煤礦主排水泵自動(dòng)化吸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王藝明

(中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

主排水泵是煤礦井下關(guān)乎人身安全與連續(xù)生產(chǎn)的重要設(shè)備，其功能是將井下工作面及大巷涌出水排至地面，保障井下正常生產(chǎn)和工人安全[1-4]。煤礦井下主排水泵(以下簡(jiǎn)稱主排水泵)通常采用離心泵，離心泵屬于葉片泵，水泵內(nèi)沒(méi)有水的情況下，葉片旋轉(zhuǎn)無(wú)法建立起真空壓力，因此離心泵是沒(méi)有自吸能力的。當(dāng)水泵內(nèi)水量不足時(shí)會(huì)產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象，造成水泵永久傷害，使用壽命變短[5-7]。由于井下條件限制，主排水泵房均為吸上式泵房，停止工作時(shí)，水泵內(nèi)是沒(méi)有水的。因此，為了解決主排水泵啟泵前的吸水問(wèn)題，應(yīng)在泵上加吸水裝置[8]。

1 主排水泵常用吸水方法

目前，煤礦主排水泵常用的吸水方法有真空水箱吸水法、射流泵吸水法、真空泵吸水法等[9-10]。

1.1 真空水箱吸水法

真空水箱是用金屬制成的封閉型水箱，上部接吸水管，下部接水泵入水口。水泵啟動(dòng)前，先將水箱灌滿水進(jìn)行密封，待水泵灌滿水后，啟動(dòng)水泵，由于水箱水位下降使水箱密閉環(huán)境內(nèi)形成一定的真空，進(jìn)水池中的水就會(huì)在大氣壓的作用下，經(jīng)吸水管進(jìn)入水箱中，從而形成水的循環(huán)，使水泵正常排水。真空水箱吸水法適用于小型泵、水源相對(duì)清潔的環(huán)境。由于礦井水中含大量煤粉，水泵停止運(yùn)行時(shí)，煤粉便會(huì)沉淀在真空水箱底部，長(zhǎng)此以往造成管道堵塞，影響排水效率。此外，主排水泵房?jī)?nèi)需要安裝水泵、管道、球閥、閘閥、電纜、橋架等設(shè)備，每臺(tái)水泵安裝一臺(tái)真空水箱占用空間太大，因此真空水箱吸水法不適用于主排水泵的使用環(huán)境。

1.2 射流泵吸水法

射流吸水是利用壓力水通過(guò)射流器時(shí)，射流和空氣之間的黏滯作用，噴嘴附近產(chǎn)生的真空將泵體內(nèi)空氣逐漸帶走，水倉(cāng)水沿吸水管自下而上充滿泵殼的一種吸水方式[11]。射流泵吸水法是目前煤礦井下最常用的無(wú)底閥吸水方式，優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、安裝方便、易于維護(hù)；缺點(diǎn)是消防灑水管路提供水源作為動(dòng)力，主排水泵管路之間是通過(guò)法蘭連接，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行管道密閉性不強(qiáng)，通過(guò)射流泵將水泵灌滿甚至需要幾十分鐘才能完成，吸水效率不高。

1.3 真空泵吸水法

真空泵吸水方式采用水環(huán)式真空泵的偏心結(jié)構(gòu)，周期性地形成負(fù)壓，抽取水泵、吸水管內(nèi)的空氣，通過(guò)循環(huán)水箱的汽水分離功能實(shí)現(xiàn)水箱內(nèi)水的循環(huán)使用，逐漸排空泵體內(nèi)的空氣[12]。該吸水方式的優(yōu)點(diǎn)是吸水速度快、效率高，不需要消防灑水管路提供水源；缺點(diǎn)是需要為真空泵提供電源，并需要擴(kuò)大主排水泵房，為真空泵提供安裝空間，設(shè)備成本較高，所有水泵共用一套真空泵吸水系統(tǒng)，如發(fā)生故障會(huì)造成主排水泵癱瘓。

2 水泵自動(dòng)化吸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

針對(duì)煤礦目前主排水泵吸水方法效率低、控制系統(tǒng)模式單一等問(wèn)題，提出了一種新的吸水方式，即射流泵與真空泵組合吸水系統(tǒng)。每臺(tái)水泵設(shè)置一套射流泵吸水系統(tǒng)，作為獨(dú)立的吸水系統(tǒng)；再設(shè)置一套真空泵吸水系統(tǒng)，泵房?jī)?nèi)設(shè)置2臺(tái)真空泵，所有主排水泵通過(guò)主吸水管實(shí)現(xiàn)真空泵共用。每臺(tái)水泵使用一臺(tái)DCS分站，控制射流泵吸水系統(tǒng)、支管閥門(mén)及單臺(tái)水泵啟停，使水泵形成獨(dú)立控制系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行；再設(shè)置一臺(tái)DCS主站，控制主管路閥門(mén)、真空泵吸水系統(tǒng)及每一臺(tái)水泵。DCS分站控制射流泵吸水系統(tǒng)給水泵灌水，如灌水時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，DCS分站給DCS主站發(fā)出信號(hào)，由主站啟動(dòng)真空泵吸水系統(tǒng)，迅速將水灌滿。主泵運(yùn)行時(shí)，備用泵根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定逐個(gè)灌滿水，等待系統(tǒng)發(fā)出運(yùn)行命令后可立即啟泵，做到“零耗時(shí)啟泵”。主排水泵系統(tǒng)如圖1所示。

1-電動(dòng)閘閥；2-止回閥；3-電動(dòng)球閥；4-底閥；5-真空表；6-壓力表；7-噴射泵；8-吸水管圖1 主排水泵系統(tǒng)Fig.1 Main drainage pump system

2.2 水泵自動(dòng)化吸水系統(tǒng)組成

水泵自動(dòng)化吸水系統(tǒng)主要由水泵控制系統(tǒng)、傳感器、閘閥及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)組成。

2.2.1 水泵控制系統(tǒng)

水泵控制系統(tǒng)由DCS主站和DCS分站組成。DCS主站配置浙大中控FCU712系統(tǒng)DCS及8寸觸摸屏，可通過(guò)箱體觸摸屏控制系統(tǒng)內(nèi)各項(xiàng)功能；DCS主站可以為真空泵、真空泵主吸水管球閥、主排水管閘閥供電。DCS主站與DCS分站之間采用以太網(wǎng)通信；DCS主站通過(guò)DCS分站控制每臺(tái)水泵射流泵吸水系統(tǒng)啟停，通過(guò)硬接線控制真空泵吸水系統(tǒng)啟停，當(dāng)水泵灌滿后，給DCS分站發(fā)出指令啟動(dòng)水泵。實(shí)現(xiàn)了整個(gè)水泵房的集中控制。DCS分站配置浙大中控FCU712系統(tǒng)DCS及8寸觸摸屏，可通過(guò)箱體觸摸屏控制系統(tǒng)內(nèi)各項(xiàng)功能；DCS分站為本水泵分支吸水管球閥、射流泵、排水管閘閥供電。DCS分站采集水倉(cāng)水位信號(hào)、吸水管真空度及流量、水泵軸承溫度及振動(dòng)、排水管出水壓力及流量、水泵運(yùn)行電流及電壓等參數(shù)；通過(guò)硬接線控制本水泵排水管閘閥、分支吸水管球閥、射流泵的開(kāi)關(guān)；當(dāng)水泵灌滿后，給高壓隔爆柜發(fā)出指令啟動(dòng)水泵。實(shí)現(xiàn)了單臺(tái)水泵自動(dòng)和就地控制。DCS主站和DCS分站內(nèi)均含有配電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成，每臺(tái)水泵均可自動(dòng)吸水、獨(dú)立運(yùn)行，最大程度保證水泵自動(dòng)化系統(tǒng)安全運(yùn)行。

2.2.2 傳感器

檢測(cè)傳感器包括壓力傳感器、負(fù)壓傳感器、雙聲道超聲波流量計(jì)、投入式液位計(jì)、溫度振動(dòng)一體傳感器、水流傳感器等；需要檢測(cè)的參數(shù)有泵體負(fù)壓，水泵出水口壓力，電機(jī)電流、電壓，排水的瞬時(shí)流量及水倉(cāng)水位等信號(hào)。投入式液位傳感器配置2臺(tái)投入式液位計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下水倉(cāng)水位變化。每臺(tái)水泵配置1臺(tái)正壓傳感器，用來(lái)監(jiān)測(cè)水泵出水口壓力，當(dāng)排水壓力出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)停泵，以免水泵腔體產(chǎn)生“汽蝕現(xiàn)象”；每臺(tái)水泵配置1臺(tái)負(fù)壓傳感器，用來(lái)監(jiān)測(cè)水泵真空度，作為判斷水泵啟動(dòng)前腔體是否灌滿水的主要參數(shù)。

在每趟主管路上，分別配置1臺(tái)雙聲道超聲波流量傳感器，檢測(cè)每趟出水管路瞬時(shí)流量。利用水泵軸承體預(yù)留的傳感器接口，采用溫度振動(dòng)一體傳感器對(duì)水泵軸承運(yùn)行溫度、振動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，檢測(cè)到的溫度、振動(dòng)信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換輸出成標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號(hào)交由DCS分站作為判斷水泵是否正常工作的依據(jù)。同時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)可接入電機(jī)繞組溫度數(shù)據(jù)，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)則報(bào)警，嚴(yán)重時(shí)停泵。通過(guò)高壓隔爆柜綜保通信，采集相關(guān)電量信息，每臺(tái)水泵單獨(dú)采集電流，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)電流信號(hào)的有效采集及檢測(cè)。吸水管通過(guò)水流后輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)，作為水泵啟動(dòng)前腔體是否灌滿水的輔助參數(shù)。將水流傳感器安裝在水泵吸水管上，并高于泵排氣口。

2.2.3 閘閥

為實(shí)現(xiàn)主排水泵吸水自動(dòng)化控制，提高吸水效率與可靠性，真空泵吸水管路和射流泵吸水管路上設(shè)置電動(dòng)球閥，主排水管路上設(shè)置電動(dòng)閘閥。DCS主站控制主排水管閘閥和真空泵主吸水管路球閥；DCS分站控制本水泵排水管閘閥、射流泵吸水管路球閥、真空泵分支吸水管路球閥。

2.2.4 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

水泵房?jī)?nèi)設(shè)置水泵遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)接入工業(yè)自動(dòng)化環(huán)網(wǎng)，與公共網(wǎng)絡(luò)之間建立一條安全可靠的VPN通道，甲方授權(quán)后，可隨時(shí)訪問(wèn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)畫(huà)面如圖2所示。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)吸水、無(wú)法啟泵等故障時(shí)，分析系統(tǒng)故障原因，并遠(yuǎn)程技術(shù)指導(dǎo)工人現(xiàn)場(chǎng)解決故障。水泵遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)收集水泵吸水時(shí)間、傳感器參數(shù)等，形成設(shè)備運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)值超出增產(chǎn)范圍后，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和比對(duì)，確定設(shè)備狀態(tài)是否健康，實(shí)現(xiàn)水泵全生命周期管理。增加水泵遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)后，可以快速進(jìn)行故障診斷，遠(yuǎn)程排除故障，縮減水泵維護(hù)成本及增加水泵排水效率。

圖2 水泵遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)畫(huà)面Fig.2 The picture of the pump remote monitoring system

3 控制方式

3.1 全自動(dòng)控制方式

當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)水泵之前，DCS分站發(fā)出指令打開(kāi)射流泵閥門(mén)，啟動(dòng)射流泵，吸水時(shí)限設(shè)定為3 min。超出時(shí)限后，DCS主站啟動(dòng)真空泵，打開(kāi)真空泵主管路球閥，同時(shí)啟動(dòng)此臺(tái)泵2套吸水系統(tǒng)，水泵負(fù)壓傳感器顯示壓力值≤-0.06 MPa，且水流傳感器監(jiān)測(cè)到吸水管有水時(shí)，由DCS主站給DCS分站發(fā)出指令啟動(dòng)水泵，如果是單泵自動(dòng)運(yùn)行模式下，可由DCS分站自行發(fā)出指令啟動(dòng)水泵。在正常水位時(shí)，由DCS主站給DCS分站發(fā)出指令，各臺(tái)水泵能自動(dòng)輪換灌滿水，最大涌水及突出涌水時(shí)，同時(shí)開(kāi)啟可運(yùn)行最高臺(tái)數(shù)的水泵，做到“零耗時(shí)啟泵”，最大限度地減小災(zāi)害時(shí)間。水泵控制系統(tǒng)能迅速給調(diào)度中心發(fā)出災(zāi)害報(bào)警，通過(guò)遠(yuǎn)程電力調(diào)度切斷水泵配電系統(tǒng)中除排水以外負(fù)荷，做到一切為救災(zāi)讓路。

3.2 遠(yuǎn)程控制方式

操作人員可在地面調(diào)度中心工控機(jī)組態(tài)畫(huà)面中遠(yuǎn)程控制水泵機(jī)組的啟停。井下DCS接收指令后，按照程序首先打開(kāi)吸水管球閥，進(jìn)行水泵吸水。再打開(kāi)排水管閘閥，并啟動(dòng)水泵后，關(guān)閉吸水管球閥，完成水泵機(jī)組啟動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

射流泵與真空泵組合吸水系統(tǒng)最大程度縮減了水泵吸水的時(shí)間，雙吸水系統(tǒng)互為備用，確保吸水系統(tǒng)安全可靠。水泵自動(dòng)化吸水系統(tǒng)以DCS為核心，使用主站、分站的分散式控制方式，更能凸顯DCS系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，DCS系統(tǒng)更擅長(zhǎng)過(guò)程自動(dòng)化控制，處理模擬量能力強(qiáng)且聯(lián)網(wǎng)功能強(qiáng)大，在主排水系統(tǒng)中使用更具優(yōu)勢(shì)。射流泵與真空泵組合吸水系統(tǒng)從硬件到控制系統(tǒng)均有突破，井下排水系統(tǒng)安全系數(shù)和效率均得到提高，值得推廣。