矿井主排水泵自动化吸水系统设计

2024-01-12袁野

西部探矿工程 2023年12期

袁野

（山西新景矿煤业有限责任公司，山西阳泉 045000）

就煤矿而言，对人身安全和持续生产比较关键的设备就是主排水泵，主排水泵的主要功能就是把井下的大巷与工作面中涌出的水直接排到地面，可以确保井下工人与生产的安全。一般离心泵会使用到其主排水泵中，叶片泵中就包含了离心泵，若无水存在于水泵时，旋转的水泵不能将真空压力建立起来，所以，自吸是离心泵所不具有的能力。在水泵中没有充足的水时，气蚀现象就发生了，导致水泵的伤害是永久的，缩短了使用寿命。因为受限于井下的有关条件，所有的主排水泵房都是吸上式的，在工作被停止时，是不能有水存在于水泵的。所以，由于要对主排水泵在将泵开启之前的发生的吸水问题进行解决，就要将吸水装置加到泵上。

1 主排水泵一般采取的吸水方法

现在，真空泵吸水法、射流泵吸水法、真空水箱吸水法等是其主排水泵一般采取的吸水方法。

1.1 真空水箱吸水法的工作原理

真空水箱所使用的材料是金属，且制成的水箱是封闭的，该水箱的上部与下部分别与吸水管、水泵的入水口相连。在开启水泵之前，首先要把水灌满水箱，进而达到密封的目的，等水灌满水泵之后，在将水泵启动，因为水箱中的水位逐渐下降，就会有真空形成于其密闭环境中，在有水流到水箱之后，由于大气压的不断作用，该部分水就会通过吸水管流到水箱，进行水循环就形成了，水泵的排水更加正常。该方法可以在比较清洁的水源环境与小型泵中使用。因为有不少煤粉存在于矿井水里，在关闭水泵时，就会有煤粉沉淀到该水箱的底部，由于长时间的沉淀，就会堵塞管道，就会降低排水效率。除此之外，还要将桥架、电缆、球阀、管道、水泵等设备安装到主排水泵房中，1 台水泵需要安装真空水箱的数量是1台，由于真空水箱所占空间比较大，所以，该方法无法适用到主排水泵中。

1.2 射流泵吸水法的工作原理

射流吸水是一种吸水方法，该方法就是压力水从射流器中通过时，就会有勃滞产生于空气与射流之间，泵体中的空气会被产生于喷嘴周围的真空所带走，且不是一次性带走，然后水仓水顺着吸水管从下到上将泵壳充满。现在，该方法普遍使用到煤矿井下，且是无底阀吸水方法，该方法的优点就是维护简单、方便安装、结构简单等；该方法的缺点就是将水源动力提供出来的是消防洒水管路，法兰将相邻主排水泵的管路进行连接，若运行时间比较长，就会降低管道的封闭性，射流泵灌满水泵所需要的时间比较长，这样降低了吸水效率。

1.3 真空泵吸水法的工作原理

该方式会使用真空泵所具有的偏心结构内，且真空泵是水环式的，负压就形成了，且负压的形成是周期性的，将吸水管、水泵中的空气抽取出来，经过使用循环水箱所具有的分离汽水的功能，使水箱中的水可以循环应用，慢慢将泵体中的所有空气排空。真空泵吸水法所具有的优点为比较高的效率、较快的吸水速度，水源的提供可以不由消防洒水管路来实现；真空泵吸水法所具有的缺点为将电源进行提供的是真空泵，还要将主排水泵房扩大，这一目的就是提供出更大的空间来安装真空泵，提高了设备成本，使一套完整的真空泵吸水系统被全部水泵所使用，若有故障发生，就会导致主排水泵发生瘫痪[1]。

2 设计水泵的自动化吸水系统

2.1 系统的架构

关于现在煤矿主排水泵没有较高的吸水效率、单一的控制系统模式等问题，将新型吸水方式给提出来了，就是组合了真空泵和射流泵的吸水系统。将一套完整的射流泵吸水系统设置到1台水泵中，且该系统是独立的；然后在将一套完整的真空泵吸水系统进行设置，将真空泵设置到泵房中，且数量是2台，主吸水管会让全部排水泵共同使用真空泵。将DCS分站应用到水泵中，且数量是1台，该分站主要是对1台水泵、支管阀门、射流泵吸水系统的启停进行控制，促进独立控制系统形成于水泵中，且运行是自动的；然后在将DCS主站1 台进行设置，该主站主要对各个水泵、真空泵吸水系统、主管路阀门进行控制。射流泵吸水系统会被DCS分站所控制，进而将水灌入水泵中，若长时间灌水，就会有信号从DCS 分站发向DCS 主站，此时真空泵吸水系统就会被主站所启动，就会在较短的时间内将水灌满。当主泵正常运行过程中，备用泵就会按照系统所做的设定按顺序将水灌满，在有运行命令被系统所发出之后，就会马上将泵开启，使启泵时间为零这一目标得以实现。图1就是主排水泵系统。

图1 主排水泵系统

2.2 水泵自动化吸水系统的构成

远程监控系统、闸阀、传感器、水泵控制系统构成了水泵自动化吸水系统。

2.2.1 水泵控制系统的工作原理

DCS 分站、DCS 主站构成了水泵控制系统。将浙大中控FCU712系统的8寸触摸屏与DCS配备给了DCS主站，系统中的所有功能会被箱体触摸屏所控制；给主排水管闸阀、真空泵主吸水管球阀、真空泵提供电的是DCS主站。以太网可以实现DCS分站与DCS主站的通信；DCS 主站会经过DCS 分站来对所有水泵射流泵吸水系统的开启与停止进行控制，经过硬接线来开启与停止真空泵吸水系统，在灌满水泵之后，就会有开启水泵的指令由DCS 分站所发出。使水泵房控制更加集中。将浙大中控FCU712 系统的8 寸触摸屏与DCS 配备给了DCS 分站，系统中的所有功能会被箱体触摸屏所控制；给主排水管闸阀、射流泵、本水泵分支吸水管球阀提供电的是DCS 分站。水泵电压与电流、排水管的流量与出水压力、吸水管流量与真空度、水仓水位信号等参数是DCS 分站需要采集的；DCS 分站会经过硬接线来对射流泵、分支吸水管球阀、本水泵排水管闸阀的开关进行控制；在灌满水泵之后，就会有将水泵启动的指令发送到高压隔爆柜。使单台水泵就地与自动控制得以实现。控制系统与配电系统都配置到了DCS分站与DCS主站中，系统集成就实现了，各个水泵的运行都是独立的、吸水都是自动的，提高了水泵自动化系统运行的安全性。

2.2.2 传感器的工作原理

水流传感器、温度振动一体传感器、投入式液位计、双声道超声波流量计、负压传感器、压力传感器等构成了检测传感器；要对水仓水位、排水时瞬时流量、电机电压、电机电流、水泵出水口的压力、泵体负压等参数进行检测。将投入式液位计配置到投入式液位传感器中，且数量是2台，使水仓水位所发生的改变可以实时进行监测。将正压传感器配备到水泵中，且数量是1台，该传感去主要是对水泵出水口处的压力进行监测，在排水压力有故障出现时，就要马上将泵停止，防止有“汽蚀现象”出现在水泵腔体中；将负压传感器配备到水泵中，且数量是1台，该传感器主要对水泵的真空度进行监测，并以此为依据来判断有没有将水灌满到未启动的水泵腔体中。

将双声道超声波流量传感器配备到各趟主管路中，用于对各趟出水管路出水的瞬时流量进行检测。经过使用传感器接口且是预留在水泵轴承体中，温度振动一体传感器的使用可以实时检测水泵轴承的振动与运行时的温度，将所检测的振动与温度信号进行转换，进而使输出的模拟量信号更加标准，并输送到DCS分站，以此信号为依据来对水泵工作正常不正常进行判断。于此同时，将电机绕组温度数据与系统相连接，在温度太高时就会报警，再严重就会将泵停止。高压隔爆柜对通信的综保，可以对所有与电量有关的信息进行采集，电流被各个水泵所采集，且采集是单独的，可以很好地检测与采集电机电流的信号。在水流有吸水管经过之后，就会将开关量信号给输出出来，该信号可以当作辅助参数来判断未启动的水泵腔体中有没有水灌满。在吸水管中安装水流传感器，而且要比泵的排气口高。

2.2.3 闸阀的工作原理

由于要控制主排水泵吸水的自动化，将可靠性与吸水效率提高，将电动球阀设置到射流泵吸水管路与真空泵吸水管路中，将电动闸阀设置到主排水管路中。真空泵主吸水管路球阀与主排水管闸阀被DCS主站所控制；真空泵分支吸水管路球阀、射流泵吸水管路球阀、本水泵排水管闸阀被DCS分站所控制。

2.2.4 远程监控系统的工作原理

将水泵远程监控系统设置到水泵房中，并和工业自动化网络相连接，和公共网络建立了VPN通道，且该通道是比较可靠与安全的，当甲方进行授权之后，能够实时对现场的设备进行访问，对设备的运行情况进行监控，图2就是水泵远程监控系统画面。在不能启泵、吸水等故障出现在系统中时，要对系统发生故障的原因进行分析，还要对工人进行远程指导，将现场发生的故障解决好。传感参数、水泵吸水所使用的时间等参数被该系统所收集，促进了设备数据库的形成，且该数据库是关于其运行参数的，在其运行参与比增产区域高时，就要对数据进行对比与分析，明确设备此时状况健康与否。在将该系统增加之后，诊断故障的时间缩短了，故障会被远程所排除，这样不但将排水效率增加了，还将维护成本降低了[2]。

图2 水泵远程监控系统画面

3 控制的方法

全自动控制方法的使用，在未将水泵启动时，就会有将射流泵阀门打开的指令被DCS 分站所发出，将射流泵启动，将3min 设定成吸水时限，当比时限大时，就会有真空泵被DCS 主站所启动，将真空泵主管路球阀打开，还要将该台泵的吸水系统启动，且吸水系统是2套，在水泵负压传感器上所显示出的压力值不大于-0.06MPa，而且，有水存在于吸水管并被水流传感器所监测时，就会有将水泵启动的指令发出来，且是DCS主站发送到DCS分站的，若运行是单泵自动时，DCS分站就可以自行将水泵启动的指令发出来。当水位正常时，就会有指令从DCS 主站发送到DCS 分站中，各个水泵可以自动交换着灌满水、突出涌水、最大涌水时，于此同时，将水泵开启，且水泵的运行台数是最高的，将灾害降低。

远程控制的方法。启动与停止水泵机组可以由操作人员来远程控制，且操作地是地面调度中心的工控机组态画面内。当指令被DCS所接收之后，依据程序，第一步要做的就是将吸水管球阀打开，水泵进行吸水。然后在将排水管闸阀打开，将水泵开启，将吸水管球阀关闭，启动水泵机组得以完成。