CN112096447B - 煤矿瓦斯抽采系统管路负压控制系统及其“预测+增量pid”负压控制方法 - Google Patents

煤矿瓦斯抽采系统管路负压控制系统及其“预测+增量pid”负压控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112096447B
CN112096447B CN202011151031.9A CN202011151031A CN112096447B CN 112096447 B CN112096447 B CN 112096447B CN 202011151031 A CN202011151031 A CN 202011151031A CN 112096447 B CN112096447 B CN 112096447B
Authority
CN
China
Prior art keywords
negative pressure
pipeline
extraction
gas
pressure control
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202011151031.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112096447A (zh
Inventor
陈维茂
赵玉刚
孟凡瑞
赵国勇
康建宏
李研
牟善祥
崔京尧
荆延波
齐晓明
令狐建设
孟建兵
邓曰明
仪春梅
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zibo Water Ring Vacuum Pump Factory Co ltd
Shandong University of Technology
Original Assignee
Zibo Water Ring Vacuum Pump Factory Co ltd
Shandong University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zibo Water Ring Vacuum Pump Factory Co ltd, Shandong University of Technology filed Critical Zibo Water Ring Vacuum Pump Factory Co ltd
Priority to CN202011151031.9A priority Critical patent/CN112096447B/zh
Publication of CN112096447A publication Critical patent/CN112096447A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112096447B publication Critical patent/CN112096447B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21F—SAFETY DEVICES, TRANSPORT, FILLING-UP, RESCUE, VENTILATION, OR DRAINING IN OR OF MINES OR TUNNELS
    • E21F7/00—Methods or devices for drawing- off gases with or without subsequent use of the gas for any purpose
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • G06F17/11—Complex mathematical operations for solving equations, e.g. nonlinear equations, general mathematical optimization problems
    • G06F17/13—Differential equations

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Databases & Information Systems (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Mining & Mineral Resources (AREA)
  • Operations Research (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Feedback Control In General (AREA)

Abstract

本发明公开了煤矿瓦斯抽采系统管路负压控制系统及其“预测+增量PID”负压控制方法。本控制方法首先由多参数传感器检测各主、分抽采管路流量、压力和瓦斯浓度，将参数数据传入电信号变送器后输入计算机控制器，计算机通过“预测+增量PID”负压控制算法，根据主、分抽采管路压力和瓦斯浓度的控制要求分级调节瓦斯流量调节阀开度和水环真空泵的变频速度，实现瓦斯抽采系统管路负压的快速稳定自动控制。该发明不仅解决了大惯性滞后煤矿瓦斯抽采管路负压和流量自动快速稳定控制的关键技术难题，而且显著提高了瓦斯抽采效率和瓦斯抽采浓度，还具有显著的节能效果。

Description

煤矿瓦斯抽采系统管路负压控制系统及其“预测+增量PID”负 压控制方法
技术领域
本发明属于瓦斯抽采自动化检控技术与水环式真空泵抽采装备领域，特别涉及煤矿瓦斯抽采系统。
背景技术
由于气体的压缩特性和抽采管路长、沿程阻力大等情况的存在，导致煤矿瓦斯抽采管路负压和流量控制具有大滞后性的特点，抽采管路负压自动调控是行业的一大难题，一直没有实现负压调控的自动化，煤层瓦斯抽采管路的负压调控一直采用人工调节流量调节阀的方式，不仅自动化无法实现，而且造成了瓦斯抽采效率低、能耗大、瓦斯抽采浓度低等严重问题。
随着煤层开采的深度不断加深、煤层瓦斯含量增加、瓦斯抽采系统管路的长度不断加长以及复杂管路造成的负压损失等问题的产生，瓦斯抽采系统管路负压大惯性滞后的现象更加严重。就瓦斯抽采控制系统而言，大惯性滞后常常是导致控制系统不稳定的主要因素，大惯性滞后时间愈大，负压控制的难度愈大。对于瓦斯抽采控制系统的控制重点在于如何选择一个适当的当前控制，使得该系统未来的输出恰好是控制指标所期望的形式，要实现这样的控制，关键在于对系统输出的预测。为此，发明人发明了煤矿瓦斯抽采系统管路负压控制系统及其“预测+增量PID”负压控制方法。该发明通过检测各主、分抽采管路流量、压力和瓦斯浓度的变化来分级调节瓦斯流量调节阀开度和水环真空泵的变频速度，与传统的常规PID控制相比，在显著提高瓦斯抽采管路负压稳定性的同时，显著提高瓦斯抽采的效率和浓度。
发明内容
针对大惯性滞后瓦斯抽采管路负压快速协同自动控制的关键技术难题，提出了煤矿瓦斯抽采系统管路负压控制系统及其“预测+增量PID”负压控制方法。
为实现上述目的，本发明采取以下的技术方案：
煤矿瓦斯抽采系统管路负压控制系统及其“预测+增量PID”负压控制方法，其特征在于：煤矿瓦斯抽采系统管路负压控制系统其结构由水环真空泵、水环真空泵电动机、瓦斯抽采管路、浓度传感器、压力传感器、瓦斯流量调节阀、电信号变送器、计算机控制器、流量控制器、变频调速控制器组成；煤矿瓦斯抽采系统管路负压控制系统的负压采用“预测+增量PID”控制，负压控制的计算公式如下：
Figure BDA0002741271050000011
w(k)＝ym(k+1)/y(k)；
e(k)＝y(k)-y(k-1)；
Δu(k)＝w(k)·{kp[e(k)-e(k-1)]+ki·e(k)+kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]}。
其中：
ym(k+1)为第k+1时刻抽采管路压力的预测值；
α为时间常数，0＜α＜1；
Δymj(k)表示第j个变量增量输入对抽采管路压力增量的响应；
kmj表示抽采管路模型增益；
Δuj(k)表示在k时刻第j个变量增加的控制量；
y(k)为k时刻抽采管路压力实测值；w(k)为k时刻预测校正因子；
e(k)为k时刻抽采管路压力的增加值；
kp、ki、kd为抽采管路模型的比例系数、积分系数和微分系数；
Δu(k)表示在k时刻对抽采管路压力的控制增量。
煤矿瓦斯抽采系统管路负压控制系统通过流量传感器、压力传感器、浓度传感器等检测管道内瓦斯流量、压力和浓度参数，监测数据经电信号变送器处理后传递给计算机，由计算机分析处理后自动控制管道的各瓦斯流量调节阀、水环真空泵，从而控制瓦斯抽采管路负压；计算机通过控制变频调速控制器，控制水环真空泵的转速，从而控制抽气量，满足抽气量的需求；当抽采管路抽采端要求负压较小时，井下的瓦斯流量调节阀开度会自动调小，水环真空泵的转速也随之调小，如果水环真空泵的转速达到最低转速仍无法满足压力控制要求时，计算机自动控制连接水环真空泵排气口和进气口的瓦斯流量调节阀，排气口的气体回流到进气口，从而减小管路的负压，实现回流控压；“预测+增量PID”负压控制方法，通过对系统输出的预测，提前调节水环真空泵的抽吸量，留出抽气滞后余量，使得抽采管路负压实现快速稳定控制。
其工作原理为：
1)通过浓度传感器、压力传感器等传感器检测管道内流量、压力和瓦斯浓度参数，监测数据经电信号变送器处理后传递给计算机，由计算机分析处理后自动控制井下管道内的瓦斯流量调节阀，整体调控抽采管路负压，由计算机分析处理后自动控制变频调速控制器，变频调速控制器改变电机转速，控制水环真空泵抽气量，从而满足抽气需求，实现对抽采管路负压的自动调控。
2)当抽采管路负压较小时，井下的瓦斯流量调节阀会调小甚至关闭，变频调速控制器会降低水环真空泵电动机的转速，水环真空泵有最低转速要求来保证水环的形成，当达到最低转速仍无法满足抽采需求式，连接排气口和进气口的瓦斯流量调节阀开启，排气口的气体回流到进气口补充进气口气体流量，达到气体回流控压的目的。
3)由于气体的压缩特性和抽采管路长、沿程阻力大等情况的存在，导致煤矿瓦斯抽采管路负压和流量控制具有大滞后性的特点，抽采管路负压自动调控是行业的一大难题，一直没有实现负压调控的自动化。提出瓦斯抽采系统管路负压的“预测+PID控制”方法，通过对系统输出的预测，提前调节水环真空泵的抽吸量，留出抽气滞后余量，使得抽采管路负压实现快速稳定控制。
本发明的煤矿瓦斯抽采系统管路负压控制系统具有以下优点和效果：
1)通过多参数传感器，浓度传感器、压力传感器检测各主抽采管路、分抽采管路的流量、压力和瓦斯浓度参数，并将参数数据传入电信号变送器后输入计算机控制器，以获得实时的数据参数。
2)通过计算机控制器“预测+增量PID”负压自动控制算法，根据主、分抽采管路流量、压力和瓦斯浓度的变化来分级调节瓦斯流量调节阀开度和水环真空泵的变频速度，实现按照采区的瓦斯浓度变化规律对支管路和主管路负压的协同自动调控。
3)通过“预测+增量PID”负压自动控制算法，解决了大惯性滞后管路负压快速准确控制的问题，显著提高了瓦斯抽采系统管路的稳定性，使得各支路的抽采负压合理分配。
4)本发明对瓦斯抽采效率和浓度都有显著提高。
附图说明
图1为本发明的煤矿瓦斯抽采系统管路负压控制系统结构原理图。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明的具体实施方式做进一步说明。
本发明的煤矿瓦斯抽采系统管路负压控制系统及其“预测+增量PID”负压控制方法，其较佳的具体实施方式是：通过浓度传感器、压力传感器等传感器检测管道内流量、压力和瓦斯浓度参数，监测数据经电信号变送器处理后传递给计算机，由计算机分析处理后自动控制井下管道内的瓦斯流量调节阀，整体调控抽采管路负压；计算机自动控制变频调速控制器，变频调速控制器改变电机转速，控制水环真空泵抽气量，满足抽气需求；
当抽采管路抽采端要求负压较小时，井下的瓦斯流量调节阀开度会自动调小，水环真空泵的转速也随之调小，如果水环真空泵的转速达到最低转速仍无法满足压力控制要求时，计算机自动控制连接水环真空泵排气口和进气口的瓦斯流量调节阀，排气口的气体回流到进气口，从而减小管路的负压，实现回流控压；“预测+增量PID”负压控制方法，通过对系统输出的预测，提前调节水环真空泵的抽吸量，留出抽气滞后余量，使得抽采管路负压实现快速稳定控制。“预测+增量PID”负压控制方法公式如下：
Figure BDA0002741271050000041
w(k)＝ym(k+1)/y(k)；
e(k)＝y(k)-y(k-1)；
Δu(k)＝w(k)·{kp[e(k)-e(k-1)]+ki·e(k)+kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]}
其中：
ym(k+1)为第k+1时刻抽采管路压力的预测值；
α为时间常数，0＜α＜1；
Δymj(k)表示第j个变量增量输入对抽采管路压力增量的响应；
kmj表示抽采管路模型增益；
Δuj(k)表示在k时刻第j个变量增加的控制量；
y(k)为k时刻抽采管路压力实测值；w(k)为k时刻预测校正因子；
e(k)为k时刻抽采管路压力的增加值；
kp、ki、kd为抽采管路模型的比例系数、积分系数和微分系数；
Δu(k)表示在k时刻对抽采管路压力的控制增量。
但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上加工工艺方法所作的任何简单的修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (2)

1.煤矿瓦斯抽采系统管路负压控制系统及其“预测+增量PID”负压控制方法，其特征在于：煤矿瓦斯抽采系统管路负压控制系统其结构由水环真空泵、水环真空泵电动机、瓦斯抽采管路、浓度传感器、压力传感器、瓦斯流量调节阀、电信号变送器、计算机控制器、流量控制器、变频调速控制器组成；煤矿瓦斯抽采系统大惯性滞后管路负压采用‘预测+增量PID’负压控制方法控制，计算公式如下：
Figure FDA0003049295180000011
w(k)＝ym(k+1)/y(k)；
e(k)＝y(k)-y(k-1)；
△u(k)＝w(k)·{kp[e(k)-e(k-1)]+ki·e(k)+kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]}；
其中：
ym(k+1)为第k+1时刻抽采管路压力的预测值；
α为时间常数，0<α<1；
△ymj(k)表示第j个变量增量输入对抽采管路压力增量的响应；
kmj表示抽采管路模型增益；
△uj(k)表示在k时刻第j个变量增加的控制量；
y(k)为k时刻抽采管路压力实测值；w(k)为k时刻预测校正因子；
e(k)为k时刻抽采管路压力的增加值；
kp、ki、kd为抽采管路模型的比例系数、积分系数和微分系数；
△u(k)表示在k时刻对抽采管路压力的控制增量。
2.根据权利要求1所述的煤矿瓦斯抽采系统管路负压控制系统及其“预测+增量PID”负压控制方法，其特征在于：煤矿瓦斯抽采系统管路负压控制系统通过流量传感器、压力传感器、浓度传感器检测管道内瓦斯流量、压力和浓度参数，监测数据经电信号变送器处理后传递给计算机，由计算机分析处理后自动控制管道的各瓦斯流量调节阀、水环真空泵，从而控制瓦斯抽采管路负压；计算机通过控制变频调速控制器，控制水环真空泵的转速，从而控制抽气量，满足抽气量的需求；当抽采管路抽采端要求负压较小时，井下的瓦斯流量调节阀开度会自动调小，水环真空泵的转速也随之调小，如果水环真空泵的转速达到最低转速仍无法满足压力控制要求时，计算机自动控制连接水环真空泵排气口和进气口的瓦斯流量调节阀，排气口的气体回流到进气口，从而减小管路的负压，实现回流控压；“预测+增量PID”负压控制方法，通过对系统输出的预测，提前调节水环真空泵的抽吸量，留出抽气滞后余量，使得抽采管路负压实现快速稳定控制。
CN202011151031.9A 2020-10-24 2020-10-24 煤矿瓦斯抽采系统管路负压控制系统及其“预测+增量pid”负压控制方法 Active CN112096447B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011151031.9A CN112096447B (zh) 2020-10-24 2020-10-24 煤矿瓦斯抽采系统管路负压控制系统及其“预测+增量pid”负压控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011151031.9A CN112096447B (zh) 2020-10-24 2020-10-24 煤矿瓦斯抽采系统管路负压控制系统及其“预测+增量pid”负压控制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112096447A CN112096447A (zh) 2020-12-18
CN112096447B true CN112096447B (zh) 2021-06-15

Family

ID=73786058

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011151031.9A Active CN112096447B (zh) 2020-10-24 2020-10-24 煤矿瓦斯抽采系统管路负压控制系统及其“预测+增量pid”负压控制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112096447B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113944498B (zh) * 2021-10-18 2024-02-02 中煤科工集团重庆研究院有限公司 煤层瓦斯抽采负压侧气体流量精准测定装置及方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN202810905U (zh) * 2012-09-18 2013-03-20 淮南矿业(集团)有限责任公司 瓦斯抽采系统的耦合装置及瓦斯抽采系统
CN103758561A (zh) * 2014-02-21 2014-04-30 淄博安益矿用设备有限公司 煤矿瓦斯抽采控制系统及抽采控制方法
CN106285769A (zh) * 2016-08-31 2017-01-04 郑州光力科技股份有限公司 煤矿瓦斯抽采动态优化调控方法及系统
CN206876214U (zh) * 2017-05-24 2018-01-12 山西潞安集团余吾煤业有限责任公司 一种用于检测钻孔瓦斯流量和浓度的检测装置
CN109372574A (zh) * 2018-12-26 2019-02-22 山东理工大学 一种煤矿瓦斯抽放中水环真空泵和抽采主管路控制方法
CN110513140A (zh) * 2019-07-26 2019-11-29 中国矿业大学 一种促进煤层管网安全高效抽采瓦斯的控制系统及方法
CN111238583A (zh) * 2018-11-29 2020-06-05 河北金广科技有限公司 一种采用掺混空气检测低流速瓦斯抽采管路流量的方法
CN111322106A (zh) * 2020-04-08 2020-06-23 安徽坤朗新能源科技有限公司 一种煤矿瓦斯钝化安全输送系统

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN202810905U (zh) * 2012-09-18 2013-03-20 淮南矿业(集团)有限责任公司 瓦斯抽采系统的耦合装置及瓦斯抽采系统
CN103758561A (zh) * 2014-02-21 2014-04-30 淄博安益矿用设备有限公司 煤矿瓦斯抽采控制系统及抽采控制方法
CN106285769A (zh) * 2016-08-31 2017-01-04 郑州光力科技股份有限公司 煤矿瓦斯抽采动态优化调控方法及系统
CN206876214U (zh) * 2017-05-24 2018-01-12 山西潞安集团余吾煤业有限责任公司 一种用于检测钻孔瓦斯流量和浓度的检测装置
CN111238583A (zh) * 2018-11-29 2020-06-05 河北金广科技有限公司 一种采用掺混空气检测低流速瓦斯抽采管路流量的方法
CN109372574A (zh) * 2018-12-26 2019-02-22 山东理工大学 一种煤矿瓦斯抽放中水环真空泵和抽采主管路控制方法
CN110513140A (zh) * 2019-07-26 2019-11-29 中国矿业大学 一种促进煤层管网安全高效抽采瓦斯的控制系统及方法
CN111322106A (zh) * 2020-04-08 2020-06-23 安徽坤朗新能源科技有限公司 一种煤矿瓦斯钝化安全输送系统

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
《煤矿瓦斯抽放浓度控制系统设计》;赵勇等;《工矿自动化》;20190930;第103-108页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN112096447A (zh) 2020-12-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106014999B (zh) 一种水环真空泵机组高效运行控制方法和控制系统
CN103758561B (zh) 煤矿瓦斯抽采控制系统的抽采控制方法
CN202165326U (zh) 一种工业离心压缩机防喘振控制装置
CN102230466B (zh) 一种空压机负荷优化控制系统及方法
CN103994553B (zh) 一种制冷系统冷却水节能控制方法、系统及装置
CN112254320B (zh) 基于ai的空调变流量水系统自适应变压差控制方法
CN112096447B (zh) 煤矿瓦斯抽采系统管路负压控制系统及其“预测+增量pid”负压控制方法
US20080264086A1 (en) Method for improving efficiency in heating and cooling systems
CN203730058U (zh) 煤矿瓦斯抽采控制系统
CN110513140B (zh) 一种促进煤层管网安全高效抽采瓦斯的控制系统及方法
CN105543443A (zh) 一种转炉煤气加压机防喘振控制系统及方法
CN107305055B (zh) 一种中央空调水泵的变频控制系统
CN103488082B (zh) 一种基于反求法的高效变频恒压供水系统控制方法
CN111502967A (zh) 一种多台变频水泵优化并联运行方法
CN102840182B (zh) 火电厂轴流风机低负荷防振方法及旁路风道控制回路
CN104295519A (zh) 一种控制装置、水环真空泵及其控制方法
CN113844861B (zh) 基于煤量检测的皮带及采煤机的自动调速方法
CN109372573B (zh) 一种煤矿瓦斯抽放用水环真空泵工作液温度调节控制方法
CN203771629U (zh) 中央空调机房闭式循环水系统压差动态平衡节能控制装置
CN205103580U (zh) 一种水系统的节能集中控制系统
CN202017612U (zh) 一种空气压缩机的负荷优化控制系统
CN211852130U (zh) 瓦斯抽采泵稳定运行的双环控制系统
CN109236693A (zh) 一种机前富氧高炉鼓风系统的控制方法
CN108490989A (zh) 一种流量控制系统及高效控制方法
CN101701531B (zh) 工业驱动用汽轮机溢流抽汽调节装置及其控制方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Chen Weimao

Inventor after: Qi Xiaoming

Inventor after: LingHu Jianshe

Inventor after: Meng Jianbing

Inventor after: Deng Yueming

Inventor after: Yi Chunmei

Inventor after: Zhao Yugang

Inventor after: Meng Fanrui

Inventor after: Zhao Guoyong

Inventor after: Kang Jianhong

Inventor after: Li Yan

Inventor after: Mou Shanxiang

Inventor after: Cui Jingyao

Inventor after: Jing Yanbo

Inventor before: Chen Weimao

Inventor before: LingHu Jianshe

Inventor before: Meng Jianbing

Inventor before: Deng Yueming

Inventor before: Yi Chunmei

Inventor before: Zhao Yugang

Inventor before: Meng Fanrui

Inventor before: Zhao Guoyong

Inventor before: Kang Jianhong

Inventor before: Li Yan

Inventor before: Cui Jingyao

Inventor before: Jing Yanbo

Inventor before: Qi Xiaoming

CB03 Change of inventor or designer information
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant