正壓束管監測系統輸氣關鍵部件的研發

趙曉夏

（中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400037）

煤礦火災防治領域，束管監測系統常被用于煤自燃預測預報中，其原理是輸氣泵將井下所檢氣體經束管送至井下或地面某處，傳感器或氣相色譜儀分析氣體組分和濃度，從而判斷煤自燃狀態[1-2]。目前國內束管監測系統普遍采用負壓輸氣方式，從理論上存在難以克服的問題：負壓輸氣時間較長，尤其長距離束管輸送；采用負壓輸氣的束管系統負壓低，最大推動力難超100 kPa[3]；容易吸入沿程環境氣體，造成所檢氣體失真；長距離輸送可能導致束管負壓壓扁，束管破損不易察覺。鑒于實踐中負壓束管出現的問題，陸偉等[4]首次提出并驗證了正壓輸氣的可行性，白光星等[5]實驗驗證了正壓輸氣速度快于負壓輸氣，流量極限最小值大于負壓輸氣方式，且隨著束管長度增加，正壓輸氣優勢越明顯。為此在前人研究基礎上，研發正壓束管輸氣泵，形成正壓束管監測系統，以解決負壓束管監測系統存在的問題。

1 正壓輸氣參數選擇

1.1 正壓輸氣參數理論估算

正壓輸氣的優勢體現在輸出壓力、輸氣時間和出口流量。正壓輸氣時間和流量取決于正壓輸出壓力和束管內阻力，正壓輸出壓力必須大于束管內阻力損失才能保證氣體輸送至檢測點，所以需要估算束管內產生阻力大小。由流體力學可知，流動氣體在束管內流動受到沿程阻力和局部阻力2 種。摩擦阻力Hf計算公式為：

式中:l 為束管總長度，m；d 為束管內徑，m；v 為束管中氣體的平均流速，m/s；ρ 為空氣密度，kg/m3；λ為無因次系數，其值由雷諾數Re 和管壁的相對粗糙度而定。

雷諾數Re 計算公式為：

式中：v 為氣體的平均流速，m/s；d 為束管內徑，m；μ 為氣體的運動黏性系數，m2/s，礦井氣體一般取值14.4×10-6。

局部阻力是氣體經局部裝置（如束管接頭、彎曲、斷面變化）發生急變流而產生，一般處于紊流狀態。按照經驗，局部阻力可選取沿程阻力的15%來估算。

正常情況礦井火災束管監測系統的束管長度約4 000～5 000 m，束管內徑通用6 mm 或8 mm，由式（1）可知，沿程阻力損失與束管的長度和流量成正比，與束管直徑成反比，所以選擇束管直徑6 mm，長度5 000 m 計算不同輸氣時間阻力損失。因氣相色譜分析儀1 次氣樣分析時間約10～15 min，為保證束管監測系統在線連續性輸送和分析氣體，束管輸氣時間大于色譜分析時間為宜，所以正壓輸氣時間參數理論驗算選擇20 min 及以上不同時間段，經計算Re＜2 000，屬于層流狀態，采用公式λ=64/Re計算λ，得到的規定輸氣時間束管內氣體阻力損失見表1。正壓束管所需輸氣時間與管內氣體阻力損失關系圖如圖1。

表1 規定輸氣時間束管內氣體阻力損失Table 1 Gas resistance loss in specified gas delivery time beam tube

圖1 正壓束管所需輸氣時間與管內氣體阻力損失關系圖Fig.1 Relationship diagram between gas transportation time and gas resistance loss in positive pressure beam tube

由表1 可知，對于內徑為6 mm，長度為5 000 m 的束管，在要求時間內完成1 次輸氣，束管入口壓力至少應大于相應阻力損失值。由圖1 可知，隨著1次輸氣所需時間增加，束管內氣體阻力損失減小，輸氣所需時間大于50 min 時，隨著輸氣時間繼續增加，阻力損失減小速率變緩，即隨著1 次輸氣時間逐漸縮短至50 min，氣體所受阻力的增加速率緩慢變大，直至50 min 后阻力增速快速變大?？紤]正壓泵的體積和克服阻力損失所需功率大小，輸氣時間宜選擇30～50 min。

1.2 正壓輸氣模擬試驗

在正壓輸氣理論驗算后，采用高壓氣瓶和空壓機多次模擬正壓泵輸氣，了解束管長度和壓力對輸氣時間和流量的影響。試驗采用濃度3.0%的甲烷作為示蹤氣體源，瓶口接流量調節閥，用空氣壓縮機清洗束管內氣體，束管入口端接壓力變送器測量壓力，末端接流量計，束管出口放置精度為0.01%的甲烷測定儀，分別測試束管進出口端的流量、輸氣時間和壓力等參數?？紤]到實踐中束管輸氣有局部阻力，將束管圍繞成周長為150 m 的圓形。入口壓力500 kPa 時束管長度對輸氣參數的影響見表2，長度5 000 m 束管不同入口壓力對輸氣參數的影響見表3。

表2 入口壓力500 kPa 時束管長度對輸氣參數的影響Table 2 The influence of the length of beam tube on the gas transmission parameters at the entrance pressure of 500 kPa

表3 長度5 000 m 束管不同入口壓力對輸氣參數的影響Table 1 The influence of different inlet pressure on gas transmission parameters of 5 000 m beam tube

由表2 和表3 可知，壓力一定時，束管長度增加，輸氣時間增加和出口流量減小較快；束管長度一定時，隨著束管入口壓力增至500 kPa 后，出口所需時間減小和流量增大速率不大，與圖1 曲線規律相似。說明束管長度比入口壓力對輸氣時間和出口流量的影響大。所以在考慮正壓輸氣泵連接較長束管的性能時，兼顧輸氣時間和出口流量情況下優先考慮輸氣時間優劣。

2 正壓輸氣泵

2.1 正壓泵選型

正壓輸氣泵主要用于正壓輸氣，但抽氣端要起到抽氣作用，在正壓泵選型時也要兼顧微負壓性能。據文獻[6-9]，容積式泵分為往復泵和轉子泵，往復泵包括活塞泵和隔膜泵；容積式泵出口流量穩定性好，揚程高時轉子泵效率降低較大，而往復泵降低較小。從輸氣穩定性和效率考慮，選擇往復泵為宜。對市場上往復泵調研后，選美國GAST 活塞泵和德國KNF 隔膜泵選型試驗，連接內徑為6 mm 的束管，連接方式分2 種：①連接方式1：泵進氣端接200 m 束管,出氣端接5 000 m 束管；②連接方式2：泵進氣端接500 m 束管,出氣端接5 000 m 束管。在2 種狀態下分別試驗，氣瓶內裝濃度為3%的甲烷，通過用來模擬采空區環境的氣囊吸入正壓泵進氣端。測試活塞泵和隔膜泵的進出口壓力、出氣端流量和出口甲烷濃度，活塞泵和隔膜泵不同連接方式下性能參數見表4。

如表4，2 種連接方式下，KNF 隔膜泵進出口壓力、出口流量和穩定所需時間均優于GAST 活塞泵，特別是KNF 隔膜泵系統進出口甲烷濃度基本未失真，其氣密性明顯優于GAST 活塞泵；從結構設計考慮，KNF 隔膜泵結構小巧，更符合移動使用的要求。所以選KNF 隔膜泵為正壓輸氣的原型泵。

2.2 隔膜泵的優點

隔膜泵是容積泵中特殊的一種形式，主要由曲柄連桿機構、柱塞、液缸、隔膜、泵體、吸入閥和排出閥等組成，按其所配執行機構使用的動力，可分為氣動、電動、液動3 種[10]。電動隔膜泵是利用電驅動柱塞兩端的隔膜前后往復運動，在隔膜泵2 個對稱工作腔內隔膜鼓動改變工作腔內容積，使得單向球閥交替開關，使介質循環往復地吸入和排出。

表4 活塞泵和隔膜泵不同連接方式下性能參數Table 4 Performance parameters of piston pump and diaphragm pump under different connection modes

隔膜泵的隔膜片具有良好的柔韌性和耐腐蝕性，密封性能較好，克服了活塞泵的活塞密封元件易磨損的缺點，較容易達到無泄漏運行[11]。隔膜泵具有活塞泵壓高、堅固耐用、結構簡單的優點，成為輸送氣體介質的新一代往復泵。

2.3 正壓泵設計

以KNF 隔膜泵為原型，通過以下技術路線仿制開發自主產品泵：測繪原泵基本尺寸→繪制泵3D尺寸→繪制泵帶公差的2D 尺寸→配防爆電機→修改尺寸→加工。

通過解剖原型泵分析其工作原理及技術重點，發現氣室容積、氣室長徑比和曲柄兩端軸承安裝座同軸度是分別影響采氣量、壓力和機械噪聲的關鍵因素，所以，對原型泵的殼體、曲柄、連桿和氣室進行三坐標測量儀掃描，獲取準確的原始數據。泵座，曲柄軸，連桿，氣室設計是正壓泵的關鍵工藝點，尤其氣室設計的精度直接影響泵的整體性能，它的主要功能是合理分隔為抽氣室，排氣室和壓變室，同時配合閥片實現各氣室的單向功能，所以氣室間、單向閥與氣室需要有較好的氣密性。

設計時，采用CATIA 軟件逆向設計，同一零件多次掃描獲得數據，經過縫合成相應數據再進行后續處理，關鍵位置尺寸逆向成功后與實物進行對比修正，零部件設計完成后裝配模擬、驗證和調整。

3 正壓輸氣泵性能試驗

在2 種狀態下測試研制的正壓輸氣泵流量、壓力、穩定性和輸送氣體失真情況：①狀態1：正壓輸氣泵進氣端未接束管，正壓端連接5 000 m 束管；②狀態2：正壓輸氣泵進氣端接500 m，正壓端連接5 000 m 束管。狀態1 時正壓輸氣泵性能測試結果見表5，狀態2 時正壓輸氣泵性能測試結果見表6。

表6 狀態2 時正壓輸氣泵性能測試結果Table 6 Performance test results of positive pressure gas pump in the state 2

由表5 可知，正壓泵運行33 min 穩定后，出口端壓力為405 kPa，流量穩定在8.0 L/min；表6 可知，正壓泵運行40 min 穩定后，出口端壓力為255 kPa，流量穩定在3.1 L/min。綜合表5 和表6 數據分析，無論正壓泵進氣端有無束管，出口端與進氣端甲烷濃度值保持一致，輸氣時間遠低于市場上負壓束管系統所需時間。

4 結 語

1）經過理論估算和試驗驗證得到正壓輸氣小于負壓輸氣所需時間，正壓輸氣時間宜控制在宜選擇30～50 min，分析和試驗不同輸氣泵，得出隔膜泵的正壓輸氣性能具有優勢，成功仿制開發出自主火災束管監測正壓輸氣泵。

2）對研制開發的正壓輸氣泵樣品連接不同長度束管性能試驗，發現正壓泵出口端與進氣端甲烷濃度值基本一致，在一般使用條件下輸氣40 min 內性能穩定，從根本上解決了目前負壓火災束管輸氣泵易造成所檢氣體失真，輸氣時間較長的問題。