深井供水系統(tǒng)自動(dòng)減壓裝置的應(yīng)用

張 勇,周忠惠,殷德威,李欽才

(1.菏澤能化有限公司趙樓煤礦,山東菏澤 274705;2.濟(jì)寧二號(hào)煤礦,山東濟(jì)寧 272113)

深井供水系統(tǒng)自動(dòng)減壓裝置的應(yīng)用

張 勇1,周忠惠1,殷德威2,李欽才2

(1.菏澤能化有限公司趙樓煤礦,山東菏澤 274705;2.濟(jì)寧二號(hào)煤礦,山東濟(jì)寧 272113)

介紹了我國目前常用的深井供水系統(tǒng)的減壓方式,并對其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析,在此基礎(chǔ)上,開發(fā)設(shè)計(jì)了新型的深井供水系統(tǒng)自動(dòng)減壓裝置。通過對該自動(dòng)減壓裝置的工作原理、系統(tǒng)組成及應(yīng)用效果的分析,說明使用該系統(tǒng)完全能夠達(dá)到深井供水系統(tǒng)自動(dòng)減壓的目的。

深井供水系統(tǒng);減壓;控制

Automatic Decompression Device forWater Supply System in Deep Shaft

兗煤菏澤能化有限公司趙樓煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為 3.00Mt/a,采用井下生產(chǎn)用水管網(wǎng)與消防、灑水用水管網(wǎng)合并為統(tǒng)一的井下供水管網(wǎng)系統(tǒng),其水源來自地面生產(chǎn)及消防水池,經(jīng)鋪設(shè)于副井井筒內(nèi)的 2路DN80無縫鋼管供給。由于該礦副井井筒設(shè)計(jì)深度為 905m,如果忽略管路的沿途壓力損失,流經(jīng)副井鋼管內(nèi)的水在重力的作用下,其壓力將上升 9.05MPa,該值遠(yuǎn)大于《煤礦井下消防、灑水設(shè)計(jì)規(guī)范》(2003年)中的井下消防、灑水管道任何部分的靜水壓力均不宜超過 4.0MPa的規(guī)定。為確保礦井用水經(jīng)濟(jì)和安全,必須進(jìn)行降壓供水。

1 現(xiàn)狀分析

目前,我國礦井采用的供水系統(tǒng)減壓方式有以下幾種：

(1)降壓池降壓方式 在立井井筒內(nèi)距下井口一定高度處修建減壓水池,把管路的水先排入該水池內(nèi),再由該水池供水到井下用水地點(diǎn)。該種降壓方式的缺點(diǎn)是需要在井筒井壁開口施工水池工程,其礦建工程量大,造成井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)困難,維護(hù)難度大。

(2)減壓閥減壓方式 由于深井井筒內(nèi)管路水壓隨井筒深度線性增加,為降低管路壁厚和滿足生產(chǎn)要求,需在井筒內(nèi)安裝多組減壓閥進(jìn)行減壓。該種減壓方式的缺點(diǎn)是減壓閥容易損壞,需經(jīng)常更換,而且在井筒內(nèi)維修困難。

(3)減壓水池 +增壓泵站復(fù)合方式 在井底水平設(shè)降壓水池,水經(jīng)井筒中的管路排入降壓水池,以抵消水在井筒內(nèi)重力作用導(dǎo)致的壓力增加,再經(jīng)增壓泵站向供水管網(wǎng)供水。該種方式的缺點(diǎn)是礦建工程量大,增壓泵站能耗量大,系統(tǒng)復(fù)雜。

以上 3種方式,都存在若干缺點(diǎn),無法適應(yīng)當(dāng)前煤礦生產(chǎn)對供水系統(tǒng)的要求：供水壓力可控;供水系統(tǒng)簡單,投入少,維護(hù)簡便。為此,趙樓煤礦與山東大學(xué)聯(lián)合提出了供水系統(tǒng)節(jié)流控制的自動(dòng)減壓供水方案。

2 供水系統(tǒng)自動(dòng)減壓裝置

2.1 工作原理

該裝置的工作原理是充分利用立井井筒中水在重力的作用下,壓力隨深度線性增加的性質(zhì),根據(jù)井底實(shí)際需要人為控制管路中水的高度,以達(dá)到控制水壓的目的。如若生產(chǎn)需要 2.0MPa的水壓,則需從井底管路往上 200m充滿水即可。根據(jù)實(shí)測井底管路水壓 P與設(shè)定值 P0的比較,控制安裝于副井上井口供水管路上的節(jié)流閥,確保井上供水量與井下用水量保持平衡,使水柱維持在 200m高度,保證了供水壓力的穩(wěn)定,實(shí)現(xiàn)了減壓供水。

圖1 系統(tǒng)原理

2.2 系統(tǒng)組成

該自動(dòng)減壓裝置由管道壓力測量部分、數(shù)據(jù)處理部分和電動(dòng)閥門部分組成 (如圖 2)。

管道壓力測量部分由壓力傳感器將管道水壓轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。微弱電壓信號(hào)通過信號(hào)放大電路后,通過A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號(hào),由MS51單片機(jī)將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成串行信號(hào),再由 RS485傳輸,將該壓力信號(hào)傳到地面 PLC控制器。

圖2 減壓裝置布置

數(shù)據(jù)處理部分是將接受到的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行奇偶校驗(yàn),去除在傳輸過程中變異的錯(cuò)誤數(shù)據(jù),然后根據(jù)井底管道實(shí)測壓力值和設(shè)定壓力值,運(yùn)用 P ID控制算法,計(jì)算電動(dòng)節(jié)流閥運(yùn)動(dòng)所需脈沖數(shù)據(jù),由PLC發(fā)出脈沖,控制電動(dòng)節(jié)流閥的運(yùn)動(dòng)。

電動(dòng)閥門部分作用是閥門驅(qū)動(dòng)器根據(jù) PLC發(fā)出的脈沖運(yùn)動(dòng)信號(hào)向步進(jìn)電機(jī)發(fā)出交變電壓,使得步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn),帶動(dòng)閥門上下運(yùn)動(dòng),實(shí)線電動(dòng)節(jié)流閥門的任意開度,調(diào)節(jié)井上管路的供水流量,使供水量與用水量達(dá)到平衡,從而確保井底管路壓力保持在壓力設(shè)定值上。

2.3 軟件系統(tǒng)

系統(tǒng)控制核心為西門子 S7-200系列可編程邏輯控制器,采用 STEP7 Micro/W inV4.0SP4軟件進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)。為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)減壓的目的,該軟件主要包括：數(shù)據(jù)接收、P ID運(yùn)算控制和報(bào)警保護(hù) 3部分。數(shù)據(jù)接收部分的作用是經(jīng)井底發(fā)出的壓力串行信號(hào)轉(zhuǎn)換為運(yùn)算需要的壓力值,并在轉(zhuǎn)換前進(jìn)行奇偶校驗(yàn),以確保數(shù)據(jù)的正確性。

P ID運(yùn)算控制部分是本軟件的核心,作用是根據(jù)井底管道實(shí)際壓力值和壓力設(shè)定值,運(yùn)用 P ID控制算法,計(jì)算出電動(dòng)節(jié)流閥運(yùn)動(dòng)所需脈沖數(shù),由PLC發(fā)出脈沖,控制電動(dòng)節(jié)流閥的運(yùn)動(dòng)。

報(bào)警保護(hù)部分的作用是在出現(xiàn)意外的情況下,保護(hù)管道的安全,及時(shí)通知工作人員。

系統(tǒng)流程,如圖 3。

圖3 系統(tǒng)流程

3 應(yīng)用效果

該裝置于 2007年 10月安裝在趙樓煤礦副井下井口供水管道上,運(yùn)行兩年來,整套裝置一直工作正常,能夠?qū)崿F(xiàn)深井供水系統(tǒng)自動(dòng)減壓的目的。其優(yōu)點(diǎn)：該裝置系統(tǒng)簡單,功能可靠;投資和運(yùn)行費(fèi)用少,維護(hù)方便;能夠?qū)崿F(xiàn)供水系統(tǒng)的自動(dòng)可控調(diào)壓;減壓效果好,水壓波動(dòng)小。

井筒供水系統(tǒng)自動(dòng)減壓裝置的成功應(yīng)用,為深井供水系統(tǒng)減壓設(shè)計(jì)提供了一個(gè)成功的范例。

[1]張榮立 .采礦工程設(shè)計(jì)手冊 [M].北京：煤炭工業(yè)出版社,2003.

[2]西門子 S7-200系列可編程邏輯控制器說明書 [R].

[3]李振軍,劉建英 .液壓傳動(dòng)與控制 [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

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1006-6225(2010)01-0081-02

2009-08-25

張 勇 (1977-),男,山東滕州人,工程師,畢業(yè)于山東科技大學(xué)機(jī)械電子專業(yè)。

張銀亮]