大容量高揚程多級離心式主排水泵性能測試系統設計

付保英

（鶴壁職業技術學院，河南鶴壁458030）

0 引言

煤炭開采過程往往伴隨地下水的涌出，近年來發生多起煤礦透水事故說明主排水泵作為煤礦機電設備對煤礦安全生產至關重要。主排水泵是煤礦生產的主要固定設備之一，其作用是及時清除井下工作面涌水，為井下工作創造良好的環境，其工作的可靠性和經濟性直接影響煤礦企業的安全生產及經濟效益[1]。隨著煤礦自動化程度的提高，由于水泵系統沒有及時升級改造，造成管理及測試性能，仍以人工記錄計算和經驗為主，工作量大，不利于經濟效益的提升[2]。高壓水泵流量的控制依靠人工判斷水位增長變化，手動調節，無法根據水位的變化情況自動控制主排水泵，試驗測試精度未能達到水泵性能測試國家標準要求[3]。因此，研制大容量高揚程多級離心式主排水泵性能測試系統對于提高大型水泵企業生產能力、提升我國煤礦安全可靠性均具有重要意義。

本文將先進計算機測控技術應用于煤礦主排水泵的性能測試試驗系統設計，運用組態軟件開發排水泵性能測試系統，提高測試效率，降低測試成本[4]；按照國家標準規定，對測試管路硬件系統進行技術升級改造，包括設備的選型，對排水泵在測試中遇到的管路震動和電磁干擾等問題，采取一定措施，使其標準化、規范化，滿足不同類型大容量、高揚程多級離心式水泵性能測試要求[5]。

1 測試系統

1.1 測試管路系統設計

在現有設備的基礎上，進行部分設計改造，選用與主排水泵相關聯的大功率電機，適應不同形式泵類檢測需求，改造后的測試管路系統如圖1所示。為了適應不同型式的大容量、高揚程多級離心式主排水泵性能測試要求，在水泵出口處的法蘭后面設置懸吊和彈性支撐相結合的、可移動式測試管路系統，這樣既滿足了試驗管路快速移動的需求，也避免出現出口壓力高、出口管路振動大等問題[6]。流量控制采用電動閥進行調節，從而實現高壓閥門的自動開關。在短節中間部位安裝阻尼孔板，減小電動閘閥出口射流速度，降低了射流沖擊作用及管路振動，提高了系統測試的安全性和可靠性。為了實現管路的快速安裝，在出水變徑彎頭及短節后安裝整流柵，整流柵的作用可以使管路中高速的流動的水流更加均勻。在出水短管中還安裝有阻尼孔板，通過出水阻力的增大，從而改變電動閥口的開啟度[7]。

圖1 測試管路系統

1.2 測試管路測量位置的選擇

水泥澆筑實驗平臺上，測試平臺使用可移動軌道作為基礎，與可升降的實驗管道相結合，這樣可以快速實現任意方向尺寸的調整，可以實現對不同型號、規格煤礦主排水泵進行快速檢測，提高了測試系統的通用性。

根據《煤礦在用主排水系統安全檢測檢驗規范》（AQ1012—2005）中的2級精度等級要求，針對流量測試提供了不同的檢測方法。流量、揚程、轉矩及輸入功率的容許波動幅度為6%，轉速的容許波動幅度為1%，對2級試驗，每一測量截面通常僅設一個取靜壓孔[8]。測壓孔的位置設置，應以保證測試精度為關鍵，入口測量可設置在距離泵入口法蘭位置相距2倍的管路直徑的上游處，出口測量可以設置在距離泵出口法蘭位置相距2倍管路直徑的下游處，而對于出口水流速度較小的管路，可以將出口的測量孔選擇在出口法蘭處。

1.3 測試操作系統設計

1.3.1 測試系統功能及參數

測控操作系統包括操作臺、工業控制計算機、數據采集系統、顯示儀表、電動調節按鈕、指示燈以及接口電路、液晶顯示器及打印機等。工業控制計算機為上位機，PLC為下位機，可以對系統測量到的參數進行采集、轉換、處理，并將其傳輸到上位機進行控制和管理等[9]。

測試系統可以測試的參數有室溫、入口水溫、流量、入口壓力、出口壓力、扭矩、轉速。根據上述實測數據，能自動計算出水泵各項性能指標參數，并自動繪制流量與揚程、與軸功率、與效率之間的關系性能曲線。試驗過程中采集每個工況下的每組試驗數據（流量、入口水溫、入口壓力、出口壓力、扭矩、轉速）都應在工況穩定時進行。

1.3.2 傳感器選型及信號傳輸

按照GB/T 3216-2005《回轉動力泵水力性能驗收試驗1級和2級》規定，并結合主排水泵性能檢測要求，最高壓力達10 MPa、最高揚程達1 000 m、最大功率達1 600 kW以上的要求，選取傳感器如表1所示。

表1 傳感器選型

數據采集傳輸信號分為3類，即流量、扭矩、轉速為脈沖頻率信號，壓力為標準電流信號，溫度為電阻信號，傳輸距離約30 m。試驗中要考慮測試現場電磁干擾的問題，比如6 kV高壓線路對測試系統的影響、高壓交流電機及大功率變壓器對測試系統的影響。為了提高系統測試信號的抗干擾的能力，傳輸電纜全部采用厚壁金屬套管，布設位置盡量遠離高壓線路和大功率電機，且不應與高壓線路平行。檢測傳感器的電源，采用抗干擾性強的電源供電，并且采用光耦傳輸，使其與外電源電路完全隔離。

2 軟件系統設計

目前用于工業控制監控系統的組態軟件主要有Lab?VIEW、Visual C++、Visual Basic、InTouch、組態王等。監控軟件可以實現對數據的分析、處理、曲線、報表顯示等功能，可以通過存儲的歷史數據，對系統中信號的查詢、統計、分析，通過有效的管理可以為測試系統理論分析提供依據[10]。這里的測試系統選用組態王監控軟件，同時利用Visual Basic完成對水泵測試數據的處理，并可以繪制出性能曲線。大容量高揚程多級離心式主排水泵性能測試監控系統的測試主界面如圖2所示。可以進行流量的上下限、揚程的上下限、室溫、軸功率的上下限的測試前設置。進行排水泵性能測試前，根據被測試水泵的參數范圍，在主界面的各個參數的設置區進行測試參數、量程參數和報表參數等的設置。在主界面中可以設置清空數據、采集數據、保存數據等功能，也可以進行報表窗口、曲線窗口、歷史數據窗口間的切換及返回功能。設計的主排水泵自動測試系統軟件功能完善，運行可靠。

圖2 測試軟件界面

將測試數據繪制到坐標系中，由于只能形成一個一個離散的點，如果只是簡單地把這些離散點用線連接起來，將會無法準確地表征泵的特性，所以需要進行曲線擬合，而曲線擬合的方法多種多樣，根據泵的特性曲線的特征，系統采用內嵌Visual Basic軟件方法，通過在組態王軟件中直接調用Visual Basic的可執行文件，實現了光滑曲線的繪制，所繪制曲線可在線打印，提高了用戶可操作性[11]。主排水泵測試曲線如圖3所示。

圖3 主排水泵性能測試曲線

3 應用效果分析

研制的大容量高揚程多級離心式主排水泵性能測試系統在河南焦煤能源有限公司等企業進行了多批次產品性能檢測，其檢測條件符合水泵型式試驗要求，測試系統運行穩定可靠。與國內同類主排水泵檢測系統相比，該系統具有檢測范圍廣、測試精度高、運行維護方便、檢測報告詳盡、檢測效率高等優點，實現了大容量高揚程多級離心式主排水泵性能自動測試，極大提升了大型主排水泵檢測安全性和自動化水平。

4 結束語

將計算機測控技術應用于礦用主排水泵的性能測試系統，按照《煤礦在用主排水泵系統安全檢測檢驗規范》（AQ1012-2005）和GB/T 3216-2005《回轉動力泵水力性能驗收試驗1級和2級》、要求進行測試系統設計，對主排水泵試驗站基礎設施優化配置設計及技術改造。設計的主排水泵自動測試系統是目前國內最大容量（最高壓力達10 MPa、最高揚程達1 000 m、最大功率達1 600 kW）的煤礦主排水泵測試系統，通過將可移動軌道與可升降試驗管道相結合，實現了可快速進行任意方向尺寸調整的需求，可對不同型號、規格的礦用主排水泵進行快速檢測。