煤礦主排水泵自動化吸水系統(tǒng)設計

王藝明

(中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

主排水泵是煤礦井下關乎人身安全與連續(xù)生產(chǎn)的重要設備，其功能是將井下工作面及大巷涌出水排至地面，保障井下正常生產(chǎn)和工人安全[1-4]。煤礦井下主排水泵(以下簡稱主排水泵)通常采用離心泵，離心泵屬于葉片泵，水泵內(nèi)沒有水的情況下，葉片旋轉(zhuǎn)無法建立起真空壓力，因此離心泵是沒有自吸能力的。當水泵內(nèi)水量不足時會產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象，造成水泵永久傷害，使用壽命變短[5-7]。由于井下條件限制，主排水泵房均為吸上式泵房，停止工作時，水泵內(nèi)是沒有水的。因此，為了解決主排水泵啟泵前的吸水問題，應在泵上加吸水裝置[8]。

1 主排水泵常用吸水方法

目前，煤礦主排水泵常用的吸水方法有真空水箱吸水法、射流泵吸水法、真空泵吸水法等[9-10]。

1.1 真空水箱吸水法

真空水箱是用金屬制成的封閉型水箱，上部接吸水管，下部接水泵入水口。水泵啟動前，先將水箱灌滿水進行密封，待水泵灌滿水后，啟動水泵，由于水箱水位下降使水箱密閉環(huán)境內(nèi)形成一定的真空，進水池中的水就會在大氣壓的作用下，經(jīng)吸水管進入水箱中，從而形成水的循環(huán)，使水泵正常排水。真空水箱吸水法適用于小型泵、水源相對清潔的環(huán)境。由于礦井水中含大量煤粉，水泵停止運行時，煤粉便會沉淀在真空水箱底部，長此以往造成管道堵塞，影響排水效率。此外，主排水泵房內(nèi)需要安裝水泵、管道、球閥、閘閥、電纜、橋架等設備，每臺水泵安裝一臺真空水箱占用空間太大，因此真空水箱吸水法不適用于主排水泵的使用環(huán)境。

1.2 射流泵吸水法

射流吸水是利用壓力水通過射流器時，射流和空氣之間的黏滯作用，噴嘴附近產(chǎn)生的真空將泵體內(nèi)空氣逐漸帶走，水倉水沿吸水管自下而上充滿泵殼的一種吸水方式[11]。射流泵吸水法是目前煤礦井下最常用的無底閥吸水方式，優(yōu)點是設備結(jié)構(gòu)簡易、安裝方便、易于維護；缺點是消防灑水管路提供水源作為動力，主排水泵管路之間是通過法蘭連接，長時間運行管道密閉性不強，通過射流泵將水泵灌滿甚至需要幾十分鐘才能完成，吸水效率不高。

1.3 真空泵吸水法

真空泵吸水方式采用水環(huán)式真空泵的偏心結(jié)構(gòu)，周期性地形成負壓，抽取水泵、吸水管內(nèi)的空氣，通過循環(huán)水箱的汽水分離功能實現(xiàn)水箱內(nèi)水的循環(huán)使用，逐漸排空泵體內(nèi)的空氣[12]。該吸水方式的優(yōu)點是吸水速度快、效率高，不需要消防灑水管路提供水源；缺點是需要為真空泵提供電源，并需要擴大主排水泵房，為真空泵提供安裝空間，設備成本較高，所有水泵共用一套真空泵吸水系統(tǒng)，如發(fā)生故障會造成主排水泵癱瘓。

2 水泵自動化吸水系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

針對煤礦目前主排水泵吸水方法效率低、控制系統(tǒng)模式單一等問題，提出了一種新的吸水方式，即射流泵與真空泵組合吸水系統(tǒng)。每臺水泵設置一套射流泵吸水系統(tǒng)，作為獨立的吸水系統(tǒng)；再設置一套真空泵吸水系統(tǒng)，泵房內(nèi)設置2臺真空泵，所有主排水泵通過主吸水管實現(xiàn)真空泵共用。每臺水泵使用一臺DCS分站，控制射流泵吸水系統(tǒng)、支管閥門及單臺水泵啟停，使水泵形成獨立控制系統(tǒng)自動運行；再設置一臺DCS主站，控制主管路閥門、真空泵吸水系統(tǒng)及每一臺水泵。DCS分站控制射流泵吸水系統(tǒng)給水泵灌水，如灌水時間過長，DCS分站給DCS主站發(fā)出信號，由主站啟動真空泵吸水系統(tǒng)，迅速將水灌滿。主泵運行時，備用泵根據(jù)系統(tǒng)設定逐個灌滿水，等待系統(tǒng)發(fā)出運行命令后可立即啟泵，做到“零耗時啟泵”。主排水泵系統(tǒng)如圖1所示。

1-電動閘閥；2-止回閥；3-電動球閥；4-底閥；5-真空表；6-壓力表；7-噴射泵；8-吸水管圖1 主排水泵系統(tǒng)Fig.1 Main drainage pump system

2.2 水泵自動化吸水系統(tǒng)組成

水泵自動化吸水系統(tǒng)主要由水泵控制系統(tǒng)、傳感器、閘閥及遠程監(jiān)控系統(tǒng)組成。

2.2.1 水泵控制系統(tǒng)

水泵控制系統(tǒng)由DCS主站和DCS分站組成。DCS主站配置浙大中控FCU712系統(tǒng)DCS及8寸觸摸屏，可通過箱體觸摸屏控制系統(tǒng)內(nèi)各項功能；DCS主站可以為真空泵、真空泵主吸水管球閥、主排水管閘閥供電。DCS主站與DCS分站之間采用以太網(wǎng)通信；DCS主站通過DCS分站控制每臺水泵射流泵吸水系統(tǒng)啟停，通過硬接線控制真空泵吸水系統(tǒng)啟停，當水泵灌滿后，給DCS分站發(fā)出指令啟動水泵。實現(xiàn)了整個水泵房的集中控制。DCS分站配置浙大中控FCU712系統(tǒng)DCS及8寸觸摸屏，可通過箱體觸摸屏控制系統(tǒng)內(nèi)各項功能；DCS分站為本水泵分支吸水管球閥、射流泵、排水管閘閥供電。DCS分站采集水倉水位信號、吸水管真空度及流量、水泵軸承溫度及振動、排水管出水壓力及流量、水泵運行電流及電壓等參數(shù)；通過硬接線控制本水泵排水管閘閥、分支吸水管球閥、射流泵的開關；當水泵灌滿后，給高壓隔爆柜發(fā)出指令啟動水泵。實現(xiàn)了單臺水泵自動和就地控制。DCS主站和DCS分站內(nèi)均含有配電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)集成，每臺水泵均可自動吸水、獨立運行，最大程度保證水泵自動化系統(tǒng)安全運行。

2.2.2 傳感器

檢測傳感器包括壓力傳感器、負壓傳感器、雙聲道超聲波流量計、投入式液位計、溫度振動一體傳感器、水流傳感器等；需要檢測的參數(shù)有泵體負壓，水泵出水口壓力，電機電流、電壓，排水的瞬時流量及水倉水位等信號。投入式液位傳感器配置2臺投入式液位計，實時監(jiān)測井下水倉水位變化。每臺水泵配置1臺正壓傳感器，用來監(jiān)測水泵出水口壓力，當排水壓力出現(xiàn)故障時可及時停泵，以免水泵腔體產(chǎn)生“汽蝕現(xiàn)象”；每臺水泵配置1臺負壓傳感器，用來監(jiān)測水泵真空度，作為判斷水泵啟動前腔體是否灌滿水的主要參數(shù)。

在每趟主管路上，分別配置1臺雙聲道超聲波流量傳感器，檢測每趟出水管路瞬時流量。利用水泵軸承體預留的傳感器接口，采用溫度振動一體傳感器對水泵軸承運行溫度、振動進行實時檢測，檢測到的溫度、振動信號經(jīng)轉(zhuǎn)換輸出成標準模擬量信號交由DCS分站作為判斷水泵是否正常工作的依據(jù)。同時，系統(tǒng)應可接入電機繞組溫度數(shù)據(jù)，當溫度過高時則報警，嚴重時停泵。通過高壓隔爆柜綜保通信，采集相關電量信息，每臺水泵單獨采集電流，用于實現(xiàn)對電機電流信號的有效采集及檢測。吸水管通過水流后輸出開關量信號，作為水泵啟動前腔體是否灌滿水的輔助參數(shù)。將水流傳感器安裝在水泵吸水管上，并高于泵排氣口。

2.2.3 閘閥

為實現(xiàn)主排水泵吸水自動化控制，提高吸水效率與可靠性，真空泵吸水管路和射流泵吸水管路上設置電動球閥，主排水管路上設置電動閘閥。DCS主站控制主排水管閘閥和真空泵主吸水管路球閥；DCS分站控制本水泵排水管閘閥、射流泵吸水管路球閥、真空泵分支吸水管路球閥。

2.2.4 遠程監(jiān)控系統(tǒng)

水泵房內(nèi)設置水泵遠程監(jiān)控系統(tǒng)接入工業(yè)自動化環(huán)網(wǎng)，與公共網(wǎng)絡之間建立一條安全可靠的VPN通道，甲方授權(quán)后，可隨時訪問現(xiàn)場設備，實時監(jiān)控設備運行狀態(tài)，遠程監(jiān)控系統(tǒng)畫面如圖2所示。當系統(tǒng)出現(xiàn)吸水、無法啟泵等故障時，分析系統(tǒng)故障原因，并遠程技術指導工人現(xiàn)場解決故障。水泵遠程監(jiān)控系統(tǒng)收集水泵吸水時間、傳感器參數(shù)等，形成設備運行參數(shù)數(shù)據(jù)庫，當設備運行參數(shù)值超出增產(chǎn)范圍后，進行數(shù)據(jù)分析和比對，確定設備狀態(tài)是否健康，實現(xiàn)水泵全生命周期管理。增加水泵遠程監(jiān)控系統(tǒng)后，可以快速進行故障診斷，遠程排除故障，縮減水泵維護成本及增加水泵排水效率。

圖2 水泵遠程監(jiān)控系統(tǒng)畫面Fig.2 The picture of the pump remote monitoring system

3 控制方式

3.1 全自動控制方式

當系統(tǒng)啟動水泵之前，DCS分站發(fā)出指令打開射流泵閥門，啟動射流泵，吸水時限設定為3 min。超出時限后，DCS主站啟動真空泵，打開真空泵主管路球閥，同時啟動此臺泵2套吸水系統(tǒng)，水泵負壓傳感器顯示壓力值≤-0.06 MPa，且水流傳感器監(jiān)測到吸水管有水時，由DCS主站給DCS分站發(fā)出指令啟動水泵，如果是單泵自動運行模式下，可由DCS分站自行發(fā)出指令啟動水泵。在正常水位時，由DCS主站給DCS分站發(fā)出指令，各臺水泵能自動輪換灌滿水，最大涌水及突出涌水時，同時開啟可運行最高臺數(shù)的水泵，做到“零耗時啟泵”，最大限度地減小災害時間。水泵控制系統(tǒng)能迅速給調(diào)度中心發(fā)出災害報警，通過遠程電力調(diào)度切斷水泵配電系統(tǒng)中除排水以外負荷，做到一切為救災讓路。

3.2 遠程控制方式

操作人員可在地面調(diào)度中心工控機組態(tài)畫面中遠程控制水泵機組的啟停。井下DCS接收指令后，按照程序首先打開吸水管球閥，進行水泵吸水。再打開排水管閘閥，并啟動水泵后，關閉吸水管球閥，完成水泵機組啟動。

4 結(jié)語

射流泵與真空泵組合吸水系統(tǒng)最大程度縮減了水泵吸水的時間，雙吸水系統(tǒng)互為備用，確保吸水系統(tǒng)安全可靠。水泵自動化吸水系統(tǒng)以DCS為核心，使用主站、分站的分散式控制方式，更能凸顯DCS系統(tǒng)的優(yōu)勢，DCS系統(tǒng)更擅長過程自動化控制，處理模擬量能力強且聯(lián)網(wǎng)功能強大，在主排水系統(tǒng)中使用更具優(yōu)勢。射流泵與真空泵組合吸水系統(tǒng)從硬件到控制系統(tǒng)均有突破，井下排水系統(tǒng)安全系數(shù)和效率均得到提高，值得推廣。