PID控制与自动引水技术的融合应用

2020-09-02潘秋祥

山东煤炭科技 2020年8期

杨波潘秋祥

（山东省邱集煤矿有限公司，山东齐河 251100）

邱集煤矿受地质条件影响，开采完成后的工作面约有200m3/h的老空水涌出，正常情况下流入水仓后排出地面。矿井生产用水和排水现状是：一方面打钻、防尘、工作面设备冷却等需要消耗大量的地下水，每天消耗水量在100m3/h左右；另一方面老空水排至地面，增加原煤生产成本。为充分将老空水作为井下用水，减少矿井排水量，将PID控制与自动引水两项技术融合，老空水引入专用供水管网，回用于井下打钻、设备冷却降温、巷道冲尘和生产防尘等用水环节，代替水源井取水，日回用量在2000m3左右，有效缓解了矿井排水压力，降低了排水费用。

1 系统分析与设计布局

邱集煤矿设有-447m和-395m两个水平，现开采煤层为11煤。生产过程产生的涌水全部自流入-447m水平，-447m水平设有水平泵房一座，主要承担11煤生产过程涌出矿井水的排放。-447m水平泵房排至-395m水平，由-395m水平的中央泵房排至地面。

1.1 供水管网及用水、老空水疏放情况

1.1.1 井下供水来源及净化方式

邱集煤矿井下水源分两部分：一是按照供水施救系统要求，由地面供至井下各工作面、进回风巷零散施工地点、应急避险硐室等；另一水源来自井下11煤一采区轨道巷水源井，主要为生产、防尘、打钻等用水，满足不同施工环节对水质要求。各掘进工作面防尘水管入口处安装了水质过滤器，大巷防尘水幕就近安装了过滤器，采煤工作面用水采用RO反渗透纯净水处理技术，将水中的杂质和有害元素全部去除。用于打钻过程钻头降温、冲出岩粉的水源对水质要求不高，可不进行净化处理直接引入。由于系统最大取水量约为120m3/h，老空水涌出量约200m3/h，涌出量与取水量之间有80m3/h的差值，无需考虑供水量不足的问题。

1.1.2 管网布置

井下生产主供水管网设计水压4MPa，管材均为DN108无缝钢管（涂塑），胶带运输巷、煤仓等用水量较少的零散地点采用DN50无缝钢管，掘进巷道、采煤工作面顺槽等有打钻施工地点为DN75无缝钢管，管网管径、耐压情况均按生产需求设置。

1.1.3 11煤老空水涌出地点及流径

一采区1101采煤工作面为11煤首采工作面，11煤95%以上的老空水由1101采空区涌出。1101采煤工作面推采完成后，工作面的老空水通过贯穿11煤上部（-338m）与下部（-447m）联通的11煤集中轨道上山排放。老空水疏放管道安设在11煤集中轨道上山-424m处的联络巷，流入11煤集中运输巷-418m处安设的沉淀池，老空水沉淀后再流入-447m水仓，经水平泵房内的排水泵排至-395m水平。经一段时间疏放，老空水中的悬浮杂质基本冲除干净，与水源井水质无明显并别。

1.2 系统安设布局设计

鉴于11煤采煤工作面老空水水质较好，按照系统控制简单、运行安全稳定、维护方便的原则制定了井下老空水回用取水系统的组合方案。如图1所示。

1.2.1 水泵和引水方式的确定

根据井下现场用水要求，采用卧式离心水泵对系统进行加压，将水泵安装在集中运输巷-418m处的沉淀池上方。水泵安装处压力保持在2.2 MPa以上，最高点（-338m）压力保持在1.2MPa以上，以满足打钻施工、防尘、设备冷却等用水压力需求。引水装置采用蓄水缓存方式的负压自动引水装置，满足水泵启动时的引水要求。水泵的进水口与负压自动引水装置相连，出水口用同径管与沉淀池硐室口处的供水管网连接。

图1 井下老空水回用系统取水设备设施布置图

1.2.2 控制和运行方式的确定

结合现场供电设施布置情况，在沉淀池硐室上方约10m处的井下注浆站安装电控设施，利用现场配电点为系统供电。管路安装压力变送器，压力信号输出线与变频器连接，利用压力变送器输出的4～20mA信号与变频器控制系统配合实现PID控制。根据现场实际情况设定压力平衡值，调整比例、积分、微分等参数值，实现自动运行。同时为保持供水压力和变频器输出频率的稳定，在注浆站硐室内安装了蓄压装置以维持水压的相对恒定，实现恒压变流供水，最大程度满足现场用水需求。

1.2.3 管网及现场水质净化设施的设置

由于原系统管网设置满足供水水量和压力要求，水质净化设施采用就地设置的方式，因此管网和水质净化设施仍沿用原设置方式，不再进行更改。

2 PID控制与自动引水技术的融合

系统采用压力变送器与变频器配合实现PID控制的主要目的，同时加装水压蓄压装置解决水压波动大的问题，实现系统的自动化运行。采用负压自动引水装置解决了引水环节复杂、自动化控制繁琐的问题。

2.1 PID控制技术应用

2.1.1 系统原理

井下用水主要要求是水压恒定，以保证现场用水压力稳定要求。由于液体具有不可压缩性，气体具有较强的压缩性，利用氮气囊的缓压原理，将稳压装置内的皮囊充入约1 MPa的氮气，当系统水压较高时气体被压缩，吸收系统压力，当系统水压下降时气体膨胀，向系统内释放压力。通过安装稳压装置一方面可减轻由于用水不均匀造成的压力波动，使系统压力变换平滑，利于PID参数的设置和水泵运行的稳定。另一方面当各地点不用水或用水较少时，压力上升到设定值以上水泵停机，稳压装置蓄存的压力可保持系统压力的稳定，减少下降时间，延长停机时间。

2.1.2 PID及主要参数的调整设定

根据现场情况，选定水泵额定扬程240m，工频运行最大实际压力2.4MPa，现场设定平衡压力2.3MPa。变频器选用ZJT2-250/660型，首先将控制方式设定为模拟量，在对比例系数与积分系数调整上，通过现场配合测试，比例系数P调为35、积分系数调整为15补偿比例差值，微分系数调整为1，输入随输出量变化均较为平滑，无大的波动，频率随压力输入4～20mA模拟量变化实时调整。考虑取样时间与输出频率之间的时间差，通过对加速时间与减速时间进行补偿，保持变频器输出频率的稳定。

2.1.3 系统实现功能

从现场调试和使用效果看，系统主要实现以下功能：

（1）系统通过变频调节水量的方式保持水压恒定的功能，解决了使用水源井用水多时水压低、用水量少时水压高的不利因素造成的影响，管路始终在恒定状态下，各用水地点均能保持足够的水量和恒定的水压，实现变流稳压的功能。

（2）采用变频器控制，通过频率变化调整水泵电动机的运行功率，可有效减少损耗，相比于长时间工频运行的设备具有较强的节电功能。

（3）如若在系统运行时开启水源井，水源井压力一般较高，压力变送器会将压力信号传送给变频器，变频器会很快将运行频率降到0Hz，水泵停止运转，避免两个水源给系统供水造成的扰动，具有保护功能。

（4）利用变频器上的RS485通讯口读取压力、电压、电流、频率等参数，设立分站后上传至地面，监控系统简单实用。

2.2 负压自动引水技术应用

2.2.1 负压自动引水装置构成及安装方式

系统组成的负压自动引水装置由蓄水罐体、吸水管、出水管、加水管、补偿管、闸阀六部分组成。如图2所示。

图2 负压引水装置部件构成图

安装时蓄水罐安装于平台，与水泵安装平台同一水平。蓄水罐安装完成后吸水管伸入蓄水池内，保证排水时水位高于管口，防止气蚀。出水管与水泵进水口相连。加水管管口接至主管路，用于安装完成后罐内加水，加完水后即可将加水管闸阀关闭，正常使用无需再加水。补偿管闸阀应保持常开，下管口伸入蓄水池内，伸入水池深度应不小于吸水管伸入水池的深度。

2.2.2 负压自动引水装置工作原理

设备安装完成后首先打开阀门往蓄水罐内加水，加至吸水管往外溢水即可。水泵开启后，蓄水罐内水位下降形成负压，在负压作用下吸水管内水位上升，水流引入罐内，水流形成循环，水池内的水不断流入罐内，罐内的水通过水泵压入主管路，一般要求水罐内暂存水量不得少于循环水量的2.5倍。当水泵停机后止回阀关闭，吸水管内的水位下降，罐内形成负压，补偿管内水流在罐内负压作用下流入罐内。当吸水管水位降至与蓄水池水面同一水平时，补偿管在虹吸作用下仍会向罐内注水，直至罐内形成正压将补偿管内的水顶出，不再向罐内注水。如图3所示。