CN105971731A - 一种煤层气钻机发动机安全保护系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种安全保护系统，属于煤层气钻机安全保护领域，具体涉及一种煤层气钻机发动机安全保护系统。该系统设置了可燃气体传感器、有毒气体传感器、转速传感器、声光报警灯、控制器、急停开关及电磁关断阀。可燃气体传感器和有毒气体传感器安装于车载钻机施工孔口部位，转速传感器安装于发动机飞轮或发电机上，电磁关断阀安装于发动机空气滤清器后，控制器、声光报警灯及急停开关集成在一起，安装于钻机控制台上，所述各部件之间均通过电路连通。本发明能够解决在煤层气勘探开发过程中发动机的安全保护等问题，实现对发动机危险工况的预判保护、紧急关断及安全停车，从而保障设备和人员的安全。

Description

一种煤层气钻机发动机安全保护系统及方法

技术领域

本发明涉及一种安全保护系统及方法，属于煤层气钻机安全保护领域，具体涉及一种煤层气钻机发动机安全保护系统及方法。

背景技术

钻机是煤层气勘探开发过程中的主要设备，作为钻机动力源的工业发动机，其重要性不言而喻。发动机在运行中会遇到运行异常、外部设备故障、危险环境等工况。其中的危险环境主要是指煤层气勘探开发过程中伴随产生的可燃气体和有毒气体。可燃气体通过发动机进气系统进入发动机燃烧室，被用于发动机不受控制的燃料，从而导致发动机超速(即飞车)，飞车会造成发动机剧烈震动，零部件损坏，严重时这可能会导致火灾，爆炸和大量财产损失。而部分可燃气体还具有毒性，如果涌出还会对现场施工人员造成严重的人身伤害。因此，如果遇到上述这些故障工况时就需要采取某种手段使得发动机紧急制动、停车。一般通常的解决方法是进行断油、断电处理。但是由于管路中还有剩余燃油和发动机的惯性，故通常做法无法将输油管路中的燃油彻底关断，达不到快速停机的要求。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的煤层气钻机使用过程中发动机的安全保护性差、保护系统复杂等的技术问题；提供了一种煤层气钻机发动机安全保护系统。该系统及方法可以在煤层气勘探开发过程中实现对钻机发动机危险工况的预判保护、紧急关断及安全停车，从而保障设备和人员的安全

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种煤层气钻机发动机安全保护系统，包括：控制器以及与控制器相连的传感器组、声光报警灯、电磁关断阀；其中，所述传感器组包括：安装于钻机施工孔口部位的可燃气体传感器和有毒气体传感器、安装于发动机飞轮或发电机上的转速传感器、安装于发动机空气滤清器后的电磁关断阀。

优化的，上述的一种煤层气钻机发动机安全保护系统，所述转速传感器与发动机的ECU相互独立。

优化的，上述的一种煤层气钻机发动机安全保护系统，还包括用于手动断电从而关闭电磁关断阀的急停开关。

优化的，上述的一种煤层气钻机发动机安全保护系统，所述电磁关断阀包括：阀体，阀门，其中，所述阀门固定于转轴上，所述转轴的一端与偏心转盘连接，所述偏心转盘和导杆相连并可在导杆的带动下转动；所述导杆套于和控制系统相连的励磁绕组内；所述转轴上套有弹簧，所述弹簧的一端与偏心转盘相连，另一端固定于阀体上；

所述励磁绕组包括低电阻的拉线圈和高电阻的保持线圈；所述偏心转盘上设置有拨杆；所述阀体上设置有位置开关；所述拨杆随偏心转盘转动触发位置开关控制拉线圈与保持线圈的切换。

为了解决上述问题，根据本发明的另一方面，提供了一种利用上述的系统进行煤层气钻机发动机安全保护的方法，包括以下步骤：

开启控制步骤，用于根据施工孔口危险和有毒气体浓度监测状况判断是否开启电磁关断阀从而控制发动机点火；

气体安监步骤，实时监测施工孔口危险和有毒气体浓度，并根据危险和有毒气体浓度控制电磁关断阀开启与关闭；

机械安监步骤，实时监测发动机转速传感器反馈的转速信号和发动机ECU反馈的发动机温度、压力和转速信号，当判断到所接收到的发动机参数超标时，自动关闭电磁关断阀。

优化的，上述的煤层气钻机发动机安全保护的方法，所述气体安监步骤中：

(1)若有毒气体浓度参数指标达到设定危险阈值，自动关闭电磁关断阀，发动机熄火停机；

(2)若可燃气体浓度达到设定范围下限，则开启声光报警灯，利用转速传感器将读取发动机转速，若发动机转速未超标，则控制器开启延时程序，提供一定时间保证相关钻进工序的完成后，再由现场人员利用手动急停开关关闭电磁切断阀控制发动机熄火停机；若发动机转速超标，则自动关闭电磁关断阀，发动机熄火停机；

(3)如果可燃气体达到设定范围上限，自动关闭电磁关断阀，发动机熄火停机。

因此，本发明具有如下优点：(1)可以实现煤层气钻机发动机在危险工况下的自动保护，提高钻机在煤层气勘探开发过程中的安全性；(2)采用切断发动机进气的形式，动作迅速，停机彻底，安全可靠。(3)采用气体检测、转速检测和发动机ECU多重闭环保护，安全性更高。

附图说明

图1为本发明发动机安全保护系统布置图。

图2为本发明发动机安全保护系统启动流程图。

图3为本发明发动机安全保护系统运行流程图。

图4为本发明发动机电磁关断阀的主视图；

图5为本发明发动机电磁关断阀的侧视图；

图6为本发明发动机电磁关断阀的结构图；

图7为本发明发动机电磁关断阀的励磁绕组工作原理图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

图中，可燃气体传感器1、有毒气体传感器2、转速传感器3、声光报警灯4、控制器5、急停开关6、电磁关断阀7、阀体701、阀门702、转轴703、偏心转盘704、套筒705、弹簧706、盖板707、励磁绕组708、导杆709、位置开关710、拨杆711。

实施例：

如图1，本发明一种煤层气钻机发动机安全保护系统，该系统设置了可燃气体传感器1、有毒气体传感器2、转速传感器3、声光报警灯4、控制器5、急停开关6及电磁关断阀7。可燃气体传感器1和有毒气体传感器2安装于钻机施工孔口部位，转速传感器3安装于发动机飞轮或发电机上，电磁关断阀7安装于发动机空气滤清器后，控制器5、声光报警灯4及急停开关6集成在一起，安装于钻机控制台上。

如图2，发动机启动前，电磁关断阀7的开启取决于可燃气体传感器1和有毒气体传感器2对施工孔口危险和有毒气体浓度的监测状况，浓度参数指标如低于安全设定值，电磁关断阀允许开启，发动机点火启动。否则，声光报警灯4开启，不允许开机，等待施工现场环境情况正常后重新启动。另外，在发动机外部电源、线路及机械故障时，设置开机自检，确保发动机不带故障开机启动。

如图3，发动机启动后，可燃气体传感器1和有毒气体传感器2对施工孔口气体浓度保持监测状态。如果是有毒气体，浓度参数指标达到设定危险阈值，声光报警灯4开启，控制器5显示相关状况，并将自动关闭电磁关断阀7，发动机熄火停机。如果是可燃气体，达到设定范围下限，声光报警灯开启，控制器显示相关状况，同时转速传感器3将反馈发动机转速，如果转速未超标，控制器开启延时程序，提供一定时间保证相关钻进工序的完成，随后现场人员手动急停开关6关闭电磁切断阀，发动机熄火停机；如果可燃气体达到设定范围上限，控制器显示相关状况，声光报警灯开启，不论转速是否超标，控制器都将自动关闭电磁关断阀，发动机熄火停机。

如图3，在发动机运行过程中，如遇到其他原因导致的发动机异常情况，则控制器5接收通过转速传感器3反馈的转速信号和发动机ECU反馈的发动机各种温度、压力和转速等信号，一旦超标，控制器显示相关状况，声光报警灯4开启，控制器自动关闭电磁关断阀7，进行超速或其他保护。

如图4-6所示，发动机电磁关断阀包括执行机构和控制机构。执行机构包括阀体701、阀门702、转轴703、偏心转盘704、套筒705、弹簧706、盖板707，阀门通过螺钉安装在转轴上，阀门随转轴在阀体内转动，最大转动角度接近90°，转轴穿过套筒，与偏心转盘铆钉连接，弹簧套在套筒上，弹簧勾头端将弹簧与偏心转盘连接，平头端压在阀体端面上。控制机构包括励磁绕组708、导杆709、位置开关710、拨杆711，励磁绕组通过螺栓固定于阀体盖板上，导杆与偏心转盘铰接，拨杆固定在偏心转盘上，随偏心转盘转动。

励磁绕组708由拉线圈与保持线圈并联组成，利用线圈通电产生的磁场，推动导杆在励磁绕组中移动。

位置开关710是安装于阀体上的通断开关，拨杆711可以触发位置开关，发出阀门开启信号，进而触发外部电路继电器完成拉线圈与保持线圈的功能转换。

本发明的工作过程如下：如图6和图7所示，发动机启动自检完毕后，电磁关断阀上电，励磁绕组708中的拉线圈首先得电，由于拉线圈是低电阻线圈，通过拉线圈电流很大，产生较大的磁感应强度，得到较大的磁场力，牵引导杆709沿磁力方向快速移动，导杆带动偏心转盘704和转轴703一起转动，阀门克服弹簧预紧力开启。阀门完全开启到位的同时拨杆711也随偏心转盘704转动到位，触发位置开关710，发出阀门开启信号，进而触发外部电路继电器，拉线圈断电，保持线圈得电，保持线圈是高电阻线圈，通过电流较小，较小的磁力就可以使导杆保持原位置不变，阀门保持开启状态。空气从电磁关断阀进入发动机进气口，发动机启动工作。

当需要发动机紧急停机时，只需关闭电磁关断阀供电，保持线圈失电，磁力线消失，导杆709失去磁场作用力。在弹簧706预紧力的作用下，偏心转盘704反向旋转，带动转轴703转动，阀门702关闭。发动机进气口空气切断，迫使发动机停机熄火。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了阀体701、阀门702、转轴703、偏心转盘704、套筒705、弹簧706、盖板707、励磁绕组708、导杆709、位置开关710、拨杆711等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (6)

1.一种煤层气钻机发动机安全保护系统，其特征在于，包括：控制器(5)以及与控制器(5)相连的传感器组、声光报警灯(4)、电磁关断阀(7)；其中，所述传感器组包括：安装于钻机施工孔口部位的可燃气体传感器(1)和有毒气体传感器(2)、安装于发动机飞轮或发电机上的转速传感器(3)、安装于发动机空气滤清器后的电磁关断阀(7)。

2.根据权利要求1所述的一种煤层气钻机发动机安全保护系统，其特征在于，所述转速传感器(3)与发动机的ECU相互独立。

3.根据权利要求1所述的一种煤层气钻机发动机安全保护系统，其特征在于，还包括用于手动断电从而关闭电磁关断阀(7)的急停开关(6)。

4.根据权利要求1所述的一种煤层气钻机发动机安全保护系统，其特征在于，所述电磁关断阀(7)包括：

阀体(701)，阀门(702)，其中，所述阀门(702)固定于转轴(703)上，所述转轴(703)的一端与偏心转盘(704)连接，所述偏心转盘(704)和导杆(709)相连并可在导杆(709)的带动下转动；所述导杆(709)套于和控制系统相连的励磁绕组(708)内；所述转轴(703)上套有弹簧(706)，所述弹簧(706)的一端与偏心转盘(704)相连，另一端固定于阀体(701)上；

所述励磁绕组(708)包括低电阻的拉线圈和高电阻的保持线圈；所述偏心转盘(704)上设置有拨杆(711)；所述阀体(701)上设置有位置开关(710)；所述拨杆(711)随偏心转盘(704)转动触发位置开关(710)控制拉线圈与保持线圈的切换。

5.一种利用权利要求1-5所述的任一系统进行煤层气钻机发动机安全保护的方法，特征在于，包括以下步骤：

开启控制步骤，用于根据施工孔口危险和有毒气体浓度监测状况判断是否开启电磁关断阀从而控制发动机点火；

气体安监步骤，实时监测施工孔口危险和有毒气体浓度，并根据危险和有毒气体浓度控制电磁关断阀开启与关闭；

机械安监步骤，实时监测发动机转速传感器反馈的转速信号和发动机ECU反馈的发动机温度、压力和转速信号，当判断到所接收到的发动机参数超标时，自动关闭电磁关断阀。

6.根据权利要求5所述的煤层气钻机发动机安全保护的方法，特征在于，所述气体安监步骤中：

(1)若有毒气体浓度参数指标达到设定危险阈值，自动关闭电磁关断阀，发动机熄火停机；

(2)若可燃气体浓度达到设定范围下限，则开启声光报警灯，利用转速传感器将读取发动机转速，若发动机转速未超标，则控制器开启延时程序，提供一定时间保证相关钻进工序的完成后，再由现场人员利用手动急停开关关闭电磁切断阀控制发动机熄火停机；若发动机转速超标，则自动关闭电磁关断阀，发动机熄火停机；

(3)如果可燃气体达到设定范围上限，自动关闭电磁关断阀，发动机熄火停机。