張偉元，張朋飛，潘 越,左光宇,張 凱

（1.河北工程大學(xué) 機(jī)械與裝備工程學(xué)院，河北 邯鄲056038；2.冀中能源峰峰集團(tuán)有限公司，河北 邯鄲 056201）

邯鄲多數(shù)煤礦處于富水地區(qū)，受水患威脅嚴(yán)重。如果不將礦井水及時(shí)排出，將影響煤礦的正常生產(chǎn)。目前，我國(guó)煤礦井下排水系統(tǒng)多為吸入式排水。通過(guò)水泵葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生負(fù)壓吸水，進(jìn)水口長(zhǎng)期處于負(fù)壓吸水狀態(tài)。在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重汽蝕現(xiàn)象、且耗電量大、效率不高等問(wèn)題。在對(duì)冀中能源某些礦進(jìn)行耗能調(diào)查后，得出水泵葉輪磨損嚴(yán)重，實(shí)際使用效率比給定效率低20%～30%[1]。另外，邯鄲某些礦井排水系統(tǒng)人工啟停水泵、人為檢測(cè)水倉(cāng)水位，操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，無(wú)法應(yīng)對(duì)突發(fā)涌水事故，已不適應(yīng)煤礦發(fā)展的要求。

徐樹(shù)寶、佘影、潘越等人指出將潛水泵串聯(lián)在離心泵吸水管上，形成子母泵排水方式，具有徹底消除汽蝕、啟動(dòng)速度快和成功率高的特點(diǎn)[2-4]。耿寬寬、阮進(jìn)林、于治福等人對(duì)煤礦井下自動(dòng)排水系統(tǒng)進(jìn)行了研究,利用PLC 技術(shù)和傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了水倉(cāng)液位的監(jiān)測(cè)和水泵自動(dòng)啟停等功能[5-7]。針對(duì)目前排水系統(tǒng)存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于正壓給水、高效率、全自動(dòng)的礦井自動(dòng)化排水系統(tǒng)，對(duì)煤礦安全高效地生產(chǎn)具有重要意義。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 串聯(lián)前置泵排水原理

本排水系統(tǒng)是串聯(lián)前置泵啟動(dòng)排水，原理是采用正壓給水排水方式。串聯(lián)低揚(yáng)程等流量的前置潛水泵，由前置潛水混流泵為主排水泵吸水口處提供正壓給水，形成了正壓給水子母泵串聯(lián)井下排水系統(tǒng)。水泵機(jī)組串聯(lián)后流量保持不變，提高了排水總揚(yáng)程。離心泵排水系統(tǒng)工作原理圖如圖1。

圖1 離心泵排水系統(tǒng)工作原理圖Fig.1 Working principle diagram of centrifugal pump drainage system

主排水泵啟動(dòng)前，首先啟動(dòng)小型潛水泵，由前置泵向主泵吸水管給水，等壓力表指針?lè)€(wěn)定后啟動(dòng)主排水泵。該方式的優(yōu)點(diǎn)是主排水泵的啟動(dòng)速度和成功率提高，延長(zhǎng)了主排水泵的使用壽命，可有效消除汽蝕，增加系統(tǒng)的安全性和可靠性。

1）采用正壓給水技術(shù)，串聯(lián)低揚(yáng)程等流量的前置潛水泵，形成了正壓補(bǔ)水子母泵串聯(lián)井下排水系統(tǒng)。消除了主排水泵汽蝕現(xiàn)象，保證了排水系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2）前置泵選用混流泵，是介于離心泵和軸流泵之間的一種泵。具大有流量，低揚(yáng)程的特點(diǎn)，啟?？刂坪?jiǎn)單，可直接在水下使用。

3）前置泵變頻調(diào)速。該系統(tǒng)工作時(shí)，根據(jù)水倉(cāng)水位變化，通過(guò)變頻器變量調(diào)節(jié)潛水泵，改變主排水泵排水量大小，使水倉(cāng)水位保持在安全范圍內(nèi)。

4）PLC 控制器，通過(guò)各種傳感器采集水位、壓力、流量等相關(guān)信號(hào)，并采用RS485 總線(xiàn)接口與工控機(jī)連接，實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向傳輸，控制水泵機(jī)組、電動(dòng)閥等設(shè)備，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)人智能化。

1.2 功能設(shè)計(jì)

1）系統(tǒng)具有3 臺(tái)潛水泵和3 臺(tái)新型主排水泵，潛水泵工頻切換。通過(guò)前置喂水泵變頻調(diào)速，使其自動(dòng)適應(yīng)主排水泵壓力及流量變化，始終使排水系統(tǒng)保持在高效工況區(qū)運(yùn)行。

2）系統(tǒng)控制。系統(tǒng)具備近控模式和遠(yuǎn)控模式2種控制方式。近控模式下，礦井排水系統(tǒng)每個(gè)水泵都可以獨(dú)立工頻工作，適合應(yīng)急排水。而在遠(yuǎn)控模式下，根據(jù) PLC 檢測(cè)到的液位高度，自動(dòng)完成水泵機(jī)組的變速控制及附屬設(shè)備啟?？刂啤?/p>

3）合理劃分水位，遵循“輪換工作”原則。自動(dòng)選擇運(yùn)行時(shí)間最少的水泵輪換使用，做到均勻磨損。結(jié)合“避峰填谷”的策略。電費(fèi)的“谷段”和“平段”進(jìn)行排水；而在保證安全的前提下，在用電的“峰段”盡量蓄水。

4）保護(hù)功能。該系統(tǒng)有電機(jī)故障保護(hù)、超溫保護(hù)、漏水保護(hù)、流量、壓力保護(hù)。采用聲光報(bào)警相結(jié)合的方式。一般的故障燈光報(bào)警，只在發(fā)生重大故障,才啟動(dòng)警鈴報(bào)警。

2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2，系統(tǒng)控制電路圖如圖3。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structure of control system

1）系統(tǒng)硬件組成。系統(tǒng)的硬件主要包括可編程控制箱、觸摸屏、變頻器、傳感器、電機(jī)及電磁閥等設(shè)備?？刂葡溥x用西門(mén)子S7-300 PLC，控制模塊為CPU315[8]。超聲波液位儀和投入式液位儀形成冗余系統(tǒng)，增加液位檢測(cè)的精度和可靠性。通過(guò)前置泵變頻調(diào)速，使前置泵出口的流量和壓力自動(dòng)與主排水泵相適應(yīng)，以始終保持排水系統(tǒng)在高效工況區(qū)運(yùn)行，有效地提高排水系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

圖3 系統(tǒng)控制電路圖Fig.3 System control circuit diagram

2）系統(tǒng)控制電路。M1、M2、M3為電動(dòng)機(jī)；FR1、FR2為熱繼電器,起保護(hù)電路的作用;接通接觸器KM1和KM3可以使電機(jī)M1和M2在工頻下工作；接通接觸器KM2和KM4可以使電機(jī)M1和M2在變頻下工作，實(shí)現(xiàn)了前置泵變頻和工頻工作的切換[9]。

3）變頻器。首先對(duì)西門(mén)子 MM440 型變頻器進(jìn)行參數(shù)選擇和設(shè)置。變頻器采用端子接線(xiàn)方式，使電壓和頻率呈線(xiàn)性關(guān)系有利于水泵流量調(diào)節(jié)。潛水泵變頻調(diào)速不宜低于額定轉(zhuǎn)速50%，最好處于75%～100%[10]。經(jīng)實(shí)際計(jì)算，確定潛水泵最低轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的60%。

4）系統(tǒng)軟件。水泵工作在遠(yuǎn)控操作模式下，完全由PLC 控制。根據(jù)節(jié)能減耗原則采用“避峰填谷”控制策略。充分利用水倉(cāng)有效容積，按照每天電價(jià)的不同，將24 h 分成峰段、平段、谷段。根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)水位高度、水位變化率（上升速率和下降速率），計(jì)算出工作運(yùn)行水泵臺(tái)數(shù)，避免泵房被淹事故發(fā)生。當(dāng)水位高度超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)，水泵全部運(yùn)行，同時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)。系統(tǒng)軟件流程圖如圖4。

3 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.4 System software flow chart

1）水泵啟動(dòng)時(shí)間。水泵啟動(dòng)方式分為射流泵啟動(dòng)方式和正壓給水啟動(dòng)方式。分別進(jìn)行8 次水泵啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)，記錄水泵啟動(dòng)時(shí)間。水泵啟動(dòng)時(shí)間曲線(xiàn)如圖5。由圖5 可知，射流泵引水啟動(dòng)水泵一般需要60 s 左右，而基于正壓給水啟動(dòng)水泵大約需要10 s的時(shí)間。大大減少了啟動(dòng)泵的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快速啟泵，增加了排水能力的儲(chǔ)備，有效提高了應(yīng)急排水響應(yīng)速度和處置能力。

圖5 水泵啟動(dòng)時(shí)間Fig.5 Pump start-up time

2）水位變化趨勢(shì)?；谡龎航o水礦井自動(dòng)排水控制系統(tǒng)在實(shí)行避峰填谷原則時(shí)，通過(guò)細(xì)分水位和在每個(gè)時(shí)間段分別設(shè)定水位變化率檢測(cè)在1 d 時(shí)間內(nèi)水倉(cāng)水位變化情況以及水泵開(kāi)啟的臺(tái)數(shù)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真，水位變化曲線(xiàn)與水泵控制曲線(xiàn)如圖6 和圖7。仿真結(jié)果表明，在用電谷段（0：00—8：00 和 12：00—18：00）水泵開(kāi)啟數(shù)量增加，將水倉(cāng)蓄水降至低水位線(xiàn)附近，在用電峰段（8：00—12：00 和 18：00—22：00）最多啟動(dòng)1 臺(tái)水泵，將水位控制在安全范圍內(nèi)。本系統(tǒng)策略符合“避峰填谷”的目的，且可以避免水泵頻繁啟停問(wèn)題。

圖6 水位變化曲線(xiàn)Fig.6 Water level change curve

圖7 水泵控制曲線(xiàn)Fig.7 Pump control curve

4 結(jié) 語(yǔ)

分析了邯鄲某煤礦現(xiàn)有的排水系統(tǒng)的不足，提出了“正壓排水”、“自動(dòng)控制”、“避峰填谷”“前置泵調(diào)速”等方法，充分利用泵房水倉(cāng)容積，實(shí)現(xiàn)高效水泵“高水位排水，低水位停泵”的效果。建立了正壓給水的礦井自動(dòng)排水控制系統(tǒng)，可以避免水泵頻繁啟停問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了井下排水系統(tǒng)無(wú)人監(jiān)控。目前，改進(jìn)的控制方案已在邯鄲某礦使用，取得了良好效果。