束管监测系统气体管路理论计算及实验验证.pdf

第 4 1卷 第 8期 2 0 1 5年 8月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a nd M i ne Aut o ma t i o n V0 1 ． 4 1 No ． 8 Au g ．2 01 5 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 8 0 0 6 5 0 3 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 5 ． 0 8 ． 0 1 6 邢震． 束管监测系统气体管路理论计算及实验验证[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 8 6 5 6 7 ． 束管监测系统气体管路理论计算及实验验证 邢震 。 1 ． 中煤科工集 团常州研究院有限公司，江苏 常州 2 1 3 0 1 5 ； 2 ． 天 地 常州 自动 化股份 有 限公 司 ，江苏 常 州 2 1 3 0 1 5 摘要 针对 目前束管监测系统对长管路的抽 气时间及泵的选择缺乏理论依据 ， 仅依靠经验判断而导致误 差较大的问题， 通过判别气体在束管管路 内流动状态， 计算 了束管管路的流导以及束管真空系统的有效抽速 及 抽 气 时间 ， 并 选取 3种 真空 泵 以及 4种 长度 的 管路 进 行 组合 实验 ， 验证 了理论 计 算 结论 的 准 确性 ， 进 而提 出束 管监测 系统 中气体 管路 和 泵的 选型 建议 。 关键词 柬管监测系统；气体管路 ； 真空泵；有效抽速 ； 抽气时间 中图分类 号 T D7 6 文献标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 5 ～ 0 7 3 1 l 5 3 4 网络 出版地址 h t t p ／ ／ ww w． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 5 0 7 3 1 ． 1 5 3 4 ． 0 1 6 ． h t ml The o r e t i c a l c a l c u l a t i o n o f g a s p i p e l i ne o f be a m t u be mo n i t or i ng s y s t e m a n d i t s e xp e r i me nt a l v e r i f i c a t i o n XI NG Zhe n ， 1 ． CCTEG Ch a n g z h o u Au t o ma t i o n I n s t i t u t e ，Ch a n g z h o u 2 1 3 0 1 5 ，Ch i n a ； 2． Ti a ndi Cha n gz ho u Au t o ma t i o n Co．，Lt d．，Cha n gZh ou 2 1 3 01 5，Ch i na Ab s t r a c t Fo r p r o b l e ms t h a t t h e c h o i c e o f p u mp i n g t i me a n d p u mp t y p e o f b e a m t u b e mo n i t o r i n g s ys t e m wi t h l on g g a s p i pe l i ne l a c ks t h e o r e t i c a l s u pp or t a n d o nl y d e p e n ds o n e x pe r i e nc e，S O a s t o l e a d l a r ge e r r o r ，f l o w c o n d u c t a n c e o f b e a m t u b e a n d e f f e c t i v e p u mp i n g s p e e d a n d p u mp i n g t i me o f b e a m t u b e v a c u u m s y s t e m we r e c a l c u l a t e d t hr o ug h d i s c r i m i na t i ng g a s f l o w s t a t e i n g a s p i pe l i ne ．Thr e e k i nd s o f v a c uu m pu m p a n d g a s p i p e l i n e wi t h f o u r l e n g t h we r e s e l e c t e d f o r c o mb i n a t i o n e x p e r i me n t t o v e r i f y a c c u r a c y o f t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n c o n c l u s i o n ．Ba s e d o n c a l c u l a t i o n a n d e x p e r i me n t r e s u l t s ，s u g g e s t i o n s f o r s e l e c t i n g g a s p i p e l i n e a nd pu mp i n be a m t u be m o n i t o r i ng s ys t e m a r e p ut f or wa r d． Ke y wo r d s be a m t u be mo ni t o r i n g s y s t e m ； g a s p i pe l i ne； v a c u um p ump； e f f e c t i v e pu m p i ng s p e e d； p umpi n g t i m e 0 引言 束管监测系统用于监测煤矿有 害气体 ， 特别是 煤矿 采空 区 自然发火 产 生的气 体成 分及其 浓 度 。该 系统 由分析 仪器 、 抽 气 泵 、 气 体 管 路 含 滤 尘 器 、 束 管分路箱 含滤水器 、 阀门等组成。气体管路末端 安装于采空 区， 通过抽气泵的负压作用， 将气体传输 到分析仪器进行分析 ， 因此可视为特殊的真空系统 。 气体管路通常较狭长 ， 即使是距离较短的井下隔爆 兼本质安全型束管监测系统 ， 其距离通常也不小于 2 0 0 0 m_ 1 ] ， 因此存在 2个 问题 ① 抽气 时间较长。 由于系统需要对多路 目前 国内中等系统 的监测路 数 不少 于 1 6路 ] 气 体管 路进 行切 换监 测 ， 且 不 是 自动在线检测 ， 因此需要掌握气体在管路 中从监测 点到末端传输所用的时间。若提前切换 ， 则采集的 监测点气体中含有上次抽取的残留气体 ， 影响本次 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 2 1 0 ； 修 回日期 2 0 1 5 - 0 6 1 0 ； 责任编辑 李明。 基金项 目 天地科技技术创新基金资助项 目 KJ 一 2 0 1 4 一 C Z GF - 0 3 ； 天地 常州 自动化股份有限公司科研项 目 1 3 S Y0 2 1 。 作者简介 邢震 1 9 8 7 一 ， 男 ， 山东l临沂人 ， 硕士， 助理工程师 ， 主要从事煤矿安全监测系统的研究 工作，E - ma i l 6 9 4 8 2 6 6 7 2 q q ． c o m。 6 6 工矿 自动化 2 0 1 5年 第 4 1卷 管 路气 体浓 度 判 断 ； 若 延 后 切 换 ， 则 浪 费 较 多 的 时 间 ， 不 利 于 对 采 空 区 气 体 的实 时监 测 。② 泵 的选 型。为了尽快将气体从井下抽到分析仪器 ， 往往选 用 抽气 能力 大 的泵 ， 但 是 泵 的抽 气 能 力 与 经 济 成本 成正比， 且选用功率较大的泵还存在用 电浪费问题 。 上述 2个问题 目前缺 少严格 的理论 支撑 ， 大多根 据经验确定 ， 误差较大。针对该问题 ， 本文对气体管 路中气体的流动状态及气泵 的抽气时间进行 了理论 计算 ， 实 现 了束管监测 系统设计 的理论 化 、 精确化 。 1 气体 管路 理论 计算 及设计 1 ． 1 气体 流动状 态判 别及 流导计 算 气体 沿 管 路 的流 动 状 态 主要 有 湍流 、 黏 滞 流 及 分子流 ， 不 同状态下气体各参数差别较大， 因此首先 需要对管路内气体的流动状态进行判别 。湍流一般 存 在 于系 统启 动 时 ， 且持 续 时 间 极 短 ， 故 不予 考虑 。 分子流出现于管路 内压力很低时 的高真空状态下 ， 故排除。气体管路长， 气体流速不大 ， 初步推断气体 流动状态为黏滞流。 气 体管 路 中气流 的雷诺 数 为 R 一 1 式 中 ∞为气体 流速 ， m ／ s ； d为气 体管 路 直径 ， m； p为 气体密度， k g ／ m3 ； 卵 为气体黏滞系数 ， k g ／ m s 。 计算 得不 同 管 径 下 气 流 的 雷诺 数 R 2 0 d L为气体 管路长 度 的管 路视 为长 管 。一般 情况下 ， 管 路 的入 口对 气 体的流动会产生影响 ， 但是长管可忽略这种影响。 若流 经管 路 的气 体 流 量 为 Q， 实 验 和 理 论 证 明 Q与管路进 口与出 口处的压差 Pi P 成正 比， 而与 其他 因素 无关 ， 即 QC P i P ， C为 比 例 常数 。 黏滞 流时 圆截 面长 管 的流量 ] Q 一 n d 4 Pu 2 由此 得 出流导 单 位 压 差 下 流 经管 路 的气 流 量 大小 U n一 l Z 8 r 一／ L P 3 式 中 P为气 体管 路 中的平 均压力 ， P a 。 经 查表 ， 2 O℃ 空气 的流导 为 U ． 2 0 ℃ 一 1 ． 3 4 1 0 。 T“ P 4 1 ． 2 气泵有效抽速及抽气时间计算 由真 空设 计 手 册 可知 ， 气 体 管 路 内部 各 处压 力 不等， 呈抛物线分布。距离抽气 口 处的压力为 P 一 x 一 X 2 5 式 中 q为真 空室 材料 出气 率 ， P a L ／ Sm ； z 为 气体管路截面周长 ， m； S为抽气 口处 的有效 抽速 ， L ／ s 。 抽气 口及 气 体 管 路 出 口处 的 压 力 分 别 为 P i q l L _ Q ，P _ PI 1 。 式 2 一 式 5 经 变换得 _ 5 P ／ 7rq L 2 6 根据 流 量 的定 义 ， 有 Q U P 一 P 7 气体 管路 出 口、 入 IS l 处 的流 量分 别为 Q 一S P S 。为泵 的抽速 ， Qi S P 。动 态平 衡 时 ， 流 经任 意 截 面的气 体流 量相 等 ， 有 1 一 Sp U ． 8 S ⋯ 由式 8 可知 ， 因束 管 监 测 系 统流 导 较 小 ， U S ， S ≈己 ， ， 有效 抽速 S受 到 管路 流导 的 限制 。 为 了 提高 泵 的有效 抽速 ， 必须 尽 可能增 大 管路流 导 ， 因此 应尽 可能 选用 管径 大 的管 路 。气体 管 路 确 定 ， 则 流 导就确定， 管路 的流导 U 远小于泵 的抽 速 S ， 则 U ／ S 远 小 于 1 ， 此 时 S ≈ C 。在 该 情 况 下 ， 无论 选 择多大功率的泵 ， 都无法提高泵对管路的有效抽速。 管 路 的抽气 时 间为I 6 一 2 ． 3 V 1 lg g t 9 式 中 为气体 管 路 的容 积 ， m。 ； P 为 t时刻 气 体 管 路 中的压力 ， P a ； P 为气体 管 路 中的初始 压力 ， P a 。 2 实验 验证 2 ． 1 实验 过程 在 实验 室环 境下 将 不 同性 能 的真 空 泵 编 号 为 A， B， C 与 不 同 长 度 分 别 为 5 0 0 ， 1 0 0 0 ， 1 5 0 0 ， 2 0 0 0 m 的单芯束管连接进行抽气 。在柬管进气端 通过释放体积分数为 2 的标准 甲烷气 体 ， 同时记 录气体开始释放的时间。真空泵出气端连接矿用甲 烷传感 器 进行 监测 ， 气 体 开 始 释 放 的 时刻 与 甲烷 传 感器监测到甲烷的时刻的差值记为该管路在 当前泵 作用下的抽气时间。压力传感器通过三通连接到气 体管路， 传感器通过安全监测 系统记录数据变化情 况 。实验设 备 连接 如 图 1 所示 。 2 0 1 5 年第 8期 邢震 束管监测 系统气体管路理论计算及 实验验证 6 7 标准 甲烷气体 安全监 测系统 图 1实 验设 备 连 接 2 ． 2 实验 结果 测 试 3台真 空 泵 空 载 时 的 真 空度 一 流 量 曲线 。 在泵的进气端连接流量计 ， 同时测量真空度， 记录不 同真 空度条 件 下 进 气 端 的 流 量 ， 结 果 如 图 2所 示 。 可 看 出在抽 气过 程 中 ， 真空 泵 的真空 度不 断减小 ， 流 量上升， 极限真空度越小 的真空泵 ， 其 抽气能力越 大 。根 据 图 2可 查找某 一 真空度 条件 下真 空泵 的实 际流量 ， 同时换算 出泵 的抽 速 。 a 真空泵 A b 真空泵 B c 真 空 泵 C 图 2 3台真空泵空载时的真空度一 流量 曲线 利用 3台真空 泵分 别对 4种不 同长 度 的单芯束 管进 行抽 气时 间测 量 ， 每 台泵 每条 管路测 试 3次 ， 结 果取平均值， 见表 1 。可看出管路长度一定时 ， 随着 真空泵抽气能力的增强 ， 抽气 时间基本一致。理论 计算 结果 表 明 ， 管路 流 阻极小 时 ， 泵 的有 效抽 速取 决 于管 路 的流导 ， 远小 于泵 的实 际抽 速 ， 与泵 的实 际抽 速关 系 很 小 ， 可 以 忽 略 。实 验 结 果 验 证 了该 结 论 。 同时 随着管 路长 度 的增 加 ， 泵 的 抽气 时 间加 长 。实 际测量 时 间均小 于 理论 计 算 时 间 ， 分 析 可 能是 由 于 气体管路在实验室测量过程 中出现了弯折等情况 ， 导致局部阻力变大 ， 影响了实验结果 ， 而理论计算时 间是在 理想 平 直条 件 下 得 出的 。实 际 应用 中 ， 气 体 管路安装受煤矿巷道等影响 ， 常出现弯折等情况， 因 此在计算实际束管监测时间时， 需考虑该误差 。 表 1 不同泵不 同管路的抽气时间与理论时间 3 结论 1 气体 管路 流 阻极大 ， 作 为 真空 系统 ， 所 能 达 到 的有效 抽速 极小 ， 通 常应 用 的真 空 泵抽 速 都 能 满 足束 管监 测 系统 的有 效 抽 速 ， 通 过选 择 大功 率 的 泵 来减 小抽 气 时间 的方 法 只 会 增加 经 济 成 本 ， 无 法 达 到预期 目标。 2 束管监测系统需要切换管路 ， 提 出的理论 计算公式对实际工程应用有一定参考作用 ， 使得在 设置时既能够尽快切换管路 ， 又避免提前切换， 从而 实现 对气 体及 时有 效 的监测 。 3 有 必要继 续研 究管 路 堵塞 、 漏 气 位置 检测 ， 以及工程应用 中因弯折等造成的局部阻力的精确计 算 ， 以更 有效 地指 导实 际应用 。 参 考 文 献 [ 1 ] 吴 兵 ， 雷柏伟 ， 彭 燕 ， 等． J S G4井下 型火灾 束管 监测 系 统 的开发[ J ] ． 矿业安全与环保 ， 2 0 1 3 ， 4 0 5 4 8 5 1 ． E 2 ] 邵 和 ， 周 福宝 ， 李金 海 ， 等．矿 井火灾 束管监测 系统存 在 问 题 分 析 及 解 决 对 策 [ J ] ．煤 炭 工 程 ， 2 O l O 3 80 - 82 ． E 3 ] 薛 毅 ， 邬剑明 ， 王俊峰． 矿井 自燃火 灾束管监测 系统应 用 研究[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 4 ，4 0 4 1 0 2 1 0 4 ． [ 4 ] 巴德纯 ， 达道安 ， 张世伟． 真 空工程 技术 [ M] ． 北 京 化 学 工业 出 版 社 ， 2 0 0 6 ． E 5 ] 王定贤 ， 白国云 ， 杨丹 ， 等． 长管路抽真空的理论分析 与 实验研 究[ J ] ． 真空 ， 2 O l 1 9 4 5 4 7 ． E 6 ] 王晓东 ， 巴德纯 ， 张世伟 ， 等． 真空技术 E M] ． 北 京 冶金 工 业 出 版 社 ， 2 0 0 6 ．