李鵬亮

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

引言

煤礦生產(chǎn)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(chǎn)。

目前煤礦生產(chǎn)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(chǎn)的電力費用具有重要意義。本文將根據(jù)實際情況，完成排水泵合理用電策略的設計，并對其節(jié)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(jié)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(shù)

煤礦的涌水量在不同生產(chǎn)階段變化較大，而且呈季節(jié)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(qū)域的涌水量進行研究，該區(qū)域的用數(shù)量最大可達到70.5 m3/h，平均涌水量為64.6 m3/h。同時，該區(qū)域涌水量在一天內(nèi)的波動較小，包括有煤礦正常生產(chǎn)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?shù)胤謺r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(xiàn)。

2.1 分時電價

結合當?shù)氐膶嶋H情況，該煤礦所在區(qū)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(qū)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(chǎn)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(xiàn)

2.2.1 建立灰色模型

灰色模型建立依據(jù)：系統(tǒng)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(tǒng)運行6 h后?；谒⒌幕疑Ｐ停瑢?～11 h 各個時間段內(nèi)的涌水量進行預測，并得出最終水倉內(nèi)涌水的體積。其中，在6～8 h 的時間段內(nèi)，將水倉內(nèi)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(jù)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(huán)模型

在上述灰色模型建立的基礎上，根據(jù)排水泵的實時狀態(tài)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(diào)度工作流程。

圖2 排水泵調(diào)度預測流程圖

當工作面涌水量出現(xiàn)突發(fā)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(chǎn)的安全性。值得注意的是，當水倉內(nèi)的水位已經(jīng)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(chǎn)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(jié)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(jīng)比對可知，二者在同一時間段內(nèi)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(tǒng)在某個時域對未來5 個時域排水泵的工作狀態(tài)進行預測，并將預測結果與未來5 個時域內(nèi)排水泵的實際工作狀態(tài)進行比對。經(jīng)比對可知，模型預測控制可實現(xiàn)對排水泵未來5 個時域工作狀態(tài)的精準控制。

3.3 對電費節(jié)約效果的驗證

3.3.1 三種用電策略

對電費節(jié)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(yōu)化策略進行控制，保證水倉內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(yōu)化，通過分析可以看出在5：00—22:00 的時間段內(nèi)排水泵一直處于關閉狀態(tài)，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(tǒng)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(chǎn)生的電費

4 結語

排水泵為保障煤礦安全生產(chǎn)的關鍵部件，主要作用是將工作面生產(chǎn)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(xiàn)對水倉水位的預測，進一步保障了生產(chǎn)的安全性。實際應用證明，該策略不僅滿足安全生產(chǎn)要求，還能達到降低電費的效果。