PID控制与自动引水技术在井下老空水回用系统的融合应用

文/步长存 杨 波

煤矿受地质条件影响，开采后的老空水正常情况下流入水仓后排出地面。井下设备冷却、防尘、生产等需要消耗大量从地面提供的自来水。这样，不但增加矿井排水系统的排水压力，而且给设备维护和系统的安全管理带来困难，使得原煤生产成本上升。

为解决上述问题，山东能源临矿集团邱集煤矿结合老空水悬浮杂质相对较少的特点，通过安装水泵、自动真空引水装置、水质净化装置、蓄压装置及电控、自动化监控系统等形成一套能够实现自动化运行的井下老空水回用系统，将老空水引入专用供水管网，并根据水质要求在用水设施进水口处安装过滤器、反渗透处理器等水净化设施，把老空水回用于设备冷却、巷道冲尘和生产防尘等生产过程的各个用水环节，用以代替地面取水，有效缓解了矿井排水压力，降低了排水费用。

该系统水泵运行采用PID控制技术，引水采用负压自动引水的原理，增加蓄压装置，实现系统的安全稳定运行。结合现场情况整体布局，将两种技术融合在一起，实现系统的安全高效运行，是本项目的最大优势。

一、 系统分析与设计布局

鉴于采煤工作面开采完成后的老空水水质较好的特点，邱集煤矿按照系统控制简单、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。

1.水泵和引水方式的确定

根据井下现场用水要求，决定采用卧式离心水泵对系统进行加压，以保证设备运行稳定和维护简便。将水泵安装在集中运输巷-418 m处的沉淀池处上方，水泵安装处压力保持在2.2MPa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的需求；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，尽可能地减少控制环节，提高系统运行的稳定性。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。

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10米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4～20毫安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。

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，设置合理、使用效果较好，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。井下老空水回用系统取水设备设施布置如图1所示。

二、PID控制与自动引水技术的融合

PID是比例（Proportion）、积分（Integration）、微分（Differential）的英文缩写。在工业过程控制中，按被控对象的实时数据采集的信息与给定值比较产生的误差的比例、积分和微分进行控制的控制系统，简称PID控制系统。PID控制技术是自动化控制技术中较为成熟的一项控制技术，性能优良、运行稳定、参数调整方便，尤其在水泵压力、流量控制方面具有比较优良的控制性能。负压自动引水技术是近年来新兴的离心式水泵引水技术，无需消耗电能和其他能源，利用水泵本身排水形成的负压引水，相对于水环泵和射流真空引水技术具有无损耗、免维护、可靠性高的优势。

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，是利用该控制技术成熟、适用性强、调整简便的特点，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，既节能又能达到无人值守的目的；沿用负压自动引水装置主要为解决引水环节复杂、自动化控制繁琐的问题。

图1 井下老空水回用系统取水设备设施布置图

1.PID控制技术应用

(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1Mpa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)PID及主要参数的调整设定。选定水泵额定扬程为240m，工频运行最大实际压力为2.4MPa，现场设定平衡压力为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4～20毫安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。

(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。

一是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。

二是采用变频器控制，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。

三是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0赫兹，水泵停止运转，避免两个水源给系统供水造成扰动，具有保护功能。

四是利用变频器上的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.负压自动引水技术应用

(1)负压自动引水装置构成及安装方式。系统组成部件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 负压自动引水装置构成图

负压自动引水装置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；加水管管口连接至主管路，用于安装完成后为罐内加水，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)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，直至水流引入罐内，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。负压自动引水装置工作原理如图3所示。

(3)技术优势。负压自动引水技术充分利用水泵自身动能形成负压引水，比传统的环流泵和射流引水技术简单实用，不需动力设施和专用密封件，无需人工操作，免维护，易于实现自动化控制。

3.PID控制与负压自动引水技术融合

图3 负压引水装置工作原理图

本项目将PID控制与负压自动引水两项技术融合，与常规水泵自动化控制系统相比，省去一套引水控制系统，利用变频器自带的PID控制功能和串口通讯接口，省去一套专门的自动化控制和监控单元，从而组合成一套系统简单、运行稳定、可靠性高、节能效果显著的供水系统。

三、 应用效果分析

本项目于2019年6月份开始实施，涉及压力的测算与核定、水量平衡分析计算、水泵选型、设备设计加工、自动化控制、变频控制等多项技术，全部是自主设计、自主安装和调试。本项目是将PID控制与负压自动引水技术进行融合，目的是对技术简化后的排水控制系统的可靠性进行验证，为将来供排水自动化改造寻求新的技术方向。

通过对系统运行以来的状况进行分析，该技术安全可靠、控制简单，同时项目实施后具有较好的经济效益，日回用老空水量在2000m3左右，日节约电费1553.47元，同时减少中央泵房排水运行时间及地面自来水的使用。因此，从使用效果综合分析，该项目技术可靠，经济效益显著，具有很高的推广价值。此外，本项目不仅仅对煤矿矿井水回用提供了重要解决方案，也为其他行业排水、供水项目的自动化改造提供了新的技术方向和理念。