礦井主排水泵性能自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

黃玨

（安徽礦安檢測(cè)技術(shù)服務(wù)有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引言

主排水泵作為井下主要排水裝置，保證其長(zhǎng)期穩(wěn)定、高效的運(yùn)行對(duì)井下開采工作有著重要的意義。目前國(guó)內(nèi)部分煤礦井下主排水泵站建設(shè)時(shí)間較早，未進(jìn)行升級(jí)改造，主要依賴人工對(duì)其進(jìn)行記錄和檢查，存在著效率低、耗時(shí)長(zhǎng)的缺點(diǎn)，即使是部分新建泵站的測(cè)試系統(tǒng)也存在自動(dòng)化程度低、功能不完善、測(cè)試精度達(dá)不到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求等問題，影響了主排水系統(tǒng)工作的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。鑒于上述問題，結(jié)合國(guó)內(nèi)某煤礦主排水系統(tǒng)實(shí)際，本文對(duì)井下主排水泵的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)提出了改造設(shè)計(jì)方案[1]。

1 主排水泵的性能測(cè)試原理及方法

主排水泵的性能測(cè)試主要是對(duì)水泵進(jìn)行性能實(shí)驗(yàn)和汽蝕實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)水泵在運(yùn)行過(guò)程中的性能參數(shù)和運(yùn)行穩(wěn)定性。

性能實(shí)驗(yàn)是對(duì)水泵的主要性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，每組測(cè)試數(shù)據(jù)（入口壓力、出口壓力、溫度、水泵流量、扭矩轉(zhuǎn)速等）都應(yīng)在水泵穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)采集，測(cè)試范圍從水泵最小流量到最大流量的1.15倍，并根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算水泵性能指標(biāo)參數(shù)，繪制水泵流量-揚(yáng)程、流量-軸功率以及流量-效率曲線。

汽蝕實(shí)驗(yàn)是通過(guò)確定水泵的臨界汽蝕余量和水泵流量之間的關(guān)系，進(jìn)行汽蝕參數(shù)的測(cè)定，以確定其是否滿足水泵運(yùn)行設(shè)計(jì)要求。水泵汽蝕是指水泵在運(yùn)行過(guò)程中，出現(xiàn)水泵內(nèi)部壓力小于水的飽和蒸汽壓時(shí)，會(huì)出現(xiàn)大量的汽泡，汽泡在隨著泵內(nèi)水體進(jìn)入到高壓區(qū)時(shí)會(huì)產(chǎn)生破裂，導(dǎo)致泵內(nèi)壓力不足和流量減少的情況產(chǎn)生，同時(shí)伴隨著較大的噪聲和振動(dòng)，影響到水泵的正常運(yùn)行。測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)在一定的流量下采集計(jì)算不同入口壓力下的各參數(shù)值，根據(jù)揚(yáng)程、效率下降的趨勢(shì)，判斷氣蝕點(diǎn)[2]。

2 主排水泵自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)方案

2.1 總體目標(biāo)

主排水泵自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以下主要功能：

（1）能自動(dòng)完成水泵系統(tǒng)的水泵性能實(shí)驗(yàn)和水泵汽蝕實(shí)驗(yàn)；

（2）系統(tǒng)測(cè)試參數(shù)能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的2級(jí)精度等級(jí)要求；

（3）實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程中的原始數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、性能參數(shù)計(jì)算、歷史數(shù)據(jù)記錄以及水泵相關(guān)性能參數(shù)曲線的自動(dòng)繪制、打印等功能；

（4）實(shí)現(xiàn)水泵流量等指標(biāo)的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。

系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)試獲取水泵的進(jìn)出口壓力、水泵流量、電機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、調(diào)節(jié)閥開閉程度、水泵揚(yáng)程等參數(shù)，其中通過(guò)傳感器進(jìn)行采集的數(shù)據(jù)如進(jìn)出口水壓、電機(jī)轉(zhuǎn)速、水泵流量以及調(diào)節(jié)閥開閉程度等作為原始數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，揚(yáng)程、軸功率和效率等通過(guò)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算得到。

2.2 設(shè)計(jì)方案

按照主排水泵自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的總體目標(biāo)要求，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)由信號(hào)采集、下位機(jī)處理、上位機(jī)處理以及系統(tǒng)顯示模塊組成。信號(hào)采集模塊完成對(duì)主排水泵的進(jìn)出口水壓、電機(jī)轉(zhuǎn)速、水泵流量以及調(diào)節(jié)閥開閉程度等參數(shù)的采集，再將測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，傳輸?shù)絇LC下位機(jī)。下位機(jī)處理模塊作為整個(gè)系統(tǒng)的主控制裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的接收、處理和上傳。工控計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)處理模塊實(shí)現(xiàn)人機(jī)之間的交互，工作人員通過(guò)對(duì)系統(tǒng)界面的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)主排水泵的控制以及數(shù)據(jù)的查詢、打印等。井下主排水泵自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如下圖1所示。

3 測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

主排水泵自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)硬件主要由各類傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、工控計(jì)算機(jī)、操作臺(tái)、顯示器、電動(dòng)按鈕和打印機(jī)等組成。傳感器數(shù)據(jù)采集信號(hào)分為3類，扭矩轉(zhuǎn)速、流量傳感器輸出脈沖頻率信號(hào)，溫度傳感器輸出電阻信號(hào)，壓力變送器輸出電流信號(hào)，各類傳感器均采用抗干擾性能強(qiáng)的電源供電并使用光耦傳輸。利用電動(dòng)閘閥來(lái)調(diào)節(jié)水泵流量大小，由電位器輸出4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流閥口開閉信號(hào)[3]。

3.1 傳感器的選型

（1）壓力傳感器選型

主排水泵的進(jìn)出口水壓測(cè)量采用壓力變送器完成，由于井下特殊的防爆使用環(huán)境，分別采用LED-900A和HX-L61D型號(hào)壓力變送器，兩種型號(hào)的主要參數(shù)如下表1所示。兩種壓力變送器可安裝在主排水泵管道或接口法蘭處。

表1 壓力變送器的主要參數(shù)

（2）流量傳感器選型

主排水泵自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)流量的測(cè)量通過(guò)流量傳感器來(lái)完成，流量傳感器選用LW型渦輪式流量傳感器，其主要參數(shù)如下表2所示。在進(jìn)行流量傳感器的安裝時(shí)需注意傳感器上游直管的長(zhǎng)度需要大于20倍的管道直徑，流量傳感器的下游直段的安裝長(zhǎng)度需要大于管道直徑的5倍。

表2 流量傳感器的主要參數(shù)

（3）扭矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x選型

主排水泵自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩進(jìn)行測(cè)量，選用JN338-5000A以及JN338-30000A的扭矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x。當(dāng)對(duì)高壓水泵進(jìn)行測(cè)試時(shí)選用量程較大的JN338-30000A測(cè)量?jī)x，常壓水泵選用JN338-5000A測(cè)量?jī)x。

（4）溫度傳感器選型

室溫和水溫測(cè)量分別選用XMZ-102和XMZ-8000型號(hào)溫度測(cè)量?jī)x，其主要的工作部件是PT100鉑電阻，并且具有很好的防潮、防震、防干擾性能，適合在井下水泵房工作。

3.2 信號(hào)的采集與處理

數(shù)據(jù)采集卡選用PCI-1711來(lái)進(jìn)行接收，所有數(shù)據(jù)采集均接到該裝置上，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集工作。信號(hào)采集框圖如下圖2所示。

4 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 功能目標(biāo)

主排水泵測(cè)試系統(tǒng)軟件部分需要實(shí)現(xiàn)報(bào)警、水泵性能曲線自動(dòng)實(shí)時(shí)繪制、氣蝕曲線繪制、歷史數(shù)據(jù)查詢以及報(bào)表生成打印等功能。系統(tǒng)應(yīng)功能完善、操作簡(jiǎn)單。

4.2 組織架構(gòu)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)主要由參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)計(jì)算、曲線繪制打印、記錄查詢等模塊組成。工作人員可以根據(jù)主排水系統(tǒng)水泵型號(hào)規(guī)格結(jié)合水倉(cāng)蓄水量設(shè)置測(cè)試參數(shù)和范圍，自動(dòng)控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閘閥完成多工況測(cè)試數(shù)據(jù)的采集，利用內(nèi)嵌Visual Basic軟件對(duì)采集到的單點(diǎn)水泵性能測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合并生成可調(diào)用的執(zhí)行文件，同時(shí)在系統(tǒng)主界面可以進(jìn)行采集數(shù)據(jù)、清空數(shù)據(jù)、查看曲線、查詢歷史數(shù)據(jù)、打印曲線報(bào)表等功能[4-5]。

5 結(jié)語(yǔ)

井下主排水泵作為保證礦井安全生產(chǎn)的主要固定設(shè)備，其安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)井下的正常工作開展具有重要的作用。本文以現(xiàn)有煤礦井下主排水泵自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)為基礎(chǔ)，闡述了水泵的性能試驗(yàn)和汽蝕試驗(yàn)原理，提出了測(cè)試系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)方案。對(duì)主排水泵自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的硬件配置進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)信號(hào)采集模塊的壓力、流量、扭矩轉(zhuǎn)速和溫度傳感器等進(jìn)行選型，設(shè)計(jì)了信號(hào)采集處理模塊。對(duì)主排水泵自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的軟件功能目標(biāo)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了軟件組織架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)井下主排水泵自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)硬件和軟件的統(tǒng)一。該系統(tǒng)能夠有效地對(duì)主排水泵性能參數(shù)包括進(jìn)出口壓力、流量等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)原始數(shù)據(jù)的自動(dòng)實(shí)時(shí)處理、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和查詢等功能，有助于提升煤礦井下主排水泵性能測(cè)試效率。