礦井主排水泵自動化吸水系統(tǒng)設(shè)計

袁 野

（山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西陽泉 045000）

就煤礦而言，對人身安全和持續(xù)生產(chǎn)比較關(guān)鍵的設(shè)備就是主排水泵，主排水泵的主要功能就是把井下的大巷與工作面中涌出的水直接排到地面，可以確保井下工人與生產(chǎn)的安全。一般離心泵會使用到其主排水泵中，葉片泵中就包含了離心泵，若無水存在于水泵時，旋轉(zhuǎn)的水泵不能將真空壓力建立起來，所以，自吸是離心泵所不具有的能力。在水泵中沒有充足的水時，氣蝕現(xiàn)象就發(fā)生了，導(dǎo)致水泵的傷害是永久的，縮短了使用壽命。因為受限于井下的有關(guān)條件，所有的主排水泵房都是吸上式的，在工作被停止時，是不能有水存在于水泵的。所以，由于要對主排水泵在將泵開啟之前的發(fā)生的吸水問題進(jìn)行解決，就要將吸水裝置加到泵上。

1 主排水泵一般采取的吸水方法

現(xiàn)在，真空泵吸水法、射流泵吸水法、真空水箱吸水法等是其主排水泵一般采取的吸水方法。

1.1 真空水箱吸水法的工作原理

真空水箱所使用的材料是金屬，且制成的水箱是封閉的，該水箱的上部與下部分別與吸水管、水泵的入水口相連。在開啟水泵之前，首先要把水灌滿水箱，進(jìn)而達(dá)到密封的目的，等水灌滿水泵之后，在將水泵啟動，因為水箱中的水位逐漸下降，就會有真空形成于其密閉環(huán)境中，在有水流到水箱之后，由于大氣壓的不斷作用，該部分水就會通過吸水管流到水箱，進(jìn)行水循環(huán)就形成了，水泵的排水更加正常。該方法可以在比較清潔的水源環(huán)境與小型泵中使用。因為有不少煤粉存在于礦井水里，在關(guān)閉水泵時，就會有煤粉沉淀到該水箱的底部，由于長時間的沉淀，就會堵塞管道，就會降低排水效率。除此之外，還要將橋架、電纜、球閥、管道、水泵等設(shè)備安裝到主排水泵房中，1 臺水泵需要安裝真空水箱的數(shù)量是1臺，由于真空水箱所占空間比較大，所以，該方法無法適用到主排水泵中。

1.2 射流泵吸水法的工作原理

射流吸水是一種吸水方法，該方法就是壓力水從射流器中通過時，就會有勃滯產(chǎn)生于空氣與射流之間，泵體中的空氣會被產(chǎn)生于噴嘴周圍的真空所帶走，且不是一次性帶走，然后水倉水順著吸水管從下到上將泵殼充滿。現(xiàn)在，該方法普遍使用到煤礦井下，且是無底閥吸水方法，該方法的優(yōu)點就是維護(hù)簡單、方便安裝、結(jié)構(gòu)簡單等；該方法的缺點就是將水源動力提供出來的是消防灑水管路，法蘭將相鄰主排水泵的管路進(jìn)行連接，若運行時間比較長，就會降低管道的封閉性，射流泵灌滿水泵所需要的時間比較長，這樣降低了吸水效率。

1.3 真空泵吸水法的工作原理

該方式會使用真空泵所具有的偏心結(jié)構(gòu)內(nèi)，且真空泵是水環(huán)式的，負(fù)壓就形成了，且負(fù)壓的形成是周期性的，將吸水管、水泵中的空氣抽取出來，經(jīng)過使用循環(huán)水箱所具有的分離汽水的功能，使水箱中的水可以循環(huán)應(yīng)用，慢慢將泵體中的所有空氣排空。真空泵吸水法所具有的優(yōu)點為比較高的效率、較快的吸水速度，水源的提供可以不由消防灑水管路來實現(xiàn)；真空泵吸水法所具有的缺點為將電源進(jìn)行提供的是真空泵，還要將主排水泵房擴大，這一目的就是提供出更大的空間來安裝真空泵，提高了設(shè)備成本，使一套完整的真空泵吸水系統(tǒng)被全部水泵所使用，若有故障發(fā)生，就會導(dǎo)致主排水泵發(fā)生癱瘓[1]。

2 設(shè)計水泵的自動化吸水系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)的架構(gòu)

關(guān)于現(xiàn)在煤礦主排水泵沒有較高的吸水效率、單一的控制系統(tǒng)模式等問題，將新型吸水方式給提出來了，就是組合了真空泵和射流泵的吸水系統(tǒng)。將一套完整的射流泵吸水系統(tǒng)設(shè)置到1臺水泵中，且該系統(tǒng)是獨立的；然后在將一套完整的真空泵吸水系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，將真空泵設(shè)置到泵房中，且數(shù)量是2臺，主吸水管會讓全部排水泵共同使用真空泵。將DCS分站應(yīng)用到水泵中，且數(shù)量是1臺，該分站主要是對1臺水泵、支管閥門、射流泵吸水系統(tǒng)的啟停進(jìn)行控制，促進(jìn)獨立控制系統(tǒng)形成于水泵中，且運行是自動的；然后在將DCS主站1 臺進(jìn)行設(shè)置，該主站主要對各個水泵、真空泵吸水系統(tǒng)、主管路閥門進(jìn)行控制。射流泵吸水系統(tǒng)會被DCS分站所控制，進(jìn)而將水灌入水泵中，若長時間灌水，就會有信號從DCS 分站發(fā)向DCS 主站，此時真空泵吸水系統(tǒng)就會被主站所啟動，就會在較短的時間內(nèi)將水灌滿。當(dāng)主泵正常運行過程中，備用泵就會按照系統(tǒng)所做的設(shè)定按順序?qū)⑺酀M，在有運行命令被系統(tǒng)所發(fā)出之后，就會馬上將泵開啟，使啟泵時間為零這一目標(biāo)得以實現(xiàn)。圖1就是主排水泵系統(tǒng)。

圖1 主排水泵系統(tǒng)

2.2 水泵自動化吸水系統(tǒng)的構(gòu)成

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、閘閥、傳感器、水泵控制系統(tǒng)構(gòu)成了水泵自動化吸水系統(tǒng)。

2.2.1 水泵控制系統(tǒng)的工作原理

DCS 分站、DCS 主站構(gòu)成了水泵控制系統(tǒng)。將浙大中控FCU712系統(tǒng)的8寸觸摸屏與DCS配備給了DCS主站，系統(tǒng)中的所有功能會被箱體觸摸屏所控制；給主排水管閘閥、真空泵主吸水管球閥、真空泵提供電的是DCS主站。以太網(wǎng)可以實現(xiàn)DCS分站與DCS主站的通信；DCS 主站會經(jīng)過DCS 分站來對所有水泵射流泵吸水系統(tǒng)的開啟與停止進(jìn)行控制，經(jīng)過硬接線來開啟與停止真空泵吸水系統(tǒng)，在灌滿水泵之后，就會有開啟水泵的指令由DCS 分站所發(fā)出。使水泵房控制更加集中。將浙大中控FCU712 系統(tǒng)的8 寸觸摸屏與DCS 配備給了DCS 分站，系統(tǒng)中的所有功能會被箱體觸摸屏所控制；給主排水管閘閥、射流泵、本水泵分支吸水管球閥提供電的是DCS 分站。水泵電壓與電流、排水管的流量與出水壓力、吸水管流量與真空度、水倉水位信號等參數(shù)是DCS 分站需要采集的；DCS 分站會經(jīng)過硬接線來對射流泵、分支吸水管球閥、本水泵排水管閘閥的開關(guān)進(jìn)行控制；在灌滿水泵之后，就會有將水泵啟動的指令發(fā)送到高壓隔爆柜。使單臺水泵就地與自動控制得以實現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)與配電系統(tǒng)都配置到了DCS分站與DCS主站中，系統(tǒng)集成就實現(xiàn)了，各個水泵的運行都是獨立的、吸水都是自動的，提高了水泵自動化系統(tǒng)運行的安全性。

2.2.2 傳感器的工作原理

水流傳感器、溫度振動一體傳感器、投入式液位計、雙聲道超聲波流量計、負(fù)壓傳感器、壓力傳感器等構(gòu)成了檢測傳感器；要對水倉水位、排水時瞬時流量、電機電壓、電機電流、水泵出水口的壓力、泵體負(fù)壓等參數(shù)進(jìn)行檢測。將投入式液位計配置到投入式液位傳感器中，且數(shù)量是2臺，使水倉水位所發(fā)生的改變可以實時進(jìn)行監(jiān)測。將正壓傳感器配備到水泵中，且數(shù)量是1臺，該傳感去主要是對水泵出水口處的壓力進(jìn)行監(jiān)測，在排水壓力有故障出現(xiàn)時，就要馬上將泵停止，防止有“汽蝕現(xiàn)象”出現(xiàn)在水泵腔體中；將負(fù)壓傳感器配備到水泵中，且數(shù)量是1臺，該傳感器主要對水泵的真空度進(jìn)行監(jiān)測，并以此為依據(jù)來判斷有沒有將水灌滿到未啟動的水泵腔體中。

將雙聲道超聲波流量傳感器配備到各趟主管路中，用于對各趟出水管路出水的瞬時流量進(jìn)行檢測。經(jīng)過使用傳感器接口且是預(yù)留在水泵軸承體中，溫度振動一體傳感器的使用可以實時檢測水泵軸承的振動與運行時的溫度，將所檢測的振動與溫度信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，進(jìn)而使輸出的模擬量信號更加標(biāo)準(zhǔn)，并輸送到DCS分站，以此信號為依據(jù)來對水泵工作正常不正常進(jìn)行判斷。于此同時，將電機繞組溫度數(shù)據(jù)與系統(tǒng)相連接，在溫度太高時就會報警，再嚴(yán)重就會將泵停止。高壓隔爆柜對通信的綜保，可以對所有與電量有關(guān)的信息進(jìn)行采集，電流被各個水泵所采集，且采集是單獨的，可以很好地檢測與采集電機電流的信號。在水流有吸水管經(jīng)過之后，就會將開關(guān)量信號給輸出出來，該信號可以當(dāng)作輔助參數(shù)來判斷未啟動的水泵腔體中有沒有水灌滿。在吸水管中安裝水流傳感器，而且要比泵的排氣口高。

2.2.3 閘閥的工作原理

由于要控制主排水泵吸水的自動化，將可靠性與吸水效率提高，將電動球閥設(shè)置到射流泵吸水管路與真空泵吸水管路中，將電動閘閥設(shè)置到主排水管路中。真空泵主吸水管路球閥與主排水管閘閥被DCS主站所控制；真空泵分支吸水管路球閥、射流泵吸水管路球閥、本水泵排水管閘閥被DCS分站所控制。

2.2.4 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理

將水泵遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置到水泵房中，并和工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)相連接，和公共網(wǎng)絡(luò)建立了VPN通道，且該通道是比較可靠與安全的，當(dāng)甲方進(jìn)行授權(quán)之后，能夠?qū)崟r對現(xiàn)場的設(shè)備進(jìn)行訪問，對設(shè)備的運行情況進(jìn)行監(jiān)控，圖2就是水泵遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)畫面。在不能啟泵、吸水等故障出現(xiàn)在系統(tǒng)中時，要對系統(tǒng)發(fā)生故障的原因進(jìn)行分析，還要對工人進(jìn)行遠(yuǎn)程指導(dǎo)，將現(xiàn)場發(fā)生的故障解決好。傳感參數(shù)、水泵吸水所使用的時間等參數(shù)被該系統(tǒng)所收集，促進(jìn)了設(shè)備數(shù)據(jù)庫的形成，且該數(shù)據(jù)庫是關(guān)于其運行參數(shù)的，在其運行參與比增產(chǎn)區(qū)域高時，就要對數(shù)據(jù)進(jìn)行對比與分析，明確設(shè)備此時狀況健康與否。在將該系統(tǒng)增加之后，診斷故障的時間縮短了，故障會被遠(yuǎn)程所排除，這樣不但將排水效率增加了，還將維護(hù)成本降低了[2]。

圖2 水泵遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)畫面

3 控制的方法

全自動控制方法的使用，在未將水泵啟動時，就會有將射流泵閥門打開的指令被DCS 分站所發(fā)出，將射流泵啟動，將3min 設(shè)定成吸水時限，當(dāng)比時限大時，就會有真空泵被DCS 主站所啟動，將真空泵主管路球閥打開，還要將該臺泵的吸水系統(tǒng)啟動，且吸水系統(tǒng)是2套，在水泵負(fù)壓傳感器上所顯示出的壓力值不大于-0.06MPa，而且，有水存在于吸水管并被水流傳感器所監(jiān)測時，就會有將水泵啟動的指令發(fā)出來，且是DCS主站發(fā)送到DCS分站的，若運行是單泵自動時，DCS分站就可以自行將水泵啟動的指令發(fā)出來。當(dāng)水位正常時，就會有指令從DCS 主站發(fā)送到DCS 分站中，各個水泵可以自動交換著灌滿水、突出涌水、最大涌水時，于此同時，將水泵開啟，且水泵的運行臺數(shù)是最高的，將災(zāi)害降低。

遠(yuǎn)程控制的方法。啟動與停止水泵機組可以由操作人員來遠(yuǎn)程控制，且操作地是地面調(diào)度中心的工控機組態(tài)畫面內(nèi)。當(dāng)指令被DCS所接收之后，依據(jù)程序，第一步要做的就是將吸水管球閥打開，水泵進(jìn)行吸水。然后在將排水管閘閥打開，將水泵開啟，將吸水管球閥關(guān)閉，啟動水泵機組得以完成。

4 結(jié)束語

由于吸水系統(tǒng)將真空泵與射流泵相組合，將水泵吸水所使用的時間縮短，在雙吸水系統(tǒng)中彼此作為彼此的備用，使吸水系統(tǒng)更加可靠與安全。在水泵自動化吸水系統(tǒng)中，最主要的就是DCS，所使用的控制方法是分散式的，這樣就將DCS 系統(tǒng)所具有的優(yōu)點凸顯出來。該組合自硬件至控制系統(tǒng)中都有突破，提高了效率與安全系數(shù)。