的故障判别模型可以有所差别：

具体的：对于工作面支管段管路，若K₁＞阈值ε₁，则可初步判断该段管路发生故障，进一步，如果K₂＞阈值ε₂或K₃＞阈值ε₃，则判定该段管路发生泄漏。若K₁＞阈值ε₁，进一步K₂＜阈值ε₂或K₃＜阈值ε₃，则判定该段管路发生堵塞。

对于干管和主管段管路，可先对K₂和K₃进行初步判断，若K₂＞阈值ε₂或K₃＞阈值ε₃，且K₁＞阈值ε₁，则判定该段管路发生泄漏。

ε₂为流量指标的报警阈值，由于管路抽采参数的测定受测定仪器的精度、管路运行状态等因素的影响，ε₂应根据试验确定，一般为正常状态下流量差值的10％左右。

ε₃为浓度指标的报警阈值，由于管路抽采参数的测定受测定仪器的精度、管路运行状态等因素的影响，ε₃应根据试验确定，初步定为正常状态下浓度差值的10％左右。

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.煤矿区煤层气集输管路故障检测方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)采集煤矿区煤层气集输管路中的压力、流量、浓度和温度数据；

2)根据相邻两个采集点的压力、流量、浓度和温度数据，获取这两个采集点之间管路的压力指标K₁：

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；

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为管路内壁绝对粗糙度；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；

3)若压力指标K₁大于阈值ε₁，则判定该段管路发生故障。 

2.根据权利要求1所述的煤矿区煤层气集输管路故障检测方法，其特征在于：步骤2)中，还根据相邻两个采集点的压力、流量、浓度和温度数据，获取这两个采集点之间管路的流量指标K₂和浓度指标K₃；其中：

流量指标

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

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。

3.根据权利要求2所述的煤矿区煤层气集输管路故障检测方法，其特征在于：所述步骤3)中，对于工作面支管段管路，若K₁＞阈值ε₁，且K₂＞阈值ε₂或K₃＞阈值ε₃，则判定该段管路发生泄漏，。

4.根据权利要求2所述的煤矿区煤层气集输管路故障检测方法，其特征在于：所述步骤3)中，对于工作面支管段管路，若K₁＞阈值ε₁，且K₂＜阈值ε₂或K₃＜阈值ε₃，则判定该段管路发生堵塞。

5.根据权利要求2所述的煤矿区煤层气集输管路故障检测方法，其特征在于：所述步骤3)中，对于干管和主管段管路，若K₂＞阈值ε₂或K₃＞阈值ε₃，且K₁＞阈值ε₁，则判定该段管路发生泄漏。

6.根据权利要求3或5所述的煤矿区煤层气集输管路故障检测方法，其特征在于：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％。

7.根据权利要求2所述的煤矿区煤层气集输管路故障检测方法，其特征在于：所述步骤3)中，对于干管和主管段管路，若K₂＜阈值ε₂或K₃＜阈值ε₃，且K₁＞阈值ε₁，则判定该段管路发生堵塞。 

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