張志磊

（同煤集團四臺礦生產(chǎn)技術(shù)科， 山西 大同 037003）

引言

在我國第十二個五年計劃期間，節(jié)能減排這一主題已經(jīng)被放到了我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要位置。相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，十二五期間已經(jīng)實現(xiàn)節(jié)省6.7億t標準煤的目標。而在我國能量消耗的相關(guān)內(nèi)容中，泵和風(fēng)機負荷占到總能耗的50%左右。就泵的功率消耗而言，更是占到21%[1]。因此，基于實際工程系統(tǒng)模型對泵進行控制優(yōu)化是非常重要的。通過對泵的節(jié)能降耗可以為實現(xiàn)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會做出重要的貢獻。隨著我國進入十三五規(guī)劃下的能源結(jié)構(gòu)改革，煤礦及相關(guān)化石能源的結(jié)構(gòu)改革成為重點，傳統(tǒng)煤業(yè)的節(jié)能降耗措施更是迫在眉睫，然而，關(guān)于這方面的研究工作卻較少。

1 目前煤礦加壓泵的運行工況分析

在煤礦的開采和使用中，斷層和地質(zhì)脆弱區(qū)常常會出現(xiàn)礦井水災(zāi)的安全事故，這主要由于通過斷層和脆弱區(qū)滲入工作界面和空間的水超出了正常的排水范圍。國家安全監(jiān)督局和各地級市政府對于此類安全事故十分重視，但是災(zāi)難仍時有發(fā)生。所以煤碳礦井內(nèi)的供水系統(tǒng)十分重要。一般采用的方式為：將井下生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的礦井水通過多級提升至地面系統(tǒng)，經(jīng)過處理后，以靜壓水方式供井下生產(chǎn)使用。但是，在山西等地區(qū)一些特大型的礦井當中，由于礦井所處地區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，沿程阻力對靜壓水壓的減少十分顯著，這對于工作現(xiàn)場來說，就需要對現(xiàn)有不足的水壓作以提升。一般來說，加壓泵主要設(shè)在水倉附近[2]。

為了適應(yīng)多樣的工況條件，加壓泵傳統(tǒng)的設(shè)計均保留了大量的余量，這種設(shè)計思路使得連續(xù)高壓供水系統(tǒng)面臨很多缺陷，例如水泵電機無法跟隨工作界面的需求進行工頻調(diào)節(jié)，這對于節(jié)能降耗來說十分不可取，除此之外，在地質(zhì)較為疏松的地區(qū)，由于管道受到連續(xù)高壓的沖擊極易發(fā)生泄露，從而影響生產(chǎn)、造成隱患。因此，有必要開發(fā)一種對水位、壓力、流量等信息進行連續(xù)監(jiān)測煤礦井下加壓泵恒壓變頻供水系統(tǒng)。然而，調(diào)查了近幾年關(guān)于加壓泵的國內(nèi)外研究與應(yīng)用文獻可以看出，對于加壓泵的優(yōu)化，近年來已成為研究的熱點，并受到越來越多的學(xué)者關(guān)注研究，然而絕大多數(shù)針對供暖領(lǐng)域（即建筑科學(xué)領(lǐng)域）[3]，此外，很多學(xué)者也開始逐步關(guān)注泵在煤礦生產(chǎn)當中的應(yīng)用，早在1996年夏士雄等人就發(fā)表了文章《煤礦泵站水泵節(jié)水控制系統(tǒng)》介紹了一種投資少、見效快的水泵節(jié)水控制系統(tǒng)，可減少水資源浪費，經(jīng)濟效益顯著。近年來，“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)逐步在各個工業(yè)領(lǐng)域開始拓展，構(gòu)建智控聯(lián)網(wǎng)與變頻技術(shù)相結(jié)合的泵水系統(tǒng)成為大勢所趨。因此，本文采用三相異步電動機驅(qū)動的加壓水泵為研究對象，構(gòu)建了一套智能聯(lián)網(wǎng)調(diào)控的變頻加壓泵變頻調(diào)控系統(tǒng)。結(jié)合變頻調(diào)速的參數(shù)表達式、泵特性方程和動力學(xué)知識，利用MATLAB2015軟件實驗平臺搭建了仿真等效模型，對變頻加壓泵的工作特性進行了測試[4]。

2 一種智能調(diào)控與變頻加壓泵的耦合技術(shù)的提出

2.1 智控選擇及系統(tǒng)構(gòu)建

智能控制單元：我們采用SIEMENS S7—200 PLC CPU224XP AC—DC—RLY，擴展A/D及D/A模塊構(gòu)建智控模塊，這用于采集系統(tǒng)壓力、水位、流量信息[5]。

智能聯(lián)網(wǎng)單元：選用工業(yè)以太網(wǎng)模塊CP243，變頻器選用QJR250隔爆兼本安變頻調(diào)速器，通過設(shè)定壓力值與實際壓力值的比較，產(chǎn)生偏差信號，通過PLCD/A口輸出電流信號控制變頻器輸出頻率[6]。

之后對加壓泵進行變頻控制，之前關(guān)于泵的相關(guān)研究，對于變頻和智控的耦合效果，均未做詳細的分析和仿真，為此，本文主要著眼于加壓泵的工況優(yōu)化，首先構(gòu)建了T型等效異步電動機模型電路簡化圖[7]，如圖1所示（忽略漏阻抗降）。

圖1 異步電動機近似等效電路及智控耦合系統(tǒng)

2.2 變頻加壓泵的工況特征及運行仿真

本文主要對加壓泵的泵特性進行仿真研究，在任何速度的揚程特性方程如下所示：

式中：H為勢差，H0為虛擬的總揚程額定轉(zhuǎn)速，R為泵阻力系數(shù)，Q為泵的流量，k為泵速度和轉(zhuǎn)速之間的速度比。額定轉(zhuǎn)速，即k＝n/nN。

輸出軸功率/流量（非Q）特性方程——泵的輸出軸功率

式中：r為介質(zhì)的密度，N/m3。

將方程（1）代入方程（2）的 N0—Q'可以得到任意速度下的特征方程，如式（3）所示：

輸入軸功率/流量（Ni-P）特性方程——考慮到泵效率的Ni-P特性方程，如式（4）所示：

式中：Ni為輸入軸的功率，η為機械動力泵效率。

利用MATLAB2015進行數(shù)據(jù)仿真，可以看到變頻加壓泵的運行工況如下：

本文研究低于基頻，由恒壓頻率比（U/f=7.6）控制。開始時，定子頻率設(shè)置 f=40 Hz（1s），f＝50 Hz，低電壓隨頻率的變化如圖2所示。電壓和頻率的變化比較吻合，周期相同。

升力和流量如圖3所示，顯示了加壓泵的揚程與流量變化曲線，從曲線可以看出，兩者的趨勢具有很好的溫和特征且趨勢相輔，這對于高流量的煤礦生產(chǎn)來說具有十分重要的工程建議。這部分仿真結(jié)果與實際相符。結(jié)果驗證了所提出的智控變頻加壓泵系統(tǒng)有效可靠。

圖2 定子電壓與頻率曲線

圖3 加壓泵的揚程與流量變化曲線

3 結(jié)論

1）采用三相異步電動機驅(qū)動的加壓水泵，構(gòu)建一套智能聯(lián)網(wǎng)調(diào)控的變頻加壓泵變頻調(diào)控系統(tǒng)，并結(jié)合變頻調(diào)速的參數(shù)表達式、泵特性方程和動力學(xué)知識，利用MATLAB2015軟件實驗平臺搭建仿真等效模型，以研究變頻加壓泵的工作特性。

2）采用三相異步電動機驅(qū)動的系統(tǒng)進行變頻調(diào)速，驗證智控變頻加壓泵系統(tǒng)的有效可靠性，為泵的優(yōu)化調(diào)度控制、預(yù)測與性能分析奠定基礎(chǔ)。

[1]楊少剛，李慧，尹久浩.基于TRNSYS的變頻泵模塊的開發(fā)及應(yīng)用[J].暖通空調(diào)，2015，45（8）：36-41；46.

[2]汪建，林榮祖，鮑迎春.常用變頻泵組的工況分析及其選用建議[J].給水排水，2013，49（9）：87-92.

[3]陳鳴.分布式變頻泵供熱系統(tǒng) [J].煤氣與熱力，2008，28（8）：12-14.

[4]孫多斌，王樹剛，徐楠，等.分布式混水變頻泵管網(wǎng)系統(tǒng)的運行節(jié)能分析[J].哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2007（2）：235-237；248.

[5]HongJie Wang,FangWang,Yuan Yuan Huang,et.al.The Research of Energy-Saving in Air Conditioning Water Cooling System by Frequency Conversion Pump and Constant Pressure Control[J].Applied Mechanics and Materials,2014（446）：2799.

[6]Qin Hui Gong.The Design and Implementation of Fuzzy Control Algorithm for Frequency Conversion System of Pump[J].Advanced Materials Research,2014（971）：3255.

[7]Shizhong Yang,Qingchang Ren.Intelligent Control Technology for Frequency Conversion Pump in Air Conditioning Systems[J].EnergyProcedia,2011（11）：665-668.