基于正壓給水的礦井自動排水控制系統(tǒng)

張偉元，張朋飛，潘 越,左光宇,張 凱

（1.河北工程大學 機械與裝備工程學院，河北 邯鄲056038；2.冀中能源峰峰集團有限公司，河北 邯鄲 056201）

邯鄲多數(shù)煤礦處于富水地區(qū)，受水患威脅嚴重。如果不將礦井水及時排出，將影響煤礦的正常生產(chǎn)。目前，我國煤礦井下排水系統(tǒng)多為吸入式排水。通過水泵葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生負壓吸水，進水口長期處于負壓吸水狀態(tài)。在運行中會產(chǎn)生嚴重汽蝕現(xiàn)象、且耗電量大、效率不高等問題。在對冀中能源某些礦進行耗能調(diào)查后，得出水泵葉輪磨損嚴重，實際使用效率比給定效率低20%～30%[1]。另外，邯鄲某些礦井排水系統(tǒng)人工啟停水泵、人為檢測水倉水位，操作人員勞動強度大，無法應對突發(fā)涌水事故，已不適應煤礦發(fā)展的要求。

徐樹寶、佘影、潘越等人指出將潛水泵串聯(lián)在離心泵吸水管上，形成子母泵排水方式，具有徹底消除汽蝕、啟動速度快和成功率高的特點[2-4]。耿寬寬、阮進林、于治福等人對煤礦井下自動排水系統(tǒng)進行了研究,利用PLC 技術(shù)和傳感器技術(shù)，實現(xiàn)了水倉液位的監(jiān)測和水泵自動啟停等功能[5-7]。針對目前排水系統(tǒng)存在的問題，設(shè)計了基于正壓給水、高效率、全自動的礦井自動化排水系統(tǒng)，對煤礦安全高效地生產(chǎn)具有重要意義。

1 總體設(shè)計

1.1 串聯(lián)前置泵排水原理

本排水系統(tǒng)是串聯(lián)前置泵啟動排水，原理是采用正壓給水排水方式。串聯(lián)低揚程等流量的前置潛水泵，由前置潛水混流泵為主排水泵吸水口處提供正壓給水，形成了正壓給水子母泵串聯(lián)井下排水系統(tǒng)。水泵機組串聯(lián)后流量保持不變，提高了排水總揚程。離心泵排水系統(tǒng)工作原理圖如圖1。

圖1 離心泵排水系統(tǒng)工作原理圖Fig.1 Working principle diagram of centrifugal pump drainage system

主排水泵啟動前，首先啟動小型潛水泵，由前置泵向主泵吸水管給水，等壓力表指針穩(wěn)定后啟動主排水泵。該方式的優(yōu)點是主排水泵的啟動速度和成功率提高，延長了主排水泵的使用壽命，可有效消除汽蝕，增加系統(tǒng)的安全性和可靠性。

1）采用正壓給水技術(shù)，串聯(lián)低揚程等流量的前置潛水泵，形成了正壓補水子母泵串聯(lián)井下排水系統(tǒng)。消除了主排水泵汽蝕現(xiàn)象，保證了排水系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

2）前置泵選用混流泵，是介于離心泵和軸流泵之間的一種泵。具大有流量，低揚程的特點，啟停控制簡單，可直接在水下使用。

3）前置泵變頻調(diào)速。該系統(tǒng)工作時，根據(jù)水倉水位變化，通過變頻器變量調(diào)節(jié)潛水泵，改變主排水泵排水量大小，使水倉水位保持在安全范圍內(nèi)。

4）PLC 控制器，通過各種傳感器采集水位、壓力、流量等相關(guān)信號，并采用RS485 總線接口與工控機連接，實時進行數(shù)據(jù)雙向傳輸，控制水泵機組、電動閥等設(shè)備，系統(tǒng)實現(xiàn)無人智能化。

1.2 功能設(shè)計

1）系統(tǒng)具有3 臺潛水泵和3 臺新型主排水泵，潛水泵工頻切換。通過前置喂水泵變頻調(diào)速，使其自動適應主排水泵壓力及流量變化，始終使排水系統(tǒng)保持在高效工況區(qū)運行。

2）系統(tǒng)控制。系統(tǒng)具備近控模式和遠控模式2種控制方式。近控模式下，礦井排水系統(tǒng)每個水泵都可以獨立工頻工作，適合應急排水。而在遠控模式下，根據(jù) PLC 檢測到的液位高度，自動完成水泵機組的變速控制及附屬設(shè)備啟停控制。

3）合理劃分水位，遵循“輪換工作”原則。自動選擇運行時間最少的水泵輪換使用，做到均勻磨損。結(jié)合“避峰填谷”的策略。電費的“谷段”和“平段”進行排水；而在保證安全的前提下，在用電的“峰段”盡量蓄水。

4）保護功能。該系統(tǒng)有電機故障保護、超溫保護、漏水保護、流量、壓力保護。采用聲光報警相結(jié)合的方式。一般的故障燈光報警，只在發(fā)生重大故障,才啟動警鈴報警。

2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2，系統(tǒng)控制電路圖如圖3。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structure of control system

1）系統(tǒng)硬件組成。系統(tǒng)的硬件主要包括可編程控制箱、觸摸屏、變頻器、傳感器、電機及電磁閥等設(shè)備。控制箱選用西門子S7-300 PLC，控制模塊為CPU315[8]。超聲波液位儀和投入式液位儀形成冗余系統(tǒng)，增加液位檢測的精度和可靠性。通過前置泵變頻調(diào)速，使前置泵出口的流量和壓力自動與主排水泵相適應，以始終保持排水系統(tǒng)在高效工況區(qū)運行，有效地提高排水系統(tǒng)的運行效率。

圖3 系統(tǒng)控制電路圖Fig.3 System control circuit diagram

2）系統(tǒng)控制電路。M1、M2、M3為電動機；FR1、FR2為熱繼電器,起保護電路的作用;接通接觸器KM1和KM3可以使電機M1和M2在工頻下工作；接通接觸器KM2和KM4可以使電機M1和M2在變頻下工作，實現(xiàn)了前置泵變頻和工頻工作的切換[9]。

3）變頻器。首先對西門子 MM440 型變頻器進行參數(shù)選擇和設(shè)置。變頻器采用端子接線方式，使電壓和頻率呈線性關(guān)系有利于水泵流量調(diào)節(jié)。潛水泵變頻調(diào)速不宜低于額定轉(zhuǎn)速50%，最好處于75%～100%[10]。經(jīng)實際計算，確定潛水泵最低轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的60%。

4）系統(tǒng)軟件。水泵工作在遠控操作模式下，完全由PLC 控制。根據(jù)節(jié)能減耗原則采用“避峰填谷”控制策略。充分利用水倉有效容積，按照每天電價的不同，將24 h 分成峰段、平段、谷段。根據(jù)單位時間內(nèi)水位高度、水位變化率（上升速率和下降速率），計算出工作運行水泵臺數(shù)，避免泵房被淹事故發(fā)生。當水位高度超過預設(shè)值時，水泵全部運行，同時發(fā)出預警信號。系統(tǒng)軟件流程圖如圖4。

3 系統(tǒng)仿真實驗

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.4 System software flow chart

1）水泵啟動時間。水泵啟動方式分為射流泵啟動方式和正壓給水啟動方式。分別進行8 次水泵啟動實驗，記錄水泵啟動時間。水泵啟動時間曲線如圖5。由圖5 可知，射流泵引水啟動水泵一般需要60 s 左右，而基于正壓給水啟動水泵大約需要10 s的時間。大大減少了啟動泵的時間，實現(xiàn)快速啟泵，增加了排水能力的儲備，有效提高了應急排水響應速度和處置能力。

圖5 水泵啟動時間Fig.5 Pump start-up time

2）水位變化趨勢。基于正壓給水礦井自動排水控制系統(tǒng)在實行避峰填谷原則時，通過細分水位和在每個時間段分別設(shè)定水位變化率檢測在1 d 時間內(nèi)水倉水位變化情況以及水泵開啟的臺數(shù)。經(jīng)過實驗仿真，水位變化曲線與水泵控制曲線如圖6 和圖7。仿真結(jié)果表明，在用電谷段（0：00—8：00 和 12：00—18：00）水泵開啟數(shù)量增加，將水倉蓄水降至低水位線附近，在用電峰段（8：00—12：00 和 18：00—22：00）最多啟動1 臺水泵，將水位控制在安全范圍內(nèi)。本系統(tǒng)策略符合“避峰填谷”的目的，且可以避免水泵頻繁啟停問題。

圖6 水位變化曲線Fig.6 Water level change curve

圖7 水泵控制曲線Fig.7 Pump control curve

4 結(jié) 語

分析了邯鄲某煤礦現(xiàn)有的排水系統(tǒng)的不足，提出了“正壓排水”、“自動控制”、“避峰填谷”“前置泵調(diào)速”等方法，充分利用泵房水倉容積，實現(xiàn)高效水泵“高水位排水，低水位停泵”的效果。建立了正壓給水的礦井自動排水控制系統(tǒng)，可以避免水泵頻繁啟停問題，實現(xiàn)了井下排水系統(tǒng)無人監(jiān)控。目前，改進的控制方案已在邯鄲某礦使用，取得了良好效果。