快速關(guān)閉閥在煤礦安全領(lǐng)域應(yīng)用研究

天地（常州）自動化股份有限公司 朱承建

1.前言

低濃度瓦斯接近燃燒爆炸濃度極限，出于安全性考慮，以往都將其排空，現(xiàn)在看來這種方式不符合國家節(jié)能減排及循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展思路。近年隨著低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，以及國家逐步對環(huán)保意識、能源循環(huán)利用理念的加強，對減少溫室氣體排放項目都進行政策扶植，尤其在《國家發(fā)改委印發(fā)煤層氣（煤礦瓦斯）開發(fā)利用“十二五”規(guī)劃》后，導(dǎo)致煤礦企業(yè)對低濃度瓦斯的利用產(chǎn)生了較高積極性，紛紛上馬低濃度瓦斯發(fā)電機組。這樣低濃度瓦斯在管道輸送的安全保障需求大大提高。低濃度瓦斯即使不利用，在排放、輸送和抽采過程同樣存在重大安全隱患，一旦瓦斯燃燒出現(xiàn)回火，火焰就有可能沿著管線傳播，另外利用端可能產(chǎn)生火源會使整個管路中的瓦斯氣體也處于非常危險的狀態(tài)，嚴重危及輸送管網(wǎng)及礦井的安全?！禔Q_1076-2009煤礦低濃度瓦斯管道輸送安全保障系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》基本規(guī)定：在煤礦低濃度瓦斯管道輸送系統(tǒng)中，靠近可能火源點（發(fā)電機組、排空管、自燃和易自燃煤層采空區(qū)抽瓦斯管入口等）應(yīng)設(shè)置安全保障措施，保障管道輸送安全。

2.低濃度瓦斯管道輸送安全保障系統(tǒng)解讀

煤層氣（煤礦瓦斯）利用范圍不斷拓展，廣泛應(yīng)用于城市民用、汽車燃料、工業(yè)燃料、瓦斯發(fā)電等領(lǐng)域，煤礦瓦斯用戶超過189萬戶，煤層氣燃料汽車6000余輛，瓦斯發(fā)電裝機容量超過75萬千瓦，實施煤礦瓦斯回收利用CDM項目60余項。低濃度瓦斯發(fā)電開始推廣，風(fēng)排瓦斯利用示范項目已經(jīng)啟動?！笆晃濉逼陂g，累計利用煤層氣（煤礦瓦斯）95億立方米，相當于節(jié)約標準煤1150萬噸，減排二氧化碳14250萬噸。[1]

隨著低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，使得煤礦利用低濃度瓦斯的積極性高漲，目前全國已安裝數(shù)百套瓦斯發(fā)電機組，其中不乏利用濃度低于30%的瓦斯，存在安全隱患；低濃度瓦斯即使不利用，在排放、輸送和抽采過程同樣存在重大安全隱患；因而國外基本上不抽低濃度瓦斯，而我國近期內(nèi)難以做到；因而，研究低濃度瓦斯抽采、輸送、利用、排放環(huán)節(jié)的安全保障技術(shù)并形成系列標準能有效規(guī)范低濃度瓦斯抽采、排放、輸送和發(fā)電利用各環(huán)節(jié)的安全行為，促進瓦斯抽采利用產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，提升中國節(jié)能減排的技術(shù)水平。國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局于2009年12月發(fā)布《AQ 1076-2009煤礦低濃度瓦斯管道輸送安全保障系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》、《AQ 1073-2009瓦斯管道輸送自動阻爆裝置技術(shù)條件》中規(guī)定，“瓦斯發(fā)電用低濃度瓦斯管道輸送安全保障設(shè)施應(yīng)安設(shè)阻火泄爆、抑爆、阻爆三種不同原理的阻火防爆裝置”，“阻爆裝置應(yīng)選擇自動阻爆裝置”；阻爆閥門距離火焰探測點不小于30m。阻爆裝置安裝位置如圖1所示。[2]

圖1 瓦斯發(fā)電利用系統(tǒng)安全設(shè)施安裝示意圖

圖2 管道火焰?zhèn)鞑ニ俣葓D[3]

根據(jù)以上規(guī)范要求管道阻爆裝置主要安裝于瓦斯（或其它易燃易爆氣體）輸送管道系統(tǒng)中，及時阻斷火焰蔓延，保證無火支管路及主要管路的安全。傳感器響應(yīng)時間小于5ms，阻爆裝置響應(yīng)時間小于90ms，控制器響應(yīng)時間小于20ms。

根據(jù)西安科技大學(xué)蔡周全教授的瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣妊芯?，?00－700管徑內(nèi)火焰在30米以下最高速為200m/s，隨著距離的增大而傳播加快，30米之內(nèi)火焰?zhèn)鞑r間為150ms，據(jù)此AQ 1076規(guī)定阻爆裝置的整體響應(yīng)時間不大于100ms，取33%的余量。

3.快速阻斷閥原理分析

如圖3所示，液壓式快速阻斷閥采用液壓原理，利用蓄能器進行儲壓，電磁閥的換向?qū)崿F(xiàn)3態(tài)工作方式，即慢速開關(guān)，快速關(guān)閉；液壓原理圖如下圖所示，其中YV1YV2為慢速開關(guān)電磁閥，YV4為快速電磁閥，QE2為快速插裝閥，由YV4控制，YV3為保壓閥。液壓式快速阻斷閥應(yīng)用于熱電廠汽輪機組，水力發(fā)電機組，化工輸送管道等多個不同需要快速阻斷的領(lǐng)域。執(zhí)行機構(gòu)配有蓄能器，液壓控制系統(tǒng)采用蓄能器實施快關(guān)。電機泵為間歇工作，壓力低于設(shè)定低壓值時電機泵啟動；壓力高于設(shè)定高壓值時電機泵停止。為了保證控制閥有足夠的通流能力，保證快關(guān)時間，采用了兩個大通徑錐閥（快速插裝閥）來實現(xiàn)閥門的快關(guān)控制。在液壓控制系統(tǒng)中，電磁閥接受換向信號，控制蝶閥實現(xiàn)開關(guān)動作。[4]

液壓快關(guān)閥由油箱、電機、泵、電磁閥、蓄能器、插裝閥、溢流閥以及執(zhí)行機構(gòu)油缸組成，油缸的線性運動帶動閥門的圓周開關(guān)動作。電機泵往蓄能器里面充壓，正常工作（慢速開閥、關(guān)閥、快速關(guān)閥）由蓄能器補壓，電磁閥的換向決定是油缸的正向反向運動，當由上圖中YV2電磁閥工作時，為慢速開關(guān)閥狀態(tài)，當由上圖中YV4工作時，則為快速關(guān)閉狀態(tài)?？炻俟ぷ鳡顟B(tài)的區(qū)別時，慢速動作時直接由電磁閥導(dǎo)通，油路通過；快速動作時是電磁閥作為先導(dǎo)閥先打開插裝閥，由插裝閥導(dǎo)通油路，實現(xiàn)油缸進油腔的快速進油，回油腔的快速回油。電磁閥的通徑為2-5mm，而插裝閥的通徑為25-40mm，油路通徑的不同決定了油缸油桿動作的快慢不一致。

據(jù)此我們可以認定液壓快關(guān)閥的速度決定因素包括蓄能器的蓄壓、插裝閥與油路軟管的通徑匹配，當然還包括液壓油、油路軟管的耐壓性，油路通道的流體平穩(wěn)度等因素。根據(jù)以上猜測，我們做了以下實驗工裝進行校驗。

選擇試驗工裝，其中蓄能器的出口、插裝的口徑以及液壓缸的油口口徑為￠25mm，油管為￠32mm，液壓油路軟管采用耐壓25MP。通過電機給蓄能器的充壓，改變壓力值，觀察液壓站與閥門的關(guān)閉時間。為實現(xiàn)對時間的精密捕捉，我們采用1000幀高速攝像機，每一幀對應(yīng)1秒鐘時間，觀察信號發(fā)出時間，閥門開始動作時間以及閥門完全關(guān)閉時間點，從而獲得壓力與快關(guān)閥的速度對應(yīng)關(guān)系。

表1 不同壓力下快關(guān)閥的速度時間

圖4 試驗工裝

測試的結(jié)果表明隨著壓力的增大，液壓站的工作時間在逐步縮短，但是閥體動作時間整體變化不大，由于液壓站動作時間的縮短，裝置時間在逐步變小，但是蓄能器工作壓力到達一定值后帶來的整體時間不再有明顯變化。該試驗驗證了蓄能器工作壓力與快關(guān)閥響應(yīng)速度的對應(yīng)關(guān)系，從而表明通過增大蓄能器的工作壓力，可以實現(xiàn)液壓快關(guān)閥的速度提高。

通過以上的試驗說明單純從提高壓力已經(jīng)不能滿足縮短閥門關(guān)閉時間的需求，同時液壓站的液壓元件的耐壓已經(jīng)到了一個相對極限，為此我們考慮從機械液壓上做工作。

要想繼續(xù)提高閥門的關(guān)閉速度，必須從兩個方面著手，一個是液壓站的工作時間，一個是液壓缸的時間。為實現(xiàn)液壓站的時間，我們將液壓快關(guān)閥的所有液壓設(shè)備的耐壓等級提高至31.5MPa，選擇性能更加優(yōu)異的原裝進口插裝閥，減少快關(guān)電磁閥先導(dǎo)插裝閥的時間。為實現(xiàn)液壓缸的時間，我們采取減少液壓缸容腔，將帶動閥門關(guān)閉的油缸容積降低到原有容積的2/3，流經(jīng)液壓缸的液壓油時間可以縮短1/3。通過上述的改變，可以得到液壓站與液壓缸兩邊均有10－20ms的提高，基本達到了瓦斯發(fā)電用低濃度瓦斯管道輸送安全保障設(shè)施中阻爆裝置的時間要求。

4.結(jié)語

根據(jù)以上分析我們可以得出，采用現(xiàn)有在水電化工領(lǐng)域已經(jīng)得到使用的液壓快關(guān)閥，提高現(xiàn)有液壓快關(guān)閥的快關(guān)速度，選擇滿足煤礦煤安要求電氣設(shè)備，可以應(yīng)用于煤礦安全領(lǐng)域

液壓快關(guān)閥中電氣設(shè)備包括電機、電磁閥均有對應(yīng)的煤礦用防爆電機、礦用煤安電磁閥可以替代，通過測試比較，選擇礦用電磁球閥的響應(yīng)時間要高于電磁滑閥。液壓系統(tǒng)中通過選擇合適蓄能壓力、插裝閥、油路通徑可以有效實現(xiàn)提高閥門關(guān)閉速率。

[1]國家發(fā)展與改革委員會文件.國家發(fā)展改革委關(guān)于印發(fā)煤層氣(煤礦瓦斯)開發(fā)利用"十二五"規(guī)劃的通知.發(fā)改能源[2011]3041號.

[2]國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.AQ1076-2009煤礦低濃度瓦斯管道輸送安全保障系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范[S].2009,12.

[3]胡千庭.低濃度瓦斯輸送安全保障技術(shù)[J].2009,9.

[4]沈陽東北電力調(diào)節(jié)技術(shù)有限公司.電液控制快速關(guān)斷閥說明書KGF20/40-F-T-A[S].