離心泵自動抽水裝置在礦井中的應用設計

魏超穎

(潞安化工集團 黑龍關煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041200)

離心泵在煤礦井下抽水作業(yè)中被廣泛應用。但離心泵應用于礦井排水，啟動前需先灌泵或用真空泵將泵內空氣抽出，當排氣完畢流出水后關閉放氣孔、關閉放水球閥、啟動水泵，緩慢打開出水閥閘閥，開始往外排水，待排水完成后，關閉水泵。整個操作過于繁瑣，且整個抽水過程都需要人工值守。為此，本文設計了一種離心泵自動抽水裝置，實現(xiàn)水泵的自動抽水，提高抽排水效率，實現(xiàn)無人值守。

1 設計目標及系統(tǒng)組成

1.1 設計目標

本文提出的離心泵自動抽水裝置，在滿足礦井抽排水需要的基礎上，避免人工操作，實現(xiàn)水泵的自動抽水?；诖?，自動抽水裝置上設定水位傳感器、水位閾值和抽水自動控制系統(tǒng)。目標實現(xiàn)如下功能：①當水位上升到(預先)設定位置時，自動抽水裝置開始灌水、排氣、啟動水泵、開啟閘閥等程序自動按照順序操作，實現(xiàn)水泵自動抽水；②當水位下降到(預先)設定位置時，自動抽水裝置開始按照程序進行關閉閥門、停泵等操作，水泵自動停止抽水，整個過程不需要人工參與，實現(xiàn)無人值守。

1.2 設計思路及方案

基于設計目標，本文設計的離心泵自動抽水裝置，主要包括裝置結構和電氣控制兩部分。裝置結構主要包括：①液位傳感器，設置于水倉內壁進行液位監(jiān)控；②出水管路，連接于離心泵出水口至排水水倉；③電動球閥1、手動球閥1，并聯(lián)設置于離心泵的放水管路1上，放水管路1,一端連接離心泵的出水口，另一端連接在出水管路的壓力表下方，出水管路上依次設置壓力表、電動閘閥和止回閥；④放水管路2，設置在離心泵放氣和浮球箱之間，電動球閥2、手動球閥2,并聯(lián)設置于放水管路2上。具體裝置結構，見圖1。

圖1 離心泵自動抽水裝置結構示意

電氣控制是實現(xiàn)離心泵自動抽水的重要組成構件，本文設計采用PLC控制方式實現(xiàn)抽水專職的自動控制。根據應用設計，電氣控制部分主要包括PLC可編程控制器、DC24 V電壓電源、AC127 V電壓電源、J1繼電器、J2繼電器、J3繼電器的線圈等，各部件具體關聯(lián)關系，見圖2。①根據PLC機型選擇基本原則，本文選擇具備工業(yè)自動化行業(yè)最常用RS485通信連接方式的PLC邏輯器件作為PLC信號控制連接。②PLC邏輯器件的信號輸入端1M端口和0.0端口接入液位傳感器傳輸的液位信號，2M端口和1.5端口接入浮球開關傳輸的浮球信號。③PLC邏輯器件的信號輸出端0.1端口和0.2端口分別連接至J1繼電器的線圈和J2繼電器的線圈的一端，J1繼電器的線圈和J2繼電器的線圈的另一端并聯(lián)后，與PLC邏輯器件的信號輸出端1L端口分別連接至DC24 V電壓電源的兩端。④PLC邏輯器件的信號輸出端1.3端口連接J3繼電器的線圈的一端，J3繼電器的另一端和2L端口分別連接DC24 V電壓電源的兩端。⑤J1繼電器的觸點開關J1-1和電動球閥1串聯(lián)，J2繼電器的觸點開關J2-1和電動球閥2串聯(lián)，形成的串聯(lián)電路并聯(lián)后連接于DC24 V電壓電源的兩端。⑥J3繼電器的觸點開關J3-1和電動閘閥串聯(lián)后連接于AC127 V電壓電源的兩端。

圖2 離心泵自動抽水裝置電路控制結構示意

2 工作原理

離心泵自動抽水裝置的工作原理分為啟動水泵和停止水泵兩個部分。水泵的啟動和停止是基于裝置設定的液位傳感器來進行判斷的，當作業(yè)地點水倉或水窩水位達到或低于自動抽水裝置初設的水位閾值，液位傳感器就會對PLC可編程控制器發(fā)送相應的啟動水泵或停止水泵作業(yè)指令，進而對離心泵工作狀態(tài)進行控制。

啟動時，由該裝置的液位傳感器判斷是否啟泵，當液位傳感器感應到抽水水倉中液位高于預設的高液位時，向PLC可編程控制器發(fā)送信號，作為離心泵的啟動指令，打開電動球閥延遲30 s后進行離心泵排氣，空氣排盡后水流入水箱，導通水箱浮球開關動作，并向PLC發(fā)送信號關閉排氣電動球閥，與此同時導通水泵啟動控制回路，啟動水泵， 同時接通電動閘閥線圈電源，按照既定程序開啟電動閘閥，進行排水工作。

停止時，由該裝置的液位傳感器判斷是否停泵，當液位傳感器感應到水倉中液位低于預設的低液位時，向PLC可編程控制器發(fā)送信號，作為離心泵的停止指令。PLC可編程控制器在接收到停止指令后，控制電動閘閥關閉，同時停止離心泵運行，排水工作結束。

為保證浮球開關的持續(xù)有效，在浮球箱的底部設置1個排水孔，排向水倉，該排水孔的流量遠小于放水管2的流量，在啟泵過程中，由于浮球箱排水量小于放水管2的進水量，浮球箱內的液位將不斷上升，導致浮球開關動作，進而發(fā)出可以啟泵的指令。在泵啟動以后，由于放水管2不再放水，浮球箱內的液位不斷降低，直至將浮球箱內的水排完，為下一次自動排水做好準備。

3 應用效果分析

本文以王莊煤礦+540 m水平91采區(qū)某工作面運巷掘進排水為例，對離心泵自動抽水裝置進行現(xiàn)場應用測試。工作面整體上山，局部起伏，巷道低洼區(qū)較多，巷道充水水源主要為3號煤層上部的頂板砂巖含水層，K8、K10號砂巖含水層水，工作面中部含有富水區(qū)，正常水量5～6 m3/d，為了保證巷道的安全掘進，在巷道低洼區(qū)設置臨時水倉1～3號?，F(xiàn)場測試中，自動抽水裝置設定水位閾值為200 mm，即當水位超過200 mm，液位傳感器向PLC控制系統(tǒng)發(fā)出抽水指令，水泵進行自動抽水。通過現(xiàn)場7 d測試結果，水倉水位持續(xù)保持在200 mm以下，水倉附近低洼區(qū)無積水或少積水現(xiàn)象，未發(fā)生因自動抽水裝置故障造成的水倉積水現(xiàn)象，且當水位低于200 mm后，水泵能夠自動停止工作，避免了水泵無水干抽現(xiàn)象的發(fā)生，不僅達到了無人值守，提高了水泵的應用效率，降低了水泵故障發(fā)生，且保證了良好的抽水效果。

4 結 語

該離心泵自動抽水裝置的成功研制和現(xiàn)場應用，在滿足礦井抽排水需求的基礎上，降低了水泵的故障維修頻率和人工成本，在一定程度上提升了礦井生產效益，具有一定的推廣使用意義。但為了達到預期的抽水效果，提高水泵的利用效率，應當基于礦井水量進行水泵的合理選擇和布置，以及水位閾值的設定。