基建礦井停建期間主排水系統的優化與應用

劉凱源

(河南許平煤業有限公司 機電處， 河南 平頂山 467000)

0 引言

河南省許平煤業有限公司是中國平煤神馬集團近年來根據發展形勢變化而專門新成立的煤炭生產管理專業化區域公司，所轄礦井主要集中在汝州市地區和禹州市地區。公司現下轄12個主體單位，共有4對生產礦井、3對基建礦井和13對重組小煤礦。

夏店煤礦主排水系統的運行費用經統計已占基建礦井總成本費用的50%～60%，為減少人員提高效率，降低基建礦井的運行成本，經分析決定對夏店煤礦建設一套泵房水泵排水自動控制系統，即利用現代化的技術和手段，可實現對礦井涌水量實時監測和水泵排水的自動安全監測控制，并有效地提高礦井安全生產和自動化水平。

1 夏店煤礦排水系統現狀

夏店煤礦位于河南省汝州市西北，距汝州市區約15 km，行政區劃隸屬汝州市夏店鄉、陵頭鄉管轄。礦區面積約29.684 km2。礦井探明地質儲量197.56 Mt，可采儲量108.119 Mt。設計礦井生產能力為1.50 Mt/a，服務年限51.5 a。該煤礦新建中央泵房安裝3臺MD420-90×10型煤礦用耐磨多級自平衡離心式水泵，額定流量為420 m3/h，額定揚程為900 m，配3套YB2-560-4型交流異步電動機,電壓10 kV，功率為1 600 KW，內置有定子、軸承測溫傳感器，四趟φ325排水管。目前井下水泵排水系統使用人工手動開泵。

2 排水自動化監控系統設計

2.1 系統整體架構

夏店煤礦井下排水自動化系統整體架構如圖1所示。

圖1 排水自動化系統整體架構

1) 地面配置一臺操控臺，完成地面遠程監測和控制操作；井下泵房系統配置監控主站、操作臺、語音顯示報警器、各類傳感器及閥門，完成現場數據采集和監測控制。

2) 井下主排水集控系統采用雙現場監控主站結構，現場監控主站PLC采用西門子S7 300系列。現場監控主站對主排水泵、真空泵及配套電閘閥監測、顯示、控制，并將其通過工業以太網傳送至礦井調度室。

3) 通信部分依托光纖工業以太網，除能完成水泵的單機控制外，還可通過工業以太網傳輸接口模塊與設置在中央變電所的網絡交換機連接，可由井上調度中心監控所有排水泵等被控設備。監控系統上位控制主機使用網絡平臺將主排水系統及配套設備的狀態信息和實時數據傳送給調度室監控主機。調度監控主機使用組態軟件實時動態顯示主排水系統及配套設備運行狀態和詳細參數。

2.2 工作原理

PLC通過通信接口和通信協議，與觸摸屏進行全雙工通信，將水泵機組的工作狀態與運行參 數傳至觸摸屏，完成各數據的動態顯示；同時，操作人員也可利用監控主機或就地顯示控制箱將操作指令傳至PLC，控制水泵運行。同時PLC將水泵機組的運行狀態與參數經安全生產監測系統分站傳至地面生產調度監控中心主機，與全礦井安全生產監控系統聯網，使之管理人員在地面既可掌握井下主排水系統設備的所有檢測數據及工作狀態，又可根據自動化控制信息，實現井下主排水系統 的遙測、遙控，并為礦領導提供生產決策信息。就地顯示控制箱與監測監控主機均可動態顯示主排水系統運行的模擬圖、運行參數圖表，記錄系統運行和故障數據，并顯示故障點以提醒操作人員。

3 排水系統控制結構的設計

3.1 地面操控站

地面控制中心設置一臺操控站，即選用高性能工控機，安裝定制開發的水泵監控組態軟件，通過操控站對井下所有水泵房相關設備進行集控和監視。

3.2 傳輸介質及通道

在地面控制中心敷設光纜72芯到副井與下井的光纜進行對接，在井下副井處將光纜延長到至中央變電所，設置臺隔爆交換機將網絡延伸至中央變及泵房，負責系統的網絡接入，并將網絡攝像儀也通過網絡上傳至地面監控中心集控和監視。

3.3 礦用隔爆兼本質安全型可編程控制器(PLC)

根據泵房自動控制技術并結合水泵房的實際情況，泵房控制系統采用一臺主PLC控制柜，完成整套泵房的控制邏輯運算和各臺水泵、傳感器、閘閥、球閥的信號接入，同時在控制邏輯規劃時，全面考慮各類極端情況下水泵運行的安全性，在控制主站出現故障時，通過現場操作臺，仍能正常啟動停止水泵排水。PLC內配置以太網模塊和以太網交換機，提供光口模塊傳輸數據至地面，同時配置電力采集模塊，可實時采集設備電力參數。

3.4 本質安全型操作臺

在水泵房配置一臺本質安全型操作臺，操作臺上配置有就地顯示屏、操作按鈕、旋轉開關以及指示燈，可切換水泵工作模式(運行、備用、檢修)，實現水泵和閥門就地手動、集中控制和一鍵啟停控制。就地顯示屏可多畫面實時顯示泵房工況狀態，方便現場人員查看控制。

3.5 控制方式

具有遠程自動控制、遠程單泵控制、多臺聯鎖自動控制、就地檢修控制以及檢修3種操作方式。

3.5.1 單臺水泵控制

1) 手動控制。根據實際需要可以從自動控制方式切換到手動控制方式。操作人員在操作臺上人工手動控制。可對單個設備進行啟、停操作，但此時操作閉鎖關系投入仍然對設備設有保護功能。

2)自動控制。自動控制由PLC根據設定的邏輯程序控制相關設備的開、關實現，PLC連續監測相關的模擬量。

3.5.2 多臺水泵聯鎖自動控制

當水位達到高位或不在高位而處在用電低谷時間內，將自動啟動運行泵，當達到低位或不在高位而處在用電高峰時間內時自動停泵。當水位達到上限水位時，自動啟動“運行泵”及“備用泵”，直到水位低于高位時停止“備用泵”只運行“運行泵”，當達到低位或不在高位而處在用電高峰時間內時自動停泵。

3.5.3 就地檢修控制

各設備工作方式在就地檢修位置時，可直接在開關上或設備附近的檢修就地控制箱上人工手動控制。該系統在正常運行過程中，不管工作在何種工作方式，均可實時將泵房現場的各種運行參數、設備狀態通過通訊網絡傳到地面監控計算機。

4 經濟及社會效益分析

4.1 社會效益

通過該項目的實施，采取了施工、維修人員不再入井或減少入井次數等措施，杜絕了礦井事故的發生，為基建礦井停建期間的安全管理、節約成本打下了良好基礎。探索出了一種新的降低運行費用運行模式。

4.2 經濟效益

4.2.1 人員工資費用的減少

改造前工資性支出：

籌建處開泵和檢修人員：3 300×3×1.54=15 246元，建井一處工作人員：4 271×21×1.54=138 124元，合計153 370元。

改造后需要的工資性支出：

籌建處開泵和檢修人員：3 300×2×1.54=10 164元，共減少人工成本143 206元。

4.2.2 提升費用的減少

改造前副井提升機每天需提升8鉤用于司機、配電工、瓦檢員、維護工上下井，即：每天八點班需提升4勾(提升水泵司機2勾、提升維護2勾)，四點班需提升2勾，零點班需提升2勾。

副井絞車電機功率1 300 kW，其他負荷6 kW，提升一勾6 min，需電量130.6 kW·h。八點班8:00至9:00提一勾需電費：130.6×1.299 94=169.77元；四點班16:00至17:00提一勾需電費130.6×0.893 5=116.69元；零點班0:00至1:00提一勾需電費：130.6×0.536 97=70.13元。

改造前，每月需電費：30×(4×169.77+2×116.69+2×70.13)=31 581.5元。

改造后只需每10 d提升6鉤，安排在四點班進行。改造后，每月需電費：6×130.6×0.893 5×3=2 100.42元。

因此，每月減少提升電費29 481.08元。

4.2.3 排水電費減少

改造前，水泵每班運行1臺，每月需電費：1 600×1.299 94×5×30+1 600×0.893 5×5×30+1 600×0.536 97×5×30=655 298.4元。

改造后，水泵零點班運行2臺，每月需電費：1 600×2×0.536 97×8×30=412 392.96元。

每月減少排水電費242 905.44元。

5 結論

1) 自動排水監控系統是新一代多功能自動排水遠程監控系統，采用穩定可靠的PLC控制主站+接入分站的控制結構，其每臺水泵結構上相互獨立，且單臺分站故障又不影響其他水泵正常運行；同時系統配置本質安全型操作臺、帶語音本安LED顯示屏，可實現對泵房水泵排水系統的遠程、就地自動啟停、自動輪換、故障智能切換、避峰填谷、自動診斷、現場故障語音文字警報功能，保障系統可在無人值守下的運行安全。

2) 通過該項目的實施，夏店煤礦停建期間，可充分利用用電電價優惠政策，削峰填谷，并利用低谷時段排水，降低用電費用。同時，采取了施工、維修人員不再入井或減少入井次數等措施，可杜絕礦井事故的發生，為基建礦井停建期間的安全管理、節約成本打下了良好基礎，探索出了一種降低運行費用運行新模式。