煤矿主排水泵自动化吸水系统设计

王艺明

(中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054)

0 引言

主排水泵是煤矿井下关乎人身安全与连续生产的重要设备，其功能是将井下工作面及大巷涌出水排至地面，保障井下正常生产和工人安全[1-4]。煤矿井下主排水泵(以下简称主排水泵)通常采用离心泵，离心泵属于叶片泵，水泵内没有水的情况下，叶片旋转无法建立起真空压力，因此离心泵是没有自吸能力的。当水泵内水量不足时会产生气蚀现象，造成水泵永久伤害，使用寿命变短[5-7]。由于井下条件限制，主排水泵房均为吸上式泵房，停止工作时，水泵内是没有水的。因此，为了解决主排水泵启泵前的吸水问题，应在泵上加吸水装置[8]。

1 主排水泵常用吸水方法

目前，煤矿主排水泵常用的吸水方法有真空水箱吸水法、射流泵吸水法、真空泵吸水法等[9-10]。

1.1 真空水箱吸水法

真空水箱是用金属制成的封闭型水箱，上部接吸水管，下部接水泵入水口。水泵启动前，先将水箱灌满水进行密封，待水泵灌满水后，启动水泵，由于水箱水位下降使水箱密闭环境内形成一定的真空，进水池中的水就会在大气压的作用下，经吸水管进入水箱中，从而形成水的循环，使水泵正常排水。真空水箱吸水法适用于小型泵、水源相对清洁的环境。由于矿井水中含大量煤粉，水泵停止运行时，煤粉便会沉淀在真空水箱底部，长此以往造成管道堵塞，影响排水效率。此外，主排水泵房内需要安装水泵、管道、球阀、闸阀、电缆、桥架等设备，每台水泵安装一台真空水箱占用空间太大，因此真空水箱吸水法不适用于主排水泵的使用环境。

1.2 射流泵吸水法

射流吸水是利用压力水通过射流器时，射流和空气之间的黏滞作用，喷嘴附近产生的真空将泵体内空气逐渐带走，水仓水沿吸水管自下而上充满泵壳的一种吸水方式[11]。射流泵吸水法是目前煤矿井下最常用的无底阀吸水方式，优点是设备结构简易、安装方便、易于维护；缺点是消防洒水管路提供水源作为动力，主排水泵管路之间是通过法兰连接，长时间运行管道密闭性不强，通过射流泵将水泵灌满甚至需要几十分钟才能完成，吸水效率不高。

1.3 真空泵吸水法

真空泵吸水方式采用水环式真空泵的偏心结构，周期性地形成负压，抽取水泵、吸水管内的空气，通过循环水箱的汽水分离功能实现水箱内水的循环使用，逐渐排空泵体内的空气[12]。该吸水方式的优点是吸水速度快、效率高，不需要消防洒水管路提供水源；缺点是需要为真空泵提供电源，并需要扩大主排水泵房，为真空泵提供安装空间，设备成本较高，所有水泵共用一套真空泵吸水系统，如发生故障会造成主排水泵瘫痪。

2 水泵自动化吸水系统设计

2.1 系统架构

针对煤矿目前主排水泵吸水方法效率低、控制系统模式单一等问题，提出了一种新的吸水方式，即射流泵与真空泵组合吸水系统。每台水泵设置一套射流泵吸水系统，作为独立的吸水系统；再设置一套真空泵吸水系统，泵房内设置2台真空泵，所有主排水泵通过主吸水管实现真空泵共用。每台水泵使用一台DCS分站，控制射流泵吸水系统、支管阀门及单台水泵启停，使水泵形成独立控制系统自动运行；再设置一台DCS主站，控制主管路阀门、真空泵吸水系统及每一台水泵。DCS分站控制射流泵吸水系统给水泵灌水，如灌水时间过长，DCS分站给DCS主站发出信号，由主站启动真空泵吸水系统，迅速将水灌满。主泵运行时，备用泵根据系统设定逐个灌满水，等待系统发出运行命令后可立即启泵，做到“零耗时启泵”。主排水泵系统如图1所示。

1-电动闸阀；2-止回阀；3-电动球阀；4-底阀；5-真空表；6-压力表；7-喷射泵；8-吸水管图1 主排水泵系统Fig.1 Main drainage pump system

2.2 水泵自动化吸水系统组成

水泵自动化吸水系统主要由水泵控制系统、传感器、闸阀及远程监控系统组成。

2.2.1 水泵控制系统

水泵控制系统由DCS主站和DCS分站组成。DCS主站配置浙大中控FCU712系统DCS及8寸触摸屏，可通过箱体触摸屏控制系统内各项功能；DCS主站可以为真空泵、真空泵主吸水管球阀、主排水管闸阀供电。DCS主站与DCS分站之间采用以太网通信；DCS主站通过DCS分站控制每台水泵射流泵吸水系统启停，通过硬接线控制真空泵吸水系统启停，当水泵灌满后，给DCS分站发出指令启动水泵。实现了整个水泵房的集中控制。DCS分站配置浙大中控FCU712系统DCS及8寸触摸屏，可通过箱体触摸屏控制系统内各项功能；DCS分站为本水泵分支吸水管球阀、射流泵、排水管闸阀供电。DCS分站采集水仓水位信号、吸水管真空度及流量、水泵轴承温度及振动、排水管出水压力及流量、水泵运行电流及电压等参数；通过硬接线控制本水泵排水管闸阀、分支吸水管球阀、射流泵的开关；当水泵灌满后，给高压隔爆柜发出指令启动水泵。实现了单台水泵自动和就地控制。DCS主站和DCS分站内均含有配电系统和控制系统，实现系统集成，每台水泵均可自动吸水、独立运行，最大程度保证水泵自动化系统安全运行。

2.2.2 传感器

检测传感器包括压力传感器、负压传感器、双声道超声波流量计、投入式液位计、温度振动一体传感器、水流传感器等；需要检测的参数有泵体负压，水泵出水口压力，电机电流、电压，排水的瞬时流量及水仓水位等信号。投入式液位传感器配置2台投入式液位计，实时监测井下水仓水位变化。每台水泵配置1台正压传感器，用来监测水泵出水口压力，当排水压力出现故障时可及时停泵，以免水泵腔体产生“汽蚀现象”；每台水泵配置1台负压传感器，用来监测水泵真空度，作为判断水泵启动前腔体是否灌满水的主要参数。

在每趟主管路上，分别配置1台双声道超声波流量传感器，检测每趟出水管路瞬时流量。利用水泵轴承体预留的传感器接口，采用温度振动一体传感器对水泵轴承运行温度、振动进行实时检测，检测到的温度、振动信号经转换输出成标准模拟量信号交由DCS分站作为判断水泵是否正常工作的依据。同时，系统应可接入电机绕组温度数据，当温度过高时则报警，严重时停泵。通过高压隔爆柜综保通信，采集相关电量信息，每台水泵单独采集电流，用于实现对电机电流信号的有效采集及检测。吸水管通过水流后输出开关量信号，作为水泵启动前腔体是否灌满水的辅助参数。将水流传感器安装在水泵吸水管上，并高于泵排气口。

2.2.3 闸阀

为实现主排水泵吸水自动化控制，提高吸水效率与可靠性，真空泵吸水管路和射流泵吸水管路上设置电动球阀，主排水管路上设置电动闸阀。DCS主站控制主排水管闸阀和真空泵主吸水管路球阀；DCS分站控制本水泵排水管闸阀、射流泵吸水管路球阀、真空泵分支吸水管路球阀。

2.2.4 远程监控系统

水泵房内设置水泵远程监控系统接入工业自动化环网，与公共网络之间建立一条安全可靠的VPN通道，甲方授权后，可随时访问现场设备，实时监控设备运行状态，远程监控系统画面如图2所示。当系统出现吸水、无法启泵等故障时，分析系统故障原因，并远程技术指导工人现场解决故障。水泵远程监控系统收集水泵吸水时间、传感器参数等，形成设备运行参数数据库，当设备运行参数值超出增产范围后，进行数据分析和比对，确定设备状态是否健康，实现水泵全生命周期管理。增加水泵远程监控系统后，可以快速进行故障诊断，远程排除故障，缩减水泵维护成本及增加水泵排水效率。

图2 水泵远程监控系统画面Fig.2 The picture of the pump remote monitoring system

3 控制方式

3.1 全自动控制方式

当系统启动水泵之前，DCS分站发出指令打开射流泵阀门，启动射流泵，吸水时限设定为3 min。超出时限后，DCS主站启动真空泵，打开真空泵主管路球阀，同时启动此台泵2套吸水系统，水泵负压传感器显示压力值≤-0.06 MPa，且水流传感器监测到吸水管有水时，由DCS主站给DCS分站发出指令启动水泵，如果是单泵自动运行模式下，可由DCS分站自行发出指令启动水泵。在正常水位时，由DCS主站给DCS分站发出指令，各台水泵能自动轮换灌满水，最大涌水及突出涌水时，同时开启可运行最高台数的水泵，做到“零耗时启泵”，最大限度地减小灾害时间。水泵控制系统能迅速给调度中心发出灾害报警，通过远程电力调度切断水泵配电系统中除排水以外负荷，做到一切为救灾让路。

3.2 远程控制方式

操作人员可在地面调度中心工控机组态画面中远程控制水泵机组的启停。井下DCS接收指令后，按照程序首先打开吸水管球阀，进行水泵吸水。再打开排水管闸阀，并启动水泵后，关闭吸水管球阀，完成水泵机组启动。

4 结语

射流泵与真空泵组合吸水系统最大程度缩减了水泵吸水的时间，双吸水系统互为备用，确保吸水系统安全可靠。水泵自动化吸水系统以DCS为核心，使用主站、分站的分散式控制方式，更能凸显DCS系统的优势，DCS系统更擅长过程自动化控制，处理模拟量能力强且联网功能强大，在主排水系统中使用更具优势。射流泵与真空泵组合吸水系统从硬件到控制系统均有突破，井下排水系统安全系数和效率均得到提高，值得推广。