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瓦斯泵
第五篇煤矿抽放瓦斯设备
煤矿瓦斯抽放是一种处理井下瓦斯的措施。
它利用瓦斯泵对煤体中瓦斯的负压抽吸作用,将瓦斯通过抽吸管抽放至地面,一般情况下再利用瓦斯泵的正压鼓风作用将瓦斯通过输气管路压送至储气罐再送至用户进行利用(作为燃料可供民用和驱动机械,还可作为炭黑、甲醛及其它化工产品的重要原料)。
其系统可用下面的方框图表示。
对于以通风方式难以解决瓦斯问题的矿井或工作面,就应当考虑瓦斯抽放。
瓦斯抽放的难易程度取决于两个方面:
一是煤层瓦斯压力(瓦斯抽放势能):
二是煤层的透气性(瓦斯通过煤层的阻力)。
压力越高,透气性越好,瓦斯越容易抽放。
抽放瓦斯最常用的工艺方法是钻孔预抽法,该法是在开采层巷道中,每隔30m作一个深度为6~7m(最大不超过10m)的小石门,作为专打抽放瓦斯钻孔的钻场。
在每个钻场内向开采煤层或上下相邻煤层打钻孔(一般3~5个,钻孔直径一般为70~100mm),将各钻场封闭,并用分支管把各钻场接入抽放系统的主管路中,用地面固定瓦斯抽放泵站的瓦斯泵将瓦斯抽出。
如图0-1所示。
图0-l钻孔法抽放开采煤层的瓦斯
1—煤层;2—钻孔;3—钻场;4—运输大巷;5—密闭墙;6—抽瓦斯管道
瓦斯抽放对煤矿生产至关重要,只有熟悉煤矿瓦斯抽放设备的结构、原理,正确使用,合理维护,才能确保矿井瓦斯抽放系统的效能。
本篇将介绍这方面的知识。
第十四章矿井抽放瓦斯泵的工作理论
第一节 概述
矿井抽放瓦斯泵(简称瓦斯泵)是矿井抽放瓦斯的动力设备。
目前我国最常用的瓦斯泵是水环泵。
水环泵乃水环真空泵和水环压缩机的统称,是一种输送气体的流体机械。
水环真空泵和压缩机的结构和工作原理相同,其区别仅在于用途不同。
作真空泵时入口接系统,并造成一定的真空度,被抽吸气体经泵内加压至大气压力后排至大气中,因而真空泵排出端为大气条件;作压缩机时自大气条件吸气,经泵内压缩到一定压力后排入与泵出口相接的系统内,因而压缩机的入口为大气条件。
实际上水环泵用于煤矿抽放瓦斯时,其入口、出口均与瓦斯管路连接,借其真空特性抽吸煤体中瓦斯,借其压缩特性再将瓦斯压入地面输气管路,供给用户。
所以,它既作真空泵用,又作压缩机用。
水环泵既可以做为固定设备放在煤矿瓦斯抽放泵房,与其它附属件组成地面矿用固定瓦斯抽放泵站,用于全矿井采用钻孔预抽法抽放井下煤层钻孔钻场里的瓦斯;也可以做为矿用移动式瓦斯抽放泵站使用,用于煤矿井下硐室或巷道、采空区、隅角或邻近层及本煤层等的瓦斯抽放。
无论是地面矿用固定瓦斯抽放泵站,还是井下矿用移动式瓦斯抽放泵站,其主要设备都是水环泵。
第二节水环泵的工作原理和工作参数
一、水环泵的工作原理
水环泵有单作用式和双作用式两类。
(一)单作用水环泵工作原理
图14-1单作用水环泵结构示意图
1—吸气孔;2—水环;3—泵体;4—叶轮;5—进气口;
6—排气口;7—排气孔;8—侧盖;9—泵轴
图14—1为单作用水环泵结构示意图。
叶轮4由叶片和轮毂组成,两者为整体浇铸或焊接结构。
叶片有前弯的,也有径向直板状的。
泵体3内部有一个圆柱形空间,叶轮偏心地装入这个空间内,两端用侧盖8封住。
侧盖七开有吸气孔1和排气孔7,它们分别与泵的进气口5和排气口6相通。
水环泵工作前需向泵内注入一定量的工作液体(一般用水)。
当叶轮通过泵轴在电动机带动下旋转且达到一定转速时,泵内工作液体在叶片推动下一起旋转,并因离心力作用甩向四周,在泵体内壁与叶轮之间形成一个旋转水环。
水环内表面和叶轮轮毂表面及两端侧盖之间形成一个月牙形空间,它被叶片分成若干个容积不等,互不连通的封闭小室(又称基元容积)。
每个小室随叶轮一起旋转,作周期性地扩大和缩小。
见图14-2所示,吸入侧小室容积逐渐增大,气体经吸气孔被吸入到小室中。
当这些小室转到排气侧时,其容积又逐渐减小,吸进的气体被压缩,压力升高。
当气体被压缩到一定程度时经排气孔排出。
这祥,叶轮每旋转一周,各小室完成吸气、压缩、排气过程各一次,故称单作用式。
相应可将
水环泵的工作空间分为吸气区、压缩区和排气区。
如图14—3所示。
以上只是从现象说明水环泵的工作过程,但未揭示出物理本质,亦即能量传递过程。
水环泵的能量传递是以工作液体为媒介进行的。
从上述分析可知,每个小室中的液体时而远离叶轮,时而靠近叶轮,尤如一个液体活塞在小室中作往复运动。
图14—3中吸气区(Ⅰ区)工作液体自叶片得到机械能,并从叶片根部流向叶片外缘,使圆周速度增加,工作液体的动能增加。
在压缩区(Ⅱ区)和排气区(Ⅲ区)工作液体又逐渐流回到叶片根部,使圆周速度下降,工作液体的动能又转化为压力能,对气体进行压缩和排气。
由此可见,水环泵在整个工作过程中工作液体起着传递能量的作用。
工作液体除传递能量外,还起密封工作容积和冷却气体的作用。
水环泵工作时,必须不断向泵体内注入一定量的新液体,以补充随排气夹带走的液体。
(二)双作用水环泵工作原理
图14—4为双作用水环泵简图,在椭圆形泵体2的中心装有叶轮3,两者具有上、下双偏心。
环筒状分配器4装在叶轮轮毂中心圆孔内固定不动,两端与设有吸排气通道(分别和进、排气口1、6连接)的泵体侧盖连接。
分配器内、外环间分为四个间隔,对角线上的两个间隔借侧盖上气流通道连通,在外环壁上开吸气孔和排气孔,吸气孔口ab和ef,使上、下吸气区与进气口相通,排气孔cd和gh使上、下排气区与排气口相通。
图14—4双作用水环泵简图
1—进气口;2—泵体;3—叶轮;4—分配器;
5—水环;6—排气口;7—补水管
当泵体内注入一定量的水,叶轮在电动机带动下以足够的转速顺时针旋转时,因离心力作用,水被甩向外围,形成一个与泵体内表面形状一致的椭圆形旋转水环。
在水环内表面、叶轮轮毂及两侧盖之间形成上、下两个月牙形空间,由叶片分隔成若干密闭小室。
见图14—4,当某小室从a点起随叶片转至b点时,始终与吸气孔相通,容积由小变大,进行吸气,当从b点转向c点过程中,与吸、排气孔隔绝,容积由大变小,进行压缩;当从c点转向d点过程中,与排气孔相通,进行排气;同理,在转向下半周时,ef区间吸气,fg区间压缩,gh区间排气。
可见,对这种水环泵,转子每转一转,各封闭小室分别完成两次吸气、压缩、排气过程,故称为双作用式。
二、水环泵的工作参数
1.流量(Q)
水环真空泵的流量Q(又称抽气量或抽气速率)是指泵出口为标准大气状态(1.0133×105Pa)时,单位时间内通过泵进口在吸入状态下的气体容积,单位为m3/min;水环压缩机的流量(又称排气量)是指泵出口为标准大气状态时,单位时间内通过泵出口的气体容积,单位为m3/min。
2.压力(P)
水环压缩机的压力是指压缩机出口压力P,单位为Pa。
有时也用相对压力表示。
水环真空泵的压力是指抽吸气体(进气口)压力,有三种表示方法:
(1)以抽取状态的绝对压力P1表示;
(2)以真空度Pz表示,Pz=Pa-P1;
(3)以真空度的百分数(即Pz%)来表示,Pz%=Pz/Pa×100%。
3.功率(N)
水环泵的轴功率按等温压缩功率进行计算,即
(14—1)
式中:
——水环泵轴功率,kW
——水环泵理论功率,kW
——流量,m3/min
P1、P2——气体的吸气压力和压缩终了压力,用绝对压力表示,Pa;
——等温效率,最高为55%。
4.效率(
)
水环泵的效率指理论功率与轴功率的比值,即
图14—5 水环泵特性分析
第三节水环泵的性能曲线
一、水环泵的特性分析
水环泵的排出压力P2和吸入压力P1大小取决于泵本身结构和转速。
如图14—5,在吸气区内,各小室在增大过程中始终与吸气孔相通,保证了在吸气过程中最大限度地吸入气体(充分吸气),而小室一旦开始变小,则立即与吸气口隔开,对应的吸气口末端角为
x。
在压缩区内,工作液体的动能转化为压力能来压缩气体。
因被抽吸气体直接与水环接触,散热良好,故可以把对气体的压缩看成是等温压缩。
设开始压缩时的压力和容积分别为P1和V1,压缩区内某一位置上的压力和容积分别为P和V,则
PV=P1V1
则其压缩比
=P/P1=V1/V(14-1)
显然,随压缩角
的增大,液体不断压缩气体而做功,即工作液体将不断以叶轮获得的能量(动能)传给气体,使V减小,P升高,压缩比
随之增大。
当
增大至某一值
时,工作液体自叶轮获得的能量全部传给气体,至此达到临界状态,对应的压力为临界压力
,对应的临界压缩比
为
显然,要增大压缩比,流量必然减少,才能取得能量的平衡(即不能保证充分吸气)。
因而在临界位置
处开设排气孔,既能最大限度地利用液环能量,又不致使液环流动状态恶化。
由以上分析可知,对给定的水环泵在特定转速下运行时,临界压缩比是一个恒定值,亦即水环泵在充分吸气条件下对气体的压缩能力(或抽吸能力)是一定的。
然而,水环泵可能在不同的系统(不同吸入压力P1和排出压力P2)中工作,即水环泵实际工作的压缩比
可能不常在临界压缩比
下工作。
当
或在一定的吸入压力Pl时,泵的工作压力(排出压力)P2 或 ,自排气孔排出后又膨胀,压力降至出口工作压力P2。 这就产生了过压缩现象,使泵的能量损失增加,效率下降。 可见,消除过压缩现象是降低泵能耗、提高其效率的有效途径。 图14—6 时水环回流区 当 ;或P2= 时,气体至排气孔始端达到 或 ,其压缩终了压力与泵的工作压力相等,气体排出后,无需再膨胀,泵的效率最高,显然这是最理想的工作状况。 由于泵的理论流量(吸气量)与图14—5中AB断面积成正比关系,在 ≤ 情况下,水环工作状态不受影响,AB面积不变,所以泵的理论流量不变。 图14—7水环泵工作性能 随工作压缩比的增加,水环能耗增加,其圆周速度进一步降低。 当 或P2> 时,在水环压缩区终端靠近泵体区域,见图14-6中a区,首先出现水质点因圆周速度为零而滞止的情况,使后续质点运动受阻,造成质点堆积和压力升高,并在b区发生回流现象,使水环下部厚度增加,气流通道面积减小,导致泵吸气量减小,同时泵内能耗增加,效率下降。 随 的增加,水环回流区进一步扩大,气流通道面积进一步减小,流量进一步下降。 当水环回流占满下部气流通道时,流量等于零,效率亦等于零。 此时排出压力和吸入真空达到最大值(分别称为最大排出压力和最大吸入真空)。 以上分析结果见图14—7,图中实际流量线Q一 较理论流量线Qth— 低,是由泵本身泄漏和吸气开始时有可能膨胀所致。 二、水环泵的性能曲线 水环泵的性能曲线有四条,水环真空泵有: PZ-Q、PZ- 、PZ-N、PZ-q(q为单位时间内的耗水量),见图14—8;水环压缩机有: P-Q、P- 、P-N、P-q,见图14—9。 水环泵性能曲线是在大气压力为1.013×105Pa、气体温度为20℃、空气相对湿度为70%、工作水温为15℃条件下实验得到的。 当使用条件与上述实验条件不一致时,应对性能曲线按气体状态方程进行换算或修正。 对于同一台水环泵,当转速在额定转速的±10%范围内变化时,其流量和轴功率按下式换算 = (14-5) (14-3) 图14—9水环压缩机性能曲线 当转速变化较大时,因效率的变化,上式不再适用,应通过实验确定。 第十五章 水环泵的结构 第一节水环泵的结构 一、SZ型单作用水环泵 图15—1为SZ—3(4)型水环泵结构图。 前弯叶片的叶轮8用键11与泵轴9联接,两端用轴套5和15定位并用螺母3顶紧构成泵转子部分。 转子偏心地装于泵体10内并由联轴器与电动机联接,轴的两端用滚动轴承支承。 泵体两端用左、右侧盖13和7封住,侧盖(参见图15—2)内腔用隔板分为吸气腔和排气腔,分别与吸、排气口连通,在靠泵体一侧壁上开有吸气孔和排气孔,勾通泵内工作容积和气腔的气流通道。 为防止外界大气进入泵内和泵内气体泄漏,在轴套与填料箱6之间装有填料14,并用压盖4压紧。 进水管16与气水分离器或其它外部水源相接,向泵内补水。 水封管12向填料箱引水,对填料箱起润滑、冷却和密封作用,同时对间隙A密封。 图15—2表示出了侧盖的结构。 侧盖上小孔5是为防止过压缩而设置。 当泵内气体未进入排气状态而压力р超过排气口内压力р2(系统压力)时,橡皮球因压力差作用而变形,小孔与排气孔连通,使泵内压缩区气体提前排气,从而避免了过压缩现象。 二、2BEC型单作用水环真空泵结构 图15—2SZ型单作用水环泵侧盖及小孔 1—进气口;2—排气口;3—吸气孔;4—排气孔;5—小孔;6—侧盖;7—压板;8—橡皮球;9—隔板 如图15—3所示,该系列泵采用单级单作用的结构形式,泵由泵体、叶轮、前后端盖(二件)、前后分配器、轴、前后轴承部件、阀板部件等组成。 轴偏心地安装在泵体中,叶轮与轴为过盈配合,泵两端面的总间隙由泵体和分配器之间的垫来调整,在装配时由前端定位来首先确定单面间隙,叶轮与分配器端面间隙的大小对气体的泄漏(排气腔向吸气腔的泄漏)有圈套的影响,因而装配必须予以保证,对于叶轮的直径大于500mm泵,单面控制在0.25~0.35之间,两端总间隙为0.5~0.7之间。 填料装在两端盖内,密封液经由端盖中的孔进入填料室,以冷却填料及加强密封效果。 当采用机械密封时,机械密封安装在填料室腔,填料压盖换成机械密封压盖。 图15—32BEC40~72型单作用水环真空泵结构图 1—排气阀板部件;2—轴承座;3—轴承;4—前泵盖;5—前分配板;6—泵轴;7—泵体;8—叶轮; 9—后分配板;10—胶密封垫;11—后泵盖;12—填料;13—填料压盖;14—轴套;15—气水分离器 在前后分配器上均设有吸、排气月牙形孔和椭圆形排气孔,并安装有阀板部件,阀板的作用是当叶轮叶片间的气体压力达到排气压力时,在月牙形排气口以前就将气体排出,减少了因气体压力过大而加大功率的消耗。 三、SK型双作用水环泵结构 图15—4为SK型双作用水环泵结构图。 由叶轮2和泵轴3组成的泵转子安装在椭圆形泵体l内,轴两端用轴承箱8支承,通过联轴器与电动机出轴联接。 左、右分配器7、6分别套装在泵轴两侧,其内端伸入叶轮轮毂内孔中,另一端借法兰盘与封闭泵体两侧的左、右侧盖5、4固定在一起。 左、右侧盖,左、右分配器及泵体构成了泵的定子。 侧盖内有两层空腔a和f,分别和泵的进、排气口(进、排气口在泵两侧,图中未画出)相通,分配器上的吸气通道b又与侧盖a腔相通,其排气通道e和侧盖f腔相通。 这样构成泵的进气路线为 泵进气口→侧盖a腔→分配器b腔→泵内吸气区c腔 泵的排气路线为 泵内排气区d→分配器e腔→侧盖f腔→泵排水口 该泵上方进水管10用于启动前向泵内注水或运转中向泵内补充水。 此外。 泵体上还有一回水管12(图15-5),它的作用是将水环外部压力水引向分配器左、右两侧,使双偏心的上、下工作腔隔开,起到密封作用,以防防相互窜气。 四、2YK—110型双作用水环式真空泵的结构 常用的国产双作用水环式真空泵还有2YK-110和兼作压风机使用的2YK-27A两种型号,由于两种真空泵的结构相似,故只介绍2YK—110型真空泵的结构。 图15-6为我国生产的双作用2YK—110型液环式真空泵结构剖面图,本型泵由下列几个主要部分组成。 1.转子 将叶轮2预先加热,然后套入泵轴3组装而成为真空泵的转子,它对称地安装在具有2个偏心半圆形内腔的泵体1中。 2.分配器 分配器有前分配器4和后分配器9,分别装在叶轮两侧内孔和泵轴的前、后端(有传动轮的一端为前)。 图15—4SK型双作用水环泵结构图 1—轴承箱;2—放水管;3—填料箱;4—右侧盖;5—右分配器;6—泵轴; 7—叶轮;8—泵体;9—左分配器;10—进水管;11—左侧盖 3.泵盖 泵盖有前盖5和后盖10,分别装在前、后分配器及泵体的两端。 4.填料箱 在前、后端盖的泵轴伸出处分别装有2个填料箱,在填料箱外部分别装有轴承箱,包括前、后轴承架6及12;前、后轴承盖7,8及13,14和前端的双列球面滚子轴承36;后端的单列向心球轴承35等。 5.水管系统 此泵的水管系统有进水管24,放水管25,回水管26。 回水管的作用是将泵内水环外部之水引向分配器两侧起密封作用,把吸气部分和排气部分隔开。 此型泵的结构和SZ型泵比较主要是在转子内部装有固定的分配器,前后分配器上分别有2个进气孔道和2个排气孔道,孔道的位置分别和水环所形成的新月牙形空间的进气、排气位置相对应,吸气孔道和端盖内层空腔相通,排气孔道和端盖外层空腔相通。 两端盖的内层空间和泵的吸气口相连,外层则和排气口相通(图中未标出,吸、排气口在泵体上)。 该泵采用三角带间接传动,从带轮端看泵为顺时针方向旋转。 在电机与泵之间,设有三角 图15—62YK-110型液环真空泵结构图 1—泵体;2—叶轮;3—泵轴;4—前分配器;5—前盖;6—前轴承架;7—前轴承左盖;8—前轴承右盖; 9—后分配器;10—后盖;11—纸垫;12—后轴承架;13—后轴承盖;14—后轴承右盖;15—填料垫; 16—填料环;17—轴套;18—圆螺母;19—圆螺母;20—止退垫圈;21—止退垫圈;22—螺塞; 23—填料压盖;24—进水管路;25—放水管路;26—回水管路;27—羊毛毡;28—纸垫;29—双头螺栓; 30—螺母;31—拆开螺钉;32—填料;33—压油嘴或通水封;34—旋盖黄油杯;35—轴承;36—轴承 带拉紧装置,以调整三角带松紧程度。 泵体上和填料箱两侧设有进水管路装置,水沿径向及侧面注入泵腔内,以补充水环水的消耗。 图15—7表示出了2YK-110型真空泵的性能曲线,由P—Q、P—N、P—η三条曲线组成。 真空泵的抽气量Q随着真空度PZ的增大(P1表示的绝对压力下降)而逐渐减少。 当P1小于21355Pa时曲线迅速下降至零,Q随P1的下降而减少的原因主要有下列几点: 图15—72YK-110型水环式真空泵性能曲线 (1)由于P1的减少,真空泵的压缩比Pa/P1增大,使泵腔内高压部分向低压部分的漏气量增多,因而使抽气量Q减少。 (2)真空泵中的水环随转子一起转动,有时处于吸气位置(低压区),有时处于压缩和排气位置(高压区)。 水环在高压区时溶解一部分气体,转到低压区时,水中气体有一部分将析出到吸气空间,P1愈小气体析出愈多,因而减少了从外面的吸气量。 (3)随着P1的降低,水环中会有较多的水蒸气进入吸气室,这也影响泵从外界吸气。 特别是当吸气室中的蒸汽压力等于P1时,真空泵就不能再从外界吸入空气,使吸气量降低为零。 真空泵的轴功率随着P1的减小而增大(因压缩比加大),所以,真空泵启动时,为了尽量减小启动功率,应使P1达到最大值(即吸气管通大气)。 真空泵的效率 在P1=98100N/m2时及Q=0时均为零,当P1=46468~52922Pa时, 达到最大值53.5%。 在现场真空过滤系统中使用2YK-100型真空泵达到的真空度为51632~58089Pa(相当于P1=46468~40015Pa)。 此时真空泵的效率为53.5%~51.2%,因之真空泵的效能得到了充分发挥,运转是合理的。 SZ型水环压缩机、SZ、SK及2YK—110水环真空泵的性能参数分别列于表15—1、表15—2、表15—3及表15—4。 表15-1 水环式压缩机性能表 型号 排气量(m3/min) 最大排气压力 MPa 耗水量 L/min 转速 n r/min 电动机 功率 kW 排气压力(MPa) 0.O5 0.O8 0.1 0.l5 SZ—1 SZ—2 SZ—3 SZ—4 SK—27A SK—42A 2YKA—30 1.O 2.6 9.2 26 25.25 39 29.2 2 8.5 20 24.47 33.2 29.1 1.5 7.5 16 22.65 24 29.1 3.5 9.5 19.30 28.6 0.1 0.14 0.2l 0.21 0.128 0.2 10 30 70 100 140 150 150 1460 1450 975 730 490 490 730 4.5 14 40 80 95 1l5 155 表15—2 SZ型单作用水环真空泵性能表 型号 最大抽气量(m3/min) 真空度(1.33×102Pa) 极限真空度% 转速r/min 耗水量 L/min 电动机 功率kW 0 -304 -455 -610 -685 SZ—1 SZ—2 SZ—3 SZ—4 1.5 3.4 11.5 27 0.64 1.65 6.8 17.6 0.4 0.95 3.6 11 0.12 0.25 1.5 3 0.5 1 84 87 92 93 1450 1450 975 730 10 30 70 100 4.5 lO 28 70 表15-3 SK型双作用水环真空泵性能表 泵型号 抽气量(m3/min)真空度(1.33×102Pa) 极限真空度 mmHg 转速 r/min 耗水量 L/min 电动机功率 kW O -300 -400 -450 -500 -600 760 460 360 3lO 260 160 SK—12 SK—27(2YK—27) SK—42 SK—60 SK—85 SK—120(2YK—110) SK一250 12 28 42 60 85 120 270 11.5 27.9 40.3 57.5 81.5 119.7 256.8 11.2 27.8 39.7 56.3 79.5 116.8 245.5 11 27 39.3 55 78 110 236 10.6 26.8 37.8 52.8 74.5 108.3 222.4 8.3 20.2 20 40 58.1 85.5 153.5 -700 -650 -870 -650 -650 -610 -633 970 490 490 420 365 250 200 80 166 200 2lO 215 220 700 22 45 60 95 130 185 460 表15-4 2YK-110型双作用水环真空泵的技术性能 以进气压力表示/Pa 98100 85192 78738 72284 65830 59376 52922 46468 40000 33560 27106 20652 15469 以相对标准大气压的 压差表示/Pa O 12908 19362 25805 32269 38723 45177 51631 58065 64539 70953 77447 82601 抽气量Q/(m3·min-1) 121 121 121 120.8 120.4 119.7 118.5 116.8 113.2 108.3 100.7 85.5 O 轴功率N/kW
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