一种精准定量控制瓦斯抽采浓度的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种精准定量控制瓦斯抽采浓度的装置及方法，基于瓦斯抽采钻孔漏气量、瓦斯纯流量和抽采瓦斯浓度的相关性，通过得出的瓦斯纯流量指数衰变规律以及设定的目标瓦斯浓度，确定抽采的瓦斯混合气体流量变化函数；因抽采负压决定着抽采的瓦斯混合气体流量，抽采负压是由气动马达带动防爆风叶高速旋转所形成，利用控制器对计量泵精准控制，进而控制计量单位时间注入气动马达的空气量，能精准调控气动马达的转速,最终实现对抽采负压的精准控制；本发明专利技术消除了瓦斯浓度在抽采过程中的持续大幅度波动，使抽采过程中瓦斯浓度保持在目标瓦斯浓度C附近被引流出来，从而保证抽采瓦斯浓度定量、可控、稳定的输出，最终实现瓦斯的安全、高效利用。

A device and method for accurately and quantitatively controlling the concentration of gas drainage

【技术实现步骤摘要】
一种精准定量控制瓦斯抽采浓度的装置及方法
本专利技术涉及一种瓦斯抽采的装置及方法，具体是一种精准定量控制瓦斯抽采浓度的装置及方法。
技术介绍
由于中国煤层渗透性普遍较低，中国煤矿瓦斯抽采主要以井下瓦斯抽采为主。密集钻孔的负压引流式抽采作为井下抽采煤层气的主要方式，负压抽采的作用主要是克服管网瓦斯流动的沿程阻力和局部阻力，将气体以一定的速度引流到地面，现有的研究表明煤层瓦斯抽采中负压的引流作用对瓦斯抽采纯量影响不大。由于负压抽采必然会伴生管网、煤层外界漏气问题，造成瓦斯抽采浓度逐渐减小。目前90％以上的煤矿煤层瓦斯抽采浓度均为短时间内处于10％～30％之间，然后就会降低，使瓦斯管网抽采浓度长期低于10％，当管网瓦斯浓度处于5～16％(爆炸极限范围)时极易诱发瓦斯燃爆风险；据统计，每年瓦斯抽采直接排放到大气的瓦斯抽采量达到当年瓦斯抽采量的50％以上，这不仅造成了资源的严重浪费，还加重了温室效益，造成了环境破坏。就目前而言，我国煤矿瓦斯利用率仅为30～35％左右，分析原因主要是瓦斯抽采浓度低、衰减快、波动大，煤矿瓦斯抽采的低品位浓度问题严重限制了瓦斯的高效利用。因此，瓦斯气体浓度的高低和抽采浓度是否持续稳定的输出决定了瓦斯气体能否有效的利用。故需要一种能消除瓦斯抽采钻孔漏气量和瓦斯纯流量共同造成的瓦斯抽采浓度持续的波动问题，从而保证抽采的瓦斯以稳定的浓度输出，实现瓦斯的安全、高效利用的方法，是本行业的研究方向。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的问题，本专利技术提供一种精准定量控制瓦斯抽采浓度的装置及方法，能消除瓦斯抽采钻孔漏气量和瓦斯纯流量共同造成的瓦斯抽采浓度持续的波动问题，从而保证抽采的瓦斯以稳定的浓度输出，实现瓦斯的安全、高效利用。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种精准定量控制瓦斯抽采浓度的装置，包括抽采钢管、固定支架、气动马达、转轴、进气管、出气管、计量泵、瓦斯综合测量仪、控制器、变压器和电能供应分站，所述固定支架固定在抽采钢管内，气动马达固定在固定支架上、且气动马达的输出端处于抽采钢管的轴线上，气动马达的输出端与转轴一端同轴连接，固定支架上设有转动轴承，转轴另一端穿过转动轴承、且转轴外表面与转动轴承转动连接，转轴另一端装有防爆叶轮，抽采钢管的管壁开设密封口Ⅰ、密封口Ⅱ和密封口Ⅲ，进气管一端穿过密封口Ⅰ与气动马达的进气口连通、且进气管外表面与密封口Ⅰ密封连接，进气管另一端与计量泵的出气口连通；出气管一端穿过密封口Ⅱ与气动马达的出气口连通、且出气管外表面与密封口Ⅱ密封连接，出气管另一端与计量泵的进气口连通；瓦斯综合测量仪装在抽采钢管内，瓦斯综合测量仪通过传输线穿过密封口Ⅲ与控制器连接，传输线与密封口Ⅲ为密封连接，用于监测流过抽采钢管的瓦斯混合气体量及瓦斯浓度；控制器与计量泵连接，用于接收瓦斯综合测量仪反馈的数据，同时对计量泵的注气量进行控制；电能供应分站通过变压器为计量泵、瓦斯综合测量仪和控制器供电。进一步，还包括至少一个过滤装置，过滤装置装在进气管或出气管上，过滤装置内设有硅胶干燥剂。通过增设过滤装置能对出气管排出的气流中携带的灰尘进行过滤，防止在巷道中引起大量的灰尘；另外硅胶干燥剂能对气流中的水分进行吸附，保证气流的干燥性，防止水分对气动马达造成影响。进一步，所述控制器为PLC控制器。PLC控制器内装有MATLAB软件和数据存储库；数据储存库能存储及更新实时监测的数据；MATLAB软件能将监测的数据拟合成曲线，得到具体的关系式。一种精准定量控制瓦斯抽采浓度装置的工作方法，具体步骤为：①将本装置中的抽采钢管串联到煤矿瓦斯抽采系统的管路中；②电能供应分站开始对计量泵、瓦斯综合测量仪、控制器供电；③控制器先控制计量泵工作，使其单位时间内注入气动马达的空气量处于气动马达转速最大值对应的空气量，此时气动马达以最大转速带动防爆叶轮转动，然后使计量泵从该空气量以恒定速度递减直至使气动马达停止转动，在该段时间内等值差分的选取100个工况点所对应的空气量即A＝[q1,q2,q3····q100]，同时瓦斯综合测量仪分别对处于这100个工况点时瓦斯抽采混合量Q进行监测，得到对应的100个工况点下瓦斯抽采混合量B＝[Q1,Q2,Q3····Q100]，控制器利用内部的MATLAB软件将这100组数据进行线性拟合，获得单位时间内注入气动马达的空气量和抽采的瓦斯混合气体量的拟合关系式F＝f(q,Q)，并将拟合关系式存储到控制器内；④将设定的目标瓦斯浓度C输入至控制器中；⑤由于已知抽采负压对瓦斯纯流量的影响能忽略不计，因此瓦斯纯流量仅随着抽采时间不断衰减；设为抽采时间为t时抽采的瓦斯纯流量；为钻孔初始抽采时的瓦斯纯流量；β为钻孔的瓦斯涌出衰减系数，即得出如下式；其中抽采钻孔瓦斯涌出衰减系数β和初始抽采量由瓦斯抽采现场测量及计算得到，将得到的瓦斯衰减系数β和初始抽采量输入至控制器中；⑥当上述步骤完成后，开始进行瓦斯抽采工作前，依据设定的目标瓦斯浓度C和瓦斯纯流量的衰减公式即能得出随抽采时间理想的瓦斯混合气体抽采量的变化函数Q(t)。Q(t)依据步骤③得到的单位时间内注入气动马达的空气量和抽采的瓦斯混合气体量的拟合关系式F＝f(q,Q)，即能得到随抽采时间对应的气动马达单位时间所需注气量的变化函数q(t)；控制器根据函数q(t)调控计量泵的运行工况，实时满足气动马达所需的注气量供给要求；⑦开始进行瓦斯抽采，在抽采的过程中，每间隔1min瓦斯综合测量仪对抽采钢管内的实际瓦斯纯流量以及当前的瓦斯抽采浓度Cj进行采集并反馈给控制器，控制器及时更新监测的实际瓦斯纯流量每次更新过后通过MATLAB软件并根据该时间点得出的实际瓦斯纯流量结合初始瓦斯纯流量重新将瓦斯纯流量衰减变化拟合成新的曲线，从而得到新的抽采钻孔瓦斯涌出衰减系数β；当监测的瓦斯浓度Cj在设定的目标瓦斯浓度(C-2％,C+2％)范围以内，确定为运行正常，此时维持当前的函数运行；当监测的瓦斯浓度Cj不在设定的目标瓦斯浓度(C-2％,C+2％)范围以内，确定为运行不正常，控制器将步骤⑦得出的新的抽采钻孔瓦斯涌出衰减系数β，对之前的β值进行更新，然后重复⑤到⑦的抽采步骤，使抽采的瓦斯浓度Cj在设定的目标瓦斯浓度(C-2％,C+2％)范围以内，如此循环直至完成该钻孔的瓦斯抽采过程。与现有技术相比，本专利技术采用气动马达、计量泵、瓦斯综合测量仪、控制器和电能供应分站相结合的方式，基于瓦斯抽采钻孔漏气量、瓦斯纯流量和抽采瓦斯浓度的相关性，通过得出的瓦斯纯流量指数衰变规律以及设定的目标瓦斯浓度，确定抽采的瓦斯混合气体流量变化函数；而抽采负压决定着抽采的瓦斯混合气体流量，抽采负压是由气动马达带动防爆风叶高速旋转所形成，利用控制器对计量泵精准控制，进而控制计量单位时间注入气动马达的空气量，能精准调控气动马达的转速,最终实现对抽采负压的精准控制；依据抽采的瓦斯混合气体流量精准控制单位时间所需注入气动马达的空气量，还能在瓦斯综合测量仪监测到当前抽采本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种精准定量控制瓦斯抽采浓度的装置，其特征在于，包括抽采钢管(1)、固定支架(2)、气动马达(6)、转轴(3)、进气管(7)、出气管(8)、计量泵(11)、瓦斯综合测量仪(13)、控制器(16)、变压器(17)和电能供应分站(18)，/n所述固定支架(2)固定在抽采钢管(1)内，气动马达(6)固定在固定支架(2)上、且气动马达(6)的输出端处于抽采钢管(1)的轴线上，气动马达(6)的输出端与转轴(3)一端同轴连接，固定支架(2)上设有转动轴承(4)，转轴(3)另一端穿过转动轴承(4)、且转轴(3)外表面与转动轴承(4)转动连接，转轴(3)另一端装有防爆叶轮(5)，抽采钢管(1)的管壁开设密封口Ⅰ(9)、密封口Ⅱ(10)和密封口Ⅲ(15)，进气管(7)一端穿过密封口Ⅰ(9)与气动马达(6)的进气口连通、且进气管(7)外表面与密封口Ⅰ(9)密封连接，进气管(7)另一端与计量泵(11)的出气口连通；出气管(8)一端穿过密封口Ⅱ(10)与气动马达(6)的出气口连通、且出气管(8)外表面与密封口Ⅱ(10)密封连接，出气管(8)另一端与计量泵(11)的进气口连通；/n瓦斯综合测量仪(13)装在抽采钢管(1)内，瓦斯综合测量仪(13)通过传输线(14)穿过密封口Ⅲ(15)与控制器(16)连接，传输线(14)与密封口Ⅲ(15)为密封连接，用于监测流过抽采钢管(1)的瓦斯混合气体量及瓦斯浓度；/n控制器(16)与计量泵(11)连接，用于接收瓦斯综合测量仪(13)反馈的数据，同时对计量泵(11)的注气量进行控制；/n电能供应分站(18)通过变压器(17)为计量泵(11)、瓦斯综合测量仪(13)和控制器(16)供电。/n...

【技术特征摘要】
1.一种精准定量控制瓦斯抽采浓度的装置，其特征在于，包括抽采钢管(1)、固定支架(2)、气动马达(6)、转轴(3)、进气管(7)、出气管(8)、计量泵(11)、瓦斯综合测量仪(13)、控制器(16)、变压器(17)和电能供应分站(18)，
所述固定支架(2)固定在抽采钢管(1)内，气动马达(6)固定在固定支架(2)上、且气动马达(6)的输出端处于抽采钢管(1)的轴线上，气动马达(6)的输出端与转轴(3)一端同轴连接，固定支架(2)上设有转动轴承(4)，转轴(3)另一端穿过转动轴承(4)、且转轴(3)外表面与转动轴承(4)转动连接，转轴(3)另一端装有防爆叶轮(5)，抽采钢管(1)的管壁开设密封口Ⅰ(9)、密封口Ⅱ(10)和密封口Ⅲ(15)，进气管(7)一端穿过密封口Ⅰ(9)与气动马达(6)的进气口连通、且进气管(7)外表面与密封口Ⅰ(9)密封连接，进气管(7)另一端与计量泵(11)的出气口连通；出气管(8)一端穿过密封口Ⅱ(10)与气动马达(6)的出气口连通、且出气管(8)外表面与密封口Ⅱ(10)密封连接，出气管(8)另一端与计量泵(11)的进气口连通；
瓦斯综合测量仪(13)装在抽采钢管(1)内，瓦斯综合测量仪(13)通过传输线(14)穿过密封口Ⅲ(15)与控制器(16)连接，传输线(14)与密封口Ⅲ(15)为密封连接，用于监测流过抽采钢管(1)的瓦斯混合气体量及瓦斯浓度；
控制器(16)与计量泵(11)连接，用于接收瓦斯综合测量仪(13)反馈的数据，同时对计量泵(11)的注气量进行控制；
电能供应分站(18)通过变压器(17)为计量泵(11)、瓦斯综合测量仪(13)和控制器(16)供电。


2.根据权利要求1所述的一种精准定量控制瓦斯抽采浓度的装置，其特征在于，还包括至少一个过滤装置(12)，过滤装置(12)装在进气管(7)或出气管(8)上，过滤装置(12)内设有硅胶干燥剂。


3.根据权利要求1所述的一种精准定量控制瓦斯抽采浓度的装置，其特征在于，所述控制器(16)为PLC控制器。


4.一种根据权利要求1所述精准定量控制瓦斯抽采浓度装置的工作方法，其特征在于，具体步骤为：
①将本装置中的抽采钢管(1)串联到煤矿瓦斯抽采系统的管路中；
②电能供应分站(18)开始对计量泵(11)、瓦斯综合测量仪(13)、控制器(16)供电；
③控制器(16)先控制计量泵(11)工作，使其单位时间内注入气动马达的空气量处于气动马达转速(6)最大值对应的空气量，此时气动马达(6)以最大转速带动防爆叶轮...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏同强，任红运，何蛟飞，高可，周福宝，陈文，汪睿，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32