CN113202479A - 一种竖井掘进机及其泥浆环流系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种竖井掘进机及其泥浆环流系统，包括：进浆管路和排浆管路，排浆管路上设置有排浆泵，进浆管路和排浆管路与盾体泵站形成循环通路；设置在进浆管路和排浆管路之间的泥浆处理装置；一端与进浆管路连通，另一端用于驱动排浆泵的减压装置，进浆管路的介质流过减压装置时将通过进浆管路内的介质具有的重力势能产生的压力驱动排浆泵，减压装置与泥浆处理装置并联。通过增设的减压装置能够对流体介质在重力势能的作用下产生的压力能进行回收转换为驱动排浆泵的机械能，通过能量的回收利用有效的提升系统的总体效率，降低了由于装置机械失效导致竖井管道内带有重力势能转化的压力的介质击穿系统，外泄造成其他设备损坏和人员受伤的风险。

Description

一种竖井掘进机及其泥浆环流系统

技术领域

本发明涉及掘进设备技术领域，特别涉及一种竖井掘进机及其泥浆环流系统。

背景技术

泥浆环流系统是一种通过建立泥水循环，将新制泥浆泵入开挖面用于泥膜成型与辅助平衡水土压力，并通过排渣泵排出泥浆用于液力输送刀盘刮下的渣石进行出渣的系统。其对于泥水平衡盾构机来讲相当于血管一样重要。

而竖井掘进机在采用泥浆环流系统作为压力平衡和排渣方法时，其相对于土压平衡和机械式出渣的方式而言，能够大幅度的提升作业效率，提高井下作业的安全性和改善工作环境。

目前，国内在竖井掘进施工中使用的大部分的掘进机都搭载了泥浆环流系统用于平衡开挖面压力以及对渣土进行液力输送出渣。但是对于竖井掘进机来说，当开挖深度超过一定时，流体系统中介质在重力的作用下产生的压力将不再能够使用普通的方法去应对，特别是输送的介质为固液两相，密度能达到清水的1.3-2倍的泥浆，作为用于输送泥浆用于平衡开挖仓压力和携带开挖渣石出渣的泥浆环流系统不得不进行额外的管路加固措施和消耗更多的电力去对抗重力势能，使得整个系统的能效降低，并且带来了由于减压装置机械失效导致竖井管道内的介质携带着重力势能转化的压力能及动能逐级击穿其余的减压装置，导致系统整个失效，并外泄造成其他设备损坏和人员受伤的风险。

因此，如何提供一种竖井掘进机高效的泥浆环流系统，以降低介质对管道及元件的压力，并提升系统的安全系数，降低备份元件反应时间，是本技术领域人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种竖井掘进机的泥浆环流系统，以降低介质对管道及元件的压力，并提升系统的安全系数，降低备份元件反应时间，。此外，本发明还提供了一种具有上述泥浆环流系统的竖井掘进机。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种竖井掘进机的泥浆环流系统，其包括：

进浆管路和排浆管路，所述排浆管路上设置有排浆泵，且所述进浆管路和所述排浆管路与盾体泵站形成循环通路；

设置在所述进浆管路和所述排浆管路之间的泥浆处理装置，所述泥浆处理装置用于实现固液分层；

一端与所述进浆管路连通，另一端用于驱动所述排浆泵的减压装置，所述进浆管路的介质流过所述减压装置时将通过所述进浆管路内的介质具有的重力势能产生的压力驱动所述排浆泵，所述减压装置与所述泥浆处理装置并联。

优选的，上述的泥浆环流系统中，所述减压装置包括泥浆透平、变频电机和转动惯量可变的可变惯量飞轮，其中，：

所述泥浆透平串联在所述进浆管路上；

所述泥浆透平、所述变频电机、所述可变惯量飞轮和所述排浆管路上的所述排浆泵依次通过磁力联轴器传动连接。

优选的，上述的泥浆环流系统中，所述减压装置还包括：

用于控制所述泥浆透平进口的第一液动阀和用于控制所述泥浆透平出口的第二液动阀；

用于控制所述排浆泵进口的第三液动阀和用于控制所述排浆泵出口的第四液动阀。

优选的，上述的泥浆环流系统中，所述减压装置还包括：

用于检测所述泥浆透平进口压力或泥浆透平出口压力的进浆压力传感模块；

用于检测所述排浆泵进口压力或出口压力的排浆压力传感模块，且当所述进浆压力传感器检测到所述泥浆透平的出口压力超过预设值，则所述泥浆透平的转速穿过预设值，所述泥浆透平与所述变频电机中间的所述磁力联轴器分离；

当所述排浆压力传感模块检测到所述排浆泵进口处压力超过预设值时，则增大所述变频电机的转速。

优选的，上述的泥浆环流系统中，相邻的所述减压装置的泥浆透平之间的所述进浆管路上设置有用于通过介质对冲将重力势能转换为介质内能的第一在线备份式射流对冲减压器；相邻所述减压装置的排浆泵之间的所述排浆管路上设置有用于通过介质对冲将重力势能转换为介质内能的第二在线备份式射流对冲减压器。

优选的，上述的泥浆环流系统中，所述第一在线备份式射流对冲减压器包括：

用于与所述进浆管路连通的两个第一支路，两个所述第一支路并联设置；

第一对冲容置件，所述第一对冲容置件的两侧均设置有第一射流喷嘴，且所述第一对冲容置件的所述第一射流喷嘴出口相对，所述第一对冲容置件的出口与所述进浆管路连通；

所述第二在线备份式射流对冲减压器包括：

用于与所述排浆管路连通的两个第二支路，两个所述第二支路并联设置；

第二对冲容置件，所述第二对冲容置件的两侧均设置有第二射流喷嘴，且所述第二对冲容置件的所述第二射流喷嘴出口相对，所述第二对冲容置件的出口与所述排浆管路连通。

优选的，上述的泥浆环流系统中，还包括应急弃浆储箱，所述第一在线备份式射流对冲减压器的出口通过应急储箱进浆阀与所述应急弃浆储箱连通，所述第二在线备份式射流对冲减压器的出口通过应急储箱排浆阀与所述应急弃浆储箱连通，所述应急弃浆储箱的出口通过应急储箱排浆阀与所述进浆管路连通。

优选的，上述的泥浆环流系统中，还包括：

一端连接在所述第一在线备份式射流对冲减压器与所述泥浆透平之间，另一端连接在所述泥浆透平与所述泥浆处理装置的进浆端之间的透平旁通管路，所述透平旁通管路上设置有用于控制所述透平旁通管路通断的第一控制阀；

一端连接在所述第二在线备份式射流对冲减压器与所述排浆泵之间，另一端连接在所述排浆泵与所述泥浆处理装置的排浆端之间的泵旁通管路，所述泵旁通管路上设置有用于控制所述泵旁通管路通断的第二控制阀；

一端连接在所述第一在线备份式射流对冲减压器与所述泥浆透平之间，另一端连接在所述第二在线备份式射流对冲减压器与所述排浆泵之间的中继旁通管路，所述中继旁通管路上设置有用于控制所述中继旁通管路通断的第三控制阀。

优选的，上述的泥浆环流系统中，还包括：一端与所述盾体泵站的盾体进浆管路连通，另一端与和所述盾体泵站的盾体排浆管路连通的射流自吸辅助装置，所述射流自吸辅助装置能够将介质充入开挖舱时的重力势能转化为混合介质向所述盾体泵站的排浆泵的介质动能。

一种竖井掘进机，包括泥浆环流系统，其中，所述泥浆环流系统为上述任一项所述的泥浆环流系统。

本发明提供的一种竖井掘进机的泥浆环流系统，通过增设的减压装置能够对流体介质在重力势能的作用下产生的压力能进行回收并无需发电而是转换为驱动排浆泵的机械能，并同时用于恢复一个虚拟的自由液面，以此来替代使用传统的机械式减压阀结合中继罐或是池来恢复自由液面防止重力势能致压力逐级累计，并且可以通过能量的回收利用有效的提升系统的总体效率，并且降低了由于装置机械失效导致竖井管道内带有重力势能转化的压力的介质击穿系统，并外泄造成其他设备损坏和人员受伤的风险。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中公开的泥浆环流系统的局部结构示意图；

图2为本发明实施例中公开的泥浆环流系统的另一局部结构示意图；

图3为本发明实施例中公开的中继站的结构示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种竖井掘进机的泥浆环流系统，以降低介质对管道及元件的压力，并提升系统的安全系数，降低备份元件反应时间，。此外，本发明还提供了一种具有上述泥浆环流系统的竖井掘进机。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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，都属于本发明保护的范围。

如图1-图3所示，本申请还公开了一种竖井掘进机的泥浆环流系统，包括：进浆管路36和排浆管路41、泥浆处理装置以及减压装置。其中，经过掘进机掘进产生的碎石泥土等，在盾体泵站31的作用下进入到进浆管路36中并与进浆管路36中的水混合，然后通过泥浆处理装置对泥浆进行处理，最后一部分泥浆排出，而另一部分泥浆混合物作为循环介质通过排浆管路41经过盾体泵站31再次进入进浆管路36，从而形成泥浆环流系统。

但是在泥浆环流过程中，竖井管道内介质带有的重力势能产生的压力较大，为了保证泥浆环流系统的正常工作，本方案中设置了一端与进浆管路36连通，另一端用于驱动排浆管路41上的排浆泵42的减压装置，即进浆管路36中的介质在流经减压装置时将通过进浆管路36内的介质具有的重力势能产生的压力驱动排浆泵42，即该减压装置为实现将重力势能转换为机械能的装置，并且该减压装置与泥浆处理装置并联。

本申请通过增设的减压装置能够对流体介质在重力势能的作用下产生的压力能进行回收并无需发电而是转换为驱动排浆泵42的机械能，并同时用于恢复一个虚拟的自由液面，以此来替代使用传统的机械式减压阀结合中继罐或是池来恢复自由液面防止重力势能致压力逐级累计，并且可以通过能量的回收利用有效的提升系统的总体效率。

具体的实施例中，进浆管路上设置有用于为介质循环提供动力的进浆泵1，并在进浆泵1与排浆泵16之间设置了泥浆处理装置，具体的，泥浆处理装置包括：压滤机2、压滤泵3、沉淀池4和泥浆处理站5。此部分为现有技术中对泥浆处理的装置，通过上述装置可对泥浆进行分层处理，并将需要排放的部分排放到外界，而满足循环要求的泥浆则继续进入下一循环过程。本领域技术人员可以理解的是，对于泥浆处理装置的具体结构可根据不同的需要进行增设，且均在保护范围内。

上述的减压装置包括：泥浆透平35、可变惯量飞轮39和变频电机38。具体的，泥浆透平35串联在进浆管路36上，泥浆经过泥浆透平35时可在泥浆的重力势能产生的压力驱动转轮转动，即完成能量的转换，在实际中该泥浆透平35还可为转轮水轮机，只要能够在泥浆的作用下产生扭矩的装置均可作为替换使用方案。采用转动惯量可变的可变惯量飞轮36，以便于适用不同的转动惯量，保证装置的正常工作。具体的，泥浆透平35、变频电机38、可变惯量飞轮39和排浆管路41上的排浆泵42依次通过磁力联轴器45传动连接。采用磁力联轴器45一方面可实现扭矩的传递，另一方面还可便于控制断开扭矩的传输。

此外，本申请中的进浆管路36上设置有进浆调节阀6，用于调节进入进浆管路36的泥浆流量，同时，在排浆管路41上设置有排浆调节阀7，用于调节排出排浆管路41的泥浆流量。本申请中的泥浆透平35没有利用流量调节或是叶片变矩来调节转速，而是利用进浆调节阀6以及可变惯量飞轮39的转动惯量的改变来进行调节，并通过变频电机38的变频调速以及变频正负负载变换以及透平旁通管路34等来控制泥浆透平35的转速，从而可避免高固体颗粒物直径与含量对泥浆透平35的影响，保证泥浆透平35的耐受性以及使用寿命。

具体的，上述的变频电机38为双轴头变频电机，变频电机38、可变惯量飞轮39和排浆泵42之间分别通过磁力联轴器45传动连接，这样可以使泥浆透平35回收的能量直接以扭矩与转速的形式驱动排浆泵42，而变频电机38仅需配合可变惯量飞轮39补充不足的部分或是制动过载控制转速，转速调节作为排浆管路41下游泵站(上级中继站)失效后投入额外功率补偿扬程以便通过损坏的泵旁通管路43继续建立泥浆环路的流动。这种措施使得整个系统的能量转化环节减少，系统整体效率将能够提升五到十个百分点。

在实际中，泥浆透平35额定工作水头的选用应为其每级中继站间最大允许垂直间距的1.4倍以上，排浆泵42选用的最大扬程应均为每级中继站最大允许垂直间距的2.4倍以上，最大流量应为单级需求流量的2.4倍以上；变频电机38的功率为0.7倍以上排浆泵流量-扬程曲线反拐点处轴功率。

此外，上述的减压装置还包括：用于控制泥浆透平35进口的第一液动阀15和用于控制泥浆透平35出口的第二液动阀11；用于控制排浆泵42进口的第三液动阀13和用于控制排浆泵42出口的第四液动阀17。通过液动阀可便于控制经过减压装置的使用与否。对于第一液动阀15、第二液动阀11、第三液动阀13和第四液动阀17的具体结构在此不限定。

为了控制减压装置的工作情况，本申请中公开的加压装置还包括进浆压力传感模块37和排浆压力传感模块40。其中，进浆压力传感模块37用于检测泥浆透平35进口处的压力或泥浆透平35出口处的压力；排浆压力传感模块40用于检测排浆泵42进口处的压力或出口处的压力，且当进浆压力传感器37检测到泥浆透平35的出口压力超过预设值，则泥浆透平35的转速穿过预设值，泥浆透平35与变频电机38中间的磁力联轴器45分离，停止传递机械能并以磁致电生热作为负载的形式与排浆泵42和变频电机38一起去消耗泥浆透平35的机械功。

进一步的实施例中，本申请中的相邻的减压装置的泥浆透平35之间的进浆管路36上设置有用于通过介质对冲将重力势能转换为介质内能的第一在线备份式射流对冲减压器19；相邻减压装置的排浆泵42之间的排浆管路41上设置有用于通过介质对冲将重力势能转换为介质内能的第二在线备份式射流对冲减压器20。上述的第一在线备份式射流对冲减压器19和第二在线备份式射流对冲减压器20属于被动减压装置，而上述含有泥浆透平35的减压装置属于主动减压装置，本申请中的被动减压装置串联安装在主动减压装置的下方(重力加速度方向为下)。

通过设置第一在线备份式射流对冲减压器19可在减压装置的泥浆透平35失效时在介质重力的压力作用下启动进行减压，以避免泥浆环流系统的压力逐级累计而导致系统崩溃。此外，本申请中的第二在线备份式射流对冲减压器20设置在排浆泵42下方(重力加速度方向为下)，用于抵消当某一级排浆泵42发生紧急停机或是突然机械失效等情况时，排浆管路36内失去泵扬程支撑的介质在重力势能作用下产生的压力。可以有效防止介质重力势能逐级累计并转化成压力逐级打坏击穿排浆泵造成系统崩溃而产生的危险。

具体的，第一在线备份式射流对冲减压器19和第二在线备份式射流对冲减压器20结构相同，其中，第一在线备份式射流对冲减压器19包括：两个第一支路、第一对冲容置件和第一射流喷嘴，其中，两个第一支路并联然后串联在进浆管路36上，而第一对冲容置件的进口与第一支路的出口连通，第一对冲容置件的出口与进浆管路36连通，即两个第一支路和第一对冲容置件串联在进浆管路36上。上述的第一射流喷嘴与第一支路一一对应连通，并且中两个第一射流喷嘴的出口相对，优选位于同一高度。

上述的第二在线备份式射流对冲减压器20包括：两个第二支路、第二对冲容置件和第二射流喷嘴，其中，两个第二支路并联然后串联在排浆管路41上，而第二对冲容置件的进口与第二支路的出口连通，第二对冲容置件的出口与排浆管路42连通，即两个第二支路和第二对冲容置件串联在排浆管路42上。上述的第二射流喷嘴与第二支路一一对应连通，并且中两个第二射流喷嘴的出口相对，优选位于同一高度。

优选的，上述被动减压器的原理：可通过上级下游至被动减压器的介质在重力势能作用下产生的压力能或是水击时的压力脉冲通过变径管转化为速度能，然后将喷嘴对冲射流，从而抵消动能转化为内能。

在具体的工作过程中：当主动减压装置正常工作时其将保持正常的过流能力，减压消能功能不会生效，整装置压损维持在2bar左右，并且其为纯管路与罐体等机械固定结构组成，并无阀芯，弹簧等可动零部件，过流面积与过流能力十分优秀，可以稳定的工作在泥浆环境中而不会像传统减压阀那样可能会发生堵塞与淤塞。

而当主动减压装置的泥浆透平35因为诸如紧急停机，突然断电，突然机械失效等紧急情况而失效时，整级约200m水头介质的重力势能产生的压力将会直接作用到被动减压装置的入口处，此时第一在线备份式射流对冲减压器19将自动投入使用并立即生效，使得介质重新开始流动并通过第一射流喷嘴将介质的压力能转化为动能，由于其两个第一射流喷嘴一左一右对称布置并互相指向，携带巨大动能的介质高速射出并对冲，利用介质分子间的撞击互相抵消动能并转化为热能被流动的介质带往下游，通过这一能量的转化和抵消，流体介质将在此处(被动减压装置)的上方约5m处恢复一个虚拟的自由液面，以代替主动减压装置实现避免重力势能逐级累计并隔断状态切换产生的水锤激波以防止环路系统逐级击穿累计放大导致系统崩溃的保护作用。

第二在线备份射流对冲减压器20的工作原理与第一在线备份射流对冲减压器19的工作原理相同，在此不赘述，当排浆泵42突然失效而上部介质失去扬程支撑后，在其下方的第二在线备份式射流对冲减压器20将会立即投入生效，在此处恢复一个虚拟的自由液面，以等待上级排浆泵42逐步提升至紧急工况并打开损坏的中继站的泵旁通管路43进行绕流，重新建立泥浆循环。

被动减压装置，即在第一在线备份式射流对冲减压器19和第二在线备份式射流对冲减压器20，其原理是能够通过射流对冲消能来恢复一个虚拟的自由液面以此隔断重力势能致介质压力随工作深度的累计，并且能够有效阻断发生水击时水锤的压力传递，能够充当“防爆门”一般有效隔断故障后果，将事故隔离在发生故障的中继站级内，防止故障逐级累计造成严重后果。平常不投入使用，当其工作方向的进出口压差在允许范围内时，因为压差不足使得射流喷嘴产生的射流速度不够快，流出喷口后射流束将很快在重力势能的作用下偏转逸散，将不足以产生足够进行对冲消能的对冲射流束，因此其平时串联在主管路上主动减压装置下游作为在线备份时，流动阻力很小，压降损失低，基本处于不工作的状态，同时其内部没有运动的零部件，过流系数高且有效过流面积充分流线平滑，没有切线角小于120°的弯曲管线或是弯头，工作流速较快，高固体颗粒物含量的固液两相流介质在里面流动时不容易淤积壅塞，同时采用了可换衬垫层用于抗磨蚀，因此其可以长时间的充当一个在线式的备份减压装置，当出现应急情况，如主动式减压装置(透平)等发生了机械失效的情况下，被动减压装置两侧压差陡然增大，产生的高速射流束在减压罐中剧烈对冲碰撞，速度互相抵消并将动能转化为水的内能(热能)，随流动带往下游而无需担心温升。

更进一步的实施例中，上述的泥浆环流系统还包括应急弃浆储箱24，具体的第一在线备份式射流对冲减压器19的出口通过第一应急储箱进浆阀21与应急弃浆储箱24连通，第二在线备份式射流对冲减压器20的出口通过第二应急储箱进浆阀22与应急弃浆储箱24连通。通过应急弃浆储箱24的设置可暂时存放经过被动减压装置的泥浆，直至故障消除。该应急弃浆储箱24的出口通过应急储箱排浆阀27与进浆管路36连通。

本申请中设置了由中继站处钢制空心管片环充当的应急弃储箱24，其设置上处于每级中继站10的低点，以起到对中继站10的支撑作用，同时用于储存紧急工况下各级管路的弃浆以及停机时排出的管路内介质，其体积容量需为每级管路总内容积的1.2倍以上。

在上述技术方案的基础上，本申请中的泥浆环流系统还包括：透平旁通管路34、泵旁通管路43和中继旁通管路44。具体的，透平旁通管路34一端连接在第一在线备份式射流对冲减压器19与泥浆透平35之间，另一端连接在泥浆透平35与泥浆处理装置的进浆端之间，并且在透平旁通管路34上设置有用于控制透平旁通管路34通断的第一控制阀12；泵旁通管路43一端连接在第二在线备份式射流对冲减压器20与排浆泵42之间，另一端连接在排浆泵42与泥浆处理装置的排浆端之间，并且泵旁通管路43上设置有用于控制泵旁通管路43通断的第二控制阀14；此外，中继旁通管路44一端连接在第一在线备份式射流对冲减压器19与泥浆透平35之间，另一端连接在第二在线备份式射流对冲减压器20与排浆泵42之间，并且中继旁通管路44上设置有用于控制中继旁通管路44通断的第三控制阀18。

此处提供了一种用于旁通减压装置的具体方式，在实际中也可根据不同的需要进行设置，通过设置旁通结构，可保护减压装置。

更进一步的实施例中，上述的泥浆环流系统还包括一端与盾体泵站31的盾体进浆管路连通，另一端与和盾体泵站31的盾体排浆管路连通的射流自吸辅助装置33，且该射流自吸辅助装置33能够将介质充入开挖舱时的重力势能转化为混合介质指向盾体泵站31的排浆泵的介质动能，用于提升盾体泵站31的排浆泵的装置汽蚀余量，增大许用安装高度。该射流自吸辅助装置33与射流自吸装置控制阀32串联，以控制射流自吸辅助装置33的工作。

射流自吸装置33用于辅助盾体泵站31的排浆泵42从开挖舱吸入泥浆的自吸段，防止排浆泵42的泵口因为过长的垂直吸入距离产生低压区导致汽蚀的问题，并能够有效提升装置汽蚀余量和安装高度，避开拥挤的盾体区域，有利于设备的合理布置和人机功效的改善。

同时，射流自吸装置33还能够用于辅助起泵，当起泵前吸入管段到泵出口间没有完全浸没在液面下时用于从开挖舱向上冲液，工作压力来自于进浆在重力势能作用下产生的压力，因此无需无外能源驱动，且无转子等运动的工作零件，其结构简单可靠性好，耐冲刷与磨蚀，能够在恶劣的泥浆环境下稳定的工作。

本申请中的排浆泵42的许用轴功率与最大扬程和最大流量需求应为单级需求的两倍以上，但是变频电机38可以仅配置为最大许用轴功率的0.6倍，因为当下游排浆泵42(上级中继站)故障时，通过上文所述的减压装置消除故障导致的水击后，将会关断故障的排浆泵42的第三液动阀13和第四液动阀17，并打开泵旁通管路43以便绕过故障排浆泵42重新建立泥浆循环，而故障排浆泵42应承担的扬程与流量由上游排浆泵42(下级中继站)通过提升转速承担，此时轴功率的约2/5由泥浆透平35承担，而剩下3/5由变频电机38承担，此时变频电机38接近满负荷工作，泥浆透平35调速的控制功能性将大部分由可变惯量飞轮39承担，其应通过改变可变惯量飞轮39的转动惯量的方式利用向排浆泵42暂时输出扭矩的方式卸载掉一半以上的储能以方便调速。

为了进一步完善上述方案，本申请中通过控制系统控制整个泥浆环流系统的工作，具体的：

控制系统允许单级中继站的泥浆透平35故障后系统继续带载运行或是当某相邻两级或是不相邻的三级及以内中继站泥浆透平35故障后，系统仍可继续运行，但是应立即检修或是更换受损的泥浆透平35，否则将会在允许的带病运行时间之后自动进入冲洗停机模式，此时将关断进浆管路36并使用清水泵入以循环冲刷整个管路为停机做准备，最后在关断各级间阀门后使用容积式排污泵清除管网内残余的流体介质。

控制系统允许单级中继站的排浆泵42故障后系统继续带载运行或是两级及以内不相邻中继站的排浆泵42故障后系统仍可继续运行，但是应立即检修或是更换受损的排浆泵42，否则将会在允许的带病运行时间之后自动进入冲洗停机模式，此时将关断进浆管路36并使用清水泵入以循环冲刷整个管路为停机做准备，最后在关断各级间阀门后使用容积式排污泵清除管网内残余的流体介质。

采用本申请中公开的泥浆环流系统，具体的工作过程：

启动本泥浆环流系统时，如系统为空载启动，即上次关闭系统后管网内介质已排空，没有充满介质，应先打开每级中继站间的进浆级间液动闸阀25和排浆级间液动闸阀26，断开每级中继站的可变惯量飞轮与排浆泵之间磁力联轴器45并将进浆调节阀6开启至小流量转台进行进浆管路36充液，利用每级中继站的泥浆透平35进行逐级减压并给可变惯量飞轮39进行预充能，此时启动变频电机38进行热阻制动用于耗能与调速。当开挖舱充满新制泥浆并建立起舱压后，逐步加大进浆流量并打开射流自吸辅助装置33向排浆管路36充液，当液面没过排浆泵42的出口后，进一步加大地面进浆流量并切除变频电机38热阻制动模式，接入变频动力柜电源进行加载启动，同时利用可变惯量飞轮39储存的能量并连通可变惯量飞轮与排浆泵之间的排浆泵磁力联轴器45，从而启动盾体泵站31的排浆泵42然后逐步提升盾体泵站31的排浆泵42转速以提升流量和扬程，当液面充满至没过上级中继站的排浆泵42出口后，继续启动上级中继站的排浆泵42，以此类推直到重新有达到设定流量的泥浆流回沉淀池4并经过压滤机2，即成功建立了介质的循环。

如系统为带载启动，即管网内充有介质，此时则应先从上至下脱开泥浆透平35转速与变频电机38之间的磁力联轴器45，单独启动变频电机38并运行在启动转速下，随后开启地面进浆调节阀6，并开启下级的进浆管路36上的进浆级间液动闸阀25，等待泥浆透平35转速与变频电机38同步时两者之间的磁力联轴器45自动吸合，泥浆透平35与变频电机38逐步增速至系统设定转速，此时变频电机38作为负载进行热阻制动运行，随后以此类推逐级开启进浆管路36的进浆级间液动闸阀25，并运转泥浆透平35至设定转速等待开挖舱建压；当开挖舱建立舱压后，启动射流自吸辅助装置33，当确认液面浸没盾体泵站31的排浆泵42出口时，切除盾体泵站31的变频电机38热阻制动模式接入变频动力柜电源进行加载启动并利用可变惯量飞轮39储存的能量进行带载启动程序启动排浆泵，当下游的上级中继站排浆泵42的入口通过排浆压力传感模块40测得压力建立，足够支撑上级管路介质在静滞状态下由重力势能建立的总压后，打开排浆管路41上的排浆级间液动闸阀26，上级中继站的变频电机38切除热阻制动模式并接入变频动力柜电源进行加载启动并利用可变惯量飞轮39储存的能量进行带载启动程序启动排浆泵42，当更上一级中继站监测到压力建立，足够支撑更上级管路介质在静滞状态下由重力势能建立的总压后，重复上述过程，以此类推直到重新有达到设定流量的泥浆流回沉淀池4并经过压滤机2，即成功建立了循环。

停机过程，当准备停止运行该泥浆环流系统时，则会先断开通往开挖舱的泥浆供给与排出管路，地面进浆管路36停止泵送新制泥浆并通入清水冲刷管路，同时各处阀门与叶轮机械密封处等的高压反冲洗措施也将会启动进行冲刷以防止停机后泥浆凝结卡死机械，在进行了预设时间的冲刷后，系统会从上往下逐级关闭进浆调节阀6，排浆调节阀7与进浆级间液动闸阀25和排浆级间液动闸阀26，并打开第一应急储箱进浆阀21和第二应急储箱进浆阀22，随后刹停泥浆透平35与排浆泵42，依靠被动减压装置对管路内液体进行减压消能后充入应急弃浆储箱24内，等待使用辅助泵组抽出或是下次启动系统时使用。

当系统遭遇一般的故障情况时，如某一级中继站的泥浆透平35或是排浆泵42的叶轮完全卡死机械失效，被动减压装置则会随着压力的改变立即自动生效作用，隔断系统状态变化产生的水击波并对没有主动减压装置去抵消或是排浆泵42扬程去支撑的重力势能进行被动消能以防止逐级累计打坏系统内其他完好的中继站。随后系统则会根据进浆压力传感模块37或排浆压力传感模块40得到的突增区域的反馈信号，打开对应故障泥浆透平35或是排浆泵42的泵旁通管路43，并延时数秒等待被动减压装置卸荷水击波后再关闭泥浆透平35或是排浆泵42前后的主阀以避免水锤损坏阀门，此时损坏下级中继站与上级中继站管路间的介质在重力势能下产生的压力主要由被动减压装置承担，进浆管路36如仅有此处损坏的一级或是不相邻的两级则为一般故障可以继续在线运行等待修换，但是缺少泥浆透平35回收能量系统总体效率可能会下降，而排浆管路36的一般故障仅允许一级排浆泵损坏，此时上游(下级中继站)的排浆泵42将会在变频电机38全功率运行与泥浆透平35共同驱动的作用下提升至最大流量与扬程以此来支撑对抗跨越两级垂直高度的管路内液体在重力势能的作用下产生的压力并继续维持泥浆循环。

当系统遭遇严重故障时，即为相邻的两级或是不相邻的三级泥浆透平35损坏，或者不相邻的两级排浆泵42损坏时，则会启动故障部分的旁通管路并停止泥浆循环，具体的，当为泥浆透平35损坏，则启动透平旁通管路34，当为排浆泵42损坏时，则会启动泵旁通管路43。断开通往开挖舱的泥浆供应与排出并启用自动保压措施，同时泥浆管网进入水冲洗模式使用清水冲洗管路并循环为系统停机进行准备，如未能在停机计时结束前完成对故障的泥浆透平35或是排浆泵42的更换或是维修，将会进入停机模式，完成上述停机过程。

当系统遭遇紧急情况时，如相邻的两级以上或是不相邻的三级以上泥浆透平35损坏，或是相邻的两级排浆泵42或是不相邻的两级以上排浆泵42损坏，或是其他能够触发泥浆环流系统紧急停机的条件，则系统会进入紧急停机模式，立即打开每级中继站的泥浆透平35和排浆泵42对应的旁通并刹停转子，打开第一应急储箱进浆阀21和第二应急储箱进浆阀22并在经过一个延时后关闭进浆级间液动闸阀25和排浆级间液动闸阀26，管路内的液体全部排入应急弃浆储箱24中，避免在重力势能的作用下累计过高的压力逐级击穿中继站安全措施造成井底安全危害。

此外，本申请中的进浆管路36上在相邻的中继站之间均设置有进浆管路延伸和排浆管路延伸，具体的，在泥浆处理装置与第一中继站10之间设置有第一级进浆管路延伸8，在第一中继站10与第二级中继站30之间设置有第二级进浆管路延伸28，对于进浆管路延伸的数量可根据中继站的级数进行设置，保证在相邻的第一中继站10之间设置即可。同理，在在泥浆处理装置与第一中继站10之间设置有第一级排浆管路延伸9，在第一中继站10与第二级中继站30之间设置有第二级排浆管路延伸29。通过设置进浆管路延伸和排浆管路延伸，可延长管路，保证掘进作业的正常推进。

需要说明的是，本申请中的泥浆环流系统中可为多级中继站，并且每级中继站的结构相同，因此，涉及到的不同中继站的同一部件统一为同一附图标记。

此外，本申请还公开了一种竖井掘进机，包括泥浆环流系统，其中，该泥浆环流系统为上述实施例中公开的泥浆环流系统，因此，具有该泥浆环流系统的竖井掘进机也具有上述所有的技术效果，在此不再一一赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种竖井掘进机的泥浆环流系统，其特征在于，包括：

进浆管路(36)和排浆管路(41)，所述排浆管路(41)上设置有排浆泵(42)，且所述进浆管路(36)和所述排浆管路(41)与盾体泵站(31)形成循环通路；

设置在所述进浆管路(36)和所述排浆管路(41)之间的泥浆处理装置，所述泥浆处理装置用于实现固液分层；

一端与所述进浆管路(36)连通，另一端用于驱动所述排浆泵(42)的减压装置，所述进浆管路(36)的介质流过所述减压装置时将通过所述进浆管路(36)内的介质具有的重力势能产生的压力驱动所述排浆泵(42)，所述减压装置与所述泥浆处理装置并联。

2.根据权利要求1所述的泥浆环流系统，其特征在于，所述减压装置包括泥浆透平(35)、变频电机(38)和转动惯量可变的可变惯量飞轮(39)，其中，：

所述泥浆透平(35)串联在所述进浆管路(36)上；

所述泥浆透平(35)、所述变频电机(38)、所述可变惯量飞轮(39)和所述排浆管路(41)上的所述排浆泵(42)依次通过磁力联轴器(45)传动连接。

3.根据权利要求2所述的泥浆环流系统，其特征在于，所述减压装置还包括：

用于控制所述泥浆透平(35)进口的第一液动阀(15)和用于控制所述泥浆透平(35)出口的第二液动阀(11)；

用于控制所述排浆泵(42)进口的第三液动阀(13)和用于控制所述排浆泵(42)出口的第四液动阀(17)。

4.根据权利要求2所述的泥浆环流系统，其特征在于，所述减压装置还包括：

用于检测所述泥浆透平进口压力或泥浆透平出口压力的进浆压力传感模块(37)；

用于检测所述排浆泵进口压力或出口压力的排浆压力传感模块(40)，且当所述进浆压力传感器(37)检测到所述泥浆透平(35)的出口压力超过预设值，则所述泥浆透平(35)的转速穿过预设值，所述泥浆透平(35)与所述变频电机(38)中间的所述磁力联轴器分离；

当所述排浆压力传感模块(40)检测到所述排浆泵(42)进口处压力超过预设值时，则增大所述变频电机(38)的转速。

5.根据权利要求2所述的泥浆环流系统，其特征在于，相邻的所述减压装置的泥浆透平(35)之间的所述进浆管路(36)上设置有用于通过介质对冲将重力势能转换为介质内能的第一在线备份式射流对冲减压器(19)；相邻所述减压装置的排浆泵(42)之间的所述排浆管路(41)上设置有用于通过介质对冲将重力势能转换为介质内能的第二在线备份式射流对冲减压器(20)。

6.根据权利要求5所述的泥浆环流系统，其特征在于，所述第一在线备份式射流对冲减压器(19)包括：

用于与所述进浆管路(36)连通的两个第一支路，两个所述第一支路并联设置；

第一对冲容置件，所述第一对冲容置件的两侧均设置有第一射流喷嘴，且所述第一对冲容置件的所述第一射流喷嘴出口相对，所述第一对冲容置件的出口与所述进浆管路(36)连通；

所述第二在线备份式射流对冲减压器(20)包括：

用于与所述排浆管路(41)连通的两个第二支路，两个所述第二支路并联设置；

第二对冲容置件，所述第二对冲容置件的两侧均设置有第二射流喷嘴，且所述第二对冲容置件的所述第二射流喷嘴出口相对，所述第二对冲容置件的出口与所述排浆管路(41)连通。

7.根据权利要求6所述的泥浆环流系统，其特征在于，还包括应急弃浆储箱(24)，所述第一在线备份式射流对冲减压器(19)的出口通过应急储箱进浆阀(21)与所述应急弃浆储箱(24)连通，所述第二在线备份式射流对冲减压器(20)的出口通过应急储箱排浆阀(22)与所述应急弃浆储箱(24)连通，所述应急弃浆储箱(24)的出口通过应急储箱排浆阀(27)与所述进浆管路(36)连通。

8.根据权利要求7所述的泥浆环流系统，其特征在于，还包括：

一端连接在所述第一在线备份式射流对冲减压器(19)与所述泥浆透平(35)之间，另一端连接在所述泥浆透平(35)与所述泥浆处理装置的进浆端之间的透平旁通管路(34)，所述透平旁通管路(34)上设置有用于控制所述透平旁通管路(34)通断的第一控制阀(12)；

一端连接在所述第二在线备份式射流对冲减压器(20)与所述排浆泵(42)之间，另一端连接在所述排浆泵(42)与所述泥浆处理装置的排浆端之间的泵旁通管路(43)，所述泵旁通管路(43)上设置有用于控制所述泵旁通管路(43)通断的第二控制阀(14)；

一端连接在所述第一在线备份式射流对冲减压器(19)与所述泥浆透平(35)之间，另一端连接在所述第二在线备份式射流对冲减压器(20)与所述排浆泵(42)之间的中继旁通管路(44)，所述中继旁通管路(44)上设置有用于控制所述中继旁通管路(44)通断的第三控制阀(18)。

9.根据权利要求1-8任一项所述的泥浆环流系统，其特征在于，还包括：一端与所述盾体泵站(31)的盾体进浆管路连通，另一端与和所述盾体泵站(31)的盾体排浆管路连通的射流自吸辅助装置(33)，所述射流自吸辅助装置(33)能够将介质充入开挖舱时的重力势能转化为混合介质向所述盾体泵站(31)的排浆泵的介质动能。

10.一种竖井掘进机，包括泥浆环流系统，其特征在于，所述泥浆环流系统为如权利要求1-9任一项所述的泥浆环流系统。

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