基于正压给水的矿井自动排水控制系统

张伟元，张朋飞，潘 越,左光宇,张 凯

（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）

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。

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。

图1 离心泵排水系统工作原理图Fig.1 Working principle diagram of centrifugal pump drainage system

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。

图2 控制系统硬件结构图Fig.2 Hardware structure of control system

1）系统硬件组成。系统的硬件主要包括可编程控制箱、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。

图3 系统控制电路图Fig.3 System control circuit diagram

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

图4 系统软件流程图Fig.4 System software flow chart

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，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。

图5 水泵启动时间Fig.5 Pump start-up time

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（0：00—8：00 和 12：00—18：00）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（8：00—12：00 和 18：00—22：00）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。

图6 水位变化曲线Fig.6 Water level change curve

图7 水泵控制曲线Fig.7 Pump control curve

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。