大容量高扬程多级离心式主排水泵性能测试系统设计

付保英

（鹤壁职业技术学院，河南鹤壁458030）

0 引言

煤炭开采过程往往伴随地下水的涌出，近年来发生多起煤矿透水事故说明主排水泵作为煤矿机电设备对煤矿安全生产至关重要。主排水泵是煤矿生产的主要固定设备之一，其作用是及时清除井下工作面涌水，为井下工作创造良好的环境，其工作的可靠性和经济性直接影响煤矿企业的安全生产及经济效益[1]。随着煤矿自动化程度的提高，由于水泵系统没有及时升级改造，造成管理及测试性能，仍以人工记录计算和经验为主，工作量大，不利于经济效益的提升[2]。高压水泵流量的控制依靠人工判断水位增长变化，手动调节，无法根据水位的变化情况自动控制主排水泵，试验测试精度未能达到水泵性能测试国家标准要求[3]。因此，研制大容量高扬程多级离心式主排水泵性能测试系统对于提高大型水泵企业生产能力、提升我国煤矿安全可靠性均具有重要意义。

本文将先进计算机测控技术应用于煤矿主排水泵的性能测试试验系统设计，运用组态软件开发排水泵性能测试系统，提高测试效率，降低测试成本[4]；按照国家标准规定，对测试管路硬件系统进行技术升级改造，包括设备的选型，对排水泵在测试中遇到的管路震动和电磁干扰等问题，采取一定措施，使其标准化、规范化，满足不同类型大容量、高扬程多级离心式水泵性能测试要求[5]。

1 测试系统

1.1 测试管路系统设计

在现有设备的基础上，进行部分设计改造，选用与主排水泵相关联的大功率电机，适应不同形式泵类检测需求，改造后的测试管路系统如图1所示。为了适应不同型式的大容量、高扬程多级离心式主排水泵性能测试要求，在水泵出口处的法兰后面设置悬吊和弹性支撑相结合的、可移动式测试管路系统，这样既满足了试验管路快速移动的需求，也避免出现出口压力高、出口管路振动大等问题[6]。流量控制采用电动阀进行调节，从而实现高压阀门的自动开关。在短节中间部位安装阻尼孔板，减小电动闸阀出口射流速度，降低了射流冲击作用及管路振动，提高了系统测试的安全性和可靠性。为了实现管路的快速安装，在出水变径弯头及短节后安装整流栅，整流栅的作用可以使管路中高速的流动的水流更加均匀。在出水短管中还安装有阻尼孔板，通过出水阻力的增大，从而改变电动阀口的开启度[7]。

图1 测试管路系统

1.2 测试管路测量位置的选择

水泥浇筑实验平台上，测试平台使用可移动轨道作为基础，与可升降的实验管道相结合，这样可以快速实现任意方向尺寸的调整，可以实现对不同型号、规格煤矿主排水泵进行快速检测，提高了测试系统的通用性。

根据《煤矿在用主排水系统安全检测检验规范》（AQ1012—2005）中的2级精度等级要求，针对流量测试提供了不同的检测方法。流量、扬程、转矩及输入功率的容许波动幅度为6%，转速的容许波动幅度为1%，对2级试验，每一测量截面通常仅设一个取静压孔[8]。测压孔的位置设置，应以保证测试精度为关键，入口测量可设置在距离泵入口法兰位置相距2倍的管路直径的上游处，出口测量可以设置在距离泵出口法兰位置相距2倍管路直径的下游处，而对于出口水流速度较小的管路，可以将出口的测量孔选择在出口法兰处。

1.3 测试操作系统设计

1.3.1 测试系统功能及参数

测控操作系统包括操作台、工业控制计算机、数据采集系统、显示仪表、电动调节按钮、指示灯以及接口电路、液晶显示器及打印机等。工业控制计算机为上位机，PLC为下位机，可以对系统测量到的参数进行采集、转换、处理，并将其传输到上位机进行控制和管理等[9]。

测试系统可以测试的参数有室温、入口水温、流量、入口压力、出口压力、扭矩、转速。根据上述实测数据，能自动计算出水泵各项性能指标参数，并自动绘制流量与扬程、与轴功率、与效率之间的关系性能曲线。试验过程中采集每个工况下的每组试验数据（流量、入口水温、入口压力、出口压力、扭矩、转速）都应在工况稳定时进行。

1.3.2 传感器选型及信号传输

按照GB/T 3216-2005《回转动力泵水力性能验收试验1级和2级》规定，并结合主排水泵性能检测要求，最高压力达10 MPa、最高扬程达1 000 m、最大功率达1 600 kW以上的要求，选取传感器如表1所示。

表1 传感器选型

数据采集传输信号分为3类，即流量、扭矩、转速为脉冲频率信号，压力为标准电流信号，温度为电阻信号，传输距离约30 m。试验中要考虑测试现场电磁干扰的问题，比如6 kV高压线路对测试系统的影响、高压交流电机及大功率变压器对测试系统的影响。为了提高系统测试信号的抗干扰的能力，传输电缆全部采用厚壁金属套管，布设位置尽量远离高压线路和大功率电机，且不应与高压线路平行。检测传感器的电源，采用抗干扰性强的电源供电，并且采用光耦传输，使其与外电源电路完全隔离。

2 软件系统设计

目前用于工业控制监控系统的组态软件主要有Lab⁃VIEW、Visual C++、Visual Basic、InTouch、组态王等。监控软件可以实现对数据的分析、处理、曲线、报表显示等功能，可以通过存储的历史数据，对系统中信号的查询、统计、分析，通过有效的管理可以为测试系统理论分析提供依据[10]。这里的测试系统选用组态王监控软件，同时利用Visual Basic完成对水泵测试数据的处理，并可以绘制出性能曲线。大容量高扬程多级离心式主排水泵性能测试监控系统的测试主界面如图2所示。可以进行流量的上下限、扬程的上下限、室温、轴功率的上下限的测试前设置。进行排水泵性能测试前，根据被测试水泵的参数范围，在主界面的各个参数的设置区进行测试参数、量程参数和报表参数等的设置。在主界面中可以设置清空数据、采集数据、保存数据等功能，也可以进行报表窗口、曲线窗口、历史数据窗口间的切换及返回功能。设计的主排水泵自动测试系统软件功能完善，运行可靠。

图2 测试软件界面

将测试数据绘制到坐标系中，由于只能形成一个一个离散的点，如果只是简单地把这些离散点用线连接起来，将会无法准确地表征泵的特性，所以需要进行曲线拟合，而曲线拟合的方法多种多样，根据泵的特性曲线的特征，系统采用内嵌Visual Basic软件方法，通过在组态王软件中直接调用Visual Basic的可执行文件，实现了光滑曲线的绘制，所绘制曲线可在线打印，提高了用户可操作性[11]。主排水泵测试曲线如图3所示。

图3 主排水泵性能测试曲线

3 应用效果分析

研制的大容量高扬程多级离心式主排水泵性能测试系统在河南焦煤能源有限公司等企业进行了多批次产品性能检测，其检测条件符合水泵型式试验要求，测试系统运行稳定可靠。与国内同类主排水泵检测系统相比，该系统具有检测范围广、测试精度高、运行维护方便、检测报告详尽、检测效率高等优点，实现了大容量高扬程多级离心式主排水泵性能自动测试，极大提升了大型主排水泵检测安全性和自动化水平。

4 结束语

将计算机测控技术应用于矿用主排水泵的性能测试系统，按照《煤矿在用主排水泵系统安全检测检验规范》（AQ1012-2005）和GB/T 3216-2005《回转动力泵水力性能验收试验1级和2级》、要求进行测试系统设计，对主排水泵试验站基础设施优化配置设计及技术改造。设计的主排水泵自动测试系统是目前国内最大容量（最高压力达10 MPa、最高扬程达1 000 m、最大功率达1 600 kW）的煤矿主排水泵测试系统，通过将可移动轨道与可升降试验管道相结合，实现了可快速进行任意方向尺寸调整的需求，可对不同型号、规格的矿用主排水泵进行快速检测。