一种抽采管路的瓦斯浓度监控系统及方法与流程

1.本发明属于煤矿瓦斯抽采技术领域，特别涉及一种抽采管路的瓦斯浓度监控系统及方法。


背景技术：

2.瓦斯抽采是保障煤矿生产安全和提高煤气共采效率的重要性手段之一；一方面需要根据我国矿井瓦斯抽采与利用规程要求，保证矿井抽采瓦斯浓度达到规定的安全标准，另一方面，需要提高矿井瓦斯抽采的效率，实现达标瓦斯浓度的“应抽尽抽”目标。
3.煤层瓦斯的赋存状态一般分为游离状态和吸附状态两种；其中，煤层间的游离瓦斯浓度随瓦斯抽采工作的推进逐渐降低；而吸附状态的瓦斯经过解析会转换为游离瓦斯；但目前由于解析时间不充分，煤体中吸附状态瓦斯的浓度逐渐降低；由于目前煤矿瓦斯综合抽采和智能监测方式较为单一，一般都只关注到各个管道的瓦斯量是否达到安全要求，进而简单的对每个管道的抽采进行单独浓度控制，根据每个单个管道的瓦斯浓度而进行任意实时调节，因此造成了如今瓦斯抽采效率低、管道内瓦斯浓度衰减快、管道内瓦斯浓度波动大、抽放系统耗能高。
4.因此，在现行煤炭资源绿色安全高效开采要求下，如何高效将煤层瓦斯中游离状态和吸附状态的瓦斯均充分利用，同时保证瓦斯抽采管道内瓦斯浓度达到安全标准是解决瓦斯抽采效率低、利用不充分的关键。
5.如果调节煤层中游离状态和吸附状态的瓦斯的状态转换，煤矿瓦斯抽采的低品位浓度等问题，严重限制了瓦斯的高效利用，导致煤层瓦斯抽采利用率低且抽放系统耗能高，因此，瓦斯浓度高低和抽采输出浓度的稳定决定了瓦斯气体能否有效的利用。


技术实现要素：

6.为解决以上问题，本发明提出了一种抽采管路的瓦斯浓度监控系统及方法，保证抽采瓦斯浓度稳定性，为煤层瓦斯中游离状态和吸附状态的瓦斯充分的转换时间，旨在实现煤层瓦斯的安全、高效利用。
7.为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：一种抽采管路的瓦斯浓度监控系统,其中，所述抽采管路包括总管路和多个连接在总管路上的抽采分支管路，进一步的，所述瓦斯浓度监控系统，包括变频瓦斯抽采泵、智能瓦斯控制阀和中央处理器；其中，所述变频瓦斯抽采泵用于抽采总管路内的瓦斯；所述智能瓦斯控制阀设置多个，分别安装在抽采分支管路上；所述智能瓦斯控制阀，包括阀体本体和控制机构；其中，所述阀体本体包括瓦斯浓度传感器；所述瓦斯浓度传感器连接所述控制机构；所述控制机构控制所述阀体本体的开闭；所述控制机构与所述中央处理器通讯连接；所述变频瓦斯抽采泵的驱动电机与所述中央处理器通讯连接。
8.进一步的，所述智能瓦斯控制阀的阀体本体，还包括外壳、蝶板、蝶板驱动单元；其中，所述外壳内部设有腔体；所述外壳包括进气端的前端阀口和出气端的后端阀口；所述前
端阀口和所述后端阀口分别连接入抽采分支管路；所述前端阀口设置有瓦斯浓度传感器；所述蝶板设置在所述外壳的内腔中；通过蝶板驱动单元可开闭运动，所述蝶板用于流通和阻断所述前端阀口至后端阀口之间的气流，实现阀体本体的开闭。
9.进一步的，所述智能瓦斯控制阀的控制机构，包括防爆安全箱、控制器、通讯模块、信号转换模块和传输模块；其中，控制器、通讯模块、信号转换模块和传输模块均设置于所述防爆安全箱内；所述传输模块一端连接所述瓦斯浓度传感器，另一端连接信号转换模块；信号转换模块将瓦斯浓度信号转换为电信号；信号转换模块与通讯模块连接；所述通讯模块与所述中央处理器通讯连接；所述通讯模块将中央处理器的输出信号传输给控制器；所述控制器与所述阀体本体连接，控制所述阀体本体的运动状态。
10.进一步的，蝶板驱动单元，包括，转动轴、减速箱和电机，其中，所述转动轴一端与所述蝶板侧壁连接，另一端与所述减速箱的输出轴连接；所述减速箱的输入轴与所述电机连接；所述蝶板运动单元带动所述蝶板在阀体内旋转运动；所述电机与所述控制机构连接。
11.进一步的，所述蝶板的外侧壁和所述外壳的内侧壁均均匀喷涂有陶瓷耐磨层。
12.进一步的，所述控制器为plc控制器；所述通讯模块为无线通讯模块；所述传输模块，包括信号传输线。
13.进一步的，所述瓦斯浓度传感器，包括瓦斯浓度检测探头，所述瓦斯浓度检测探头的一端通过所述外壳上开设的一密封口后，与所述控制机构连接；所述瓦斯浓度检测探头的外表面与所述密封口密封连接。
14.进一步的，所述中央处理器，包括计算机，其安装在井下控制中心室内。
15.一种抽采管路的瓦斯浓度监控方法，进一步的，具体步骤为：步骤1、将抽采管路的瓦斯浓度监控系统中的多个智能瓦斯控制阀分别安装在抽采分支管路上；所述变频瓦斯抽采泵安装在地面工业广场上；步骤2、启动所述智能瓦斯控制阀和变频瓦斯抽采泵；其中，将智能瓦斯控制阀内的蝶板处于关闭状态，瓦斯浓度传感器开始采集所在抽采分支管路的瓦斯浓度，记为c
i ，其中，i = 1,2,3
…
n，n为智能瓦斯控制阀的数量；步骤3、通过传输模块将瓦斯浓度信号传输至信号转换模块，信号转换模块将采集到的瓦斯浓度数据转换为电信号；通讯模块将所述电信号传输给中央处理器；步骤4、中央处理器进行逻辑运算，并通过通讯模块将控制信号传输给控制器，控制器控制电机的运动，具体包括：步骤4
‑
1、根据安全标准要求设定目标瓦斯浓度c0；步骤4
‑
2、计算全部智能瓦斯控制阀采集的瓦斯浓度c
i
的平均值，记为c
平均
，计算公式为：c
平均
=；步骤4
‑
3、通过比较c
平均
与c0生成控制信号，确定开启智能瓦斯控制阀内蝶板的数量；记蝶板处于关闭状态的智能瓦斯控制阀采集的瓦斯浓度数据为c
i闭
；记蝶板处于打开状态的智能瓦斯控制阀采集的瓦斯浓度数据为c
i开
；若c
平均
＜c0，保持不开启智能瓦斯控制阀内的蝶板，保持当前智能瓦斯控制阀的运
行状态；若c
平均
＞1.2c0，则根据瓦斯浓度c
i闭
的数值由大到小的顺序，依次开启智能瓦斯控制阀内的蝶板直至当c
平均
≤c
0 时，停止开启智能瓦斯控制阀内蝶板的动作；保持瓦斯浓度传感器持续工作；步骤4
‑
4、抽采过程中，在线实时控制智能瓦斯控制阀内蝶板开闭情况；若c
平均
＜c0，则根据瓦斯浓度c
i开
的数值由小到大的顺序，依次关闭智能瓦斯控制阀内蝶板直至c
平均
＞c0时，停止关闭智能瓦斯控制阀内蝶板的动作；若c
平均
＞1.2c0，则根据瓦斯浓度c
i闭
的数值由大到小的顺序，依次开启智能瓦斯控制阀内蝶板直至c
平均
≤c
0 时，停止开启智能瓦斯控制阀内蝶板的动作；步骤5、中央处理器调节变频瓦斯抽采泵的功率，计算公式为：w
现 =w
总
×
d
开
/d
总
，其中，w
现
为是变频瓦斯抽采泵的实时功率；w
总
为变频瓦斯抽采泵的额定功率的总和； d
开
为蝶板处于打开状态的智能瓦斯控制阀的数量，d
总
为智能瓦斯控制阀的数量的总和。
16.进一步的，步骤6中，中央处理器每间隔6小时进行一次变频瓦斯抽采泵的功率的调节。
17.本发明的有益效果如下：第一、通过以上方案的实施，管路瓦斯浓度抽采的监控系统中的智能瓦斯控制阀将采集到的瓦斯浓度数据经过处理后传输至中央处理器，通过使用全部智能瓦斯控制阀采集的瓦斯浓度的平均值，评估总管路中的瓦斯浓度量，实现单独采集整体控制；当中央处理器判断总管路中的瓦斯浓度低于目标瓦斯浓度时，中央处理器发送关闭瓦斯浓度最低的抽采分支管路的智能瓦斯控制阀的蝶板的信号，避免危险发生；当瓦斯浓度高于目标瓦斯浓度的1.2倍时，可以及时自动开启瓦斯浓度最高的抽采分支管路的智能瓦斯控制阀的蝶板；整个过程中，给每个抽采管路中的吸附瓦斯充分的解析时间，使管路中的吸附瓦斯解析为游离瓦斯，提高了管路瓦斯的利用率；在开启或关闭抽采分支管路后，中央处理器根据分支管路中智能瓦斯控制阀的开闭情况调整可变频瓦斯抽采泵的功率，可最大程度节约矿用电力成本。
18.第二、同时设置开启浓度为最低浓度的1.2倍，一方面保证瓦斯抽放的安全，另一方面使智能瓦斯控制阀的开启和关闭状态之间，存在缓冲阶段；通讯模块接收到信号后将信号传输至控制器，控制电机的关闭、开启，通过电机带动蝶板转动，实现对智能瓦斯控制阀的自动开启和关闭。
19.第三、将瓦斯浓度传感器放置在智能瓦斯控制阀的进气端，保证无论蝶板是否打开均可以采集瓦斯抽采分支管路的瓦斯浓度，保证控制系统数据采集的全面性及瓦斯浓度平均值的准确性。
20.第四、蝶板的开闭使用减速箱和电机控制，一方面实现的控制的自动化和机械化，同时使蝶板开闭的运动过程稳定。
附图说明
21.图1为智能瓦斯控制阀的正视图的示意图；
图2为智能瓦斯控制阀的侧视图的示意图；图3为抽采管路的瓦斯浓度监控系统的结构示意图；图4位抽采管路的瓦斯浓度监控方法的流程示意图；符号说明：1.外壳、1
‑
1.前端阀口、1
‑
2.后端阀口、2.瓦斯浓度传感器、3.控制机构、4
‑
1.减速箱、4
‑
2.转动轴、5.密封口、6.蝶板。
具体实施方式
22.下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式限制。
[0023] 如图1
‑
3所示，一种抽采管路的瓦斯浓度监控系统，其中，抽采管路包括总管路和多个连接在总管路上的抽采分支管路；瓦斯浓度监控系统，包括变频瓦斯抽采泵、智能瓦斯控制阀和中央处理器；其中，变频瓦斯抽采泵用于抽采总管路内的瓦斯；智能瓦斯控制阀设置多个，分别安装在抽采分支管路上；智能瓦斯控制阀与变频瓦斯抽采泵分别与中央处理器连接，优选的，变频瓦斯抽采泵为2bef－72 型水环真空泵。
[0024]
智能瓦斯控制阀，包括阀体本体和控制机构3，智能瓦斯控制阀的阀体本体，包括外壳1、蝶板6、蝶板驱动单元和瓦斯浓度传感器2；其中，外壳1内部设有腔体；外壳包括进气端的前端阀口1
‑
1和出气端的后端阀口1
‑
2；前端阀口1
‑
1和后端阀口1
‑
2分别通过连接法兰相连接入抽采分支管路；前端阀口1
‑
1设置有瓦斯浓度传感器，优选的，瓦斯浓度传感器包括瓦斯浓度检测探头；蝶板6设置在外壳1的内腔中；通过蝶板驱动单元可开闭运动，蝶板6用于流通和阻断前端阀口1
‑
1至后端阀口1
‑
2之间的气流，实现阀体本体的开闭；蝶板驱动单元，包括转动轴4
‑
2、减速箱4
‑
1和电机，驱动蝶板6在阀体的外壳内做旋转运动；其中，转动轴4
‑
2一端与蝶板6侧壁连接，优选的，为蝶板6上侧壁；转动轴4
‑
2的另一端与减速箱4
‑
1的输出轴连接；减速箱4
‑
1的输入轴与电机连接，电机与控制机构连接，优选的，电机设置在控制机构内，其型号为130byg350b
‑
x型的步进电机。
[0025]
为保证蝶板6与外壳1的内壁能保持良好密封状态，蝶板的外侧壁和外壳1的内壁均匀喷涂有陶瓷耐磨层。
[0026]
控制机构，包括防爆安全箱、控制器、通讯模块、信号转换模块和传输模块；其中，控制器、通讯模块、信号转换模块和传输模块均设置于防爆安全箱内，优选的，电机也设置于防爆安全箱内；控制器为plc控制器，优选的为arduino微控制器；信号转换模块通过传输模块与瓦斯浓度检测探头和通讯模块连接，信号转换模块将瓦斯浓度信号转换为电信号；传输模块，包括信号传输线；通讯模块为plc专用无线通讯模块，优选的，为wl
‑
wn688a2型的无线信号接收器；瓦斯浓度检测探头的一端通过外壳1上开设的一密封口5后，与所述信号传输线的一端连接；瓦斯浓度检测探头的外表面与密封口5密封连接；信号传输线另一端连接信号转换模块；通讯模块与控制器连接，控制器与电机连接，控制电机的运动状态。
[0027]
中央处理器，包括计算机，其安装在井下控制中心室内；中央处理器与通讯模块连接，根据采集和处理后的瓦斯浓度数据，进行逻辑运算后生成控制信号，并通过通讯模块将控制信号传输给控制器，进而完成控制电机的运动状态。
[0028]
如图4所示，一种抽采管路的瓦斯浓度监控方法，具体步骤为：
步骤1、将抽采管路的瓦斯浓度监控系统中的多个智能瓦斯控制阀分别安装在抽采分支管路上；变频瓦斯抽采泵安装在地面工业广场上。
[0029]
步骤2、启动所述智能瓦斯控制阀和变频瓦斯抽采泵；其中，将智能瓦斯控制阀内的蝶板处于关闭状态，瓦斯浓度传感器开始采集所在抽采分支管路的瓦斯浓度，记为c
i ，其中，i = 1,2,3
…
n，n为智能瓦斯控制阀的数量。
[0030]
步骤3、通过传输模块将瓦斯浓度信号传输至信号转换模块，信号转换模块将采集到的瓦斯浓度数据转换为电信号；通讯模块将电信号传输给中央处理器。
[0031]
步骤4、中央处理器进行逻辑运算，并通过通讯模块将控制信号传输给控制器，控制器控制电机的运动，具体包括：步骤4
‑
1、根据安全标准要求设定目标瓦斯浓度c0，优选的，c0=30%；步骤4
‑
2、计算全部智能瓦斯控制阀采集的瓦斯浓度c
i
的平均值，记为c
平均
，计算公式为：c
平均
= ；通过比较c
平均
与c0生成控制信号，确定开启智能瓦斯控制阀内蝶板的数量；记蝶板处于关闭状态的智能瓦斯控制阀采集的瓦斯浓度数据为c
i闭
；记蝶板处于打开状态的智能瓦斯控制阀采集的瓦斯浓度数据为c
i开
；若c
平均
＜c0，保持不开启智能瓦斯控制阀内的蝶板，保持当前智能瓦斯控制阀的运行状态；若c
平均
＞1.2c0，则根据瓦斯浓度c
i闭
的数值由大到小的顺序，依次开启智能瓦斯控制阀内的蝶板直至c
平均
≤c
0 时，停止开启智能瓦斯控制阀内蝶板的动作；保持瓦斯浓度传感器持续工作；步骤4
‑
4、抽采过程中，在线实时控制智能瓦斯控制阀内蝶板开闭情况；若c
平均
＜c0，则根据瓦斯浓度c
i开
的数值由小到大的顺序，依次关闭智能瓦斯控制阀内蝶板直至c
平均
＞c0时，停止关闭智能瓦斯控制阀内蝶板的动作；若c
平均
＞1.2c0，则根据瓦斯浓度c
i闭
的数值由大到小的顺序，依次开启智能瓦斯控制阀内蝶板直至c
平均
≤c
0 时，停止开启智能瓦斯控制阀内蝶板的动作；步骤5、中央处理器调节变频瓦斯抽采泵的功率，优选的，每间隔6小时进行一次变频瓦斯抽采泵的功率的调节；计算公式为w
现 =w
总
×
d
开
/d
总
，其中，w
现
为是变频瓦斯抽采泵的实时功率；w
总
为变频瓦斯抽采泵的额定功率的总和； d
开
为蝶板处于打开状态的智能瓦斯控制阀的数量，d
总
为智能瓦斯控制阀的数量的总和。
[0032]
通过以上方案的实施，管路瓦斯浓度抽采的监控系统中的智能瓦斯控制阀将采集到的瓦斯浓度数据经过处理后传输至中央处理器，通过使用全部智能瓦斯控制阀采集的瓦斯浓度的平均值，评估总管路中的瓦斯浓度量，实现单独采集整体控制；当中央处理器判断总管路中的瓦斯浓度低于目标瓦斯浓度时，中央处理器发送关闭瓦斯浓度最低的抽采分支管路的智能瓦斯控制阀的蝶板的信号，避免危险发生；当瓦斯浓度高于于目标瓦斯浓度的1.2倍时，可以及时自动开启瓦斯浓度最高的抽采分支管路的智能瓦斯控制阀的蝶板；整个
过程中，给每个抽采管路中的吸附瓦斯充分的解析时间，使管路中的吸附瓦斯解析为游离瓦斯，提高了管路瓦斯的利用率；在开启或关闭瓦斯抽采分支管路后，中央处理器根据分支管路中智能瓦斯控制阀的开闭情况调整可变频瓦斯抽采泵的功率，可最大程度节约矿用电力成本。
[0033]
上述实施例仅说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明,任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变；因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。