智能調控與煤礦變頻加壓泵的耦合研究

張志磊

（同煤集團四臺礦生產技術科， 山西 大同 037003）

引言

在我國第十二個五年計劃期間，節能減排這一主題已經被放到了我國基礎設施建設的重要位置。相關統計數據顯示，十二五期間已經實現節省6.7億t標準煤的目標。而在我國能量消耗的相關內容中，泵和風機負荷占到總能耗的50%左右。就泵的功率消耗而言，更是占到21%[1]。因此，基于實際工程系統模型對泵進行控制優化是非常重要的。通過對泵的節能降耗可以為實現資源節約型、環境友好型社會做出重要的貢獻。隨著我國進入十三五規劃下的能源結構改革，煤礦及相關化石能源的結構改革成為重點，傳統煤業的節能降耗措施更是迫在眉睫，然而，關于這方面的研究工作卻較少。

1 目前煤礦加壓泵的運行工況分析

在煤礦的開采和使用中，斷層和地質脆弱區常常會出現礦井水災的安全事故，這主要由于通過斷層和脆弱區滲入工作界面和空間的水超出了正常的排水范圍。國家安全監督局和各地級市政府對于此類安全事故十分重視，但是災難仍時有發生。所以煤碳礦井內的供水系統十分重要。一般采用的方式為：將井下生產過程中產生的礦井水通過多級提升至地面系統，經過處理后，以靜壓水方式供井下生產使用。但是，在山西等地區一些特大型的礦井當中，由于礦井所處地區結構復雜，沿程阻力對靜壓水壓的減少十分顯著，這對于工作現場來說，就需要對現有不足的水壓作以提升。一般來說，加壓泵主要設在水倉附近[2]。

為了適應多樣的工況條件，加壓泵傳統的設計均保留了大量的余量，這種設計思路使得連續高壓供水系統面臨很多缺陷，例如水泵電機無法跟隨工作界面的需求進行工頻調節，這對于節能降耗來說十分不可取，除此之外，在地質較為疏松的地區，由于管道受到連續高壓的沖擊極易發生泄露，從而影響生產、造成隱患。因此，有必要開發一種對水位、壓力、流量等信息進行連續監測煤礦井下加壓泵恒壓變頻供水系統。然而，調查了近幾年關于加壓泵的國內外研究與應用文獻可以看出，對于加壓泵的優化，近年來已成為研究的熱點，并受到越來越多的學者關注研究，然而絕大多數針對供暖領域（即建筑科學領域）[3]，此外，很多學者也開始逐步關注泵在煤礦生產當中的應用，早在1996年夏士雄等人就發表了文章《煤礦泵站水泵節水控制系統》介紹了一種投資少、見效快的水泵節水控制系統，可減少水資源浪費，經濟效益顯著。近年來，“互聯網+”技術逐步在各個工業領域開始拓展，構建智控聯網與變頻技術相結合的泵水系統成為大勢所趨。因此，本文采用三相異步電動機驅動的加壓水泵為研究對象，構建了一套智能聯網調控的變頻加壓泵變頻調控系統。結合變頻調速的參數表達式、泵特性方程和動力學知識，利用MATLAB2015軟件實驗平臺搭建了仿真等效模型，對變頻加壓泵的工作特性進行了測試[4]。

2 一種智能調控與變頻加壓泵的耦合技術的提出

2.1 智控選擇及系統構建

智能控制單元：我們采用SIEMENS S7—200 PLC CPU224XP AC—DC—RLY，擴展A/D及D/A模塊構建智控模塊，這用于采集系統壓力、水位、流量信息[5]。

智能聯網單元：選用工業以太網模塊CP243，變頻器選用QJR250隔爆兼本安變頻調速器，通過設定壓力值與實際壓力值的比較，產生偏差信號，通過PLCD/A口輸出電流信號控制變頻器輸出頻率[6]。

之后對加壓泵進行變頻控制，之前關于泵的相關研究，對于變頻和智控的耦合效果，均未做詳細的分析和仿真，為此，本文主要著眼于加壓泵的工況優化，首先構建了T型等效異步電動機模型電路簡化圖[7]，如圖1所示（忽略漏阻抗降）。

圖1 異步電動機近似等效電路及智控耦合系統

2.2 變頻加壓泵的工況特征及運行仿真

本文主要對加壓泵的泵特性進行仿真研究，在任何速度的揚程特性方程如下所示：

式中：H為勢差，H0為虛擬的總揚程額定轉速，R為泵阻力系數，Q為泵的流量，k為泵速度和轉速之間的速度比。額定轉速，即k＝n/nN。

輸出軸功率/流量（非Q）特性方程——泵的輸出軸功率

式中：r為介質的密度，N/m3。

將方程（1）代入方程（2）的 N0—Q'可以得到任意速度下的特征方程，如式（3）所示：

輸入軸功率/流量（Ni-P）特性方程——考慮到泵效率的Ni-P特性方程，如式（4）所示：

式中：Ni為輸入軸的功率，η為機械動力泵效率。

利用MATLAB2015進行數據仿真，可以看到變頻加壓泵的運行工況如下：

本文研究低于基頻，由恒壓頻率比（U/f=7.6）控制。開始時，定子頻率設置 f=40 Hz（1s），f＝50 Hz，低電壓隨頻率的變化如圖2所示。電壓和頻率的變化比較吻合，周期相同。

升力和流量如圖3所示，顯示了加壓泵的揚程與流量變化曲線，從曲線可以看出，兩者的趨勢具有很好的溫和特征且趨勢相輔，這對于高流量的煤礦生產來說具有十分重要的工程建議。這部分仿真結果與實際相符。結果驗證了所提出的智控變頻加壓泵系統有效可靠。

圖2 定子電壓與頻率曲線

圖3 加壓泵的揚程與流量變化曲線

3 結論

1）采用三相異步電動機驅動的加壓水泵，構建一套智能聯網調控的變頻加壓泵變頻調控系統，并結合變頻調速的參數表達式、泵特性方程和動力學知識，利用MATLAB2015軟件實驗平臺搭建仿真等效模型，以研究變頻加壓泵的工作特性。

2）采用三相異步電動機驅動的系統進行變頻調速，驗證智控變頻加壓泵系統的有效可靠性，為泵的優化調度控制、預測與性能分析奠定基礎。

[1]楊少剛，李慧，尹久浩.基于TRNSYS的變頻泵模塊的開發及應用[J].暖通空調，2015，45（8）：36-41；46.

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[3]陳鳴.分布式變頻泵供熱系統 [J].煤氣與熱力，2008，28（8）：12-14.

[4]孫多斌，王樹剛，徐楠，等.分布式混水變頻泵管網系統的運行節能分析[J].哈爾濱商業大學學報（自然科學版），2007（2）：235-237；248.

[5]HongJie Wang,FangWang,Yuan Yuan Huang,et.al.The Research of Energy-Saving in Air Conditioning Water Cooling System by Frequency Conversion Pump and Constant Pressure Control[J].Applied Mechanics and Materials,2014（446）：2799.

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