一种瓦斯抽采泵节能工质液环黏度的控制系统及控制方法

1.本发明涉及煤矿瓦斯抽采技术领域，具体涉及一种瓦斯抽采泵节能工质液环黏度的控制系统及控制方法。


背景技术：

2.瓦斯抽采泵是煤矿瓦斯抽采系统的动力源，我国煤矿行业在运行瓦斯抽采泵近万台，年耗电量超200亿kwh，由于其高耗低效性造成了巨大的能源浪费。为此，该领域技术人员研发了瓦斯抽采泵节能工质，来代替传统的水介质对瓦斯泵做功，依托其特有的粘弹性、流变特性及良好的润滑性，大幅降低瓦斯抽采泵能耗，节能效果显著。
3.瓦斯抽采泵内节能工质液环黏度是影响抽采泵吸气负压、气量和能耗的关键因素，且存在最佳黏度使瓦斯抽采系统能效水平达到最高。但煤矿瓦斯抽采工况复杂多变，抽采泵排气侧液环水分蒸发损耗速率随之变化，这将会直接影响抽采泵内节能工质液环黏度。当抽采泵以水为工作介质时，液环水分蒸发占据吸气腔的容积，仅影响抽采泵吸气量，且水分蒸发速率越大吸气量越小，通过调节进液流量即可保证液环水量稳定；当以节能工质为工作介质时，液环水分蒸发不仅对抽采泵吸气量影响显著，其蒸发速率变化也会影响节能工质液环浓度和黏度，进而影响其节能效果，甚至影响瓦斯抽采系统的稳定性：节能工质液环黏度相较最佳黏度较低时，黏度越低抽采泵能耗越高；相较最佳黏度较高时，黏度越高抽采泵吸气负压和气量越低、能耗越大，长时间黏度过高还可能会造成进液过小问题，导致井下瓦斯超限等严重后果。黏度的稳定需要保证液环水分损耗和补充相平衡，通过以往的进液流量和进气阀门的调节已无法实现液环黏度稳定控制。液环水分蒸发损耗速率主要受抽采工况和气候条件的影响。抽采工况主要包括进排气压力、温度、湿度、流量等，进气压力越低、温度越低、湿度越大、流量越大则带入液环水分越多，排气压力越大、温度越高、湿度越低则排出泵体水分越少，而进气流量与进排气压力均与温度有关；气候条件主要包括空气温度和湿度，冬夏季温度差异造成液环温度和进气温湿度明显不同，水分蒸发速率也不同。可以看出，上述因素对水分蒸发速率的耦合影响较为复杂，且现有结果均为定性结论，如何科学地适时定量化精准预测液环水分蒸发速率和自动化补水，目前尚缺乏智能的定量化手段。因此，开发瓦斯抽采泵节能工质液环黏度的控制系统及其控制方法，对瓦斯抽采节能降耗非常重要。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种瓦斯抽采泵节能工质液环黏度的控制系统及控制方法，可根据瓦斯抽采泵的实际运行工况，实时精准调控节能工质液环黏度，保证瓦斯抽采泵高效稳定运行。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
6.一方面，本发明提供一种瓦斯抽采泵节能工质液环黏度控制系统，包括数据采集系统、数据处理分析系统、黏度模糊调控系统；
7.所述数据采集系统包括瓦斯流量传感器、进气压力传感器、进气温度传感器、进气湿度传感器、排气压力传感器、排气温度传感器、排气湿度传感器、补水流量传感器、进液黏度传感器、排液黏度传感器和存储器；所述瓦斯流量传感器、进气压力传感器、进气温度传感器、进气湿度传感依次安装于瓦斯抽采泵的进气管路上，用于监测进气参数；所述排气压力传感器、排气温度传感器、排气湿度传感器依次安装于气液分离器的排气管路上，用于监测排气参数；所述补水流量传感器安装于瓦斯抽采泵的泵内补水管路上，用于监测泵内补水流量；所述进液黏度传感器安装于瓦斯抽采泵的进液管路上，用于监测进液黏度；所述排液黏度传感器安装于气液分离器的排液管路上，用于监测排液黏度；所述存储器分别与各个传感器相连接，用于存储传感器采集数据和数据处理结果；
8.所述数据处理分析系统包括节能工质液环水分蒸发损耗速率计算模块和泵内补水目标流量分析模块，所述液环水分蒸发损耗速率计算模块用于计算瓦斯抽采泵不同工况下节能工质液环水分蒸发速率，所述泵内补水目标流量分析模块用于计算液环黏度异常时恢复液环黏度需调节泵内补水的目标流量及时间；
9.所述黏度模糊调控系统包括模糊控制器、电动调节阀门，电动调节阀门与补水流量传感器联锁，模糊控制器将节能工质液环黏度微调至最佳黏度。
10.另一方面，本发明还提供上述瓦斯抽采泵节能工质液环黏度的控制系统的控制方法，包括以下步骤：
11.a.控制系统与瓦斯抽采泵同时启动，输入瓦斯抽采泵内节能工质液环的最佳黏度η、最佳黏度范围η
×
(1
±
2％)和允许波动范围η
×
(1
±
10％)；
12.b.采集瓦斯抽采泵的进排气参数、进排液参数、泵内补水参数，并进行记录储存；
13.c.根据进排气参数计算瓦斯抽采泵节能工质液环水分蒸发损耗速率q
损
，并进行记录储存；
14.d.根据排液黏度判断液环黏度是否在设定允许波动区间内，如果在设定区间内则返回步骤b，如果不在设定区间内则进行下一步；
15.e.判断进液黏度是否在设定允许波动区间内，如果在设定区间内则进行下一步，如果不在设定区间内则进行瓦斯抽采泵进液黏度调节，调节完成后返回步骤b；
16.f.根据液环实际黏度η
液环实
、液环最佳黏度η、水分蒸发损耗速率q
损
计算分析泵内补水的目标流量q
泵目标
及时间t，并记录；
17.g.调节泵内补水流量至目标流量q
泵目标
，持续目标时间t，使黏度快速恢复正常范围；
18.h.黏度模糊调控系统通过智能模糊调控泵内补水流量，将节能工质液环黏度微调至最佳黏度范围，调节完成后返回步骤b。
19.进一步地，步骤c中所述节能工质液环水分蒸发损耗速率q
损
的计算方法包括以下步骤：
20.a.计算进排气工况下水蒸气饱和蒸汽压ps
进
、ps
排
：(kpa)，t(k)为气体温度；
21.b.计算进排气气体湿度h
进
、h
排
：(kg/kg)，p(kpa)为气体压力，pw(kpa)为气体水蒸气分压力，相对湿度；
22.c.计算进气干空气密度ρ
进气
：(kg/m3)，p
进
(kpa)为进气气体压力，t
进
(k)为进气气体温度；
23.d.计算节能工质液环水分蒸发损耗速率q
损
：
[0024][0025]
(kg/min)，q
m进气
(kg/min)为进气干空气质量流量，h
排气
(kg/kg)为排气湿度，h
进气
(kg/kg)为进气湿度，q
v进气
(m3/min)为进气体积流量，ρ
进气
(kg/m3)为进气干空气密度，为进气相对湿度，ps
进
(kpa)为进气水蒸气饱和蒸汽压，p
进
(kpa)为进气压力，为排气相对湿度，ps
排
(kpa)为排气水蒸气饱和蒸汽压，p
排
(kpa)为排气压力。
[0026]
进一步地，步骤f中所述泵内补水目标流量q
泵目标
及时间t的计算方法包括以下步骤：
[0027]
a.计算泵内节能工质存量v
工质实
：(m3)，v
泵壳
(m3)为泵壳容积，v
轮毂
(m3)为轮毂在泵壳内体积，q
v进气
(m3/min)为进气体积流量，ω(r/min)为泵轴转速，μ(％)为叶片排挤系数；
[0028]
b.计算泵内节能工质实际浓度c
实
：(kg/kg)，η
液环实
(mpa
·
s)为液环实际黏度；
[0029]
c.计算节能工质液环黏度恢复正常所需的泵内补水目标流量q
泵目标
及时间t，根据不同黏度节能工质对瓦斯抽采泵作用效果影响，划分三种类型：
[0030]
①
.液环黏度低于设定范围下线(η
液环实
《η
×
(1-10％))：(m3/min)，t＝30，(min)，c
标
＝3.5
×
10-3
，(kg/kg)为节能工质液环标准浓度；
[0031]
②
.液环黏度超出设定范围上线较少(η
×
(1 10％)≥η
液环实
≥η
×
(1 30％))：(m3/min)，(min)；
[0032]
③
.液环黏度超出设定范围上线较多(η
液环实
》η
×
(1 30％))：(m3/min)，(min)。
[0033]
进一步地，步骤h中所述黏度模糊调控系统通过智能模糊调控泵内补水流量的方法包括以下步骤：
[0034]
a.调控开始，测量抽采泵进气流量、进排气压力、进排气温度、进排气湿度、排液黏度，计算抽采泵节能工质液环水分损耗速率q
损
；
[0035]
b.赋值k＝1，q
轴目标k
＝q
损
，q
泵目标k
(m3/min)为第k次微调泵内补水的目标流量，调节泵内补水至目标流量，1小时后进行下一步；
[0036]
c.k＝k 1，通过测量排液黏度反映节能工质液环实际黏度，比较液环实际黏度与最佳黏度的大小；
[0037]
d.根据液环实际黏度与最佳黏度的大小情况，划分三种调节方式如下：
[0038]
①
.液环实际黏度等于最佳黏度(η
×
(1-2％)≤η
液环实
≤η
×
(1 2％))：模糊调控结束；
[0039]
②
.液环实际黏度小于最佳黏度(η
液环实
《η
×
(1-2％))：q
轴目标k
＝q
轴目标k-1
×
(1-5％)，调节泵内补水至目标流量，1小时后返回步骤c；
[0040]
③
.液环实际黏度大于最佳黏度(η
液环实
》η
×
(1 2％))：q
轴目标k
＝q
轴目标k-1
×
(1 5％)，调节泵内补水至目标流量，1小时后返回步骤c；
[0041]
e.如此往复，直至节能工质液环实际黏度等于最佳黏度范围。
[0042]
进一步地，步骤e中所述进液黏度调节的具体步骤包括：将进液黏度异常信号传输给节能工质自动配制系统，自动配制系统根据储液箱中节能工质实际储量和黏度，通过加水或添加节能工质粉体材料的方法，使供液黏度达到最佳黏度。
[0043]
基于现场瓦斯抽采工况参数，本发明可定量化准确预测液环水分蒸发速率，并根据液环黏度分区范围，采取个性化补水方案对节能工质黏度进行科学调节，整个调节流程简单易行且稳定可靠。节能工质黏度调节分为快速粗调节和模糊精细调节两个阶段，第一阶段主要解决黏度偏差过大导致瓦斯抽采系统运行不稳定的安全隐患，第二阶段主要将黏度微调至最佳黏度范围以达到最高的节能效果，二者相互配合实现了瓦斯抽采泵节能系统的安全、高效运行。本发明为瓦斯泵液环水分蒸发损耗速率提供了科学可靠的计算方法，填补了该方面的空白，对井下抽采工况发生剧烈变化等复杂条件可采取适时地应对措施，进而保障瓦斯抽采的安全性。
附图说明
[0044]
图1是瓦斯抽采泵节能工质液环黏度控制系统示意图。
[0045]
图2是本发明节能型瓦斯抽采泵系统示意图。
[0046]
图3是本发明瓦斯抽采泵节能工质黏度的控制方法流程图。
[0047]
图4是本发明黏度模糊调控系统方法流程图。
[0048]
图2中：1、瓦斯抽采泵，2、气液分离器，3、进气管路，4、排气管路，5、进液管路，6、排液管路，7、泵内补水管路，8、瓦斯流量传感器，9、进气压力传感器，10、进气温度传感器，11、进气湿度传感器，12、排气压力传感器，13、排气温度传感器，14、排气湿度传感器，15、补水流量传感器，16、进液黏度传感器，17、排液黏度传感器，18、电动调节阀门。
具体实施方式
[0049]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0050]
如图1所示，本实例提供一种瓦斯抽采泵节能工质液环黏度控制系统，包括数据采集系统、数据处理分析系统、黏度模糊调控系统，该控制系统安装于节能型瓦斯抽采泵系统上；
[0051]
所述数据采集系统包括瓦斯流量传感器、进气压力传感器、进气温度传感器、进气湿度传感器、排气压力传感器、排气温度传感器、排气湿度传感器、补水流量传感器、进液黏度传感器、排液黏度传感器和存储器；所述存储器分别与各个传感器相连接，用于存储传感器采集数据和数据处理结果；
[0052]
所述数据处理分析系统包括节能工质液环水分蒸发损耗速率计算模块和泵内补水目标流量分析模块，用于计算瓦斯抽采泵不同工况节能工质液环水分蒸发速率以及液环黏度异常时恢复液环黏度所需的泵内补水的目标流量及时间；
[0053]
所述黏度模糊调控系统包括模糊控制器、电动调节阀门，电动调节阀门与补量传感器联锁，模糊控制器将节能工质液环黏度微调至最佳黏度范围。
[0054]
如图2所示，所述节能型瓦斯抽采泵系统由瓦斯抽采泵1、气液分离器2、进气管路3、排气管路4、进液管路5、排液管路6、泵内补水管路7组成。井下瓦斯气体由进气管路3进入瓦斯抽采泵1内，在瓦斯抽采泵1内压缩后先由气液分离器2进行气液分离，再由排气管路4排出。节能工质由进液管路5进入瓦斯抽采泵1内，在叶轮离心作用下形成液环，与叶轮形成大小不同的空腔为抽排瓦斯气体提供动力，然后与瓦斯气体一并排出瓦斯抽采泵1进入气液分离器2，经气液分离后节能工质由排液管路6排出。泵内补水管路7泵内补为提供清水对抽采泵1的盘根进行密封，现兼用做调节节能工质液环黏度的溶剂。
[0055]
所述瓦斯流量传感器8、进气压力传感器9、进气温度传感器10、进气湿度传感器11依次安装在进气管路3上用于监测瓦斯抽采泵进气参数；所述排气压力传感器12、排气温度传感器13、排气湿度传感器14依次安装在排气管路4上用于监测瓦斯抽采泵排气参数；电动调节阀门18、补水流量传感器15依次安装在泵内补水管路7上用于监测和调节泵内补水流量；进液黏度传感器16、排液黏度传感器17分别安装在进液管路5和排液管路6上用于监测进排液黏度。
[0056]
如图3所示，基于上述瓦斯抽采泵节能工质液环黏度控制系统控制液环黏度至最佳工作黏度的具体步骤为：
[0057]
a.控制系统与瓦斯抽采泵同时启动，输入节能工质液环的最佳黏度、最佳黏度范围η
×
(1
±
2％)和允许波动范围η
×
(1
±
10％)。
[0058]
b.采集瓦斯抽采泵系统运行参数，包括瓦斯流量q
v进气
、进气压力p
进
、进气温度t
进
、进气相对湿度排气压力p
排
、排气温度t
排
、排气相对湿度泵内补水流量q
泵目标
、进液黏度η
进
、排液黏度η
排
，将采集数据储存在存储器中。
[0059]
c.根据瓦斯抽采泵进排气参数计算节能工质液环水分蒸发损耗速率q
损
(kg/min)，具体计算公式如下：
[0060]
[0061]
其中，q
m进气
(kg/min)为进气干空气质量流量，h
排气
(kg/kg)为排气湿度，h
进气
(kg/kg)为进气湿度，q
v进气
(m3/min)为进气体积流量，ρ
进气
(kg/m3)为进气干空气密度，为进气相对湿度，ps
进
(kpa)为进气水蒸气饱和蒸汽压，p
进
(kpa)为进气压力，为排气相对湿度，ps
排
(kpa)为排气水蒸气饱和蒸汽压，p
排
(kpa)为排气压力，t
进
(k)为进气气体温度，t
排
(k)为排气气体温度，计算完成后将结果储存在存储器中。
[0062]
d.通过排液黏度η
排
判断液环黏度η
液环实
是否设定区间η
×
(1
±
10％)内：即液环黏度与排液黏度相等η
液环实
＝η
排
，通过排液黏度判断液环黏度大小，如果液环黏度在设定区间内则正常，返回步骤b重新巡回检测；如果液环黏度不在设定区间内则液环黏度异常进行下一步，开始问题诊断。
[0063]
e.判断进液黏度η
进
是否在设定区间η
×
(1
±
5％)内：即当液环黏度出现异常时，首先判断是否由于进液黏度异常导致，如果进液黏度在设定区间内则进液黏度正常，进行下一步调节液环黏度；如果进液黏度不在设定区间内进行抽采泵进液黏度调节，即将进液黏度异常信号传输给节能工质自动配制系统，自动配制系统根据储液箱中节能工质实际储量和黏度，通过加水或添加节能工质粉体材料的方法，使供液黏度达到最佳黏度，调节完成后返回步骤b，从步骤b开始重新巡回检测。
[0064]
f.根据液环实际黏度η
液环实
、液环最佳黏度η、水分蒸发损耗速率q
损
计算分析将液环黏度恢复正常范围所需的泵内补水的目标流量q
泵目标
及时间t，步骤如下：
[0065]
1)首先根据瓦斯抽采泵基本参数和吸气量计算泵内节能工质存量v
工质实
：(m3)，v
泵壳
(m3)为泵壳容积，v
轮毂
(m3)为轮毂在泵壳内体积，ω(r/min)为泵轴转速，μ(％)为叶片排挤系数，以上参数均根据调控瓦斯抽采泵的型号预先编制在公式中；
[0066]
2)其次根据节能工质浓度与黏度关系计算抽采泵内节能工质实际浓度c
实
：(kg/kg)，η
液环实
(mpa
·
s)为液环实际黏度；
[0067]
3)计算节能工质液环黏度恢复正常所需的泵内补水目标流量q
泵目标
及时间t，根据不同黏度节能工质对瓦斯抽采泵作用效果，划分三种类型：
[0068]
①
.液环黏度低于设定范围下限(η
液环实
《η
×
(1-10％))，此种情况一般是由泵内补水流量较大导致，并且该黏度节能工质节能效率较低但不影响抽采泵运行稳定性，30min将液环黏度恢复正常即可保证瓦斯抽采泵节能效果，即：t＝30，(min)，c
标
＝3.5
×
10-3
，(kg/kg)为节能工质液环标准浓度；
[0069]
②
.液环黏度超出设定范围上限较少(η
×
(1 10％)≥η
液环实
≥η
×
(1 30％))，该黏度节能工质节能效率较低同时对抽采泵运行稳定性有微小影响，需30min内将液环黏度恢复正常，液环实际黏度与最佳黏度相差越大恢复速度应越快，即以最慢恢复正常黏度时间t＝30min为基础，乘以系数具体计算公式如下：
(m3/min)，(min)；
[0070]
③
.液环黏度超出设定范围上限较多(η
液环实
》η
×
(1 30％))，该黏度节能工质对瓦斯抽采泵运行稳定性影响较大，必须以更快速度恢复到正常范围，即以最慢恢复正常黏度时间t＝30min为基础，乘以系数具体计算公式如下：(m3/min)，(min)。
[0071]
g.调节泵内补水流量至目标流量q
泵目标
，持续目标时间t，使黏度快速恢复正常范围，然后进行下一步微调节能工质液环黏度至最佳黏度范围。
[0072]
h.黏度模糊调控系统通过智能模糊调控泵内补水流量将节能工质液环黏度微调至最佳黏度范围，经过上述粗调后液环黏度已在允许范围内，瓦斯抽采泵运行工况已相对稳定，液环水分损耗速率也较稳定，慢速微调将液环黏度调至最佳黏度即可，即以粗调后工况下的液环水分损耗速率q
损
为基础，当液环实际黏度小于最佳黏度范围下线则缓慢减小泵内补水流量，当液环实际黏度大于最佳黏度范围上线则缓慢增大泵内补水流量，当液环黏度在最佳黏度范围则调控结束，如图4所示，具体步骤如下：
[0073]
1)调控开始，经粗调后重新测量抽采泵进气流量、进排气压力、进排气温度、进排气湿度、排液黏度，根据测量数据，计算抽采泵节能工质液环水分损耗速率q
损
；
[0074]
2)赋值k＝1，q
轴目标k
＝q
损
，q
泵目标k
(m3/min)为为第k次微调泵内补水的目标流量，调节泵内补水至目标流量q
泵目标k
，1小时后进行下一步；
[0075]
3)k＝k 1通过测量排液黏度反应节能工质液环实际黏度，比较液环实际黏度与最佳黏度的大小，根据液环实际黏度与最佳黏度的大小情况，划分三种调节方式如下：
[0076]
①
.液环实际黏度等于最佳黏度(η
×
(1-2％)≤η
液环实
≤η
×
(1 2％))：模糊调控结束；
[0077]
②
.液环实际黏度小于最佳黏度(η
液环实
《η
×
(1-2％))：q
轴目标k
＝q
轴目标k-1
×
(1-5％)，调节泵内补水至目标流量，1小时后返回步骤3)，判断黏度调节效果，继续进行调节；
[0078]
③
.液环实际黏度大于最佳黏度(η
液环实
》η
×
(1 2％))：q
轴目标k
＝q
轴目标k-1
×
(1 5％)，调节泵内补水至目标流量，1小时后返回步骤3)，判断黏度调节效果，继续进行调节；
[0079]
4)如此循环，直至节能工质液环实际黏度在最佳黏度范围内，黏度微调节结束，返回步骤b重新巡回检测调控。
[0080]
i.如此往复，直至抽采泵停止运行，节能工质黏度监控系统停止运行。
[0081]
以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。