礦井變頻恒壓供水系統(tǒng)總體方案設(shè)計

王宇鵬

（大同煤礦集團(tuán)晉華宮煤礦， 山西 大同 037001）

引言

我國煤礦產(chǎn)量巨大，礦區(qū)分布廣泛，井下用水量需求巨大，但長期以來，存在供水自動化水平低、井下用水高峰期時、供給量達(dá)不到需求量以及水壓不夠等現(xiàn)象。但是在用水低峰期，供給量大于需求量而導(dǎo)致水壓升高等情況，造成設(shè)備使用壽命縮短、管網(wǎng)加速老化以及電能的浪費(fèi)。晉華宮煤礦井下采區(qū)用水高峰和低峰時間段不固定，用水量也隨井下需求而在不斷變化，水壓必需達(dá)到1.5 MPa，這就對供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了非常高的要求。因此，要實現(xiàn)井下的恒壓供水，必須采用變頻控制技術(shù)。

1 變頻恒壓供水基本原理

在供水系統(tǒng)中，若要研究它的基本特征和揚(yáng)程特性，必須保持水管管道的閥門開口不變。在水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速保持不變的時候，水泵的流量Q和揚(yáng)程H之間滿足于一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，可以用特性曲線來表示，如圖1所示。從圖1可以看出，供水系統(tǒng)中流量Q和揚(yáng)程H之間是一種反比關(guān)系，揚(yáng)程大時流量小，揚(yáng)程小時流量大。其中揚(yáng)程和流量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系可以用揚(yáng)程特性曲線表示，而系統(tǒng)中阻力為水泵消耗的能量在管道阻力、壓力差等，這種關(guān)系稱之為管阻特性。兩條曲線的交點是流量和揚(yáng)程的平衡點，在這一點處，供水系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)[1]。

1.1 傳統(tǒng)供水基本原理

在礦區(qū)使用的傳統(tǒng)供水系統(tǒng)主要是采用傳統(tǒng)的電力拖動方式，即驅(qū)動水泵機(jī)組在工頻條件下以固定恒速運(yùn)轉(zhuǎn)工作。但是，傳統(tǒng)的礦區(qū)供水方式往往造成能量浪費(fèi)，水錘效應(yīng)降低了供水零部件的壽命。同時，傳統(tǒng)的供水方式消耗大量的人力物力，在資源利用和配比上都是一種極大的消耗。如圖2所示，為傳統(tǒng)供水基本原理框圖。

圖1 水泵運(yùn)行時的特性曲線

圖2 礦區(qū)傳統(tǒng)供水系統(tǒng)原理圖

在此基礎(chǔ)上，變頻恒壓供水技術(shù)慢慢在礦區(qū)得到應(yīng)用和研究，用于解決上述傳統(tǒng)供水系統(tǒng)在礦井供水系統(tǒng)中存在的問題。

1.2 變頻恒壓供水原理

變頻恒壓供水系統(tǒng)是由水泵機(jī)組、變頻器、PID控制，以及壓力傳感器等主要供水系統(tǒng)組件構(gòu)成，形成礦區(qū)供水負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)原理是通過壓力傳感器獲取礦區(qū)總供水壓力信息，將得到的壓力信息與礦區(qū)所需水壓閾值信息進(jìn)行比較，從而獲得PID控制器相對應(yīng)的控制頻率依據(jù)，通過可編程控制器預(yù)設(shè)程序控制水泵機(jī)組，實現(xiàn)水泵電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)條件，達(dá)到調(diào)整礦區(qū)水壓。該系統(tǒng)可自動完成礦區(qū)水壓調(diào)節(jié)，極大降低了人員和設(shè)備的成本，以及工作量。如圖3所示，為礦區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)原理圖[2-3]。

圖3 變頻恒壓供水系統(tǒng)原理圖

由圖3可以看出，變頻恒壓供水系統(tǒng)主要是調(diào)節(jié)水泵機(jī)組的電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過變頻器拖動水泵電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，已達(dá)到維持礦區(qū)的水壓供給平衡，因此，實質(zhì)調(diào)節(jié)是改變電動機(jī)供電頻率，實現(xiàn)水泵電機(jī)的變頻調(diào)速。

水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速為：

其中：v0為電機(jī)同步轉(zhuǎn)速；S為轉(zhuǎn)差率。

式中：f為電源頻率；p為電機(jī)極對數(shù)。

2 變頻恒壓供水的特點

變頻恒壓供水系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)，在礦區(qū)條件較復(fù)雜環(huán)境中，充分體現(xiàn)了變頻恒壓控制的特點。

1）控制靈活。該系統(tǒng)通過可編程控制器實現(xiàn)礦區(qū)供水需求，真正實現(xiàn)了“需要多少水，提供多少水”的目標(biāo)?？蓪崿F(xiàn)實時自動調(diào)節(jié)，包括定時、定量，以及人工干預(yù)的控制方式。

2）可靠性強(qiáng)。通過變頻器實現(xiàn)水泵機(jī)組的軟啟動，使得水泵機(jī)組在切換工況頻率變化時的無縫銜接，減少管道沖擊、水錘效應(yīng)等。

3）節(jié)約能源。礦區(qū)用水是不斷變化的，因此，在供水過程中保證水泵機(jī)組適應(yīng)用水變化，消除供水不足、供水過量，以及降低水泵的平均轉(zhuǎn)速，延長供水系統(tǒng)部件壽命以外，實現(xiàn)了節(jié)約用水、節(jié)約用電、節(jié)省人力等。

4）人機(jī)交互。通過組態(tài)軟件實現(xiàn)對礦區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)各個部件的實時監(jiān)控，直觀反映系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，作為自動控制及人工干預(yù)的重要判斷依據(jù)，同時能夠快速發(fā)現(xiàn)故障區(qū)域做出緊急措施。

5）自保護(hù)特性。針對控制器設(shè)置緊急預(yù)警，實現(xiàn)供水系統(tǒng)在出現(xiàn)任何故障時，主動發(fā)送報警信息到上位機(jī)顯示的同時，啟動備用方案，維護(hù)整個供水系統(tǒng)的安全運(yùn)行，也能減少誤操作帶來的損失。

3 變頻恒壓供水的總體方案

結(jié)合前文對變頻恒壓供水系統(tǒng)的研究，針對礦井供水應(yīng)用環(huán)境，提出適用于該礦變頻恒壓供水系統(tǒng)總體方案，解決該礦應(yīng)用靜壓供水系統(tǒng)時的關(guān)鍵問題，提高礦井供水系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性以及可控性，得到更高的經(jīng)濟(jì)、資源效益。

3.1 系統(tǒng)硬件組成

該礦供水系統(tǒng)是基于恒壓供水系統(tǒng)提出的適用于實際環(huán)境的變頻恒壓供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)硬件組成包括變頻恒壓供水系統(tǒng)的主要硬件，圖4為礦井變頻恒壓供水系統(tǒng)硬件組成及電器連接框圖。

根據(jù)圖4所示，礦井變頻恒壓供水系統(tǒng)硬件主要包括以下幾個部分：

圖4 變頻恒壓供水系統(tǒng)原理圖

1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)。該部分由主泵和輔助泵組成的水泵機(jī)組構(gòu)成，主泵主要完成正常工作時礦區(qū)中的煤炭開采工作供水、生活供水及消防供水。當(dāng)?shù)V區(qū)供水出現(xiàn)異常供水，即超標(biāo)供水時，輔助泵將起到補(bǔ)充主泵供水不足的問題。當(dāng)主泵發(fā)生故障時，輔助泵將起到緩沖作用，在短時間內(nèi)，實現(xiàn)用水設(shè)備的正常運(yùn)行，為恢復(fù)主泵工作爭取時間。

2）監(jiān)測監(jiān)控機(jī)構(gòu)。該部分主要由壓力傳感器和上位機(jī)等監(jiān)測監(jiān)控設(shè)備組成，壓力傳感器主要完成對水泵出水壓力進(jìn)行檢測，并將檢測數(shù)據(jù)記錄及實時發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行顯示。上位機(jī)主要是監(jiān)控下位設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)以及監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)信息顯示。

3）控制機(jī)構(gòu)。該部分主要由PID控制器、PLC及變頻器構(gòu)成，PID控制器及其組件主要完成對監(jiān)測軟件信息以及人工干預(yù)控制指令的接收與判斷，并向變頻器發(fā)出控制指令。PLC主要完成收集壓力傳感器等監(jiān)測信號并進(jìn)行分析，得出相應(yīng)控制方案。變頻器主要實現(xiàn)對PLC控制指令的接收并響應(yīng)之后，發(fā)出控制水泵電機(jī)的控制指令[4-5]。

4）報警機(jī)構(gòu)。該部分主要有報警器組成，連接變頻恒壓供水系統(tǒng)上位監(jiān)控軟件以及下位設(shè)備，實現(xiàn)及時響應(yīng)故障信息，以及異常狀態(tài)。

3.2 控制系統(tǒng)構(gòu)成

該礦變頻恒壓供水系統(tǒng)應(yīng)用于消防、礦區(qū)和生活等區(qū)域，該系統(tǒng)能夠向多臺水泵提供支持，礦井變頻恒壓供水系統(tǒng)研究主要以2臺水泵為研究對象，其控制系統(tǒng)原理流程圖，如圖5所示。

圖5 變頻恒壓供水系統(tǒng)原理圖

控制系統(tǒng)安裝在控制箱中，主要包括電控設(shè)備、PLC組件和變頻器組成，同時，控制系統(tǒng)還包括上位人機(jī)交互系統(tǒng)。

1）電控設(shè)備。主要由轉(zhuǎn)換開關(guān)、主控計算機(jī)、繼電器等設(shè)備構(gòu)成，負(fù)責(zé)接收監(jiān)測監(jiān)控機(jī)構(gòu)的采集信號，以及實現(xiàn)切換水泵等功能。

2）PLC組件。主要由PLC控制系統(tǒng)組成，是控制系統(tǒng)核心部件，完成采集信號并處理，并通過處理信息決策控制指令，將控制指令發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

3）變頻器控制系統(tǒng)。主要是響應(yīng)PLC控制指令，調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)水泵機(jī)組供水的控制。

4）人機(jī)交互系統(tǒng)。主要由交互界界面及觸摸屏構(gòu)成，是控制人員與控制系統(tǒng)實現(xiàn)操作的解決方案，基于WinCC開發(fā)的組態(tài)控制系統(tǒng)，是直觀體現(xiàn)礦井變頻恒壓供水系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和控制操作的重要組成。

3.3 系統(tǒng)方案的實現(xiàn)與工作原理

礦井變頻恒壓供水系統(tǒng)是由多臺并聯(lián)水泵構(gòu)成，實現(xiàn)水壓恒定的目標(biāo)。當(dāng)出水量發(fā)生變化時，通過負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)實現(xiàn)變頻器調(diào)節(jié)，完成水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，使水泵出水壓力達(dá)到設(shè)定閾值。在變頻控制擴(kuò)成中，為解決切換過程中水錘效應(yīng)和電流沖擊等負(fù)面因素，合理利用軟啟動設(shè)備，實現(xiàn)切換的平滑過度。這里以2臺可控水泵為例，具體控制如下：

1）供水系統(tǒng)開始運(yùn)行時，變頻器拖到主泵運(yùn)行，壓力傳感器實時監(jiān)測水泵出水口壓力并輸入控制系統(tǒng)與設(shè)定閾值比較，通過PLC系統(tǒng)進(jìn)行決策，通過PID控制器控制變頻器拖動水泵電機(jī)提速，水壓達(dá)到閾值時，保持變頻器頻率不變，水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速不變。

2）當(dāng)用水量變化導(dǎo)致水壓增大或減小時，由于閉環(huán)反饋變化信息，變頻器輸出頻率降低或升高，控制水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速實現(xiàn)減速或加速，直到水壓再次達(dá)到閾值。

3）當(dāng)?shù)V區(qū)用水量不斷上升，使得變頻器頻率達(dá)到上限時，依然無法滿足礦區(qū)用水量，即壓力傳感器監(jiān)測值低于閾值，此時，系統(tǒng)發(fā)出切換控制指令，開啟水泵電機(jī)2，使其以工頻運(yùn)行，水泵電機(jī)1仍以變頻器拖動實施變頻調(diào)節(jié)，從而使兩泵工作時的出水口的水壓達(dá)到設(shè)定值。如果用水量仍然繼續(xù)上升，處于變頻運(yùn)行狀態(tài)的水泵再次達(dá)到頻率上限時，系統(tǒng)無法達(dá)到壓力平衡，此時控制系統(tǒng)發(fā)出報警信號，顯示在控制中心的人機(jī)交互系統(tǒng)中，并預(yù)先做出安全措施[6]。

4）當(dāng)?shù)V區(qū)用水量不斷減小且水壓上升，控制系統(tǒng)控制水泵變頻運(yùn)行頻率低于下限值時，水壓仍然較高，此時控制關(guān)閉工頻運(yùn)行的輔助水泵，同時由變頻泵實現(xiàn)閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)，使水壓恢復(fù)到平衡值。若水壓持續(xù)下降，實際水壓值降低到閾值時，控制變頻器調(diào)節(jié)至僅剩主泵提供用水。

4 結(jié)論

1）由于晉華宮礦區(qū)井下用水高峰和低峰時間段不固定、用水量變化大，因此要實現(xiàn)恒壓供水，必須采用變頻控制技術(shù)。

2）晉華宮礦采用適合其礦區(qū)供水、生活供水和消防供水的變頻恒壓供水系統(tǒng)總體方案，解決了礦井的可靠供水問題。