基于正压给水的矿井自动排水控制系统_张伟元.pdf

第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．2 Feb． 2020 基于正压给水的矿井自动排水控制系统 张伟元 1,2， 张朋飞1， 潘 越 1,左光宇1,张 凯 1 （1．河北工程大学 机械与装备工程学院， 河北 邯郸 056038； 2．冀中能源峰峰集团有限公司， 河北 邯郸 056201） 摘要 针对邯郸某矿井下排水系统水泵汽蚀严重、 响应速度慢、 耗电量大以及自动化性能差等 问题， 提出采用正压给水排水方式， 由潜水泵为主排水泵吸水口提供正压给水以及采用 PLC 自 动控制等方法对现有系统进行优化改进。并结合 “避峰填谷” 的用电策略与水泵变频调速技术的 优势， 建立了一套安全、 可靠的煤矿自动控制排水系统。该系统运行后， 电费减少， 水泵启动响应 速度提高； 可以根据水位高度， 实现水泵机组及附属设备自动启停。 关键词 井下自动排水控制系统； 正压给水技术； 变频调速； PLC； 避峰填谷 中图分类号 TD676文献标志码 B文章编号 1003-496X202002-0128-04 Automatic Drainage Control System of Coal Mine Based on Positive Pressure Water Supply ZHANG Weiyuan1,2, ZHANG Pengfei1, PAN Yue1, ZUO Guangyu1, ZHANG Kai1 （1．College of Mechanical and Equipment Engineering, Hebei University of Engineering, Handan 056038, China; 2．Jizhong Energy Fengfeng Group Co., Ltd., Handan 056201, China） Abstract Aiming at the problems of serious steam cavitation, slow response, high power consumption and poor automation perance for the pumping system in the underground drainage system of a coal mine in Handan, a positive pressure water supply and drainage is proposed． The submersible pump provides positive pressure water supply for the suction port of the main drainage pump, and the PLC automatic control s are adopted to optimize and improve the existing system． Combined with the power consumption strategy of “avoiding peaks and filling valleys”and the advantages of frequency control technology for water pump, a safe and reliable automatic control drainage system for the coal mine has been established． After the operation of the system, the electricity cost is reduced, and the start response speed of water pump is increased; the pump units and the auxiliary equipment can be automatically started and stopped according to the height of water level． Key words underground automatic drainage control system; positive pressure water supply technology; frequency control of motor speed; PLC; avoiding peak and filling valley 邯郸多数煤矿处于富水地区， 受水患威胁严重。 如果不将矿井水及时排出，将影响煤矿的正常生 产。目前， 我国煤矿井下排水系统多为吸入式排水。 通过水泵叶轮旋转产生负压吸水，进水口长期处于 负压吸水状态。在运行中会产生严重汽蚀现象、 且 耗电量大、效率不高等问题。在对冀中能源某些矿 进行耗能调查后，得出水泵叶轮磨损严重，实际使 用效率比给定效率低 20～30[1]。另外， 邯郸某些 矿井排水系统人工启停水泵、人为检测水仓水位， 操作人员劳动强度大，无法应对突发涌水事故， 已 不适应煤矿发展的要求。 徐树宝、 佘影、 潘越等人指出将潜水泵串联在离 心泵吸水管上，形成子母泵排水方式，具有彻底消 除汽蚀、 启动速度快和成功率高的特点[2-4]。耿宽宽、 阮进林、于治福等人对煤矿井下自动排水系统进行 了研究,利用 PLC 技术和传感器技术， 实现了水仓液 位的监测和水泵自动启停等功能[5-7]。针对目前排水 系统存在的问题， 设计了基于正压给水、 高效率、 全 自动的矿井自动化排水系统，对煤矿安全高效地生 产具有重要意义。 DOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．02．029 张伟元， 张朋飞， 潘越， 等．基于正压给水的矿井自动排水控制系统 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （2） 128-131． ZHANG Weiyuan, ZHANG Pengfei, PAN Yue, et al． Automatic Drainage Control System of Coal Mine Based on Positive Pressure Water Supply［J］ ． Safety in Coal Mines, 2020, 51 （2） 128-131．移动扫码阅读 128 ChaoXing Vol.51No.2 Feb. 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 1－PLC 控制柜； 2－水泵机组； 3－逆止阀； 4－电动闸阀； 5－流量传感器； 6－压力传感器； 7－弯头； 8－潜水泵。 图 1离心泵排水系统工作原理图 Fig.1Working principle diagram of centrifugal pump drainage system 图 2控制系统硬件结构图 Fig. 2Hardware structure of control system 1总体设计 1.1串联前置泵排水原理 本排水系统是串联前置泵启动排水，原理是采 用正压给水排水方式。串联低扬程等流量的前置潜 水泵，由前置潜水混流泵为主排水泵吸水口处提供 正压给水，形成了正压给水子母泵串联井下排水系 统。水泵机组串联后流量保持不变，提高了排水总 扬程。离心泵排水系统工作原理图如图 1。 主排水泵启动前， 首先启动小型潜水泵， 由前置 泵向主泵吸水管给水，等压力表指针稳定后启动主 排水泵。该方式的优点是主排水泵的启动速度和成 功率提高，延长了主排水泵的使用寿命，可有效消 除汽蚀， 增加系统的安全性和可靠性。 1 ） 采用正压给水技术， 串联低扬程等流量的前 置潜水泵，形成了正压补水子母泵串联井下排水系 统。消除了主排水泵汽蚀现象，保证了排水系统安 全稳定运行。 2 ） 前置泵选用混流泵， 是介于离心泵和轴流泵 之间的一种泵。具大有流量， 低扬程的特点， 启停控 制简单， 可直接在水下使用。 3） 前置泵变频调速。该系统工作时， 根据水仓 水位变化，通过变频器变量调节潜水泵，改变主排 水泵排水量大小， 使水仓水位保持在安全范围内。 4） PLC 控制器，通过各种传感器采集水位、 压 力、 流量等相关信号， 并采用 RS485 总线接口与工 控机连接， 实时进行数据双向传输， 控制水泵机组、 电动阀等设备， 系统实现无人智能化。 1.2功能设计 1） 系统具有3 台潜水泵和 3 台新型主排水泵， 潜水泵工频切换。通过前置喂水泵变频调速，使其 自动适应主排水泵压力及流量变化，始终使排水系 统保持在高效工况区运行。 2） 系统控制。系统具备近控模式和远控模式 2 种控制方式。近控模式下，矿井排水系统每个水泵 都可以独立工频工作，适合应急排水。而在远控模 式下， 根据 PLC 检测到的液位高度， 自动完成水泵 机组的变速控制及附属设备启停控制。 3） 合理划分水位， 遵循 “轮换工作” 原则。自动 选择运行时间最少的水泵轮换使用，做到均匀磨 损。结合 “避峰填谷” 的策略。电费的 “谷段” 和 “平 段”进行排水；而在保证安全的前提下，在用电的 “峰段” 尽量蓄水。 4） 保护功能。该系统有电机故障保护、 超温保 护、 漏水保护、 流量、 压力保护。采用声光报警相结 合的方式。一般的故障灯光报警，只在发生重大故 障,才启动警铃报警。 2控制系统 控制系统硬件结构框图如图 2，系统控制电路 图如图 3。 1） 系统硬件组成。系统的硬件主要包括可编程 129 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.2 Feb. 2020 图 4系统软件流程图 Fig.4System software flow chart 控制箱、 触摸屏、 变频器、 传感器、 电机及电磁阀等 设备。控制箱选用西门子 S7-300 PLC， 控制模块为 CPU315[8]。超声波液位仪和投入式液位仪形成冗余 系统，增加液位检测的精度和可靠性。通过前置泵 变频调速，使前置泵出口的流量和压力自动与主排 水泵相适应，以始终保持排水系统在高效工况区运 行， 有效地提高排水系统的运行效率。 2 ） 系统控制电路。M1、 M2、 M3为电动机； FR1、 FR2 为热继电器,起保护电路的作用;接通接触器 KM1和 KM3可以使电机 M1和 M2在工频下工作；接通接触 器 KM2和 KM4可以使电机 M1和 M2在变频下工作， 实现了前置泵变频和工频工作的切换[9]。 3） 变频器。首先对西门子 MM440 型变频器进 行参数选择和设置。变频器采用端子接线方式， 使 电压和频率呈线性关系有利于水泵流量调节。潜水 泵变频调速不宜低于额定转速 50， 最好处于 75 ～100 [10]。经实际计算， 确定潜水泵最低转速为额 定转速的 60。 4） 系统软件。水泵工作在远控操作模式下， 完全 由 PLC 控制。根据节能减耗原则采用 “避峰填谷” 控 制策略。充分利用水仓有效容积，按照每天电价的 不同， 将 24 h 分成峰段、 平段、 谷段。根据单位时间 内水位高度、 水位变化率 （上升速率和下降速率） ， 计算出工作运行水泵台数，避免泵房被淹事故发 生。当水位高度超过预设值时， 水泵全部运行， 同时 发出预警信号。系统软件流程图如图 4。 3系统仿真实验 1） 水泵启动时间。水泵启动方式分为射流泵启 动方式和正压给水启动方式。分别进行 8 次水泵启 动实验，记录水泵启动时间。水泵启动时间曲线如 图 5。由图 5 可知，射流泵引水启动水泵一般需要 60 s 左右，而基于正压给水启动水泵大约需要 10 s 的时间。大大减少了启动泵的时间， 实现快速启泵， 图 3系统控制电路图 Fig.3System control circuit diagram 130 ChaoXing Vol．51No．2 Feb． 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 图 7水泵控制曲线 Fig．7Pump control curve 图 5水泵启动时间 Fig．5Pump start-up time 图 6水位变化曲线 Fig．6Water level change curve 增加了排水能力的储备，有效提高了应急排水响应 速度和处置能力。 2） 水位变化趋势。基于正压给水矿井自动排水 控制系统在实行避峰填谷原则时，通过细分水位和 在每个时间段分别设定水位变化率检测在 1 d 时间 内水仓水位变化情况以及水泵开启的台数。经过实 验仿真，水位变化曲线与水泵控制曲线如图 6 和图 7。仿真结果表明，在用电谷段（000800 和 12 001800 ） 水泵开启数量增加， 将水仓蓄水降至低 水位线附近，在用电峰段（8001200 和 1800 2200 ） 最多启动 1 台水泵， 将水位控制在安全范围 内。本系统策略符合 “避峰填谷” 的目的， 且可以避 免水泵频繁启停问题。 4结语 分析了邯郸某煤矿现有的排水系统的不足， 提 出了 “正压排水” 、“自动控制” 、“避峰填谷”“前置泵 调速” 等方法， 充分利用泵房水仓容积， 实现高效水 泵 “高水位排水， 低水位停泵” 的效果。建立了正压 给水的矿井自动排水控制系统，可以避免水泵频繁 启停问题， 实现了井下排水系统无人监控。目前， 改 进的控制方案已在邯郸某矿使用， 取得了良好效果。 参考文献 ［1］ 武福生．矿山工业互联网技术体系架构 ［J］ ．煤矿安全， 2018， 49 （8） 128－130． ［2］ 徐树宝．深井潜水泵和普通离心泵串联运行试验 ［J］ ． 山东农业大学学报 （自然科学版） ， 2016， 47 （5） 765． ［3］ 佘影， 罗明华， 张海峰．浅析煤矿井下排水系统引水方 式 ［J］ ．工矿自动化， 2016， 42 （6） 30－32． ［4］ 潘越， 庞懿元， 刘永生， 等．矿井主排水泵压入式补水 的效率分析 ［J］ ．煤炭技术， 2017 （7） 213－215． ［5］ 耿宽宽， 李铁鹰．基于无线传输的煤矿主排水泵自动 控制系统设计 ［J］ ．煤矿机械， 2014， 35 （3） 217－219． ［6］ 阮进林．保德煤矿自动化排水系统的设计及应用 ［J］ ． 煤炭工程， 2016， 48 （S1） 20－23． ［7］ 于治福， 李旭鸣， 商德勇， 等．基于 PLC 的煤矿主排水 泵自动控制系统设计 ［J］ ．煤矿机械， 2010， 31 （1） 24． ［8］ 张巍， 胡亚非， 王启立， 等．基于 PLC 的煤矿主要通风 机在线监控系统 ［J］ ．煤矿安全， 2011， 42 （9） 72－74． ［9］ 潘越， 张朋飞， 左光宇， 等．基于 PLC 的矿井主排水泵 变频调速系统设计 ［J］ ．自动化与仪表， 2018， 33 （10） 28－32． ［10］ 吴自凯， 余承烈， 薛学功．水泵变频调速应用的注意 事项 ［J］ ．工业用水与废水， 2002， 33 （5） 45－47． 作者简介 张伟元 （1972） ， 河北邯郸人， 高级工程师， 硕士， 2015 年毕业于华北水利水电大学，主要从事煤矿机 电设备研发工作。 （收稿日期 2019-05-24； 责任编辑李力欣） 131 ChaoXing