PID控制與自動引水技術(shù)在井下老空水回用系統(tǒng)的融合應(yīng)用

文/步長存 楊 波

煤礦受地質(zhì)條件影響，開采后的老空水正常情況下流入水倉后排出地面。井下設(shè)備冷卻、防塵、生產(chǎn)等需要消耗大量從地面提供的自來水。這樣，不但增加礦井排水系統(tǒng)的排水壓力，而且給設(shè)備維護(hù)和系統(tǒng)的安全管理帶來困難，使得原煤生產(chǎn)成本上升。

為解決上述問題，山東能源臨礦集團邱集煤礦結(jié)合老空水懸浮雜質(zhì)相對較少的特點，通過安裝水泵、自動真空引水裝置、水質(zhì)凈化裝置、蓄壓裝置及電控、自動化監(jiān)控系統(tǒng)等形成一套能夠?qū)崿F(xiàn)自動化運行的井下老空水回用系統(tǒng)，將老空水引入專用供水管網(wǎng)，并根據(jù)水質(zhì)要求在用水設(shè)施進(jìn)水口處安裝過濾器、反滲透處理器等水凈化設(shè)施，把老空水回用于設(shè)備冷卻、巷道沖塵和生產(chǎn)防塵等生產(chǎn)過程的各個用水環(huán)節(jié)，用以代替地面取水，有效緩解了礦井排水壓力，降低了排水費用。

該系統(tǒng)水泵運行采用PID控制技術(shù)，引水采用負(fù)壓自動引水的原理，增加蓄壓裝置，實現(xiàn)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。結(jié)合現(xiàn)場情況整體布局，將兩種技術(shù)融合在一起，實現(xiàn)系統(tǒng)的安全高效運行，是本項目的最大優(yōu)勢。

一、 系統(tǒng)分析與設(shè)計布局

鑒于采煤工作面開采完成后的老空水水質(zhì)較好的特點，邱集煤礦按照系統(tǒng)控制簡單、運行安全穩(wěn)定、維護(hù)方便的原則，制定了井下老空水回用取水系統(tǒng)的組合方案。

1.水泵和引水方式的確定

根據(jù)井下現(xiàn)場用水要求，決定采用臥式離心水泵對系統(tǒng)進(jìn)行加壓，以保證設(shè)備運行穩(wěn)定和維護(hù)簡便。將水泵安裝在集中運輸巷-418 m處的沉淀池處上方，水泵安裝處壓力保持在2.2MPa以上，最高點（-338m）壓力保持在1.2MPa以上，以滿足打鉆施工、防塵、設(shè)備冷卻等用水壓力的需求；引水裝置采用蓄水緩存方式的負(fù)壓自動引水裝置，滿足水泵啟動時的引水要求，盡可能地減少控制環(huán)節(jié)，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。水泵的進(jìn)水口與負(fù)壓自動引水裝置相連，出水口用同徑管與沉淀池硐室口處的供水管網(wǎng)連接。

2.控制和運行方式的確定

結(jié)合現(xiàn)場供電設(shè)施布置情況，在沉淀池硐室上方約10米處的井下注漿站安裝電控設(shè)施，利用現(xiàn)場配電點為系統(tǒng)供電，管路安裝壓力變送器，壓力信號輸出線與變頻器連接，利用壓力變送器輸出的4～20毫安信號與變頻器控制系統(tǒng)配合實現(xiàn)PID控制，根據(jù)現(xiàn)場實際情況設(shè)定壓力平衡值，調(diào)整比例、積分、微分等參數(shù)值，實現(xiàn)自動運行。同時為保持供水壓力和變頻器輸出頻率的穩(wěn)定，在注漿站硐室內(nèi)安裝蓄壓裝置以維持水壓的相對恒定，實現(xiàn)恒壓變流供水，最大程度滿足現(xiàn)場用水需求。

3.管網(wǎng)及現(xiàn)場水質(zhì)凈化設(shè)施的設(shè)置

由于原系統(tǒng)管網(wǎng)設(shè)置滿足供水水量和壓力要求，水質(zhì)凈化設(shè)施采用就地設(shè)置的方式，設(shè)置合理、使用效果較好，因此管網(wǎng)和水質(zhì)凈化設(shè)施仍沿用原設(shè)置方式，不再進(jìn)行更改。井下老空水回用系統(tǒng)取水設(shè)備設(shè)施布置如圖1所示。

二、PID控制與自動引水技術(shù)的融合

PID是比例（Proportion）、積分（Integration）、微分（Differential）的英文縮寫。在工業(yè)過程控制中，按被控對象的實時數(shù)據(jù)采集的信息與給定值比較產(chǎn)生的誤差的比例、積分和微分進(jìn)行控制的控制系統(tǒng)，簡稱PID控制系統(tǒng)。PID控制技術(shù)是自動化控制技術(shù)中較為成熟的一項控制技術(shù)，性能優(yōu)良、運行穩(wěn)定、參數(shù)調(diào)整方便，尤其在水泵壓力、流量控制方面具有比較優(yōu)良的控制性能。負(fù)壓自動引水技術(shù)是近年來新興的離心式水泵引水技術(shù)，無需消耗電能和其他能源，利用水泵本身排水形成的負(fù)壓引水，相對于水環(huán)泵和射流真空引水技術(shù)具有無損耗、免維護(hù)、可靠性高的優(yōu)勢。

系統(tǒng)采用壓力變送器與變頻器配合實現(xiàn)PID控制的主要目的，是利用該控制技術(shù)成熟、適用性強、調(diào)整簡便的特點，同時加裝水壓蓄壓裝置解決水壓波動大的問題，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化運行，既節(jié)能又能達(dá)到無人值守的目的；沿用負(fù)壓自動引水裝置主要為解決引水環(huán)節(jié)復(fù)雜、自動化控制繁瑣的問題。

圖1 井下老空水回用系統(tǒng)取水設(shè)備設(shè)施布置圖

1.PID控制技術(shù)應(yīng)用

(1)系統(tǒng)原理。井下用水主要要求是水壓恒定，以保證現(xiàn)場用水壓力穩(wěn)定要求。由于液體具有不可壓縮性，氣體具有較強的壓縮性，利用氮氣囊的緩壓原理，將穩(wěn)壓裝置內(nèi)的皮囊充入約1Mpa的氮氣，當(dāng)系統(tǒng)水壓較高時氣體被壓縮、吸收系統(tǒng)壓力；當(dāng)系統(tǒng)水壓下降時氣體膨脹、向系統(tǒng)內(nèi)釋放壓力。通過安裝穩(wěn)壓裝置一方面可減輕由于用水不均勻造成的壓力波動，使系統(tǒng)壓力變換平滑，利于PID參數(shù)的設(shè)置和水泵運行的穩(wěn)定。另一方面當(dāng)各地點不用水或用水較少時，壓力上升到設(shè)定值以上水泵停機，穩(wěn)壓裝置蓄存的壓力可保持系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定，減少下降時間，延長停機時間。

(2)PID及主要參數(shù)的調(diào)整設(shè)定。選定水泵額定揚程為240m，工頻運行最大實際壓力為2.4MPa，現(xiàn)場設(shè)定平衡壓力為2.3MPa。變頻器選用ZJT2-250/660型。首先將控制方式設(shè)定為模擬量，在對比例系數(shù)與積分系數(shù)調(diào)整上，通過現(xiàn)場配合測試，比例系數(shù)P調(diào)為35，積分系數(shù)調(diào)整為15補償比例差值，微分系數(shù)調(diào)整為1，輸入隨輸出量變化均較為平滑，無大的波動，頻率隨壓力輸入4～20毫安模擬量變化實時調(diào)整。考慮取樣時間與輸出頻率之間的時間差，通過對加速時間與減速時間進(jìn)行補償，保持變頻器輸出頻率的穩(wěn)定。

(3)系統(tǒng)實現(xiàn)功能。從現(xiàn)場調(diào)試和使用效果看，系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下功能。

一是系統(tǒng)通過變頻調(diào)節(jié)水量的方式保持水壓恒定的功能，解決了使用水源井用水多時水壓低、用水量少時水壓高的不利因素造成的影響，管路始終在恒定狀態(tài)下，各用水地點均能保持足夠的水量和恒定的水壓，實現(xiàn)變流穩(wěn)壓的功能。

二是采用變頻器控制，通過頻率變化調(diào)整水泵電動機的運行功率，可有效減少損耗，相比于長時間工頻運行的設(shè)備具有較強的節(jié)電功能。

三是如若在系統(tǒng)運行時開啟水源井，水源井壓力一般較高，壓力變送器會將壓力信號傳送給變頻器，變頻器會很快將運行頻率降到0赫茲，水泵停止運轉(zhuǎn)，避免兩個水源給系統(tǒng)供水造成擾動，具有保護(hù)功能。

四是利用變頻器上的RS485通訊口讀取壓力、電壓、電流、頻率等參數(shù)，設(shè)立分站后上傳至地面，監(jiān)控系統(tǒng)簡單實用。

2.負(fù)壓自動引水技術(shù)應(yīng)用

(1)負(fù)壓自動引水裝置構(gòu)成及安裝方式。系統(tǒng)組成部件負(fù)壓自動引水裝置由蓄水罐體、吸水管、出水管、加水管、補償管、閘閥六部分組成，如圖2所示。

圖2 負(fù)壓自動引水裝置構(gòu)成圖

負(fù)壓自動引水裝置安裝時蓄水罐安裝于平臺，與水泵安裝平臺同一水平；蓄水罐安裝完成后吸水管伸入蓄水池內(nèi)，保證排水時水位高于管口，防止氣蝕；出水管與水泵進(jìn)水口相連；加水管管口連接至主管路，用于安裝完成后為罐內(nèi)加水，加完水后即可將加水管閘閥關(guān)閉，正常使用無需再加水；補償管閘閥應(yīng)保持常開，下管口伸入蓄水池內(nèi)，伸入水池深度應(yīng)不小于吸水管伸入水池的深度。

(2)負(fù)壓自動引水裝置工作原理。設(shè)備安裝完成后首先打開閥門往蓄水罐內(nèi)加水，加至吸水管往外溢水即可；水泵開啟后，蓄水罐內(nèi)水位下降形成負(fù)壓，在負(fù)壓作用下吸水管內(nèi)水位上升，直至水流引入罐內(nèi)，水流形成循環(huán)，水池內(nèi)的水不斷流入罐內(nèi)，罐內(nèi)的水通過水泵壓入主管路，一般要求水罐內(nèi)暫存水量不得少于循環(huán)水量的2.5倍。當(dāng)水泵停機后止回閥關(guān)閉、吸水管內(nèi)的水位下降，罐內(nèi)形成負(fù)壓，補償管內(nèi)水流在罐內(nèi)負(fù)壓作用下流入罐內(nèi)，當(dāng)吸水管水位降至與蓄水池水面同一水平時，補償管在虹吸作用下仍會向罐內(nèi)注水，直至罐內(nèi)形成正壓將補償管內(nèi)的水頂出、不再向罐內(nèi)注水。負(fù)壓自動引水裝置工作原理如圖3所示。

(3)技術(shù)優(yōu)勢。負(fù)壓自動引水技術(shù)充分利用水泵自身動能形成負(fù)壓引水，比傳統(tǒng)的環(huán)流泵和射流引水技術(shù)簡單實用，不需動力設(shè)施和專用密封件，無需人工操作，免維護(hù)，易于實現(xiàn)自動化控制。

3.PID控制與負(fù)壓自動引水技術(shù)融合

圖3 負(fù)壓引水裝置工作原理圖

本項目將PID控制與負(fù)壓自動引水兩項技術(shù)融合，與常規(guī)水泵自動化控制系統(tǒng)相比，省去一套引水控制系統(tǒng)，利用變頻器自帶的PID控制功能和串口通訊接口，省去一套專門的自動化控制和監(jiān)控單元，從而組合成一套系統(tǒng)簡單、運行穩(wěn)定、可靠性高、節(jié)能效果顯著的供水系統(tǒng)。

三、 應(yīng)用效果分析

本項目于2019年6月份開始實施，涉及壓力的測算與核定、水量平衡分析計算、水泵選型、設(shè)備設(shè)計加工、自動化控制、變頻控制等多項技術(shù)，全部是自主設(shè)計、自主安裝和調(diào)試。本項目是將PID控制與負(fù)壓自動引水技術(shù)進(jìn)行融合，目的是對技術(shù)簡化后的排水控制系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行驗證，為將來供排水自動化改造尋求新的技術(shù)方向。

通過對系統(tǒng)運行以來的狀況進(jìn)行分析，該技術(shù)安全可靠、控制簡單，同時項目實施后具有較好的經(jīng)濟效益，日回用老空水量在2000m3左右，日節(jié)約電費1553.47元，同時減少中央泵房排水運行時間及地面自來水的使用。因此，從使用效果綜合分析，該項目技術(shù)可靠，經(jīng)濟效益顯著，具有很高的推廣價值。此外，本項目不僅僅對煤礦礦井水回用提供了重要解決方案，也為其他行業(yè)排水、供水項目的自動化改造提供了新的技術(shù)方向和理念。