基于水锤防护的矿井水安全排放控制系统研究

发布时间：2017-09-03 00:11

  本文关键词：基于水锤防护的矿井水安全排放控制系统研究

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【摘要】：长距离、高扬程的排放系统在许多领域已得到了广泛的应用。随着深部开采技术的发展,矿井排水系统对安全生产的影响越来越大,严重的水锤问题将导致泵房设备被摧毁、泵房被淹没、人员伤亡等重大安全事故。尤其在具有长距离、高扬程、管道布置复杂的煤矿矿井水排放系统中,水锤的影响尤为重大。抢险救援矿井水排放过程中若发生水锤事故,后果不堪设想。国内外对水锤防护的研究取得了丰富的成果,对矿井水排放系统的发展有很大的推动作用。但是对于狭小空间内的矿井水排放系统,目前主要采用加大安全系数的方法来保证排放系统的安全,水锤造成管路振动和冲击,长期积累存在安全隐患,特别是实现自动化控制或无人值守的自动矿井水排放系统,水泵的启停控制与矿井水排放通断闸阀的开关控制就成为关键环节。本文在分析泵房正常排水、应急强排和救援排水三个工况的安全运行的基础上,采用水锤防护理论、案例和试验相结合的方法,为解决长距离、高扬程、管道布置复杂煤矿矿井水排放系统水锤问题,提出了基于液控闸阀速度调节的矿井水排放系统水锤防护方法,并构建了矿井水安全排放系统的控制体系。(1)分析正常排水、应急强排和救援排水三种排放方式的基础上,对矿井水排放控制系统水锤问题进行研究,针对狭小空间内矿井排水系统关阀停泵水锤的防护问题,提出基于液控闸阀速度调节的矿井排水系统水锤防护方法,最优关阀序律和速度控制就成了解决水锤问题的关键。(2)通过研究矿井水排放管路水锤产生与水锤波动过程,基于特征线法建立水锤波动数学模型,研究了矿井排水系统水锤控制的边界条件,构建了最优阀调节的单纯形模型,结合基于简单搜索的最优阀调节决策寻优方法和动态规划的阀门速度调节搜索算法,求解出多阶段阀最优调节序律。以朱家店煤矿为例,寻优得出最优阀调节策略为两阶段变速关阀,即在关阀行程前2/3内,以0.01m/s的速度匀速关阀;在关阀行程后1/3内,以0.01m/s的初始速度进行匀减速关阀,关阀总时间为44s。相比匀速关阀结果,最优序律变速关阀水锤压力幅值减小约50%。(3)基于最优阀调节理论分析的基础,设计了阀控防水锤系统的控制方案和实现流程,并以现场工况为例,对阀门的不同关闭序律导致的管路振动、压力、流量等参数进行了试验测试研究,得出改造前管路加速度x、y、z轴幅值是采用最优决策序律关阀加速度位移幅值的5、9.17、7.67倍,匀速关阀的最大冲击压力为4.87mpa,变速关阀的最大冲击压力为3.47mpa,多阶段变速关阀过程数值计算数据与试验数据比较吻合,误差在5%内,验证了最优阀调节防护水锤的有效性及数值计算结果的正确性。(4)为了实现基于水锤防护的矿井水安全排放控制,设计了矿井水安全排放控制系统四个主要模块:防水锤电动液控闸阀、水泵房流量监测、总线通讯及无线信号传输、负压控制阀。考虑到矿井工况复杂对流量信号干扰强烈的因素,提出了一种lwt-g-flp的去噪算法,提高信号采集精度。本文研发的技术与控制策略,在离柳集团吕梁中阳县朱家店煤矿和长治山煤集团的经坊煤矿实施后,管道的振动情况均得到了明显改善。排水管路振动位移的防水锤效率提高了60%以上,基本控制在10mm范围,水锤造成的升压值减小67%以上。本文提出的安全合理防水锤控制策略和开发的电液联控管道通断防水锤技术,为矿井水的安全排放提供了理论依据和技术支撑。
【关键词】：矿井安全排水 水锤现象 液控闸阀 调节决策 信号去噪
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD636
【目录】：

• 摘要3-6
• ABSTRACT6-15
• 第一章 绪论15-29
• 1.1 课题背景和意义15-17
• 1.2 矿井水排放现状17-21
• 1.2.1 矿井水来源17-18
• 1.2.2 井下自动矿井水排放系统组成18-19
• 1.2.3 矿井水排放现状及存在问题19-21
• 1.3 矿井水排放管道水锤问题研究概况21-24
• 1.3.1 国外研究概况21-23
• 1.3.2 国内研究概况23-24
• 1.4 国内外阀调节相关问题的研究现状分析24-26
• 1.4.1 国外研究进展24-25
• 1.4.2 国内研究进展25-26
• 1.5 研究内容及技术路线26-29
• 1.5.1 研究内容26
• 1.5.2 技术路线26-29
• 第二章 矿井水安全排放方式及水锤问题分析29-39
• 2.1 矿井水安全排放方式及控制系统29-36
• 2.1.1 泵房正常排水29-32
• 2.1.2 应急强排水32-33
• 2.1.3 救援排水33-34
• 2.1.4 矿井水安全排放控制系统34-36
• 2.2 矿井水排放过程水锤防护问题分析36-38
• 2.3 本章小结38-39
• 第三章 基于特征线法水锤防护机理研究39-61
• 3.1 矿井水排放管路水锤产生过程分析39-43
• 3.1.1 闸阀关闭时管路水锤产生过程分析39-41
• 3.1.2 矿井水排放管路中水锤瞬变过程分析41-43
• 3.2 水锤波动过程理论43-46
• 3.2.1 水锤波动过程数学模型43-44
• 3.2.2 基于特征线法的水锤波传播和叠加建模44-46
• 3.3 关阀过程水锤波动分析46-49
• 3.3.1 关阀时水锤在管道中波动46-47
• 3.3.2 考虑线性摩阻时管路水激波波传播47-49
• 3.4 最优阀调节决策寻优方法49-54
• 3.4.1 边界条件49-50
• 3.4.2 基于简单搜索的最优阀调节决策寻优方法50-51
• 3.4.3 基于动态规划的阀门速度调节搜索算法51-54
• 3.5 阀控调节最优序律寻优54-60
• 3.5.1 现场工况54-55
• 3.5.2 模型建立55-56
• 3.5.3 阀控调节过程数值模拟计算56-59
• 3.5.4 结果分析59-60
• 3.6 本章小结60-61
• 第四章 阀控防水锤控制系统试验研究61-77
• 4.1 阀控防水锤控制系统设计61-63
• 4.1.1 防水锤系统控制方案61-62
• 4.1.2 阀控防水锤控制系统流程62-63
• 4.2 水锤试验测试方案63-66
• 4.2.1 传感器的布置63-64
• 4.2.2 信号采集64-66
• 4.3 试验前后实测结果比较66-73
• 4.4 试验测试结果分析73-76
• 4.5 本章小结76-77
• 第五章 矿井水安全排放控制系统主要模块开发77-107
• 5.1 基于水锤防护矿井水安全排放控制系统总体方案77-78
• 5.2 可控防水锤电液闸阀开发与研究78-83
• 5.2.1 可控防水锤电液闸阀结构设计78-80
• 5.2.2 可控防水锤电液闸阀液压系统仿真研究80-81
• 5.2.3 电液闸阀控制电路设计81-82
• 5.2.4 可控防水锤电液闸阀实验82-83
• 5.3 流量监测技术开发与设计83-93
• 5.3.1 矿井水泵房流量监测方案研究83-84
• 5.3.2 超声波流量传感器的设计84-87
• 5.3.3 性能试验87-93
• 5.4 负压控制阀开发与研究93-99
• 5.4.1 射流泵及工作原理93-94
• 5.4.2 控制阀对抽真空过程的影响94-95
• 5.4.3 控制阀设计95-97
• 5.4.4 负压控制阀性能试验97-99
• 5.5 总线通讯及无线信号传输99-105
• 5.5.1 以太网103规约在矿井水排放自动化系统中应用99-102
• 5.5.2 矿井水排放自动化系统通信过程实现102-103
• 5.5.3 信号无线传输实现103-105
• 5.6 本章小结105-107
• 第六章 工业应用研究107-117
• 6.1 基于水锤防护的泵房无人值守控制系统107-111
• 6.1.1 离柳集团吕梁中阳县朱家店煤矿107-109
• 6.1.2 长治山煤集团的经坊煤矿109-111
• 6.2 应急强排控制系统111-113
• 6.3 救援矿井水排放系统试验113-116
• 6.3.1 应急移动矿井水排放车113
• 6.3.2 串联矿井水排放实验113-116
• 6.4 本章小结116-117
• 第七章 结论与展望117-119
• 7.1 研究工作总结117-118
• 7.2 主要创新点118
• 7.3 研究展望118-119
• 参考文献119-129
• 致谢129-131
• 攻读学位期间参与的科研项目及发表的论文131

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