智能调控与煤矿变频加压泵的耦合研究

张志磊

（同煤集团四台矿生产技术科， 山西 大同 037003）

引言

在我国第十二个五年计划期间，节能减排这一主题已经被放到了我国基础设施建设的重要位置。相关统计数据显示，十二五期间已经实现节省6.7亿t标准煤的目标。而在我国能量消耗的相关内容中，泵和风机负荷占到总能耗的50%左右。就泵的功率消耗而言，更是占到21%[1]。因此，基于实际工程系统模型对泵进行控制优化是非常重要的。通过对泵的节能降耗可以为实现资源节约型、环境友好型社会做出重要的贡献。随着我国进入十三五规划下的能源结构改革，煤矿及相关化石能源的结构改革成为重点，传统煤业的节能降耗措施更是迫在眉睫，然而，关于这方面的研究工作却较少。

1 目前煤矿加压泵的运行工况分析

在煤矿的开采和使用中，断层和地质脆弱区常常会出现矿井水灾的安全事故，这主要由于通过断层和脆弱区渗入工作界面和空间的水超出了正常的排水范围。国家安全监督局和各地级市政府对于此类安全事故十分重视，但是灾难仍时有发生。所以煤碳矿井内的供水系统十分重要。一般采用的方式为：将井下生产过程中产生的矿井水通过多级提升至地面系统，经过处理后，以静压水方式供井下生产使用。但是，在山西等地区一些特大型的矿井当中，由于矿井所处地区结构复杂，沿程阻力对静压水压的减少十分显著，这对于工作现场来说，就需要对现有不足的水压作以提升。一般来说，加压泵主要设在水仓附近[2]。

为了适应多样的工况条件，加压泵传统的设计均保留了大量的余量，这种设计思路使得连续高压供水系统面临很多缺陷，例如水泵电机无法跟随工作界面的需求进行工频调节，这对于节能降耗来说十分不可取，除此之外，在地质较为疏松的地区，由于管道受到连续高压的冲击极易发生泄露，从而影响生产、造成隐患。因此，有必要开发一种对水位、压力、流量等信息进行连续监测煤矿井下加压泵恒压变频供水系统。然而，调查了近几年关于加压泵的国内外研究与应用文献可以看出，对于加压泵的优化，近年来已成为研究的热点，并受到越来越多的学者关注研究，然而绝大多数针对供暖领域（即建筑科学领域）[3]，此外，很多学者也开始逐步关注泵在煤矿生产当中的应用，早在1996年夏士雄等人就发表了文章《煤矿泵站水泵节水控制系统》介绍了一种投资少、见效快的水泵节水控制系统，可减少水资源浪费，经济效益显著。近年来，“互联网+”技术逐步在各个工业领域开始拓展，构建智控联网与变频技术相结合的泵水系统成为大势所趋。因此，本文采用三相异步电动机驱动的加压水泵为研究对象，构建了一套智能联网调控的变频加压泵变频调控系统。结合变频调速的参数表达式、泵特性方程和动力学知识，利用MATLAB2015软件实验平台搭建了仿真等效模型，对变频加压泵的工作特性进行了测试[4]。

2 一种智能调控与变频加压泵的耦合技术的提出

2.1 智控选择及系统构建

智能控制单元：我们采用SIEMENS S7—200 PLC CPU224XP AC—DC—RLY，扩展A/D及D/A模块构建智控模块，这用于采集系统压力、水位、流量信息[5]。

智能联网单元：选用工业以太网模块CP243，变频器选用QJR250隔爆兼本安变频调速器，通过设定压力值与实际压力值的比较，产生偏差信号，通过PLCD/A口输出电流信号控制变频器输出频率[6]。

之后对加压泵进行变频控制，之前关于泵的相关研究，对于变频和智控的耦合效果，均未做详细的分析和仿真，为此，本文主要着眼于加压泵的工况优化，首先构建了T型等效异步电动机模型电路简化图[7]，如图1所示（忽略漏阻抗降）。

图1 异步电动机近似等效电路及智控耦合系统

2.2 变频加压泵的工况特征及运行仿真

本文主要对加压泵的泵特性进行仿真研究，在任何速度的扬程特性方程如下所示：

式中：H为势差，H0为虚拟的总扬程额定转速，R为泵阻力系数，Q为泵的流量，k为泵速度和转速之间的速度比。额定转速，即k＝n/nN。

输出轴功率/流量（非Q）特性方程——泵的输出轴功率

式中：r为介质的密度，N/m3。

将方程（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：

输入轴功率/流量（Ni-P）特性方程——考虑到泵效率的Ni-P特性方程，如式（4）所示：

式中：Ni为输入轴的功率，η为机械动力泵效率。

利用MATLAB2015进行数据仿真，可以看到变频加压泵的运行工况如下：

本文研究低于基频，由恒压频率比（U/f=7.6）控制。开始时，定子频率设置 f=40 Hz（1s），f＝50 Hz，低电压随频率的变化如图2所示。电压和频率的变化比较吻合，周期相同。

升力和流量如图3所示，显示了加压泵的扬程与流量变化曲线，从曲线可以看出，两者的趋势具有很好的温和特征且趋势相辅，这对于高流量的煤矿生产来说具有十分重要的工程建议。这部分仿真结果与实际相符。结果验证了所提出的智控变频加压泵系统有效可靠。

图2 定子电压与频率曲线

图3 加压泵的扬程与流量变化曲线

3 结论

1）采用三相异步电动机驱动的加压水泵，构建一套智能联网调控的变频加压泵变频调控系统，并结合变频调速的参数表达式、泵特性方程和动力学知识，利用MATLAB2015软件实验平台搭建仿真等效模型，以研究变频加压泵的工作特性。

2）采用三相异步电动机驱动的系统进行变频调速，验证智控变频加压泵系统的有效可靠性，为泵的优化调度控制、预测与性能分析奠定基础。

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