快速关闭阀在煤矿安全领域应用研究

天地（常州）自动化股份有限公司 朱承建

1.前言

低浓度瓦斯接近燃烧爆炸浓度极限，出于安全性考虑，以往都将其排空，现在看来这种方式不符合国家节能减排及循环经济的发展思路。近年随着低浓度瓦斯发电技术的不断发展，以及国家逐步对环保意识、能源循环利用理念的加强，对减少温室气体排放项目都进行政策扶植，尤其在《国家发改委印发煤层气（煤矿瓦斯）开发利用“十二五”规划》后，导致煤矿企业对低浓度瓦斯的利用产生了较高积极性，纷纷上马低浓度瓦斯发电机组。这样低浓度瓦斯在管道输送的安全保障需求大大提高。低浓度瓦斯即使不利用，在排放、输送和抽采过程同样存在重大安全隐患，一旦瓦斯燃烧出现回火，火焰就有可能沿着管线传播，另外利用端可能产生火源会使整个管路中的瓦斯气体也处于非常危险的状态，严重危及输送管网及矿井的安全。《AQ_1076-2009煤矿低浓度瓦斯管道输送安全保障系统设计规范》基本规定：在煤矿低浓度瓦斯管道输送系统中，靠近可能火源点（发电机组、排空管、自燃和易自燃煤层采空区抽瓦斯管入口等）应设置安全保障措施，保障管道输送安全。

2.低浓度瓦斯管道输送安全保障系统解读

煤层气（煤矿瓦斯）利用范围不断拓展，广泛应用于城市民用、汽车燃料、工业燃料、瓦斯发电等领域，煤矿瓦斯用户超过189万户，煤层气燃料汽车6000余辆，瓦斯发电装机容量超过75万千瓦，实施煤矿瓦斯回收利用CDM项目60余项。低浓度瓦斯发电开始推广，风排瓦斯利用示范项目已经启动。“十一五”期间，累计利用煤层气（煤矿瓦斯）95亿立方米，相当于节约标准煤1150万吨，减排二氧化碳14250万吨。[1]

随着低浓度瓦斯发电技术的发展，使得煤矿利用低浓度瓦斯的积极性高涨，目前全国已安装数百套瓦斯发电机组，其中不乏利用浓度低于30%的瓦斯，存在安全隐患；低浓度瓦斯即使不利用，在排放、输送和抽采过程同样存在重大安全隐患；因而国外基本上不抽低浓度瓦斯，而我国近期内难以做到；因而，研究低浓度瓦斯抽采、输送、利用、排放环节的安全保障技术并形成系列标准能有效规范低浓度瓦斯抽采、排放、输送和发电利用各环节的安全行为，促进瓦斯抽采利用产业的迅速发展，提升中国节能减排的技术水平。国家安全生产监督管理总局于2009年12月发布《AQ 1076-2009煤矿低浓度瓦斯管道输送安全保障系统设计规范》、《AQ 1073-2009瓦斯管道输送自动阻爆装置技术条件》中规定，“瓦斯发电用低浓度瓦斯管道输送安全保障设施应安设阻火泄爆、抑爆、阻爆三种不同原理的阻火防爆装置”，“阻爆装置应选择自动阻爆装置”；阻爆阀门距离火焰探测点不小于30m。阻爆装置安装位置如图1所示。[2]

图1 瓦斯发电利用系统安全设施安装示意图

图2 管道火焰传播速度图[3]

根据以上规范要求管道阻爆装置主要安装于瓦斯（或其它易燃易爆气体）输送管道系统中，及时阻断火焰蔓延，保证无火支管路及主要管路的安全。传感器响应时间小于5ms，阻爆装置响应时间小于90ms，控制器响应时间小于20ms。

根据西安科技大学蔡周全教授的瓦斯爆炸火焰传播速度研究，在500－700管径内火焰在30米以下最高速为200m/s，随着距离的增大而传播加快，30米之内火焰传播时间为150ms，据此AQ 1076规定阻爆装置的整体响应时间不大于100ms，取33%的余量。

3.快速阻断阀原理分析

如图3所示，液压式快速阻断阀采用液压原理，利用蓄能器进行储压，电磁阀的换向实现3态工作方式，即慢速开关，快速关闭；液压原理图如下图所示，其中YV1YV2为慢速开关电磁阀，YV4为快速电磁阀，QE2为快速插装阀，由YV4控制，YV3为保压阀。液压式快速阻断阀应用于热电厂汽轮机组，水力发电机组，化工输送管道等多个不同需要快速阻断的领域。执行机构配有蓄能器，液压控制系统采用蓄能器实施快关。电机泵为间歇工作，压力低于设定低压值时电机泵启动；压力高于设定高压值时电机泵停止。为了保证控制阀有足够的通流能力，保证快关时间，采用了两个大通径锥阀（快速插装阀）来实现阀门的快关控制。在液压控制系统中，电磁阀接受换向信号，控制蝶阀实现开关动作。[4]

液压快关阀由油箱、电机、泵、电磁阀、蓄能器、插装阀、溢流阀以及执行机构油缸组成，油缸的线性运动带动阀门的圆周开关动作。电机泵往蓄能器里面充压，正常工作（慢速开阀、关阀、快速关阀）由蓄能器补压，电磁阀的换向决定是油缸的正向反向运动，当由上图中YV2电磁阀工作时，为慢速开关阀状态，当由上图中YV4工作时，则为快速关闭状态。快慢速工作状态的区别时，慢速动作时直接由电磁阀导通，油路通过；快速动作时是电磁阀作为先导阀先打开插装阀，由插装阀导通油路，实现油缸进油腔的快速进油，回油腔的快速回油。电磁阀的通径为2-5mm，而插装阀的通径为25-40mm，油路通径的不同决定了油缸油杆动作的快慢不一致。

据此我们可以认定液压快关阀的速度决定因素包括蓄能器的蓄压、插装阀与油路软管的通径匹配，当然还包括液压油、油路软管的耐压性，油路通道的流体平稳度等因素。根据以上猜测，我们做了以下实验工装进行校验。

选择试验工装，其中蓄能器的出口、插装的口径以及液压缸的油口口径为￠25mm，油管为￠32mm，液压油路软管采用耐压25MP。通过电机给蓄能器的充压，改变压力值，观察液压站与阀门的关闭时间。为实现对时间的精密捕捉，我们采用1000帧高速摄像机，每一帧对应1秒钟时间，观察信号发出时间，阀门开始动作时间以及阀门完全关闭时间点，从而获得压力与快关阀的速度对应关系。

表1 不同压力下快关阀的速度时间

图4 试验工装

测试的结果表明随着压力的增大，液压站的工作时间在逐步缩短，但是阀体动作时间整体变化不大，由于液压站动作时间的缩短，装置时间在逐步变小，但是蓄能器工作压力到达一定值后带来的整体时间不再有明显变化。该试验验证了蓄能器工作压力与快关阀响应速度的对应关系，从而表明通过增大蓄能器的工作压力，可以实现液压快关阀的速度提高。

通过以上的试验说明单纯从提高压力已经不能满足缩短阀门关闭时间的需求，同时液压站的液压元件的耐压已经到了一个相对极限，为此我们考虑从机械液压上做工作。

要想继续提高阀门的关闭速度，必须从两个方面着手，一个是液压站的工作时间，一个是液压缸的时间。为实现液压站的时间，我们将液压快关阀的所有液压设备的耐压等级提高至31.5MPa，选择性能更加优异的原装进口插装阀，减少快关电磁阀先导插装阀的时间。为实现液压缸的时间，我们采取减少液压缸容腔，将带动阀门关闭的油缸容积降低到原有容积的2/3，流经液压缸的液压油时间可以缩短1/3。通过上述的改变，可以得到液压站与液压缸两边均有10－20ms的提高，基本达到了瓦斯发电用低浓度瓦斯管道输送安全保障设施中阻爆装置的时间要求。

4.结语

根据以上分析我们可以得出，采用现有在水电化工领域已经得到使用的液压快关阀，提高现有液压快关阀的快关速度，选择满足煤矿煤安要求电气设备，可以应用于煤矿安全领域

液压快关阀中电气设备包括电机、电磁阀均有对应的煤矿用防爆电机、矿用煤安电磁阀可以替代，通过测试比较，选择矿用电磁球阀的响应时间要高于电磁滑阀。液压系统中通过选择合适蓄能压力、插装阀、油路通径可以有效实现提高阀门关闭速率。

[1]国家发展与改革委员会文件.国家发展改革委关于印发煤层气(煤矿瓦斯)开发利用"十二五"规划的通知.发改能源[2011]3041号.

[2]国家安全生产监督管理总局.AQ1076-2009煤矿低浓度瓦斯管道输送安全保障系统设计规范[S].2009,12.

[3]胡千庭.低浓度瓦斯输送安全保障技术[J].2009,9.

[4]沈阳东北电力调节技术有限公司.电液控制快速关断阀说明书KGF20/40-F-T-A[S].