錦界煤礦井下采區(qū)自動(dòng)排水系統(tǒng)的優(yōu)化升級(jí)

李佳樂(lè)

（國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭錦界煤礦，陜西 榆林 719319）

錦界煤礦目前涌水量為5800 m3/h 左右，礦井排水能力為12 500 m3/h，排水能力是正常涌水量的2 倍以上。共配置了7 個(gè)水泵房，包括2 個(gè)中央泵房及5 個(gè)盤(pán)區(qū)水泵房，共設(shè)置68 臺(tái)MD450-60*3 型排水泵，泵組數(shù)量多、位置分散。目前錦界煤礦各泵房均為有人控制模式，各個(gè)泵房數(shù)據(jù)信息不能互通，完全靠人工來(lái)確定排水時(shí)機(jī)和排水方式，不僅效率低而且排水運(yùn)行能耗高，難以滿足智慧化礦山建設(shè)的目標(biāo)。

為了滿足錦界煤礦井下智能化建設(shè)目標(biāo)規(guī)劃，以實(shí)現(xiàn)井下排水系統(tǒng)智慧化監(jiān)測(cè)和控制、提高運(yùn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)，制定了錦界煤礦井下自動(dòng)排水控制系統(tǒng)升級(jí)方案。首創(chuàng)了基于液位差分析的水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)煤礦井下水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)效率低，無(wú)法對(duì)涌水量變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警的不足，極大地提高了自動(dòng)排水系統(tǒng)的運(yùn)行安全性，具有極大的推廣價(jià)值。

1 錦界煤礦排水系統(tǒng)現(xiàn)狀及需求分析

1.1 排水系統(tǒng)現(xiàn)狀總結(jié)

1）控制模式低效。各個(gè)控制站均為手動(dòng)控制模式，所有的設(shè)備啟動(dòng)、關(guān)閉、切換均靠人工經(jīng)驗(yàn)控制。當(dāng)各個(gè)設(shè)備之間有閉鎖關(guān)系，需要按特定原則進(jìn)行操作時(shí)，對(duì)人員經(jīng)驗(yàn)的依賴性更大，當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)難以快速響應(yīng)。

2）硬件設(shè)備落后。各排水控制箱均為繼電器控制，不僅體積龐大而且可靠性低、使用壽命短，極大地影響了使用的可靠性。

3）控制邏輯單一。使用的是“高低水位”控制法，液位傳感器對(duì)水位情況進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)超過(guò)設(shè)定的水位后系統(tǒng)開(kāi)啟全部水泵排水，當(dāng)水位下降到安全水位后停止排水。僅有一種控制邏輯，但該模式不能對(duì)水位變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，也無(wú)法對(duì)水泵的工作狀態(tài)進(jìn)行判斷，而且排水時(shí)間比較隨意，經(jīng)常在用電高峰時(shí)候啟動(dòng)，不僅影響了井下供電的穩(wěn)定性，而且也增加了排水的能耗。

1.2 排水系統(tǒng)改造需求

結(jié)合現(xiàn)在排水系統(tǒng)存在的問(wèn)題及錦界煤礦智慧化改造的需求，對(duì)新的排水系統(tǒng)提出了以下要求：

1）實(shí)用性要求。排水系統(tǒng)改造后需要實(shí)現(xiàn)對(duì)井下7 個(gè)泵房的全面自動(dòng)監(jiān)測(cè)，能夠?qū)崿F(xiàn)水位自動(dòng)判斷、自主判斷排水時(shí)機(jī)等。

2）可靠性要求。系統(tǒng)能對(duì)各排水裝置的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)啟動(dòng)異常、排水異常、水位異常等信息能夠快速判斷和預(yù)警。

3）智能化要求。能夠滿足智慧礦山自動(dòng)化調(diào)控的需求，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守排水作業(yè)，能夠在原有高低水位判斷的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)“避峰就谷”控制。

2 排水系統(tǒng)自動(dòng)化改造方案

根據(jù)錦界煤礦的實(shí)際需求，結(jié)合改造難度、改造成本等綜合分析，最終的改造方案如圖1[1]。

圖1 錦界煤礦排水自動(dòng)化監(jiān)控主站方案

由圖1 可知，監(jiān)控主站分為了數(shù)字量輸入輸出模塊、模擬量輸入模塊、邏輯控制模塊及通信擴(kuò)展模塊。數(shù)字量輸入輸出模塊主要用于完成對(duì)各泵房電機(jī)的運(yùn)行控制及運(yùn)行狀態(tài)報(bào)警；模擬量輸入模塊主要用于對(duì)系統(tǒng)的出水口壓力、入水口的真空度、水倉(cāng)水位等信息監(jiān)測(cè)。邏輯控制模塊主要是由CX8080 型CPU 構(gòu)成，用于對(duì)整體排水狀況進(jìn)行控制。通信擴(kuò)展模塊主要用于完成排水系統(tǒng)和配套的HMI 人機(jī)界面[2]、礦井互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)互通。

考慮到井下排水系統(tǒng)的工作環(huán)境惡劣，零件在使用過(guò)程中需要滿足自身可靠性及更換便捷性的使用需求，因此采用了模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，其監(jiān)控主站的整體硬件結(jié)構(gòu)布局如圖2。

圖2 監(jiān)控主站主體硬件結(jié)構(gòu)示意圖

3 水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及精細(xì)化流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3.1 基于液位差分析的水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

目前多數(shù)井下排水系統(tǒng)處的水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的是浮漂式監(jiān)測(cè)站[3]，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但監(jiān)測(cè)精確性差、無(wú)法進(jìn)行自動(dòng)的數(shù)據(jù)分析和報(bào)警。因此錦界煤礦技改組進(jìn)行了專項(xiàng)的技術(shù)攻關(guān)，提出了一種新的基于液位差分析的水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其整體結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 基于液位差分析的水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

為了滿足監(jiān)測(cè)精確性的需求，傳感器采用了SZ-EA-S2 的超聲波液位傳感器[4]。其能夠通過(guò)4～20 mA 電流信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，對(duì)液位高度的測(cè)量精度達(dá)到了0.5 mm，能夠滿足0～20 m 水位變化的監(jiān)測(cè)需求。在實(shí)際工作中，液位傳感器和液面垂直布置，不斷向液面發(fā)出超聲波，根據(jù)發(fā)射超聲波和接收超聲波的時(shí)間差來(lái)確定水位。通過(guò)非接觸式連續(xù)測(cè)量的模式能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)積水區(qū)域水位變化的持續(xù)監(jiān)測(cè)和分析，因此能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水位高度、水位變化率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和判斷，確保了礦井排水系統(tǒng)的正常工作。

在使用時(shí)特別注意，該類(lèi)型的測(cè)試模式存在一定的盲區(qū)，在盲區(qū)內(nèi)的測(cè)量誤差較大，因此傳感器的探頭在設(shè)置時(shí)和最大液位之間的距離需要大于其探測(cè)盲區(qū)。根據(jù)在錦界煤礦的實(shí)際應(yīng)用，傳感器探頭和最高液面之間的距離應(yīng)大于0.4 m。超聲波傳感器實(shí)物如圖4 所示。

圖4 超聲波傳感器實(shí)物圖

3.2 精細(xì)化流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

優(yōu)化前錦界煤礦排水系統(tǒng)并未設(shè)置流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，無(wú)法實(shí)時(shí)對(duì)排水情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，只能根據(jù)井下浮漂式監(jiān)測(cè)站反饋的液位是上升還是下降來(lái)判斷排水情況，不僅效率低、精確性差，還無(wú)法對(duì)排水狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)出現(xiàn)大量涌水時(shí)極易出現(xiàn)危險(xiǎn)事故。

錦界煤礦機(jī)電科提出了一種新的精細(xì)化流量監(jiān)控系統(tǒng)，以LWGY 流量傳感器[5]為核心，將其設(shè)置在泵口位置，液體經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)帶動(dòng)傳感器內(nèi)的葉輪旋轉(zhuǎn)，周期性地改變系統(tǒng)中的電阻值，使其發(fā)出的電脈沖信號(hào)出現(xiàn)變化，系統(tǒng)接收后進(jìn)行信號(hào)放大并進(jìn)行解析，從而獲取精確的實(shí)時(shí)流量、總流量等。該流量計(jì)結(jié)構(gòu)如圖5[6]。

圖5 流量傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

通過(guò)該基于液位差分析的水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及精細(xì)化流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為整個(gè)排水系統(tǒng)的智慧化運(yùn)行控制奠定了基礎(chǔ)；能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水位變化情況的精確判斷和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而快速判別出涌水量的變化情況，幫助控制系統(tǒng)靈活地調(diào)整排水時(shí)機(jī)和同時(shí)排水的泵組數(shù)量；能夠最大限度地滿足井下智能化安全排水的需求。

4 排水控制策略

根據(jù)錦界煤礦井下積水區(qū)域情況，將每個(gè)水倉(cāng)水位劃分為5 個(gè)水位點(diǎn)，其中第5 個(gè)水位點(diǎn)是極限水位點(diǎn)，第4 個(gè)水位點(diǎn)是警戒水位點(diǎn)，第3 個(gè)水位點(diǎn)是排水的水位點(diǎn)，第2 個(gè)水位點(diǎn)為控制水位點(diǎn)，第1 個(gè)水位點(diǎn)為最低水位點(diǎn)。當(dāng)水位在水位點(diǎn)3 以下時(shí)，系統(tǒng)可根據(jù)設(shè)定的節(jié)能排水策略自動(dòng)進(jìn)行排水，當(dāng)水位在水位點(diǎn)4 以上時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)水位變化情況，調(diào)整開(kāi)啟的水泵數(shù)量，避免水位的快速上升。井下水倉(cāng)水位的劃分如圖6。

圖6 水倉(cāng)水位變化劃分結(jié)果示意圖

針對(duì)傳統(tǒng)控制方案無(wú)法實(shí)現(xiàn)“避峰就谷”經(jīng)濟(jì)控制的情況，在錦界煤礦井下排水系統(tǒng)中首次引入了“分級(jí)水位”調(diào)控策略[7]。以井下排水安全為第一目標(biāo)，以井下排水經(jīng)濟(jì)性為第二目標(biāo)，系統(tǒng)工作時(shí)首先判斷該時(shí)間窗口是位于“峰段”還是“谷段”。若位于“谷段”則系統(tǒng)按既定的排水方案進(jìn)行排水，若位于“峰段”，則系統(tǒng)對(duì)水位情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。若處于水位點(diǎn)2 以下，則不啟動(dòng)排水；若水位上升超過(guò)水位點(diǎn)3，則系統(tǒng)啟動(dòng)一臺(tái)水泵排水；若水位繼續(xù)上升，則開(kāi)啟2 臺(tái)，直到水位不再上升為止。

通過(guò)“避峰就谷”和“分級(jí)水位”控制的綜合策略，系統(tǒng)能夠根據(jù)水位情況自動(dòng)調(diào)整排水速度，不僅確保了井下排水的安全性，而且也提高了排水的經(jīng)濟(jì)性。

目前升級(jí)后的排水系統(tǒng)已經(jīng)在錦界煤礦投入了應(yīng)用，自2022 年8 月份運(yùn)行以來(lái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦區(qū)所有泵房水位情況的集中監(jiān)測(cè)和預(yù)警，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的“無(wú)人化”排水控制，直接減員12 人。同時(shí)，通過(guò)避峰就谷的控制策略，實(shí)現(xiàn)了年節(jié)電約12 萬(wàn)kW·h，極大地提升了井下排水的經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)論

1）監(jiān)控主站在進(jìn)行升級(jí)改造時(shí)，兼顧了使用可靠性和改造經(jīng)濟(jì)性的需求，采用模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，提升了使用可靠性及更換便捷性。

2）基于液位差分析的水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)液位的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，測(cè)量精度達(dá)到了0.5 mm。

3）精細(xì)化流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠精確監(jiān)測(cè)排水量，幫助控制系統(tǒng)靈活地調(diào)整排水時(shí)機(jī)和同時(shí)排水的泵組數(shù)量。

4）“避峰就谷”和“分級(jí)水位”控制的策略，能夠在保證井下排水安全的情況下極大地降低排水成本，實(shí)現(xiàn)了年節(jié)電約12 萬(wàn)kW·h。