煤礦排水泵合理用電策略及仿真分析

李鵬亮

（晉能控股煤業集團潞安煤炭事業部黃山煤業有限公司， 山西 長治 046000）

引言

煤礦生產的主要動力為電能，包括綜采工作面的采煤機、刮板輸送機、帶式輸送機以及地面布置的通風機、排水泵等均為主要的耗能設備。其中排水泵的主要作用是將煤礦的涌水排出，以保證煤礦的安全生產。

目前煤礦生產過程中，通常是在水位即將超過水倉的水位約束時，才啟動排水泵進行排水，在用電高峰期，增加了煤礦排水的成本[1]。因此，采用“避峰填谷”的排水方式，不僅能夠解決“透水”事故的威脅，而且對降低煤礦生產的電力費用具有重要意義。本文將根據實際情況，完成排水泵合理用電策略的設計，并對其節能效果進行仿真分析。

1 煤礦排水泵使用概況

首先，設計煤礦排水泵合理用電策略之前，需明確其重點解決的問題。煤礦排水泵合理用電策略設計，重點解決在用電高峰期排水時造成電費成本增加的問題。具體目的如下：

1）在用電低峰期正常運轉，而在用電高峰期停止排水泵運行，達到“躲峰”的目的。

2）在用電低峰期同樣可以采用節能運行模式，對排水泵進行控制運行。

本文所研究煤礦目前排水泵的基本情況，如表1 所示。

表1 煤礦排水泵關鍵參數

煤礦的涌水量在不同生產階段變化較大，而且呈季節性變化，是影響該煤礦排水泵合理用電策略制定的主要因素。一般情況，煤礦在雨季的涌水量偏大，而在旱季的涌水量偏小。在春天的涌水量較大，在夏天的涌水量最多，在秋季的涌水量偏少，在冬季的涌水量最少。本文以DDM360×75 型水泵所負責區域的涌水量進行研究，該區域的用數量最大可達到70.5 m3/h，平均涌水量為64.6 m3/h。同時，該區域涌水量在一天內的波動較小，包括有煤礦正常生產時破壞含水層所導致的涌水和礦井回填時所導致的涌水[2]。

2 合理用電策略的總體方案設計

煤礦排水泵合理用電策略的制定需結合礦井涌水量和當地分時電價綜合考慮，并結合灰色模型和模型預測控制等理論，保證功能的實現。

2.1 分時電價

結合當地的實際情況，該煤礦所在區域的用電情況可分為峰時、谷時和平時三種情況，每個情況所包含的時間段和實際電費，如表2 所示。

表2 所在區域分時電價表

該煤礦-830 水平泵房中共布置有3 臺型號為DDM360×75 的排水泵。在實際生產中，該水平泵房中的排水泵只有一臺運行，其余一臺為備用，一臺檢修。該型水泵的額定功率為440 kW，電機額定轉速為1480 r/min。-830 水平泵房所配置水倉的出水量為3000 m3。平均涌水量在8 h 所積攢的水量為64.6 m3/h×8 h=516.8 m3。水倉的容量大于平均涌水量在8 h 所積攢的水量。

2.2 合理用電策略總體方案的實現

2.2.1 建立灰色模型

灰色模型建立依據：系統開始運行后，基于灰色理論對礦井的涌水量進行預測，預測至系統運行6 h后。基于所建立的灰色模型，對8～11 h 各個時間段內的涌水量進行預測，并得出最終水倉內涌水的體積。其中，在6～8 h 的時間段內，將水倉內新增加的水量排出，躲避上午時的用電高峰[3]。

灰色模型建立流程如圖1 所示。

圖1 灰色模型流程圖

結合灰色模型的建立依據和流程圖，所建立的灰色模型如式1 所示：

2.2.2 建立MPC 閉環模型

在上述灰色模型建立的基礎上，根據排水泵的實時狀態和水倉水位之間的相互約束關系，建立如圖2 所示的水泵調度工作流程。

圖2 排水泵調度預測流程圖

當工作面涌水量出現突發情況時，不按照上述“避峰填谷”的原則對排水泵進行控制。此時，所有排水泵全部啟動，以保證工作面生產的安全性。值得注意的是，當水倉內的水位已經達到報警位置，即便在高峰期也需立即將水倉中的水排出[4]。

3 合理用電策略的分析

針對上述所設計的排水泵合理用電策略，在實際生產中對本身灰色模型的預測準確性、模型預測控制的正確性和電費節約效果三方面進行應用效果驗證。

3.1 針對灰色預測模型準確性的驗證

針對灰色預測模型準確性的驗證，即對模型預測的涌水量和實際涌水量進行對比。經比對可知，二者在同一時間段內的最大差值為3.6411 m3，說明本文所建立的灰色預測模型可應用于該煤礦實際涌水量的預測。

3.2 針對模型預測控制正確性的驗證

系統在某個時域對未來5 個時域排水泵的工作狀態進行預測，并將預測結果與未來5 個時域內排水泵的實際工作狀態進行比對。經比對可知，模型預測控制可實現對排水泵未來5 個時域工作狀態的精準控制。

3.3 對電費節約效果的驗證

3.3.1 三種用電策略

對電費節約效果的驗證，也是排水泵合理用電策略的最終目的。本文分別對三種策略下的電費進行對比，三種策略分別描述如下：

1）1 號策略為不采用任何優化策略進行控制，保證水倉內水位不超過2 m，同時當水位超過報警界限后水泵開始啟動工作，并在水位回到最低限值后停止排水。

2）2 號策略為保證水位不超過水倉的3 m 界限，并且在用電高峰期前1 h，對水倉中的水進行排放。

3）3 號策略為基于“避峰填谷”原則所設計的合理用電策略。

3.3.2 三種用電策略的應用效果

三種用電策略的應用效果具體總結如下：

1）1 號策略水倉內水位保持在2 m，導致排水泵頻繁啟動。此種方式不僅增加用電成本，而且會導致排水泵使用壽命縮短。而且，該控制策略目前主要依靠人工完成，自動化水平較低[5]。

2）2 號策略雖然能夠直觀地避開了用電高峰進行排水，但是，該策略不能對未來的高峰期內水倉的水量進行預測，在用電高峰期前1 h 排水水量較小，會導致在高峰期水倉內水位激增。水倉容量較小時，該種策略明顯不適用。

3）3 號策略本質上是對2 號策略的優化，通過分析可以看出在5：00—22:00 的時間段內排水泵一直處于關閉狀態，而僅在22：00—23:00 的用電低峰期運行。

對上述三種策略運行1 d 的電費進行統計，如表3 所示，3 號策略用電量最少。

表3 不同策略下運行1 d 產生的電費

4 結語

排水泵為保障煤礦安全生產的關鍵部件，主要作用是將工作面生產時的涌水排出。為減少排水泵長時間且在用電高峰期運行，導致電費較大的問題，本文基于“避峰填谷”的原則，設計了排水泵的合理用電策略，所設計的3 號策略每天用于排水的電費僅為600.2 元，較1 號策略有明顯的降低成本的效果。與2 號策略相比，可實現對水倉水位的預測，進一步保障了生產的安全性。實際應用證明，該策略不僅滿足安全生產要求，還能達到降低電費的效果。