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矿用柴油机防爆性能试验系统设计

2024-05-30 28 上传者：管理员

摘要：目前井下胶轮运输装备大多以矿用防爆柴油机作为动力，国内矿用防爆柴油机大多由通用柴油机防爆改造而成，存在着防爆改造工作不到位而引发瓦斯爆炸的风险，因此其安全性能显得十分重要。根据MT 990-2006标准中对矿用柴油机防爆试验的要求，从试验仓设计、配气系统、测控加载系统、安全监控系统、机械传动系统等方面对矿用柴油机防爆性能试验系统进行规划设计与工艺布置。该试验系统已取得CNAS、CMA、安全生产和安全标志检验资质，具有试验能力大、技术先进、功能齐全的优点。

关键词：
冷却装置
测控加载
配气系统
防爆柴油机
顶部泄压
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矿用防爆柴油机具有成本低、动力充足、续航里程长等优点，目前仍是井下无轨胶轮车、单轨吊等辅助运输车辆的主要动力，国内井下90%以上矿用胶轮运输车辆采用矿用防爆柴油机作为动力。由于井下存在着瓦斯气体，为了防止矿用柴油机运行时从进、排气口和机体间隙串出的火星（火花）和机体表面温度和排气温度过高引燃（引爆）瓦斯气体，对矿用柴油机进行防爆性能检验非常重要，也是非常有必要的。随着国家对煤矿安全越来越重视，建设矿用柴油机防爆性能试验系统作为安全准入手段，可以有效预防煤矿瓦斯爆炸事故发生和对事故原因进行分析，也能对防爆柴油机相关标准的制修订起到促进作用。

此前只有国家安全生产邢台矿用防爆柴油机械检测检验中心可以对矿用柴油机进行防爆性能检验，该试验系统建设时间较早，并且建设在地下6 m深处的巷道中，安装及试验较为繁琐；美国矿用柴油机防爆试验系统建在户外空旷场所，试验采用防爆试验仓上方开口泄压的方式进行泄压。本文以美国试验室顶部泄压的方式为思路，从试验仓设计、配气系统、测控加载系统、安全监控系统、机械传动系统等方面对矿用柴油机防爆性能试验系统进行规划设计与工艺布置。该试验系统不仅可以满足MT 990-2006《矿用防爆柴油机通用技术条件》中涉及到的矿用柴油机防爆性能型式试验要求，也可以兼顾GB 20800.3-2008、EN 1834-2:2000、AS/NZS 3584.2:2003标准中涉及到的矿用柴油机检验项目，为后续对标国际奠定基础。

1、矿用柴油机防爆性能试验系统设计

(1）防爆试验仓设计

矿用柴油机防爆试验仓为矿用柴油机的防爆性能试验提供内部充有爆炸性气体环境的密闭空间。由于矿用柴油机体积大，防爆试验时需要运转和加载且振动较大，试验时需要配备燃油进出油管、排烟管、油门执行器，还需要对矿用柴油机辐射的热量进行冷却，对矿用柴油机的表面温度、排气温度进行测试。以上这些问题和要求都决定了矿用柴油机防爆试验仓结构不能采用传统意义上的防爆试验罐，应采用泄爆式结构。本文试验系统借鉴国外防爆试验仓结构，设计泄压式结构防爆试验仓尺寸（长×宽×高）为8 m×4 m×2 m，并进行了模拟爆炸试验，验证了设计结构的安全性。

防爆试验仓设计为向上定向泄压式结构，四周采用钢结构，顶部采用塑料薄膜泄压，试验仓侧面设有传动轴孔使仓内传动轴与仓外的测功机联接，试验仓底部与预埋钢板进行密封设计。

(2）防爆试验仓冷却装置

矿用柴油机整机防爆试验时，在充满瓦斯气体的防爆试验仓内运行会通过散热器、机体表面和排气管辐射大量热量，导致试验仓内环境温度升高，尤其是大功率矿用柴油机在大负荷工况下运行，防爆试验仓内环境温度会快速上升。为了保证试验矿用柴油机满足MT 990-2006标准要求的使用环境温度小于40℃，必须对试验仓进行仓内环境冷却设计。

经过研究，冷却方案确定为试验仓内放置防爆表冷器，通过表冷器内的热交换器将试验仓内矿用柴油机辐射出的热量传递到表冷器内的冷却液中，试验仓外设置冷却机组通过外部冷冻水对表冷器的冷却液进行冷却热交换。试验仓冷却原理图如图1所示。

图1 防爆试验仓冷却原理图

(3）大流量自动配气系统

大流量自动配气系统能满足MT 990-2006《矿用防爆柴油机通用技术条件》标准中涉及到的矿用柴油机防爆性能试验用的配气要求，也可以满足GB 20800.3-2008《爆炸性环境用往复式内燃机防爆技术通则第3部分：存在甲烷和（或）可燃性粉尘的地下矿区巷道用I类内燃机》和GB/T 3836.2-2021《爆炸性气体环境用电气设备第2部分隔爆型》标准中涉及到的防爆性能试验用配气要求。

大流量自动配气装置设计最大配气流量为1 600 m3/h，配气控制精度为1%，气体浓度分辨率不低于0.1%。爆炸压力变送器0～1.5 MPa，精度±0.2%FS；气体分析仪：O2:0～30%,CH4:0～15%,H2:0～10%，精度1.0%FS。配气系统输出压力为0.4 MPa。

整机防爆试验过程中，由于矿用柴油机不同工况会吸入不同流量的气体，系统可以依据设置的试验仓内爆炸性气体的浓度和试验仓内的压力，通过PID调节自动对CH4、空气流量调节阀控制，以满足设定浓度和压力要求，从而实现动态配气的功能。配气系统软件界面如图2所示。

图2 配气系统软件界面图

(4）测控加载系统

测控加载系统主要包含410 k W测功机、变频控制柜、油门控制器、工控机、数据采集模块、西门子控制模块、通信模块、尾气分析仪、油耗仪以及防爆温度、压力传感器等，系统能对矿用柴油机的转速、扭矩、表面温度、排气温度、机油压力、排气压力、油耗、CO和NOx浓度等参数进行测量并对矿用柴油机的转速、扭矩和燃油温度等进行控制。控制系统采用双闭环PID控制技术，能对油门、转速、扭矩和燃油温度等进行闭环控制，控制精度高、响应快。测控系统还设置有急停按钮，可以实现矿用柴油机和测功机的安全停机。测控加载系统如图3所示。

图3 测控加载系统图

(5）安全监控及预防系统

安全监控及预防系统包含CH4(H2）泄漏监测报警装置、火焰监测报警装置、自动阻爆装置、自动停机装置和自动监控摄像装置。CH4(H2）泄漏监测报警装置可以对甲烷室、氢气室、配气室等CH4(H2）气体容易泄漏的空间进行实时监测，当有CH4(H2）气体泄漏时自动发出报警信号，并发送报警短信，CH4(H2）室的防爆通风机自动开启，进行强制通风；火焰监测报警装置当监测到试验仓内火焰时，第一时间在控制台发出报警信号，并立即启动自动阻爆装置，关闭进气主管道，防止爆炸波和火焰返回气源，同时检测到火焰信号后，控制平台自动关闭各进排气阀门，使矿用柴油机停车，使防爆表冷器风机关闭。此外，自动监控摄像装置可以对试验仓内的设备运行、爆炸时的火焰传播进行实时监测和自动摄像、存储。安全监控及预防系统原理图如图4所示。

图4 安全监控及预防系统原理图

(6）机械传动系统

机械传动系统主要由矿用柴油发动机、高弹性联轴器、万向传动轴、轴承座（带骨架油封）、膜片联轴器、扭矩传感器、电力测功机等构成，如图5所示。传动系统连接顺序：矿用柴油机→高弹性联轴器→万向传动轴→轴承座（带骨架油封）→膜片联轴器→HBM扭矩传感器→联轴器→测功机。在试验中，矿用柴油机传动系统不可避免地存在扭转振动，当矿用柴油机输出转矩基波频率与扭转系统固有频率相等时，系统就会产生共振。为了使扭转系统频率低于矿用柴油机怠速时产生的激振频率，避免矿用柴油机在正常转速范围内发生共振，在矿用柴油机飞轮端安装了高弹性联轴器进行减振和降低扭转系统频率。在试验过程中，矿用柴油机与相联传动轴不可避免地存在着中心偏移，在高弹性联轴器后侧安装万向传动轴，对传动轴进行轴向和径向补偿。在传动件螺栓联接处加带闭锁功能的防护罩进行保护，防止螺栓或机械件飞出，防护罩未处于闭合状态时不能进行试验。带骨架油封的轴承座不仅能为传动轴提供支撑，还可以防止试验仓内的危险气体泄漏到测功机侧。

图5 矿用柴油机机械传动系统图

(7）燃油系统

燃油系统为瓦斯仓内的矿用柴油机提供运行时必需的柴油，具有柴油油耗测量、回油降温和进油温度控制的功能。系统包含高位燃油箱（500 L）、燃油箱支架、燃油泵、油耗仪、燃油温控装置、球阀、防爆电磁阀、过滤器及管路系统，管路采用304不锈钢无缝管，其原理图如图6所示。矿用柴油机燃油系统连接顺序：燃油桶→过滤器→燃油泵→截止阀→高位油箱→过滤器→截止阀→油耗仪→燃油恒温装置→发动机→回油到油耗仪。

图6 燃油系统原理图

2、矿用柴油机防爆性能试验系统关键技术及创新点

(1）本系统设计的用于矿用柴油机防爆性能试验的定向顶部泄爆式钢结构防爆试验仓，目前在国内属于首创；

(2）本系统设计的用于解决矿用柴油机在密闭环境内进行防爆试验温升的试验仓冷却装置目前在国内属于首创；

(3）本系统研制的用于矿用柴油机防爆性能试验的大流量动态自动配气系统目前在国内属于首创，配气流量为1 600 m3/h，是目前国内配气流量最大的配气系统，也是国内唯一的动态自动配气系统。

3、矿用柴油机防爆性能试验系统应用

按照MT 990-2006《矿用防爆柴油机通用技术条件》要求，将防爆柴油机安装在试验台架上，启动防爆柴油机并预热，待冷却水温达到70℃时，卸掉载荷，使柴油机在50%～60%标定转速下运行，封闭柴油机及试验台架，充入试验用瓦斯气体，柴油机运转10 min后，调节油门和测功机，使柴油机在60%～90%标定转速和50%～80%标定功率下运转3 min后慢慢卸载减速，直至关闭油门停车，全过程历时15 min。试验共进行3个周期。如试验过程中引爆仓内瓦斯气体，则该矿用柴油机不合格；如试验过程中未引爆仓内瓦斯气体，则该矿用柴油机合格。矿用柴油机试验现场如图7所示，该矿用柴油机额定功率为320 k W，试验中未引爆仓内瓦斯气体，并且全周期内仓内温度最高为36.2℃，因此该矿用柴油机整机防爆性能型式试验合格。

4、结语

(1）针对现有矿用柴油机防爆性能试验台建设时间较早、安装及试验较为繁琐，以顶部泄压的方式为思路，依据《煤矿安全规程》和MT 990-2006标准设计了一套新型矿用柴油机防爆性能试验系统；

图7 矿用柴油机试验现场图

(2）矿用柴油机防爆试验表明，该系统安全可靠、运行稳定，并且可以将大功率矿用柴油机试验中的仓内温度控制在40℃以下，在试验中可以通过自动配气系统调节CH4和空气配比及进气流量来达到设置好的浓度和压力，满足试验要求。

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