CN109252849A - 一种煤矿井下加砂压裂控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矿井下加砂压裂控制系统及其控制方法，本发明中控制系统与煤矿调度室进行便捷网关对接，完成对压裂实时数据监测与视频监测，使煤矿煤层气的开采更加高效、过程更加可控；为煤层气开采工艺的更新提供了新的控制方式及控制设备，可实现加介质压裂工艺的控制要求。智能控制系统，由矿用隔爆兼本质安全型变频柜、矿用隔爆兼本质安全型高压软起动器、矿用隔爆兼本质安全型软起动器、矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜、矿用通讯系统、矿用防爆检测系统、保护系统、控制系统等连接构成。专业针对煤矿井下加砂压裂工程的技术要求和功能，具有较高的使用安全性、可靠性和集成性。

Description

一种煤矿井下加砂压裂控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及煤矿开采设备技术领域，尤其涉及一种煤矿井下加砂压裂控制系统及其控制方法。

背景技术

国内各煤矿用煤矿井下压裂泵组对岩体、煤体增透压裂后抽采瓦斯，以利于预防煤层瓦斯突出事故，提高煤矿安全生产效率。因此，煤矿对煤层压裂工艺提出了更高的需求，水力加砂压裂工艺以砂为填充剂，大大增加了压裂的透气性与煤层间隙，将替代单纯的水力压裂工艺作为煤层气开发的主导工艺，因此，新型煤矿井下加砂压裂智能控制系统的开发刻不容缓。

发明内容

针对上述缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种煤矿井下加砂压裂控制系统及其控制方法。

为达到以上目的，本发明的技术方案为：

一种煤矿井下加砂压裂控制系统，包括安装在分体式矿用平板车上的矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜以及与矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜相连接的矿用隔爆兼本质安全型变频柜、矿用隔爆兼本质安全型高压软起动器、以及矿用隔爆兼本质安全型软起动器；矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜通过通讯信道与矿用工控机相连接，其中；

所述矿用隔爆兼本质安全型变频柜用于对矿用输砂器变频电机、清水离心泵变频电机以及电机风扇连锁保护，将电机和电机风扇的运行状态及数据实时传输到矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜；

矿用隔爆兼本质安全型高压软起动器用于将三柱塞加砂压裂泵的运行状态及数据传输到矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜，并根据矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜的指令控制三柱塞加砂压裂泵电机启停以及运行输出状态；

矿用隔爆兼本质安全型软起动器用于将矿用渣浆泵电机的运行状态及数据传输到矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜，并根据矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜的指令控制矿用渣浆泵电机启停；

矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜用于获取煤层气开采过程的数据，并根据煤层气开采需求输出指令，控制输砂、混砂、搅拌、以及加砂压裂过程运行。

所述矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜还用于将各个参数通过以太网传输到矿用工控机。

还包括矿用视频监控系统，所述矿用视频监控系统包括矿用红外高清摄像仪、矿用多回路视频监控仪，以使得将井下视频画面传输至矿用多回路视频监控仪。

所述三柱塞加砂压裂泵上设有监控装置，矿用隔爆兼本质安全型高压软起动器根据监控装置获取三柱塞加砂压裂泵的运行状态及数据；所述监控装置包括压力变送器、流量变送器、转速变送器、油温变送器、油压变送器、油位变送器、噪声监测仪、以及震动监测仪传感检测元器件。

所述搅拌过程中，搅拌装置安装有高精度雷达液位计，液位计将实时液位传输给矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜，经过矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜计算保证罐体砂水泥合物的液位始终处于高液位状态，并不溢出。

所述矿用隔爆兼本质安全型变频柜、矿用隔爆兼本质安全型高压软起动器、以及矿用隔爆兼本质安全型软起动器MODBUS RS485通讯信道与矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜连接。

一种煤矿井下加砂压裂控制方法，包括：

1)、获取三柱塞加砂压裂泵主电机以及压裂泵组运行参数；

2)、获取输砂、混砂、搅拌过程运行参数；

3)、根据煤层气开采需求，设置砂水比例，根据所设置的砂水比例进行运行计算处理；

4)、运行计算处理后，控制搅拌罐搅拌系统启动，清水离心泵和输砂器以不同的频率输出，再实时监测清水离心泵排出管路的电磁流量计数据和输砂器转速变送器数据；

5)、根据电磁流量计数据和输砂器转速变送器数据，控制三柱塞加砂压裂泵进行加砂压裂。

所述步骤1)之前还包括通过矿用视频监控系统实时获取井底状况；所述矿用视频监控系统包括矿用红外高清摄像仪、矿用多回路视频监控仪，以使得将井下视频画面传输至矿用多回路视频监控仪。

所述数据包括所述三柱塞加砂压裂泵上设有压力变送器、流量变送器、转速变送器、油温变送器、油压变送器、油位变送器、噪声监测仪、以及震动监测仪传感检测元器件。

所述搅拌罐上安装有高精度雷达液位计，液位计将实时液位传输给矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜，经过矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜计算保证罐体砂水泥合物的液位始终处于高液位状态，并不溢出。

与现有技术比较，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种煤矿井下加砂压裂控制系统，本发明中控制系统与煤矿调度室进行便捷网关对接，完成对压裂实时数据监测与视频监测，使煤矿煤层气的开采更加高效、过程更加可控；为煤层气开采工艺的更新提供了新的控制方式及控制设备，可实现加介质压裂工艺的控制要求。智能控制系统，由矿用隔爆兼本质安全型变频柜、矿用隔爆兼本质安全型高压软起动器、矿用隔爆兼本质安全型软起动器、矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜、矿用通讯系统、矿用防爆检测系统、保护系统、控制系统等连接构成。专业针对煤矿井下加砂压裂工程的技术要求和功能，具有较高的使用安全性、可靠性和集成性。

本发明提供了一种煤矿井下加砂压裂控制方法，通过自动配比混砂、输砂、压裂、加砂压裂、清洗等工艺有效结合起来集中控制、智能控制，使系统操控性能更佳，避免人为误操作造成的损失。提供了生产效率，保证了生产的安全。

进一步的，采用了新型的三柱塞大型压裂泵模块，为系统的压裂、加砂压裂提供了更大的动力。

附图说明

图1是本发明煤矿井下加砂压裂控制系统结构框图；

图2是本发明煤矿井下加砂压裂控制系统连接示意图；

图3是本发明的控制流程框图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1、2所示，本发明提供了一种煤矿井下加砂压裂控制系统，包括安装在分体式矿用平板车5上的矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜1以及与矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜1相连接的矿用隔爆兼本质安全型变频柜2、矿用隔爆兼本质安全型高压软起动器3、以及矿用隔爆兼本质安全型软起动器4；矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜1通过通讯信道与矿用工控机发明7发明相连接，其中；

所述矿用隔爆兼本质安全型变频柜2用于对矿用输砂器变频电机、清水离心泵变频电机以及电机风扇连锁保护，将电机和电机风扇的运行状态及数据实时传输到矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜1；

矿用隔爆兼本质安全型高压软起动器3用于将三柱塞加砂压裂泵的运行状态及数据传输到矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜1，并根据矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜1的指令控制三柱塞加砂压裂泵电机启停以及运行输出状态；

矿用隔爆兼本质安全型软起动器4用于将矿用渣浆泵电机的运行状态及数据传输到矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜1，并根据矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜1的指令控制矿用渣浆泵电机启停；

矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜1用于获取煤层气开采过程的数据，并根据煤层气开采需求输出指令，控制输砂、混砂、搅拌、以及加砂压裂过程运行。

本发明中，所述矿用隔爆兼本安型可编程控制箱1相当于整个运行系统的“大脑”，接受各个控制单元的数据及状态，并做出判断，然后输出指令，协调整个控制系统有序、可控、安全的自动化运行。并留有远程光网接口，将所有的实时数据、运行状态通过以太网通讯传输至远程智能监控系统。所述矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜1还用于将各个参数通过以太网传输到矿用工控机发明7发明。远程智能监控控制系统主要由：矿用防爆兼本安型工控机、组态软件、矿用通讯设备组成，防爆兼本安型工控机通过以太网及通讯设备接收可编程控制箱中所有控制单元的数据，数据通过工控机7上组态软件实时显示，直观可常。通讯设备再以以太网的形式将所有控制单元的数据上传至井上调度室，调度室可实时监测设备运行状态。用户只需在工控机组态软件中设置好需要设备运行的各个参数，一键启动，设备即可实现各个流程的自动运行。

矿用隔爆兼本安型高压软启动器3是驱动三柱塞加砂压裂泵矿用防爆主电机的重要单元，设有MODBUS RS485通讯，将主电机运行状态及数据传输给可编程控制箱，并起到保护主电机正常运行的作用。

矿用隔爆来本安型软启动器4是驱动矿用渣浆泵电机的重要单元，设有MODBUSRS485通讯，将电机运行状态及数据传榆给可编程控制箱，并起到保护渣浆泵电机正常运行的作用。

矿用隔爆兼本安型变频柜2主要驱动的单元有：矿用输砂器变频电机2套、清水压裂工艺中前置矿用清水离心泵变频电机1套、加砂压裂工艺中前置矿用清水泵变频电机1套，并对所有的电机和电机风扇连锁保护，设有MODBUS RS485通讯，将各个单元的运行状态及数据实时传输给可编程控制箱。可编程控制箱经过程序计算，实时输出指令，调整各个单元的运行频率达到改变输出的效果。

优选的，本发明系统还包括矿用视频监控系统6，所述矿用视频监控系统包括矿用红外高清摄像仪、矿用多回路视频监控仪，并通过矿用多回路视频监控仪以太网通讯模块传输至井上调度室，便于井上调度室及井下远程操作人员实时视频画面监测设备运行状况。

优选的，本发明中，三柱塞加砂压裂泵采用技术改造，既可以输出高压水也可以输出不同比例的砂水混合物，泵组上设有压力变送器、流量变送器、转速变送器、油温变送器、油压变送器、油位变送器、噪声监测仪、震动监测仪等传感检测元器件，并将所有的数据传输至矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜1，进行运行状态的监测判断。

其中，所述搅拌过程中，搅拌装置安装有高精度雷达液位计，液位计将实时液位传输给矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜1，经过矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜1计算保证罐体砂水泥合物的液位始终处于高液位状态，并不溢出。

本发明中，所述矿用隔爆兼本质安全型变频柜2、矿用隔爆兼本质安全型高压软起动器3、以及矿用隔爆兼本质安全型软起动器4MODBUS RS485通讯信道与矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜1连接。

煤矿井下加砂压裂智能控制系统，以智能检测及控制系统研发为核心，主要目标是安全稳定、移动方便、满足加砂压裂工艺，特别针对井下复杂工况使用矿用自动远程控制系统。最终整体系统由矿用隔爆兼本安型可编程序控制箱—矿用隔爆兼本安型高压软启动器—矿用隔爆兼本安型软启动柜—矿用隔爆兼本安型变频柜—三柱塞加砂压裂泵—远程智能监控控制系统—矿用视频监控系统—矿用通讯系统模块—输砂、混砂、搅拌控制系统组成。其安装在两套分体式矿用平板车上，移动便捷，连接便利、安全可靠。

该泵组通过对现场的调研和改进，证明完全适应煤层气井加砂压裂工作特点。设备智能人性化控制，利用矿用通讯系统与井上调度室监控显示系统对接，大屏上显示整体机组各主要运行状态和视频监控画面，提升煤矿井下加砂压裂工艺流程的可控性、可观性及安全性。使煤层气开采质量、产量大步提升。本套设备结构、质量和性能通过了国家质监部门的检验，同时通过了节能质检部门的检验。

煤矿井下加砂压裂智能控制系统主要工艺技术参数:

最大流量：Q＝100m3/h

最高压力：P＝70MPa

驱动功率：N＝1117kW

最高泵速：235min-1

输送介质：清水/水砂。

如图3所示，本发明还提供了一种煤矿井下加砂压裂控制方法，包括：

1)、获取三柱塞加砂压裂泵主电机以及压裂泵组运行参数；

2)、获取输砂、混砂、搅拌过程运行参数；

3)、根据煤层气开采需求，设置砂水比例，根据所设置的砂水比例进行运行计算处理；

4)、运行计算处理后，控制搅拌罐搅拌系统启动，清水离心泵和输砂器以不同的频率输出，再实时监测清水离心泵排出管路的电磁流量计数据和输砂器转速变送器数据；

5)、根据电磁流量计数据和输砂器转速变送器数据，控制三柱塞加砂压裂泵进行加砂压裂。

需要说明的是，输砂、混砂、搅拌控制系统主要由：矿用绞龙式输砂器、带搅拌砂水混合罐、矿用清水离心泵、矿用转速变送器、矿用防爆兼本质安全型电磁流量计、矿用高精度雷达液位计组成。通过在工控机组态软件上设置砂水比例，经过PLC程序计算，搅拌罐搅拌系统启动，清水离心泵和输砂器同时以不同的频率输出，再实时监测清水离心泵排出管路的电磁流量计数据和输砂器转速变送器数据，将数据实时反馈给矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜1,矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜1对数据进行运算，修正输出，达到动态平衡。由于井下空间有限，搅拌罐体积有所限制，搅拌罐上.安装有高精度雷达液位计，液位计将实时液位传输给矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜发明1发明1，经过矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜1计算保证罐体砂水泥合物的液位始终处于高液位状态，但不能溢出，确保三柱塞压裂泵组系统连续安全的运行。

所述步骤1)之前还包括通过矿用视频监控系统实时获取井底状况；所述矿用视频监控系统包括矿用红外高清摄像仪、矿用多回路视频监控仪，以使得将井下视频画面传输至矿用多回路视频监控仪。

所述数据包括所述三柱塞加砂压裂泵上设有压力变送器、流量变送器、转速变送器、油温变送器、油压变送器、油位变送器、噪声监测仪、以及震动监测仪传感检测元器件。所述搅拌罐上安装有高精度雷达液位计，液位计将实时液位传输给矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜1，经过矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜1计算保证罐体砂水泥合物的液位始终处于高液位状态，并不溢出。

本发明专利通过可视化、智能化控制操作系统对煤矿加砂压裂过程全控制，可控的使压裂区域煤层形成裂隙，并通过加砂提高煤层的透气性，大幅度提高了瓦斯的抽采率，安全、高效的增加了煤层气的产出。有效的杜绝了瓦斯突出等灾害对人员的伤害。

对于本领域技术人员而言，显然能了解到上述具体事实例只是本发明的优选方案，因此本领域的技术人员对本发明中的某些部分所可能做出的改进、变动，体现的仍是本发明的原理，实现的仍是本发明的目的，均属于本发明所保护的范围。

Claims (10)

1.一种煤矿井下加砂压裂控制系统，其特征在于，包括安装在分体式矿用平板车(5)上的矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜(1)以及与矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜(1)相连接的矿用隔爆兼本质安全型变频柜(2)、矿用隔爆兼本质安全型高压软起动器(3)、以及矿用隔爆兼本质安全型软起动器(4)；矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜(1)通过通讯信道与矿用工控机(7)相连接，矿用工控机(7)与总调度室(8)相连接；其中；

所述矿用隔爆兼本质安全型变频柜(2)用于对矿用输砂器变频电机、清水离心泵变频电机以及电机风扇连锁保护，将电机和电机风扇的运行状态及数据实时传输到矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜(1)；

矿用隔爆兼本质安全型高压软起动器(3)用于将三柱塞加砂压裂泵的运行状态及数据传输到矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜(1)，并根据矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜(1)的指令控制三柱塞加砂压裂泵电机启停以及运行输出状态；

矿用隔爆兼本质安全型软起动器(4)用于将矿用渣浆泵电机的运行状态及数据传输到矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜(1)，并根据矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜(1)的指令控制矿用渣浆泵电机启停；

矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜(1)用于获取煤层气开采过程的数据，并根据煤层气开采需求输出指令，控制输砂、混砂、搅拌、以及加砂压裂过程运行并将结果反馈到总调度室(8)。

2.根据权利要求1所述的煤矿井下加砂压裂控制系统，其特征在于，所述矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜(1)还用于将各个参数通过以太网传输到矿用工控机(7)。

3.根据权利要求1所述的煤矿井下加砂压裂控制系统，其特征在于，还包括矿用视频监控系统(6)，所述矿用视频监控系统包括矿用红外高清摄像仪、矿用多回路视频监控仪，以使得将井下视频画面传输至矿用多回路视频监控仪。

4.根据权利要求1所述的煤矿井下加砂压裂控制系统，其特征在于，所述，所述三柱塞加砂压裂泵上设有监控装置，矿用隔爆兼本质安全型高压软起动器(3)根据监控装置获取三柱塞加砂压裂泵的运行状态及数据；所述监控装置包括压力变送器、流量变送器、转速变送器、油温变送器、油压变送器、油位变送器、噪声监测仪、以及震动监测仪传感检测元器件。

5.根据权利要求1所述的煤矿井下加砂压裂控制系统，其特征在于，所述搅拌过程中，搅拌装置安装有高精度雷达液位计，液位计将实时液位传输给矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜(1)，经过矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜(1)计算保证罐体砂水泥合物的液位始终处于高液位状态，并不溢出。

6.根据权利要求1所述的煤矿井下加砂压裂控制系统，其特征在于，所述矿用隔爆兼本质安全型变频柜(2)、矿用隔爆兼本质安全型高压软起动器(3)、以及矿用隔爆兼本质安全型软起动器(4)MODBUS RS485通讯信道与矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜(1)连接。

7.一种煤矿井下加砂压裂控制方法，其特征在于，包括：

1)、获取三柱塞加砂压裂泵主电机以及压裂泵组运行参数；

2)、获取输砂、混砂、搅拌过程运行参数；

3)、根据煤层气开采需求，设置砂水比例，根据所设置的砂水比例进行运行计算处理；

4)、运行计算处理后，控制搅拌罐搅拌系统启动，清水离心泵和输砂器以不同的频率输出，再实时监测清水离心泵排出管路的电磁流量计数据和输砂器转速变送器数据；

5)、根据电磁流量计数据和输砂器转速变送器数据，控制三柱塞加砂压裂泵进行加砂压裂。

8.根据权利要求7所述的煤矿井下加砂压裂控制方法，其特征在于，所述步骤1)之前还包括通过矿用视频监控系统实时获取井底状况；所述矿用视频监控系统包括矿用红外高清摄像仪、矿用多回路视频监控仪，以使得将井下视频画面传输至矿用多回路视频监控仪。

9.根据权利要求1所述的煤矿井下加砂压裂控制方法，其特征在于，所述数据包括所述三柱塞加砂压裂泵上设有压力变送器、流量变送器、转速变送器、油温变送器、油压变送器、油位变送器、噪声监测仪、以及震动监测仪传感检测元器件。

10.根据权利要求1所述的煤矿井下加砂压裂控制方法，其特征在于，所述搅拌罐上安装有高精度雷达液位计，液位计将实时液位传输给矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜(1)，经过矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜(1)计算保证罐体砂水泥合物的液位始终处于高液位状态，并不溢出。