CN115253610A - 一种膜分离制氮机膜组保护系统及其应用的液位传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于煤矿井下防灭火设备技术领域，特别提供了一种膜分离制氮机膜组保护系统及其应用的液位传感器。膜分离制氮机的膜组保护系统主要包括接入制氮系统的保护性过滤系统、排污系统和液位传感器；其中，液位传感器包括传感器主体、传感器压盖、液位导杆、浮子、阻燃腔、磁套、磁簧开关、接线口。本膜组保护系统通过液位传感器监测气液分离器罐体底部污水的液位，故障发生时系统可做出提前响应，避免制氮系统其他组件因故障受损；本液位传感器选用磁簧开关作为触发结构。磁簧开关所产生的磁场电流微弱但可监测，极大程度的限制信号传输电流及电压，同时满足了磁力浮子传感器的功能需求和矿下使用的安全标准需求。

Description

一种膜分离制氮机膜组保护系统及其应用的液位传感器

技术领域

本发明属于煤矿井下防灭火设备技术领域，特别提供了一种膜分离制氮机膜组保护系统及其应用的液位传感器。

背景技术

制氮机是指以空气为原料，利用物理方法将其中的氧和氮分离而获得氮气的设备。工业上应用的制氮机，根据其分离方法的不同，可以分为深冷空分法、分子筛空分法(PSA)和膜空分法三种。

其中，膜分离制氮机的常见气源组件由空气压缩机及换热设备构成。膜分离制氮机的中空纤维膜受其物理性质限制，需要进入的空气保持无尘干燥且温度恒定在50℃左右。而常规空气压缩机输出的压缩空气中含有水、油等杂质，无法直接为膜组供气。因此，制氮机内包含气液分离器、冷干机、活性炭过滤器、电加热器等组件，经过气液分离器过滤后，分理处的液体会储存在气液分离器的底部，通过定时的自动排污或手动排污排出。

当空气压缩机冷却器出现故障，会有大量的冷却水混合进压缩空气中随其进入制氮机内，携带过量冷却水的空气超出气液分离器、冷干机、活性炭过滤器、电加热器等组件的处理能力，导致最终输入膜组压缩空气的气液体分离不彻底，导致膜组损坏。市面上中空纤维膜组造价昂贵，维修和更换成本高昂。因此，需要一种膜分离制氮机膜组保护系统，避免制氮机膜组因气源系统故障而损坏，给矿企造成不必要的经济损失。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种膜分离制氮机膜组保护系统及其应用的液位传感器。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种膜分离制氮机的膜组保护系统，包括接入制氮系统的保护性过滤系统、排污系统和液位传感器，制氮系统、保护性过滤系统、排污系统和液位传感器通过管路相互连接，同时制氮系统、排污系统和液位传感器通过线路相互电性连接。

进一步地，所述制氮系统包括气液分离器、冷干机、活性炭过滤器、电加热器、膜组、气动三通阀、电控制箱，气液分离器、冷干机、活性炭过滤器、电加热器、膜组、气动三通阀通过管路依次相连，气液分离器的输入端通过管路与外部气源系统相连，液位传感器装配于气液分离器的底部，电控制箱与排污系统、液位传感器、外部气源系统电性连接。

进一步地，所述保护性过滤系统包括X1级过滤器、XA级过滤器、RX1级过滤器、XAA级过滤器，X1级过滤器通过管路装配于气液分离器、冷干机之间，XA级过滤器通过管路装配于冷干机、活性炭过滤器之间，RX1级过滤器通过管路装配于活性炭过滤器、电加热器之间，XAA级过滤器通过管路装配于电加热器、膜组之间。

进一步地，所述排污系统包括第一排污阀、第二排污阀、第三排污阀、第四排污阀、第五排污阀、第六排污阀、总管，所述第一排污阀、第二排污阀、第三排污阀、第四排污阀、第五排污阀、第六排污阀分别装配于气液分离器、X1级过滤器、XA级过滤器、活性炭过滤器、RX1级过滤器、XAA级过滤器的底部，且第一排污阀、第二排污阀、第三排污阀、第四排污阀、第五排污阀、第六排污阀分别与总管连通，总管的输出端与外部排污管道连通，第一排污阀、第二排污阀、第三排污阀、第四排污阀、第五排污阀和第六排污阀均通过线路与电控制箱电性连接。

进一步地，所述电控制箱内置通信系统，电控制箱的处理器通过通信系统与外部网络通信连接，并通过网络上传监测数据及故障警报信息。

一种应用于所述膜分离制氮机的膜组保护系统的液位传感器，所述液位传感器包括传感器主体、传感器压盖、液位导杆、浮子、阻燃腔、磁套、磁簧开关、接线口，传感器压盖、液位导杆分别装配于传感器主体的两端，接线口设置于传感器主体的侧壁，磁套嵌入于浮子的内壁，且浮子和磁套均可滑动的套接于液位导杆的外部，阻燃腔开设于液位导杆的内部，多个磁簧开关均匀装配于阻燃腔内部。

进一步地，所述液位导杆的下端设置有导杆固定结构，液位导杆通过导杆固定结构与传感器主体固定连接，且传感器主体与液位导杆之间装配有铜垫圈。

进一步地，所述液位导杆的中部设置有传感器固定结构。

进一步地，所述液位导杆的顶端固定安装有限位卡。

进一步地，所述传感器主体的侧壁通过铆钉装配有铭牌。

进一步地，所述传感器固定结构与外部装配面之间的间隙处设置有密封圈。

使用本发明的有益效果是：

1、本膜组保护系统通过液位传感器监测气液分离器罐体底部污水的液位，系统预设液位值的阈值，以当前液位值与预设阈值的比较结果作为应急保护程序的启动条件，实现在空气压缩机冷却器故障出现时提前响应，避免制氮系统其他组件因空气压缩机冷却器故障而受损；

2、在膜组保护系统中设置保护性过滤系统，避免空气压缩机冷却器故障发生且应急保护程序启动时，仍有污水等污染物逃逸至膜组处；

3、在XAA级过滤器的输出端可根据需求增设独立除尘过滤器，增加的额外一级保护，用以避免活性炭过滤器中纤维滤芯损坏，纤维颗粒随压缩空气流动，造成压缩空气二次污染；

4、本方案是选用磁簧开关作为触发结构的本安液位传感器。磁簧开关所产生的磁场电流微弱但可监测，极大程度的限制信号传输电流及电压，同时满足了磁力浮子传感器的功能需求和矿下使用的安全标准需求。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明气液分离器、X1级过滤器、液位传感器连接关系示意图；

图3为本发明各组件间关系的示意图；

图4为本发明液位传感器的结构示意图；

图5为本发明液位传感器的主视图。

附图标记包括：101-气液分离器；102-冷干机；103-活性炭过滤器；104-电加热器；105-膜组；106-气动三通阀；107-电控制箱；201-X1级过滤器；202-XA级过滤器；203-RX1级过滤器；204-XAA级过滤器；301-第一排污阀；302-第二排污阀；303-第三排污阀；304-第四排污阀；305-第五排污阀；306-第六排污阀；307-总管；4-液位传感器；401-传感器主体；402-传感器压盖；403-铜垫圈；404-导杆固定结构；405-液位导杆；406-传感器固定结构；407-浮子；408-限位卡；409-阻燃腔；4010-磁套；4011-磁簧开关；4012-密封圈；4013-接线口；4014-铭牌。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细的描述。

参照图1-图3，一种膜分离制氮机膜组保护系统，其特征在于，包括接入制氮系统的保护性过滤系统、排污系统和液位传感器4，制氮系统、保护性过滤系统、排污系统和液位传感器4通过管路相互连接，同时制氮系统、排污系统和液位传感器4通过线路相互电性连接；

所述制氮系统包括气液分离器101、冷干机102、活性炭过滤器103、电加热器104、膜组105、气动三通阀106、电控制箱107，气液分离器101、冷干机102、活性炭过滤器103、电加热器104、膜组105、气动三通阀106通过管路依次相连，气液分离器101的输入端通过管路与外部气源系统相连，液位传感器4装配于气液分离器101的底部，电控制箱107与排污系统、液位传感器4、外部气源系统电性连接；

制氮系统启动时液位传感器4上电，对气液分离器101内液位实时监测，系统设有定时指令控制排污系统自动排污；

设备正常运行时，气液分离器101内液位维持在合理高度以下；

外部气源系统故障时，大量冷却水随气流进入气液分离器101，经气液分离器101分离后，污水在气液分离器101罐体底部大量积存，气液分离器101内液位在自动排污间隔期内快速升高，电控制箱107接收液位传感器4返回的实时液位数据，当液位超过系统预设的合理高度时，系统启动应急保护程序，电控制箱107控制外部气源系统的供电组件断电，同时控制排污系统开启所有排污阀。

优选地，气液分离器101选用∶型号∶HF1300WS，进气温度∶≤120℃，过滤效率99％。

所述保护性过滤系统包括X1级过滤器201、XA级过滤器202、RX1级过滤器203、XAA级过滤器204，X1级过滤器201通过管路装配于气液分离器101、冷干机102之间，XA级过滤器202通过管路装配于冷干机102、活性炭过滤器103之间，RX1级过滤器203通过管路装配于活性炭过滤器103、电加热器104之间，XAA级过滤器204通过管路装配于电加热器104、膜组105之间；

优选地，在XAA级过滤器204的输出端可根据需求增设独立除尘过滤器，增加的额外一级保护，用以避免活性炭过滤器103中纤维滤芯损坏，纤维颗粒随压缩空气流动，造成压缩空气二次污染。

当大量冷却水随气流进入气液分离器101时，存在气体含水量超出气液分离器101最大处理能力的可能，即气液分离器101所输出气体的含水量大于其常规状态下输出气体的含水量，后续保护性过滤系统能够对气体进行多级过滤。

优选地，X1级过滤器201选用∶型号∶HF1300X1，进气温度∶≤120℃，过滤含尘量∶<1μm，过滤含油量∶<0.1mg/m²。

优选地，XA级过滤器202选用∶型号∶HF1300XA，进气温度∶≤120℃，过滤含尘量∶<0.01μm，过滤含油量∶<0.01mg/m²。

优选地，RX1级过滤器203选用∶型号∶HF1300RX1，进气温度∶≤120℃，过滤效率99.96％。

优选地，XAA级过滤器204选用∶型号∶HF1300XAA，进气温度∶≤120℃，过滤含尘量∶<0.001μm，过滤含油量∶<0.001mg/m²。

所述排污系统包括第一排污阀301、第二排污阀302、第三排污阀303、第四排污阀304、第五排污阀305、第六排污阀306、总管307，所述第一排污阀301、第二排污阀302、第三排污阀303、第四排污阀304、第五排污阀305、第六排污阀306分别装配于气液分离器101、X1级过滤器201、XA级过滤器202、活性炭过滤器103、RX1级过滤器203、XAA级过滤器204的底部，且第一排污阀301、第二排污阀302、第三排污阀303、第四排污阀304、第五排污阀305、第六排污阀306分别与总管307连通，总管307的输出端与外部排污管道连通，第一排污阀301、第二排污阀302、第三排污阀303、第四排污阀304、第五排污阀305和第六排污阀306均通过线路与电控制箱107电性连接。

如图3所示，图中虚线表示电路连接关系，实线表示管路连接关系。

所述电控制箱107内置通信系统，电控制箱107的处理器通过通信系统与外部网络通信连接，并通过网络上传监测数据及故障警报信息。

参照图4-图5，一种液位传感器，应用于膜分离制氮机膜组保护系统，其特征在于，所述液位传感器4包括传感器主体401、传感器压盖402、液位导杆405、浮子407、阻燃腔409、磁套4010、磁簧开关4011、接线口4013，传感器压盖402、液位导杆405分别装配于传感器主体401的两端，接线口4013设置于传感器主体401的侧壁，磁套4010嵌入于浮子407的内壁，且浮子407和磁套4010均可滑动的套接于液位导杆405的外部，阻燃腔409开设于液位导杆405的内部，多个磁簧开关4011均匀装配于阻燃腔409内部。

目前市面上常见的液位传感器有投入式液位传感器、超声波传感器、浮子传感器。

超声波传感器通过回声定位测量液位高度，但因过滤器结构特征限制，超声波传感器没法固定在过滤器内部；

常规的投入式液位传感器，是通过测量液体压力来判断液位高度的。超声波传感器没法固定在过滤器内部。投入式液位传感器(根据压力判断液位)的原理不适合用于高压气体环境，过滤器内部的气体压力＞1.0MPa，这种高压环境下液位高度变化所产生的细微压力变化不易被检测到。

磁力浮子传感器所使用的触发结构以霍尔开关为主。霍尔开关是直接切割磁力线产生的电流电压，这种电流电压的强弱与磁场正相关，一般电流要比磁簧开关产生的信号强度要大。其较大的感应电流电压信号会给设备的正常运行带来不稳定因素。配有霍尔开关的电路，在单位时间内突然释放较大电流电压时，如果良好地吸收放出的电流，容易与煤矿井下灰尘产生电火花，较大的电流电压信号容易与煤矿井下灰尘产生电火花，进而一方面会产生电火灾，另一方面在掺杂瓦斯等气体的煤炭井下极易引起爆炸。因此，霍尔开关作为触发结构的液位传感器无法满足矿下使用的安全标准。

本方案的液位传感器选用磁簧开关4011作为触发结构。磁簧开关4011所产生的磁场电流微弱但可监测，极大程度的限制信号传输电流及电压，同时满足了磁力浮子传感器的功能需求和矿下使用的安全标准需求。

因此，本方案的液位传感器为本安型液位传感器。

优选地，浮子407为浮球结构，根据需求可在浮球结构外侧增设电极，用于检测当前位置的液压。

优选地，阻燃腔409内部充入惰性气体或抽真空，进一步提高电路的安全性。

所述液位导杆405的下端设置有导杆固定结构404，液位导杆405通过导杆固定结构404与传感器主体401固定连接，且传感器主体401与液位导杆405之间装配有铜垫圈403。

所述液位导杆405的中部设置有传感器固定结构406，液位导杆405通过传感器固定结构406固定于气液分离器101的底部侧壁上。

优选地，导杆固定结构404的内壁和传感器固定结构406的外壁均设置有螺纹，传感器固定结构406通过螺接的方式装配于气液分离器101的底部，导杆固定结构404通过螺接的方式装配于液位导杆405的下部。

所述液位导杆405的顶端固定安装有限位卡408。

该结构用于限定浮子407的位移区间，避免液位过高时浮子407脱离液位导杆405。

所述传感器主体401的侧壁通过铆钉装配有铭牌4014。

所述气液分离器101的外壁与传感器固定结构406端面的间隙处设置有密封圈4012。

液位传感器装配于制氮系统气液分离器的底部。当有压缩空气携带大量冷却水进入气液分离器时，气液分离器所分离出的液体在其底部大量积存，其内部液位在自动排污间隔期内快速升高，驱使液位传感器的浮子升高至警戒高度。系统监测到液位超过系统预设的合理高度时，电控箱做出响应，对排污系统下达开阀指令，同时对空气压缩机下达停止供气指令，后续的保护性过滤系统对短时间内逃逸的不达标压缩空气进行过滤，确保膜前的压缩空气达到其氮气分离处理所需标准，以达到保护膜组不被含有水、油等污染成分的压缩空气所污染损坏的目的，避免制氮机膜组因气源系统故障而损坏，给矿企造成不必要的经济损失。

液位传感器采用磁簧开关作为触发结构，磁簧开关所产生的磁场电流微弱但可监测，极大程度的限制信号传输电流及电压，同时满足了磁力浮子传感器的功能需求和矿下使用的安全标准需求，避免较大的电流电压信号容易与煤矿井下灰尘产生电火花。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本发明的构思，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种膜分离制氮机的膜组保护系统，其特征在于：包括接入制氮系统的保护性过滤系统、排污系统和液位传感器，制氮系统、保护性过滤系统、排污系统和液位传感器通过管路相互连接，同时制氮系统、排污系统和液位传感器通过线路相互电性连接。

2.根据权利要求1中所述的一种膜分离制氮机的膜组保护系统，其特征在于：所述制氮系统包括气液分离器、冷干机、活性炭过滤器、电加热器、膜组、气动三通阀、电控制箱，气液分离器、冷干机、活性炭过滤器、电加热器、膜组、气动三通阀通过管路依次相连，气液分离器的输入端通过管路与外部气源系统相连，液位传感器装配于气液分离器的底部，电控制箱与排污系统、液位传感器、外部气源系统电性连接；

所述电控制箱内置通信系统，电控制箱的处理器通过通信系统与外部网络通信连接。

3.根据权利要求2中所述的一种膜分离制氮机的膜组保护系统，其特征在于：所述保护性过滤系统包括X1级过滤器、XA级过滤器、RX1级过滤器、XAA级过滤器，X1级过滤器通过管路装配于气液分离器、冷干机之间，XA级过滤器通过管路装配于冷干机、活性炭过滤器之间，RX1级过滤器通过管路装配于活性炭过滤器、电加热器之间，XAA级过滤器通过管路装配于电加热器、膜组之间。

4.根据权利要求3中所述的一种膜分离制氮机的膜组保护系统，其特征在于：所述排污系统包括第一排污阀、第二排污阀、第三排污阀、第四排污阀、第五排污阀、第六排污阀、总管，所述第一排污阀、第二排污阀、第三排污阀、第四排污阀、第五排污阀、第六排污阀分别装配于气液分离器、X1级过滤器、XA级过滤器、活性炭过滤器、RX1级过滤器、XAA级过滤器的底部，且第一排污阀、第二排污阀、第三排污阀、第四排污阀、第五排污阀、第六排污阀分别与总管连通，总管的输出端与外部排污管道连通，第一排污阀、第二排污阀、第三排污阀、第四排污阀、第五排污阀和第六排污阀均通过线路与电控制箱电性连接。

5.一种应用于权利要求1中所述膜分离制氮机的膜组保护系统的液位传感器，其特征在于：所述液位传感器包括传感器主体、传感器压盖、液位导杆、浮子、阻燃腔、磁套、磁簧开关、接线口，传感器压盖、液位导杆分别装配于传感器主体的两端，接线口设置于传感器主体的侧壁，磁套嵌入于浮子的内壁，且浮子和磁套均可滑动的套接于液位导杆的外部，阻燃腔开设于液位导杆的内部，多个磁簧开关均匀装配于阻燃腔内部。

6.根据权利要求5中所述的一种液位传感器，其特征在于：所述液位导杆的下端设置有导杆固定结构，液位导杆通过导杆固定结构与传感器主体固定连接，且传感器主体与液位导杆之间装配有铜垫圈。

7.根据权利要求5中所述的一种液位传感器，其特征在于：所述液位导杆的中部设置有传感器固定结构。

8.根据权利要求5中所述的一种液位传感器，其特征在于：所述液位导杆的顶端固定安装有限位卡。

9.根据权利要求5中所述的一种液位传感器，其特征在于：所述传感器主体的侧壁通过铆钉装配有铭牌。

10.根据权利要求7中所述的一种液位传感器，其特征在于：所述传感器固定结构与外部装配面之间的间隙处设置有密封圈。

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