煤礦井下自動排水系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化

常 青

（山西潞安礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司五陽煤礦，山西長治 046205）

隨著煤炭的大量開采和開采技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代煤炭礦井的深度不斷增加，因此井下安全排水工作的重要性日益突出。各煤礦企業(yè)均在井下設(shè)置了大量的排水設(shè)備，以確保井下生產(chǎn)的安全［1]。但目前大多數(shù)排水設(shè)備自動化程度低，缺乏聯(lián)動運行機制，檢修、監(jiān)測和控制完全依賴于人工；運行時同時開機或者同時關(guān)機，耗電量大，對應(yīng)急透水事故的反應(yīng)速度慢，已經(jīng)越來越不能適應(yīng)井下機械設(shè)備自動化、智能化、節(jié)能化的發(fā)展要求，迫切需要建立一個自動化程度較高的煤礦井下排水控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對各排水裝置的聯(lián)動控制；同時還要對控制方式進(jìn)行優(yōu)化，降低排水系統(tǒng)的電耗，提高排水系統(tǒng)的使用壽命和工作可靠性。

1 煤礦井下自動排水系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

新建立的煤礦井下自動排水系統(tǒng)主要包括井下泵房自動控制單元和地面監(jiān)測控制中心。井下泵房自動控制單元主要由綜合控制箱、離心泵及各類傳感器組成，主要用于對煤礦井下各排水裝置的監(jiān)測和控制。地面監(jiān)測控制中心主要包括工業(yè)計算機設(shè)備、顯示器設(shè)備及操作控制設(shè)備，能夠?qū)崟r顯示該自動排水系統(tǒng)中各排水設(shè)備的運行情況和積水區(qū)域的水位情況，主要用于監(jiān)測、控制及終端數(shù)據(jù)的采集。煤礦井下自動排水系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 煤礦井下自動排水系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意

2 煤礦井下自動排水系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

煤礦井下自動排水控制系統(tǒng)采用PLC作為中央控制處理器，利用IP／TCP網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，實現(xiàn)井下控制單元與PLC、地面監(jiān)測控制中心的信息傳輸［2]，其控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在該自動控制系統(tǒng)中，由PLC中央控制處理器完成對各排水系統(tǒng)工作信息數(shù)據(jù)的監(jiān)測和采集。首先由設(shè)置在井下積水區(qū)域的液位傳感器對積水區(qū)域的水位變化情況進(jìn)行實時監(jiān)測，然后將監(jiān)測到的水位變化信號通過變送器轉(zhuǎn)化為電信號，以模擬量數(shù)字信號和開關(guān)量數(shù)字信號的方式傳送到PLC。設(shè)置在排水裝置上的電流、電壓傳感器和溫度傳感器等采集排水裝置工作電機的溫升、電流、電壓信號并以模擬量的形式傳遞給PLC。系統(tǒng)通過設(shè)置在排水裝置出水口處的流量傳感器監(jiān)測水泵排出的水量，并以數(shù)據(jù)通訊的方式把數(shù)據(jù)信息傳遞到PLC。因各類傳感器設(shè)備監(jiān)測的數(shù)據(jù)信號為整個控制系統(tǒng)可靠運行的關(guān)鍵，因此一方面要求使用可靠性高、精密度高、使用壽命長的傳感器設(shè)備，另一方面為確保各類數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r性和準(zhǔn)確性，經(jīng)實際測試，將系統(tǒng)的數(shù)據(jù)刷新周期設(shè)置為小于1 s。

圖2 煤礦井下自動排水系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)示意

系統(tǒng)對水泵的控制方式包括遠(yuǎn)程自動、遠(yuǎn)程手動、就地自動和就地手動4種模式［3]。

在遠(yuǎn)程自動控制模式下，系統(tǒng)根據(jù)已編寫好的邏輯控制程序，自動控制水泵的啟停。對水泵的工作時間進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，根據(jù)液位傳感器采集到的積水區(qū)域水位變化情況，自動判斷是否需要啟動排水及需要啟動的水泵數(shù)量和水泵編號。當(dāng)水位突然增加，超過最大警戒標(biāo)準(zhǔn)時，自動控制排水系統(tǒng)進(jìn)行強排水作業(yè)。PLC控制系統(tǒng)對水泵的運行情況進(jìn)行實時監(jiān)測，當(dāng)出現(xiàn)故障時及時報警并按控制邏輯進(jìn)行處理。

在遠(yuǎn)程手動控制模式下，系統(tǒng)僅控制完成排水裝置電機的開關(guān)。而排水裝置的啟動或者停止是通過控制人員在井上控制中心根據(jù)井下積水區(qū)域的水位情況確定開啟的排水裝置數(shù)量和編號。

在就地自動控制模式下，在井下操作控制中心，操作人員根據(jù)積水區(qū)域的水位實際情況，通過綜合控制箱上的水泵啟、停按鈕對排水裝置進(jìn)行控制。

在就地手動控制模式下，在井下操作控制中心，操作人員根據(jù)積水區(qū)域的水位實際情況，通過綜合控制箱上的開關(guān)按鈕對排水裝置進(jìn)行啟動和停止操作，同時根據(jù)排水流程，按照控制順序完成對閘閥、水泵電機的手動操作，完成排水。

3 自動排水系統(tǒng) “避峰就谷”控制的實現(xiàn)

為了實現(xiàn)節(jié)能，在排水自動控制系統(tǒng)中設(shè)置了 “避峰就谷”的排水控制模式。在該控制程序設(shè)計時，將積水區(qū)域的水位分為6個警戒點，共7個液位區(qū)段，最低處為1號警戒點，6號警戒點為極限水位。當(dāng)系統(tǒng)在正常工作時，積水區(qū)域的水位應(yīng)保持在1～5警戒點之間。液位在不同的警戒點對應(yīng)不同的同時啟動的排水裝置數(shù)量。根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，計算出每一個水位區(qū)段水位上升的平均速度，然后得出這7個水位區(qū)段的平均的水位上升速度，將這個數(shù)據(jù)寄存在寄存器中，作為積水區(qū)域水位的評估數(shù)據(jù)。同時在此程序中建立涌水速率數(shù)據(jù)庫，設(shè)置積水區(qū)域的最大涌水速度和正常排水速度區(qū)間，然后根據(jù)記錄下的每一個區(qū)間水位的上升速率，設(shè)置相應(yīng)的響應(yīng)邏輯，從而判斷是否啟動排水及需要同時啟動的排水裝置數(shù)量［4]。

在控制程序的具體實現(xiàn)上， “避峰就谷”的控制方式，需要采用PLC時鐘控制。在PLC內(nèi)部的寄存器分別對應(yīng)時鐘的時、分，在控制程序中設(shè)置 “峰段”、“谷段”、“平段”，每個區(qū)段對應(yīng)具體的時間，在系統(tǒng)設(shè)計時將各段的對應(yīng)時間分別設(shè)置在寄存器中，這樣在實際生產(chǎn)中，控制系統(tǒng)就自動控制排水裝置在對應(yīng)的時間進(jìn)行排水作業(yè)。為了確保煤礦井下的作業(yè)安全，當(dāng)積水區(qū)域的液位超過6警戒點時，不管此時是何種狀態(tài)，系統(tǒng)都會控制排水系統(tǒng)進(jìn)行強排水作業(yè)。

4 節(jié)能效果分析

為了驗證該自動排水系統(tǒng)的節(jié)能效果，在2019年6月3日全天對不同機組在相同工況下的能耗情況進(jìn)行了對比分析，結(jié)果見圖3。

圖3 不同控制方式下的能耗對比

由圖3實際監(jiān)測結(jié)果可知，原始水泵機組當(dāng)天的總能耗約為37440 W，采用自動排水控制系統(tǒng)后的水泵機組當(dāng)日總能耗約為17720 W，比優(yōu)化前降低了約52.7%，節(jié)能效果顯著。

5 結(jié) 論

通過對當(dāng)前井下排水系統(tǒng)的監(jiān)測、控制方式存在的缺點分析，根據(jù)煤礦井下排水設(shè)備自動化、節(jié)能化發(fā)展趨勢的要求，提出了一種新的煤礦井下自動排水控制系統(tǒng)，并對該自動化排水系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、自動控制系統(tǒng)及 “避峰就谷”控制的實現(xiàn)方式進(jìn)行了詳細(xì)論述。通過分析可知，該井下自動排水控制系統(tǒng)不僅極大地提升了井下排水系統(tǒng)的自動化、智能化程度，大幅提高了井下排水控制系統(tǒng)控制的準(zhǔn)確性、及時性，同時通過應(yīng)用 “避峰就谷”控制邏輯，實現(xiàn)了井下排水系統(tǒng)的節(jié)能運行，極大地提升了煤炭生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。