快速關閉閥在煤礦安全領域應用研究

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，現在看來這種方式不符合國家節能減排及循環經濟的發展思路。近年隨著低濃度瓦斯發電技術的不斷發展，以及國家逐步對環保意識、能源循環利用理念的加強，對減少溫室氣體排放項目都進行政策扶植，尤其在《國家發改委印發煤層氣（煤礦瓦斯）開發利用“十二五”規劃》后，導致煤礦企業對低濃度瓦斯的利用產生了較高積極性，紛紛上馬低濃度瓦斯發電機組。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，一旦瓦斯燃燒出現回火，火焰就有可能沿著管線傳播，另外利用端可能產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，嚴重危及輸送管網及礦井的安全?！禔Q_1076-2009煤礦低濃度瓦斯管道輸送安全保障系統設計規范》基本規定：在煤礦低濃度瓦斯管道輸送系統中，靠近可能火源點（發電機組、排空管、自燃和易自燃煤層采空區抽瓦斯管入口等）應設置安全保障措施，保障管道輸送安全。

2.低濃度瓦斯管道輸送安全保障系統解讀

煤層氣（煤礦瓦斯）利用范圍不斷拓展，廣泛應用于城市民用、汽車燃料、工業燃料、瓦斯發電等領域，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。低濃度瓦斯發電開始推廣，風排瓦斯利用示范項目已經啟動?！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]

隨著低濃度瓦斯發電技術的發展，使得煤礦利用低濃度瓦斯的積極性高漲，目前全國已安裝數百套瓦斯發電機組，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，而我國近期內難以做到；因而，研究低濃度瓦斯抽采、輸送、利用、排放環節的安全保障技術并形成系列標準能有效規范低濃度瓦斯抽采、排放、輸送和發電利用各環節的安全行為，促進瓦斯抽采利用產業的迅速發展，提升中國節能減排的技術水平。國家安全生產監督管理總局于2009年12月發布《AQ 1076-2009煤礦低濃度瓦斯管道輸送安全保障系統設計規范》、《AQ 1073-2009瓦斯管道輸送自動阻爆裝置技術條件》中規定，“瓦斯發電用低濃度瓦斯管道輸送安全保障設施應安設阻火泄爆、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 瓦斯發電利用系統安全設施安裝示意圖

圖2 管道火焰傳播速度圖[3]

根據以上規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。傳感器響應時間小于5ms，阻爆裝置響應時間小于90ms，控制器響應時間小于20ms。

根據西安科技大學蔡周全教授的瓦斯爆炸火焰傳播速度研究，在500－700管徑內火焰在30米以下最高速為200m/s，隨著距離的增大而傳播加快，30米之內火焰傳播時間為150ms，據此AQ 1076規定阻爆裝置的整體響應時間不大于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，電磁閥的換向實現3態工作方式，即慢速開關，快速關閉；液壓原理圖如下圖所示，其中YV1YV2為慢速開關電磁閥，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用于熱電廠汽輪機組，水力發電機組，化工輸送管道等多個不同需要快速阻斷的領域。執行機構配有蓄能器，液壓控制系統采用蓄能器實施快關。電機泵為間歇工作，壓力低于設定低壓值時電機泵啟動；壓力高于設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，保證快關時間，采用了兩個大通徑錐閥（快速插裝閥）來實現閥門的快關控制。在液壓控制系統中，電磁閥接受換向信號，控制蝶閥實現開關動作。[4]

液壓快關閥由油箱、電機、泵、電磁閥、蓄能器、插裝閥、溢流閥以及執行機構油缸組成，油缸的線性運動帶動閥門的圓周開關動作。電機泵往蓄能器里面充壓，正常工作（慢速開閥、關閥、快速關閥）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，為慢速開關閥狀態，當由上圖中YV4工作時，則為快速關閉狀態?？炻俟ぷ鳡顟B的區別時，慢速動作時直接由電磁閥導通，油路通過；快速動作時是電磁閥作為先導閥先打開插裝閥，由插裝閥導通油路，實現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。

據此我們可以認定液壓快關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度等因素。根據以上猜測，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閉時間。為實現對時間的精密捕捉，我們采用1000幀高速攝像機，每一幀對應1秒鐘時間，觀察信號發出時間，閥門開始動作時間以及閥門完全關閉時間點，從而獲得壓力與快關閥的速度對應關系。

表1 不同壓力下快關閥的速度時間

圖4 試驗工裝

測試的結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閥響應速度的對應關系，從而表明通過增大蓄能器的工作壓力，可以實現液壓快關閥的速度提高。

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

要想繼續提高閥門的關閉速度，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。為實現液壓站的時間，我們將液壓快關閥的所有液壓設備的耐壓等級提高至31.5MPa，選擇性能更加優異的原裝進口插裝閥，減少快關電磁閥先導插裝閥的時間。為實現液壓缸的時間，我們采取減少液壓缸容腔，將帶動閥門關閉的油缸容積降低到原有容積的2/3，流經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，基本達到了瓦斯發電用低濃度瓦斯管道輸送安全保障設施中阻爆裝置的時間要求。

4.結語

根據以上分析我們可以得出，采用現有在水電化工領域已經得到使用的液壓快關閥，提高現有液壓快關閥的快關速度，選擇滿足煤礦煤安要求電氣設備，可以應用于煤礦安全領域

液壓快關閥中電氣設備包括電機、電磁閥均有對應的煤礦用防爆電機、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時間要高于電磁滑閥。液壓系統中通過選擇合適蓄能壓力、插裝閥、油路通徑可以有效實現提高閥門關閉速率。

[1]國家發展與改革委員會文件.國家發展改革委關于印發煤層氣(煤礦瓦斯)開發利用"十二五"規劃的通知.發改能源[2011]3041號.

[2]國家安全生產監督管理總局.AQ1076-2009煤礦低濃度瓦斯管道輸送安全保障系統設計規范[S].2009,12.

[3]胡千庭.低濃度瓦斯輸送安全保障技術[J].2009,9.

[4]沈陽東北電力調節技術有限公司.電液控制快速關斷閥說明書KGF20/40-F-T-A[S].