正压束管监测系统输气关键部件的研发_赵晓夏.pdf

第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.07.018 赵晓夏. 正压束管监测系统输气关键部件的研发 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （7） 92-95. ZHAO Xiaoxia. Research and Development of Key Components of Positive Pressure Beam Tube Monitoring System ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （7） 92-95. 设计 开发 正压束管监测系统输气关键部件的研发 赵晓夏 （中煤科工集团重庆研究院有限公司， 重庆 400037） 摘要 根据正压输气参数理论估算和试验验证， 得到正压输气时间的合理区间， 在选型正压泵 时可以优先考虑输气时间的优劣。以隔膜泵和活塞泵连接不同长度束管的试验分析， 得出隔膜 泵符合设计正压泵的性能要求，采用测绘和逆向设计等技术手段完成正压输气泵的研制开发， 对正压泵样品进行性能测试，结果表明自主开发的正压输气泵发现正压泵能解决所检气体失 真， 输气时间较长的问题。 关键词 采空区自然发火； 束管监测系统； 正压束管； 输气泵； 气体失真 中图分类号 TD752.1文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 07-0092-04 Research and Development of Key Components of Positive Pressure Beam Tube Monitoring System ZHAO Xiaoxia （China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute, Chongqing 400037, China） Abstract Through the theoretical estimation and experimental verification of the positive pressure gas transmission parameters, the reasonable interval of positive pressure gas transmission time is obtained. In selecting the positive pressure pump, priority should be given to the gas transmission time. Through the test and analysis of diaphragm pump and piston pump with different lengths of beam pipe, it is concluded that the diaphragm pump meets the perance requirements of the design positive pressure pump. The development of positive pressure gas pump by making maps, reverse design and other technical means are completed. The perance test of the positive pressure pump shows that the self-developed positive pressure gas pump can solve the problems of gas lack fidelity and long gas transmission time. Key words spontaneous combustion in goaf; beam tube monitoring system; positive pressure beam tube; gas delivering pump; gas distortion 煤矿火灾防治领域，束管监测系统常被用于煤 自燃预测预报中，其原理是输气泵将井下所检气体 经束管送至井下或地面某处，传感器或气相色谱仪 分析气体组分和浓度， 从而判断煤自燃状态[1-2]。目 前国内束管监测系统普遍采用负压输气方式，从理 论上存在难以克服的问题负压输气时间较长， 尤 其长距离束管输送；采用负压输气的束管系统负压 低， 最大推动力难超 100 kPa[3]； 容易吸入沿程环境 气体，造成所检气体失真；长距离输送可能导致束 管负压压扁，束管破损不易察觉。鉴于实践中负压 束管出现的问题， 陆伟等[4]首次提出并验证了正压 输气的可行性， 白光星等[5]实验验证了正压输气速 度快于负压输气，流量极限最小值大于负压输气方 式， 且随着束管长度增加， 正压输气优势越明显。为 此在前人研究基础上，研发正压束管输气泵，形成 正压束管监测系统，以解决负压束管监测系统存在 的问题。 1正压输气参数选择 1.1正压输气参数理论估算 正压输气的优势体现在输出压力、输气时间和 出口流量。正压输气时间和流量取决于正压输出压 基金项目重庆市基础与前沿研究计划杰出青年资助项目 （cstc2013jcyjjq90001） ； 国家自然科学基金资助项目 （50804022） 移动扫码阅读 92 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 力和束管内阻力，正压输出压力必须大于束管内阻 力损失才能保证气体输送至检测点，所以需要估算 束管内产生阻力大小。由流体力学可知，流动气体 在束管内流动受到沿程阻力和局部阻力 2 种。摩擦 阻力 Hf计算公式为 Hf λρlv 2 2d （1） 式中l 为束管总长度， m； d 为束管内径， m； v 为 束管中气体的平均流速， m/s； ρ 为空气密度， kg/m3； λ 为无因次系数，其值由雷诺数 Re 和管壁的相对粗 糙度而定。 雷诺数 Re 计算公式为 Re vd μ （2） 式中 v 为气体的平均流速， m/s； d 为束管内径， m； μ 为气体的运动黏性系数， m2/s， 矿井气体一般取 值 14.410-6。 局部阻力是气体经局部装置（如束管接头、 弯 曲、 断面变化） 发生急变流而产生， 一般处于紊流状 态。按照经验， 局部阻力可选取沿程阻力的 15来 估算。 正常情况矿井火灾束管监测系统的束管长度约 4 000～5 000 m， 束管内径通用 6 mm 或 8 mm， 由式 （1） 可知， 沿程阻力损失与束管的长度和流量成正 比， 与束管直径成反比， 所以选择束管直径 6 mm， 长度 5 000 m 计算不同输气时间阻力损失。因气相 色谱分析仪 1 次气样分析时间约 10～15 min，为保 证束管监测系统在线连续性输送和分析气体，束管 输气时间大于色谱分析时间为宜，所以正压输气时 间参数理论验算选择 20 min 及以上不同时间段， 经 计算 Re＜2 000， 属于层流状态， 采用公式 λ64/Re 计算 λ，得到的规定输气时间束管内气体阻力损失 见表 1。正压束管所需输气时间与管内气体阻力损 失关系图如图 1。 由表 1 可知， 对于内径为 6 mm， 长度为 5 000 m 的束管， 在要求时间内完成 1 次输气， 束管入口压 力至少应大于相应阻力损失值。 由图 1 可知， 随着 1 次输气所需时间增加， 束管内气体阻力损失减小， 输 气所需时间大于 50 min 时，随着输气时间继续增 加， 阻力损失减小速率变缓， 即随着 1 次输气时间逐 渐缩短至 50 min， 气体所受阻力的增加速率缓慢变 大， 直至 50 min 后阻力增速快速变大。考虑正压泵 的体积和克服阻力损失所需功率大小，输气时间宜 选择 30～50 min。 1.2正压输气模拟试验 在正压输气理论验算后，采用高压气瓶和空压 机多次模拟正压泵输气，了解束管长度和压力对输 气时间和流量的影响。 试验采用浓度 3.0的甲烷作 为示踪气体源， 瓶口接流量调节阀， 用空气压缩机清 洗束管内气体， 束管入口端接压力变送器测量压力， 末端接流量计，束管出口放置精度为 0.01的甲烷 测定仪， 分别测试束管进出口端的流量、 输气时间和 压力等参数。考虑到实践中束管输气有局部阻力， 将束管围绕成周长为 150 m 的圆形。入口压力 500 kPa 时束管长度对输气参数的影响见表 2， 长度 5 000 m 束管不同入口压力对输气参数的影响见表 3。 表 2入口压力 500 kPa 时束管长度对输气参数的影响 Table 2The influence of the length of beam tube on the gas transmission parameters at the entrance pressure of 500 kPa 束管长度/m时间/s稳定流量/ （L min-1） 1 000 3 000 5 000 120 660 1 356 25.1 12.8 10.0 表 1规定输气时间束管内气体阻力损失 Table 1Gas resistance loss in specified gas delivery time beam tube 输气时间 /min 平均流速 / （m s-1） 雷诺数 /103 沿程阻力 /kPa 阻力损失 /kPa 20 30 40 50 60 70 4.16 2.77 2.08 1.67 1.39 1.19 1.733 1.154 0.868 0.694 0.579 0.496 343.5 229.3 172.0 137.6 114.7 98.3 395.0 263.7 197.8 158.2 131.9 113.0 图 1正压束管所需输气时间与管内气体阻力损失关系图 Fig.1Relationship diagram between gas transportation time and gas resistance loss in positive pressure beam tube 93 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 由表 2 和表 3 可知，压力一定时，束管长度增 加，输气时间增加和出口流量减小较快；束管长度 一定时， 随着束管入口压力增至 500 kPa 后， 出口所 需时间减小和流量增大速率不大，与图 1 曲线规律 相似。说明束管长度比入口压力对输气时间和出口 流量的影响大。所以在考虑正压输气泵连接较长束 管的性能时，兼顾输气时间和出口流量情况下优先 考虑输气时间优劣。 2正压输气泵 2.1正压泵选型 正压输气泵主要用于正压输气，但抽气端要起 到抽气作用，在正压泵选型时也要兼顾微负压性 能。据文献[6-9]， 容积式泵分为往复泵和转子泵， 往复 泵包括活塞泵和隔膜泵；容积式泵出口流量稳定性 好，扬程高时转子泵效率降低较大，而往复泵降低 较小。从输气稳定性和效率考虑， 选择往复泵为宜。 对市场上往复泵调研后，选美国 GAST 活塞泵和德 国 KNF 隔膜泵选型试验，连接内径为 6 mm 的束 管，连接方式分 2 种①连接方式 1泵进气端接 200 m 束管,出气端接 5 000 m 束管； ②连接方式 2 泵进气端接 500 m 束管,出气端接 5 000 m 束管。在 2 种状态下分别试验，气瓶内装浓度为 3的甲烷， 通过用来模拟采空区环境的气囊吸入正压泵进气 端。测试活塞泵和隔膜泵的进出口压力、出气端流 量和出口甲烷浓度，活塞泵和隔膜泵不同连接方式 下性能参数见表 4。 如表 4， 2 种连接方式下， KNF 隔膜泵进出口压 力、 出口流量和稳定所需时间均优于 GAST 活塞泵， 特别是 KNF 隔膜泵系统进出口甲烷浓度基本未失 真， 其气密性明显优于 GAST 活塞泵； 从结构设计考 虑， KNF 隔膜泵结构小巧， 更符合移动使用的要求。 所以选 KNF 隔膜泵为正压输气的原型泵。 2.2隔膜泵的优点 隔膜泵是容积泵中特殊的一种形式，主要由曲 柄连杆机构、 柱塞、 液缸、 隔膜、 泵体、 吸入阀和排出 阀等组成， 按其所配执行机构使用的动力， 可分为气 动、 电动、 液动 3 种[10]。电动隔膜泵是利用电驱动柱 塞两端的隔膜前后往复运动，在隔膜泵 2 个对称工 作腔内隔膜鼓动改变工作腔内容积，使得单向球阀 交替开关， 使介质循环往复地吸入和排出。 隔膜泵的隔膜片具有良好的柔韧性和耐腐蚀 性， 密封性能较好， 克服了活塞泵的活塞密封元件易 磨损的缺点， 较容易达到无泄漏运行[11]。 隔膜泵具有 活塞泵压高、 坚固耐用、 结构简单的优点， 成为输送 气体介质的新一代往复泵。 2.3正压泵设计 以 KNF 隔膜泵为原型， 通过以下技术路线仿制 开发自主产品泵测绘原泵基本尺寸→绘制泵 3D 尺寸→绘制泵带公差的 2D 尺寸→配防爆电机→修 改尺寸→加工。 通过解剖原型泵分析其工作原理及技术重点， 发现气室容积、气室长径比和曲柄两端轴承安装座 同轴度是分别影响采气量、压力和机械噪声的关键 因素， 所以， 对原型泵的壳体、 曲柄、 连杆和气室进 行三坐标测量仪扫描， 获取准确的原始数据。泵座， 曲柄轴， 连杆， 气室设计是正压泵的关键工艺点， 尤 其气室设计的精度直接影响泵的整体性能，它的主 要功能是合理分隔为抽气室， 排气室和压变室， 同时 配合阀片实现各气室的单向功能， 所以气室间、 单向 阀与气室需要有较好的气密性。 设计时， 采用 CATIA 软件逆向设计， 同一零件 多次扫描获得数据，经过缝合成相应数据再进行后 续处理，关键位置尺寸逆向成功后与实物进行对比 修正， 零部件设计完成后装配模拟、 验证和调整。 3 正压输气泵性能试验 在 2 种状态下测试研制的正压输气泵流量、 压 表 4活塞泵和隔膜泵不同连接方式下性能参数 Table 4Perance parameters of piston pump and diaphragm pump under different connection modes 连接 方式 泵型号 输气 时间 /s 泵进口 压力 /kPa 泵出口 压力 /kPa 束管出 口流量 / （L min-1） 泵进口 甲烷 浓度 / 束管 出口 甲烷 浓度/ 方式 2 GAST 活塞泵 KNF 隔膜泵 2 530 2 259 59.7 38.3 255.5 283.2 3.1 3.4 3.0 3.0 2.63 2.96 方式 1 GAST 活塞泵 KNF 隔膜泵 2 048 1 830 74 49.5 295.5 369.2 4.0 4.84 3.0 3.0 2.85 2.98 表 3长度 5 000 m 束管不同入口压力对输气参数的影响 Table 1The influence of different inlet pressure on gas transmission parameters of 5 000 m beam tube 压力/kPa时间/s稳定流量/ （L min-1） 200 500 700 2 510 1 356 1 255 3.1 10.0 11.9 94 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 力、 稳定性和输送气体失真情况 ①状态 1 正压输 气泵进气端未接束管， 正压端连接 5 000 m 束管； ② 状态 2 正压输气泵进气端接 500 m， 正压端连接 5 000 m 束管。状态 1 时正压输气泵性能测试结果 见表 5， 状态 2 时正压输气泵性能测试结果见表 6。 由表 5 可知， 正压泵运行 33 min 稳定后， 出口 端压力为 405 kPa，流量稳定在 8.0 L/min；表 6 可 知， 正压泵运行 40 min 稳定后， 出口端压力为 255 kPa， 流量稳定在 3.1 L/min。综合表 5 和表 6 数据分 析，无论正压泵进气端有无束管，出口端与进气端 甲烷浓度值保持一致，输气时间远低于市场上负压 束管系统所需时间。 4结语 1） 经过理论估算和试验验证得到正压输气小于 负压输气所需时间，正压输气时间宜控制在宜选择 30～50 min， 分析和试验不同输气泵， 得出隔膜泵的 正压输气性能具有优势，成功仿制开发出自主火灾 束管监测正压输气泵。 2） 对研制开发的正压输气泵样品连接不同长度 束管性能试验，发现正压泵出口端与进气端甲烷浓 度值基本一致， 在一般使用条件下输气 40 min 内性 能稳定，从根本上解决了目前负压火灾束管输气泵 易造成所检气体失真， 输气时间较长的问题。 参考文献 ［1］ 王正辉， 刘胜， 刘佩.井下型自然发火预测预报监测系 统的开发 ［J］ .矿业安全与环保， 2006， 33 （2） 12-14. ［2］ 阮国强， 王理， 王华民， 等.束管监测系统在矿井防灭 火中的应用 ［J］ .煤矿安全， 2000， 31 （8） 25-26. ［3］ 王栋， 陆伟， 李金亮， 等.预报矿井煤自燃火灾的正压 束管监测系统关键技术研究 ［J］ .矿业安全与环保, 2019， 46 （6） 57-60. ［4］ 陆伟， 李金亮， 王开胜， 等.煤自燃预测预报的正压束 管监测方法研究 ［J］ .煤炭科学技术， 2015， 43 （10） 77-80. ［5］ 白光星， 聂百胜， 尹京梅， 等.矿用束管正压与负压输 气研究 ［J］ .煤矿安全， 2016， 47 （8） 61-64. ［6］ Joseph L Foszcz， 王麒.泵的基本知识-泵的类型、 性 能、 常见故障及排除 ［J］ .设备管理与维修， 1999 （11） 39-42. ［7］ 李强， 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