CN110578550A - 一种提高瓦斯抽采浓度的智能辅助动力装置及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高瓦斯抽采浓度的智能辅助动力装置及工作方法，包括抽采钢管、固定支架、转轴Ⅰ、转动轴承Ⅰ、转轴Ⅱ、转动轴承Ⅱ、L形密封箱、瓦斯综合测量仪、PLC控制器、变频器、防爆电机、防爆安全箱、变压器和电能供应分站，通过瓦斯综合测量仪实时监测抽采钢管中气体流量和瓦斯浓度，然后反馈给PLC控制器，PLC控制器分析监测数据，若瓦斯浓度低于设定值则对防爆电机的转速进行调整，即实现调整抽采区域的抽采负压的作用，使抽采负压与漏气流量相匹配，从而提高抽采过程中的瓦斯浓度，保证瓦斯抽采的效率及安全性。

Description

一种提高瓦斯抽采浓度的智能辅助动力装置及工作方法

技术领域

本发明涉及一种提高瓦斯抽采浓度的装置，具体是一种提高瓦斯抽采浓度的智能辅助动力装置及工作方法。

背景技术

我国煤矿瓦斯抽采主要采用的是密集钻孔联网的负压引流式抽采方式。由于井下地形情况复杂且瓦斯抽采管路长达数千米，沿着瓦斯抽采管路中的管路阻力损耗不断增加，因而抽采负压沿着抽采管路不断衰减，造成抽采管路邻近地面抽采泵的一侧抽采负压过大，而远离抽采一侧的抽采负压过小；实践证明，抽采负压过高或过低都将严重影响抽采效果，当抽采负压过低时，会造成瓦斯流动动力不足，负压抽采影响范围较小，允许导流的瓦斯量少，严重制约抽采瓦斯的运输；抽采负压过高容易造成孔内外压差过大而增加钻孔漏气量，导致抽采浓度衰减快，当浓度介于5％～16％时还会引发爆炸事故。因此，单一地面抽采泵运行下的管网系统，其抽采负压与抽采对象之间不能按需调整的客观性问题严重制约煤矿瓦斯抽采的效果。如何根据煤矿抽采过程中气体中的瓦斯浓度，及时调整抽采区域的抽采负压使抽采负压与抽采瓦斯伴生漏气量相匹配，从而提高抽采过程中的瓦斯浓度，是本行业的研究方向。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种提高瓦斯抽采浓度的智能辅助动力装置及工作方法，能根据煤矿抽采过程中气体中的瓦斯浓度，及时调整抽采区域的抽采负压使抽采负压与抽采气体流量相匹配，从而提高抽采过程中的瓦斯浓度，保证瓦斯抽采的效率及安全性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种提高瓦斯抽采浓度的智能辅助动力装置，包括抽采钢管、固定支架、转轴Ⅰ、转动轴承Ⅰ、转轴Ⅱ、转动轴承Ⅱ、L形密封箱、瓦斯综合测量仪、PLC控制器、变频器、防爆电机、防爆安全箱、变压器和电能供应分站；

所述抽采钢管两端分别装有螺旋连接管，螺旋连接管上装有手动阀门，固定支架固定在抽采钢管内，L形密封箱一端装在固定支架上、另一端穿过抽采钢管的管壁伸出，L形密封箱的外表面与抽采钢管的管壁之间密封连接；转轴Ⅰ、转动轴承Ⅰ、转轴Ⅱ和转动轴承Ⅱ设置在L形密封箱内，转轴Ⅰ一端伸出L形密封箱一端、且通过转动轴承Ⅰ与L形密封箱一端活动连接，转轴Ⅰ处于抽采钢管的轴线上，转轴Ⅰ一端装有防爆叶轮，转轴Ⅰ另一端装有齿轮Ⅰ，转轴Ⅱ与转轴Ⅰ相互垂直，转轴Ⅱ一端装有齿轮Ⅱ，齿轮Ⅱ与齿轮Ⅰ啮合，转轴Ⅱ另一端伸出L形密封箱另一端、且通过转动轴承Ⅱ与L形密封箱另一端活动连接；

所述PLC控制器、变频器、防爆电机处于防爆安全箱内，转轴Ⅱ另一端伸入防爆安全箱内与防爆电机的输出端同轴连接，瓦斯综合测量仪装在抽采钢管内，抽采钢管的管壁上开设密封孔，瓦斯综合测量仪通过数据线穿过密封孔与PLC控制器连接，PLC控制器与电能供应分站和变频器电连接，变频器与防爆电机电连接，电能供应分站通过变压器为PLC控制器、变频器、瓦斯综合测量仪和防爆电机供电。

进一步，所述抽采钢管由中间管段和两个变径管段组成，两个变径管段分别装在中间管段的两端、且变径管段中口径较大的一端与中间管段的端部焊接固定。采用这种结构的中间管段能保证防爆叶轮等设备所需的空间，同时变径管段能直接与螺旋连接管连接，从而在定期检修和维护时，能方便拆卸螺旋连接管。

进一步，所述L形密封箱内充满防爆润滑油。防爆润滑油不仅能在瓦斯抽采过程中防止瓦斯气体与高速转动的齿轮接触；而且还能在齿轮Ⅰ和齿轮Ⅱ在啮合的过程中起到润滑的作用，减少齿轮之间摩擦损耗；同时由于减少摩擦还能避免齿轮高速啮合的过程中产生火花。

进一步，所述防爆安全箱的材质为铁、且防爆安全箱与地面导体接触；防爆安全箱内侧壁设有一圈多孔吸声材料。多孔吸声材料可以采用玻璃棉、岩棉、矿棉等材料制成，该材料能有效降低PLC控制器、变频器和防爆电机在运行过程中产生的噪音。

一种提高瓦斯抽采浓度的智能辅助动力装置的工作方法，具体步骤为：

①将本智能辅助动力装置通过螺旋连接管串联到瓦斯抽采系统的管路中；

②打开手动阀门使抽采钢管与瓦斯抽采系统的管路连通，电能供应分站对瓦斯综合测量仪、防爆风机、PLC控制器和变频器供电，此时PLC控制器控制防爆电机以转速n₀转动，进而经过转轴Ⅰ、齿轮Ⅰ、齿轮Ⅱ和转轴Ⅱ传动后使防爆叶轮开始转动；

③瓦斯综合测量仪实时监测抽采钢管内的气体流量Q₀和气体中的瓦斯浓度并将监测气体流量Q₀和瓦斯浓度反馈给PLC控制器，PLC控制器根据如下式计算得出瓦斯纯量为

然后将计算得到瓦斯纯量乘以一个系数1.2，其中的0.2倍的瓦斯纯量的值是设定的漏风量，得到一个新的流量值Q_S，该流量值作为瓦斯持续抽采时流过抽采钢管的初始流量值；

由于流过抽采钢管的气体流量变化与转速比的一次方成正比，即由已知的流量Q₀和转速n₀，按照如下式计算出流量为Q_S时，所对应的电机转速n_s；

PLC控制器得出电机转速n_s数据后，通过控制变频器变频对防爆电机的转速从n₀调至到n_s，使防爆电机在转速为n_s的状态下运行；

④随着抽采时间持续进行，每隔1分钟，瓦斯综合测量仪重新采集一次数据，并将检测的数据传递给PLC控制器，PLC控制器进行分析处理若监测的瓦斯浓度不低于30％，则保持当前转速不变继续运行；若监测的瓦斯浓度低于30％，则重复步骤③，重新调整防爆电机的转速，保证流过抽采钢管的气体中瓦斯浓度至少在30％以上；

⑤瓦斯抽采系统完成瓦斯抽采时，关闭手动阀门使抽采钢管与瓦斯抽采系统的管路断开，并使电能供应分站停止供电。

与现有技术相比，本发明采用抽采钢管、固定支架、转轴Ⅰ、转动轴承Ⅰ、转轴Ⅱ、转动轴承Ⅱ、L形密封箱、瓦斯综合测量仪、PLC控制器、变频器、防爆电机、防爆安全箱、变压器和电能供应分站相结合的方式，通过瓦斯综合测量仪实时检测抽采钢管中气体流量和瓦斯浓度，然后反馈给PLC控制器，PLC控制器分析检测数据，若瓦斯浓度低于设定值则对防爆电机的转速进行调整，即实现调整抽采区域的抽采负压的作用，使抽采负压与抽采气体相匹配，从而提高抽采过程中的瓦斯浓度，保证瓦斯抽采的效率及安全性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中抽采钢管及防爆安全箱的剖面示意图；

图3是本发明的工作流程图。

图中：1、抽采钢管，2、固定支架，3、转轴Ⅰ，4、转动轴承Ⅰ,5、防爆叶轮，6、L形密封箱，7、齿轮Ⅰ，8、转动轴承Ⅱ，9、转轴Ⅱ，10、齿轮Ⅱ，11、手动阀门，12、螺旋连接管，13、瓦斯综合测量仪，14、密封孔，15、PLC控制器，16、变频器，17、防爆电机，18、防爆安全箱，19、变压器，20、电能供应分站。

具体实施方式

下面将对本发明作进一步说明。

如图所示，一种提高瓦斯抽采浓度的智能辅助动力装置，包括抽采钢管1、固定支架2、转轴Ⅰ3、转动轴承Ⅰ4、转轴Ⅱ9、转动轴承Ⅱ8、L形密封箱6、瓦斯综合测量仪13、PLC控制器15、变频器19、防爆电机17、防爆安全箱18、变压器19和电能供应分站20，

所述抽采钢管1两端分别装有螺旋连接管12，螺旋连接管12上装有手动阀门11，固定支架2固定在抽采钢管1内，L形密封箱6一端装在固定支架2上、另一端穿过抽采钢管1的管壁伸出，L形密封箱6的外表面与抽采钢管1的管壁之间密封连接；转轴Ⅰ3、转动轴承Ⅰ4、转轴Ⅱ9和转动轴承Ⅱ8设置在L形密封箱6内，转轴Ⅰ3一端伸出L形密封箱6一端、且通过转动轴承Ⅰ4与L形密封箱6一端活动连接，转轴Ⅰ3处于抽采钢管1的轴线上，转轴Ⅰ3一端装有防爆叶轮5，转轴Ⅰ3另一端装有齿轮Ⅰ7，转轴Ⅱ9与转轴Ⅰ3相互垂直，转轴Ⅱ9一端装有齿轮Ⅱ10，齿轮Ⅱ10与齿轮Ⅰ7啮合，转轴Ⅱ9另一端伸出L形密封箱6另一端、且通过转动轴承Ⅱ8与L形密封箱6另一端活动连接；

所述PLC控制器15、变频器16、防爆电机17处于防爆安全箱18内，转轴Ⅱ9另一端伸入防爆安全箱18内与防爆电机17的输出端同轴连接，瓦斯综合测量仪13装在抽采钢管1内，抽采钢管1的管壁上开设密封孔14，瓦斯综合测量仪13通过数据线穿过密封孔14与PLC控制器15连接，PLC控制器15与电能供应分站20和变频器16电连接，变频器16与防爆电机17电连接，电能供应分站20通过变压器19为PLC控制器15、变频器16、瓦斯综合测量仪13和防爆电机17供电。

进一步，所述抽采钢管1由中间管段和两个变径管段组成，两个变径管段分别装在中间管段的两端、且变径管段中口径较大的一端与中间管段的端部焊接固定。采用这种结构的中间管段能保证防爆叶轮5等设备所需的空间，同时变径管段能直接与螺旋连接管12连接，从而在定期检修和维护时，能方便拆卸螺旋连接管12。

进一步，所述L形密封箱6内充满防爆润滑油。防爆润滑油不仅能在瓦斯抽采过程中防止瓦斯气体与高速转动的齿轮接触；而且还能在齿轮Ⅰ7和齿轮Ⅱ10在啮合的过程中起到润滑的作用，减少齿轮之间摩擦损耗；同时由于减少摩擦还能避免齿轮高速啮合的过程中产生火花。

进一步，所述防爆安全箱18的材质为铁、且防爆安全箱18与地面导体接触；防爆安全箱18内侧壁设有一圈多孔吸声材料。多孔吸声材料可以采用玻璃棉、岩棉、矿棉等材料制成，该材料能有效降低PLC控制器15、变频器16和防爆电机17在运行过程中产生的噪音。

一种提高瓦斯抽采浓度的智能辅助动力装置的工作方法，具体步骤为：

①将本智能辅助动力装置通过螺旋连接管20串联到瓦斯抽采系统的管路中；

②打开手动阀门11使抽采钢管1与瓦斯抽采系统的管路连通，电能供应分站20对瓦斯综合测量仪13、防爆风机17、PLC控制器15和变频器16供电，此时PLC控制器15控制防爆电机17以转速n₀转动，进而经过转轴Ⅰ3、齿轮Ⅰ7、齿轮Ⅱ10和转轴Ⅱ9传动后使防爆叶轮5开始转动；

③瓦斯综合测量仪13实时监测抽采钢管1内的气体流量Q₀和气体中的瓦斯浓度并将监测气体流量Q₀和瓦斯浓度反馈给PLC控制器15，PLC控制器15根据如下式计算得出瓦斯纯量为

然后将计算得到瓦斯纯量乘以一个系数1.2，其中的0.2倍的瓦斯纯量的值是设定的漏风量，得到一个新的流量值Q_S，该流量值作为瓦斯持续抽采时流过抽采钢管1的初始流量值；

由于流过抽采钢管1的气体流量变化与转速比的一次方成正比，即由已知的流量Q₀和转速n₀，按照如下式计算出流量为Q_S时，所对应的电机转速n_s；

PLC控制器15得出电机转速n_s数据后，通过控制变频器16变频对防爆电机17的转速从n₀调至到n_s，使防爆电机17在转速为n_s的状态下运行；

④随着抽采时间持续进行，每隔1分钟，瓦斯综合测量仪13重新采集一次数据，并将检测的数据传递给PLC控制器15，PLC控制器15进行分析处理若监测的瓦斯浓度不低于30％，则保持当前转速不变继续运行；若监测的瓦斯浓度低于30％，则重复步骤③，重新调整防爆电机17的转速，保证流过抽采钢管1的气体中瓦斯浓度至少在30％以上；

⑤瓦斯抽采系统完成瓦斯抽采时，关闭手动阀门11使抽采钢管1与瓦斯抽采系统的管路断开，并使电能供应分站20停止供电。

Claims (5)

1.一种提高瓦斯抽采浓度的智能辅助动力装置，其特征在于，包括抽采钢管、固定支架、转轴Ⅰ、转动轴承Ⅰ、转轴Ⅱ、转动轴承Ⅱ、L形密封箱、瓦斯综合测量仪、PLC控制器、变频器、防爆电机、防爆安全箱、变压器和电能供应分站，

所述抽采钢管两端分别装有螺旋连接管，螺旋连接管上装有手动阀门，固定支架固定在抽采钢管内，L形密封箱一端装在固定支架上、另一端穿过抽采钢管的管壁伸出，L形密封箱的外表面与抽采钢管的管壁之间密封连接；转轴Ⅰ、转动轴承Ⅰ、转轴Ⅱ和转动轴承Ⅱ设置在L形密封箱内，转轴Ⅰ一端伸出L形密封箱一端、且通过转动轴承Ⅰ与L形密封箱一端活动连接，转轴Ⅰ处于抽采钢管的轴线上，转轴Ⅰ一端装有防爆叶轮，转轴Ⅰ另一端装有齿轮Ⅰ，转轴Ⅱ与转轴Ⅰ相互垂直，转轴Ⅱ一端装有齿轮Ⅱ，齿轮Ⅱ与齿轮Ⅰ啮合，转轴Ⅱ另一端伸出L形密封箱另一端、且通过转动轴承Ⅱ与L形密封箱另一端活动连接；

所述PLC控制器、变频器、防爆电机处于防爆安全箱内，转轴Ⅱ另一端伸入防爆安全箱内与防爆电机的输出端同轴连接，瓦斯综合测量仪装在抽采钢管内，抽采钢管的管壁上开设密封孔，瓦斯综合测量仪通过数据线穿过密封孔与PLC控制器连接，PLC控制器与电能供应分站和变频器电连接，变频器与防爆电机电连接，电能供应分站通过变压器为PLC控制器、变频器、瓦斯综合测量仪和防爆电机供电。

2.根据权利要求1所述的一种提高瓦斯抽采浓度的智能辅助动力装置，其特征在于，所述抽采钢管由中间管段和两个变径管段组成，两个变径管段分别装在中间管段的两端、且变径管段中口径较大的一端与中间管段的端部焊接固定。

3.根据权利要求1所述的一种提高瓦斯抽采浓度的智能辅助动力装置，其特征在于，所述L形密封箱内充满防爆润滑油。

4.根据权利要求1所述的一种提高瓦斯抽采浓度的智能辅助动力装置，其特征在于，所述防爆安全箱的材质为铁、且防爆安全箱与地面导体接触；防爆安全箱内侧壁设有一圈多孔吸声材料。

5.一种根据权利要求1所述的提高瓦斯抽采浓度的智能辅助动力装置的工作方法，其特征在于，具体步骤为：

①将本智能辅助动力装置通过螺旋连接管串联到瓦斯抽采系统的管路中；

②打开手动阀门使抽采钢管与瓦斯抽采系统的管路连通，电能供应分站对瓦斯综合测量仪、防爆风机、PLC控制器和变频器供电，此时PLC控制器控制防爆电机以转速n₀转动，进而经过转轴Ⅰ、齿轮Ⅰ、齿轮Ⅱ和转轴Ⅱ传动后使防爆叶轮开始转动；

③瓦斯综合测量仪实时监测抽采钢管内的气体流量Q₀和气体中的瓦斯浓度并将监测气体流量Q₀和瓦斯浓度反馈给PLC控制器，PLC控制器根据如下式计算得出瓦斯纯量为

然后将计算得到瓦斯纯量乘以一个系数1.2，其中的0.2倍的瓦斯纯量的值是设定的漏风量，得到一个新的流量值Q_S，该流量值作为瓦斯持续抽采时流过抽采钢管的初始流量值；

由于流过抽采钢管的气体流量变化与转速比的一次方成正比，即由已知的流量Q₀和转速n₀，按照如下式计算出流量为Q_S时，所对应的电机转速n_s；

PLC控制器得出电机转速n_s数据后，通过控制变频器变频对防爆电机的转速从n₀调至到n_s，使防爆电机在转速为n_s的状态下运行；

④随着抽采时间持续进行，每隔1分钟，瓦斯综合测量仪重新采集一次数据，并将检测的数据传递给PLC控制器，PLC控制器进行分析处理若监测的瓦斯浓度不低于30％，则保持当前转速不变继续运行；若监测的瓦斯浓度低于30％，则重复步骤③，重新调整防爆电机的转速，保证流过抽采钢管的气体中瓦斯浓度至少在30％以上；

⑤瓦斯抽采系统完成瓦斯抽采时，关闭手动阀门使抽采钢管与瓦斯抽采系统的管路断开，并使电能供应分站停止供电。