礦用水泵自動(dòng)給水裝置的設(shè)計(jì)及應(yīng)用分析

尹 健

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉城煤炭事業(yè)部趙莊二號(hào)井，山西 長(zhǎng)治 046000）

1 礦井水泵啟動(dòng)及運(yùn)行現(xiàn)狀

晉能控股集團(tuán)某礦水泵采用的是比較傳統(tǒng)的射流啟動(dòng)方式，這種啟動(dòng)方式是靠噴射泵來實(shí)現(xiàn)的，但噴射泵存在著許多的缺點(diǎn)：安裝更換煩瑣，操作不便，費(fèi)工費(fèi)力；噴射泵的噴嘴易磨損，壽命較短，需要經(jīng)常更換；噴射泵噴嘴易堵塞，對(duì)水中的顆粒物提出了較高的要求，使得其適用范圍大大受限；噴射泵壽命較短，隨著使用時(shí)間的增加，噴射泵的功能會(huì)大打折扣。由于施工現(xiàn)場(chǎng)條件有限，更換維修噴射泵不方便，對(duì)整個(gè)工作進(jìn)度會(huì)產(chǎn)生較大影響。

2 礦井水泵啟動(dòng)方式的創(chuàng)新

為了克服噴射泵所具有的缺點(diǎn)，提升礦井水泵的使用周期以及可靠性，本文提出了水泵自動(dòng)給水裝置來完成排水作業(yè)，具體的工作要點(diǎn)就是要保證水泵中時(shí)刻都充滿水，從而克服噴射泵在啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行射流的問題。本文提出的排水工藝不需要射流啟動(dòng)，節(jié)省了大量時(shí)間，提高了響應(yīng)速度，降低了故障率，徹底克服了真空噴射泵的啟動(dòng)困難不能排水的問題。

傳統(tǒng)的噴射泵主要包括了混合管、噴嘴以及吸水管或者叫吸水室這幾個(gè)部分，示意圖如圖1 所示。具體的工作原理是排水管傳來的高壓水經(jīng)由噴嘴口噴出，在這一過程中水流會(huì)帶走吸水室中的大量空氣，進(jìn)而慢慢的就會(huì)在與吸水室相連的泵體內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，在大氣壓的作用下大量的水就會(huì)進(jìn)入泵體中，然后就可以開啟水泵進(jìn)行排水作業(yè)了。在實(shí)際的使用過程中，由于要等到泵體中靠大氣壓充滿水后才能開始排水，而泵體中充滿水大概需要5 min 的時(shí)間，如果存在漏氣則這一時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)，這就大大延后了排水的時(shí)間，使得排水作業(yè)不能快速響應(yīng)。此外，若是漏氣現(xiàn)象嚴(yán)重，則水泵無法進(jìn)行排水作業(yè)。

圖1 水泵噴射泵結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 創(chuàng)新研發(fā)水泵自動(dòng)給水裝置

以晉能控股集團(tuán)某礦的泵房為例，更改水泵的工作方式，使用自主開發(fā)的水泵自動(dòng)給水裝置進(jìn)行排水。經(jīng)過試驗(yàn)，數(shù)據(jù)表明本裝置較傳統(tǒng)的水泵射流啟動(dòng)方式運(yùn)行更為穩(wěn)定可靠、操作更為方便、成本更低、效率更高。本裝置主要包括注水口、自動(dòng)給水裝置、進(jìn)出水口等模塊，實(shí)物圖如圖2 所示。

圖2 水泵自動(dòng)給水裝置

2.2 水泵自動(dòng)給水裝置工作原理

該裝置的工作原理為：首先要把進(jìn)水口與仰井吸水管連接在一起，再把出水口與水泵吸水口連接在一起。首次使用應(yīng)該提前將自動(dòng)注水系統(tǒng)的水箱中裝滿水，然后啟動(dòng)水泵，水泵會(huì)通過該裝置吸水，這樣就會(huì)在水箱中產(chǎn)生一定的負(fù)壓，大氣壓就會(huì)把水經(jīng)過吸水管路輸送到水箱中，水泵吸水箱中的水，這樣就形成了一個(gè)連續(xù)的過程，完成了排水作業(yè)。

2.3 水泵自動(dòng)給水裝置制作、安裝施工

首先要測(cè)量出該水泵的吸水管的容積，然后再結(jié)合具體的施工場(chǎng)地，個(gè)性化制作水泵自動(dòng)給水裝置，再拆除原有的排水裝置的中間段，將個(gè)性化制作的自動(dòng)給水裝置安裝上去，再給自動(dòng)給水裝置的水箱中灌滿水，之后測(cè)試一下水箱的密封性能，這一過程對(duì)該裝置至關(guān)重要。

3 水泵集控系統(tǒng)

本文提出的新型礦用水泵自動(dòng)給排水裝置可以進(jìn)一步優(yōu)化，結(jié)合電子電路，控制程序可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制?？梢栽诘V井中的泵房中設(shè)立控制中心，利用PLC 技術(shù)對(duì)各個(gè)水泵、閥門等進(jìn)行智能化控制，并通過多種傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)視各個(gè)裝置的工作狀態(tài)、是否存在故障、以及正在進(jìn)行的工序。再結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、局域網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，完成遠(yuǎn)程操作，確保操作人員的安全。

可以在地面上設(shè)立具體的指揮調(diào)度中心，完成數(shù)據(jù)分析，命令下放，在井下設(shè)立一臺(tái)服務(wù)器完成采集數(shù)據(jù)的上傳、操作指令的分發(fā)，同時(shí)設(shè)立井下監(jiān)控系統(tǒng)，防止電子設(shè)備故障傳輸錯(cuò)誤信號(hào)，影響操作人員的判斷。在視野相對(duì)開闊的地方設(shè)立紅外攝像頭，通過局域網(wǎng)實(shí)時(shí)把監(jiān)控畫面?zhèn)鬏數(shù)街笓]調(diào)度中心。

4 水泵集控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1 上位機(jī)的設(shè)計(jì)

4.1.1 顯示功能

1）工況圖：可以實(shí)現(xiàn)井下設(shè)備的工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示，監(jiān)測(cè)涌水量以及排水的速度，方便實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)控。

2）故障及保護(hù)顯示：可以實(shí)現(xiàn)傳感器采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，對(duì)井各設(shè)備的工作狀況有一個(gè)清晰地把握，一旦有數(shù)據(jù)出現(xiàn)異?？梢詫?shí)現(xiàn)及時(shí)報(bào)警，并分析可能的故障類型。

3）對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，方便進(jìn)行全壽命分析，發(fā)現(xiàn)歷史趨勢(shì)，完成數(shù)據(jù)的處理，方便綜合分析。

4.1.2 控制功能

可以根據(jù)水位傳感器采集的數(shù)據(jù)合理地控制排水泵的工作，達(dá)到避峰填谷的效果，保證水倉水位一直處于相對(duì)穩(wěn)定的水平，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化、穩(wěn)定化管理，提高泵的工作效率。

4.1.3 報(bào)表功能

可以把各個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)，比如水倉水位計(jì)的歷史數(shù)據(jù)做成時(shí)間-水位相關(guān)的表格，方便操作人員進(jìn)行判斷。

4.2 下位機(jī)的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中運(yùn)用了Siemens 公司的PLC，具體型號(hào)為S7 300，其中水泵的自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要由作為管理層的工控機(jī)、作為控制層的PLC 以及作為遠(yuǎn)程IO的現(xiàn)場(chǎng)層三部分構(gòu)成，完成對(duì)水泵的自動(dòng)化控制。本系統(tǒng)選用了人機(jī)交互界面友好、防水防塵的工控機(jī)，Siemens 的PLC 功能強(qiáng)大，可以完成基本的邏輯處理、數(shù)據(jù)的采集、信息的上傳等功能。

排水泵房自動(dòng)化控制系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

1）系統(tǒng)為模塊化結(jié)構(gòu)：可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和設(shè)備的控制等功能。本系統(tǒng)中所有的模塊都采用固態(tài)電路，采用標(biāo)準(zhǔn)化接口、端口，方便更換維修。本系統(tǒng)還具有連鎖和保護(hù)功能，提高了安全性。

2）數(shù)字量輸入/輸出模塊：本系統(tǒng)采用直流24 V作為輸入信號(hào)，采用抗干擾的信號(hào)線，輸出信號(hào)用weidmueller 繼電器進(jìn)行隔離，保證了信號(hào)的穩(wěn)定性，防止失真。

3）輸入模塊（AI）：輸出模塊采用的是標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA 的直流電信號(hào)，各個(gè)信號(hào)之間進(jìn)行物理隔離，其中模擬量首先要經(jīng)過隔離器才能輸入到IO 模塊中，IO模塊可以靈活放置

4.3 傳感器的設(shè)計(jì)

4.3.1 水位監(jiān)測(cè)傳感器

水位傳感器應(yīng)該放置在水倉中，其中內(nèi)外水倉中均需安裝一個(gè)，該傳感器可以通過浮球液位開關(guān)來檢測(cè)水位，當(dāng)水位超出預(yù)定數(shù)值時(shí)，就會(huì)觸發(fā)報(bào)警，同時(shí)會(huì)給工控機(jī)傳遞信號(hào)。

4.3.2 流量監(jiān)測(cè)傳感器

超聲波流量傳感器需要安裝在水泵的出水管處，該傳感器可以監(jiān)測(cè)管道內(nèi)液體地流速，當(dāng)液體流速變化時(shí)，它就會(huì)記錄下來信號(hào)，傳遞給工控機(jī)。

4.3.3 壓力傳感器

壓力傳感器用來測(cè)量壓力，可以在水泵的出水口測(cè)量，作為流速判斷的輔助數(shù)據(jù)，在水泵的抽氣口處測(cè)量，判斷水箱的壓力是否正常。

4.3.4 溫度傳感器

溫度傳感器可以安裝在重要的運(yùn)動(dòng)部件旁，用來監(jiān)測(cè)該部件的溫度變化，作為判斷該部件是否正常工作的一項(xiàng)重要依據(jù)。

5 應(yīng)用效益分析

5.1 社會(huì)效益

該自動(dòng)給水裝置適用范圍廣、操作簡(jiǎn)單、安裝方便、運(yùn)行穩(wěn)定可靠，不受復(fù)雜井下環(huán)境的影響。與傳統(tǒng)的水泵射流啟動(dòng)模式相比，大大減少了故障率，提高了工作效率，節(jié)省了時(shí)間。

5.2 經(jīng)濟(jì)效益

就本實(shí)踐所選擇的礦井，在本裝置安裝之前，平均1 臺(tái)水泵1 年就會(huì)更換4 個(gè)平衡盤和十多個(gè)噴嘴，甚至連水泵都更換了2 臺(tái)；而在安裝了本裝置之后，平均1 年1 臺(tái)水泵只損壞1 個(gè)平衡盤。在本礦井中總共安裝了5 臺(tái)本裝置，總計(jì)花費(fèi)1 000 元人民幣，而1年下來不僅節(jié)約了維修成本，而且不延誤工期，降低了維修工人的安全隱患。換算下來，5 臺(tái)水泵每年總共節(jié)省了151 000 元。

6 結(jié)語

本文提出了水泵給水裝置，解決了水泵啟動(dòng)的問題，同時(shí)開發(fā)了配套的控制系統(tǒng)，經(jīng)過實(shí)際的測(cè)試，本設(shè)計(jì)適用范圍廣、操作簡(jiǎn)單、安轉(zhuǎn)方便、運(yùn)行穩(wěn)定可靠，性能上全面超越傳統(tǒng)的水泵射流啟動(dòng)模式。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行測(cè)試，本裝置未出現(xiàn)較大故障，大大提高了工作效率，保障了礦井的安全運(yùn)行，具有較大的實(shí)際意義。