煤礦排水泵合理用電策略及仿真分析

李鵬亮

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)潞安煤炭事業(yè)部黃山煤業(yè)有限公司， 山西 長(zhǎng)治 046000）

引言

煤礦生產(chǎn)的主要?jiǎng)恿殡娔?，包括綜采工作面的采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、帶式輸送機(jī)以及地面布置的通風(fēng)機(jī)、排水泵等均為主要的耗能設(shè)備。其中排水泵的主要作用是將煤礦的涌水排出，以保證煤礦的安全生產(chǎn)。

目前煤礦生產(chǎn)過(guò)程中，通常是在水位即將超過(guò)水倉(cāng)的水位約束時(shí)，才啟動(dòng)排水泵進(jìn)行排水，在用電高峰期，增加了煤礦排水的成本[1]。因此，采用“避峰填谷”的排水方式，不僅能夠解決“透水”事故的威脅，而且對(duì)降低煤礦生產(chǎn)的電力費(fèi)用具有重要意義。本文將根據(jù)實(shí)際情況，完成排水泵合理用電策略的設(shè)計(jì)，并對(duì)其節(jié)能效果進(jìn)行仿真分析。

1 煤礦排水泵使用概況

首先，設(shè)計(jì)煤礦排水泵合理用電策略之前，需明確其重點(diǎn)解決的問(wèn)題。煤礦排水泵合理用電策略設(shè)計(jì)，重點(diǎn)解決在用電高峰期排水時(shí)造成電費(fèi)成本增加的問(wèn)題。具體目的如下：

1）在用電低峰期正常運(yùn)轉(zhuǎn)，而在用電高峰期停止排水泵運(yùn)行，達(dá)到“躲峰”的目的。

2）在用電低峰期同樣可以采用節(jié)能運(yùn)行模式，對(duì)排水泵進(jìn)行控制運(yùn)行。

本文所研究煤礦目前排水泵的基本情況，如表1 所示。

表1 煤礦排水泵關(guān)鍵參數(shù)

煤礦的涌水量在不同生產(chǎn)階段變化較大，而且呈季節(jié)性變化，是影響該煤礦排水泵合理用電策略制定的主要因素。一般情況，煤礦在雨季的涌水量偏大，而在旱季的涌水量偏小。在春天的涌水量較大，在夏天的涌水量最多，在秋季的涌水量偏少，在冬季的涌水量最少。本文以DDM360×75 型水泵所負(fù)責(zé)區(qū)域的涌水量進(jìn)行研究，該區(qū)域的用數(shù)量最大可達(dá)到70.5 m3/h，平均涌水量為64.6 m3/h。同時(shí)，該區(qū)域涌水量在一天內(nèi)的波動(dòng)較小，包括有煤礦正常生產(chǎn)時(shí)破壞含水層所導(dǎo)致的涌水和礦井回填時(shí)所導(dǎo)致的涌水[2]。

2 合理用電策略的總體方案設(shè)計(jì)

煤礦排水泵合理用電策略的制定需結(jié)合礦井涌水量和當(dāng)?shù)胤謺r(shí)電價(jià)綜合考慮，并結(jié)合灰色模型和模型預(yù)測(cè)控制等理論，保證功能的實(shí)現(xiàn)。

2.1 分時(shí)電價(jià)

結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，該煤礦所在區(qū)域的用電情況可分為峰時(shí)、谷時(shí)和平時(shí)三種情況，每個(gè)情況所包含的時(shí)間段和實(shí)際電費(fèi)，如表2 所示。

表2 所在區(qū)域分時(shí)電價(jià)表

該煤礦-830 水平泵房中共布置有3 臺(tái)型號(hào)為DDM360×75 的排水泵。在實(shí)際生產(chǎn)中，該水平泵房中的排水泵只有一臺(tái)運(yùn)行，其余一臺(tái)為備用，一臺(tái)檢修。該型水泵的額定功率為440 kW，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1480 r/min。-830 水平泵房所配置水倉(cāng)的出水量為3000 m3。平均涌水量在8 h 所積攢的水量為64.6 m3/h×8 h=516.8 m3。水倉(cāng)的容量大于平均涌水量在8 h 所積攢的水量。

2.2 合理用電策略總體方案的實(shí)現(xiàn)

2.2.1 建立灰色模型

灰色模型建立依據(jù)：系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行后，基于灰色理論對(duì)礦井的涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)至系統(tǒng)運(yùn)行6 h后?；谒⒌幕疑Ｐ?，對(duì)8～11 h 各個(gè)時(shí)間段內(nèi)的涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，并得出最終水倉(cāng)內(nèi)涌水的體積。其中，在6～8 h 的時(shí)間段內(nèi)，將水倉(cāng)內(nèi)新增加的水量排出，躲避上午時(shí)的用電高峰[3]。

灰色模型建立流程如圖1 所示。

圖1 灰色模型流程圖

結(jié)合灰色模型的建立依據(jù)和流程圖，所建立的灰色模型如式1 所示：

2.2.2 建立MPC 閉環(huán)模型

在上述灰色模型建立的基礎(chǔ)上，根據(jù)排水泵的實(shí)時(shí)狀態(tài)和水倉(cāng)水位之間的相互約束關(guān)系，建立如圖2 所示的水泵調(diào)度工作流程。

圖2 排水泵調(diào)度預(yù)測(cè)流程圖

當(dāng)工作面涌水量出現(xiàn)突發(fā)情況時(shí)，不按照上述“避峰填谷”的原則對(duì)排水泵進(jìn)行控制。此時(shí)，所有排水泵全部啟動(dòng)，以保證工作面生產(chǎn)的安全性。值得注意的是，當(dāng)水倉(cāng)內(nèi)的水位已經(jīng)達(dá)到報(bào)警位置，即便在高峰期也需立即將水倉(cāng)中的水排出[4]。

3 合理用電策略的分析

針對(duì)上述所設(shè)計(jì)的排水泵合理用電策略，在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)本身灰色模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性、模型預(yù)測(cè)控制的正確性和電費(fèi)節(jié)約效果三方面進(jìn)行應(yīng)用效果驗(yàn)證。

3.1 針對(duì)灰色預(yù)測(cè)模型準(zhǔn)確性的驗(yàn)證

針對(duì)灰色預(yù)測(cè)模型準(zhǔn)確性的驗(yàn)證，即對(duì)模型預(yù)測(cè)的涌水量和實(shí)際涌水量進(jìn)行對(duì)比。經(jīng)比對(duì)可知，二者在同一時(shí)間段內(nèi)的最大差值為3.6411 m3，說(shuō)明本文所建立的灰色預(yù)測(cè)模型可應(yīng)用于該煤礦實(shí)際涌水量的預(yù)測(cè)。

3.2 針對(duì)模型預(yù)測(cè)控制正確性的驗(yàn)證

系統(tǒng)在某個(gè)時(shí)域?qū)ξ磥?lái)5 個(gè)時(shí)域排水泵的工作狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并將預(yù)測(cè)結(jié)果與未來(lái)5 個(gè)時(shí)域內(nèi)排水泵的實(shí)際工作狀態(tài)進(jìn)行比對(duì)。經(jīng)比對(duì)可知，模型預(yù)測(cè)控制可實(shí)現(xiàn)對(duì)排水泵未來(lái)5 個(gè)時(shí)域工作狀態(tài)的精準(zhǔn)控制。

3.3 對(duì)電費(fèi)節(jié)約效果的驗(yàn)證

3.3.1 三種用電策略

對(duì)電費(fèi)節(jié)約效果的驗(yàn)證，也是排水泵合理用電策略的最終目的。本文分別對(duì)三種策略下的電費(fèi)進(jìn)行對(duì)比，三種策略分別描述如下：

1）1 號(hào)策略為不采用任何優(yōu)化策略進(jìn)行控制，保證水倉(cāng)內(nèi)水位不超過(guò)2 m，同時(shí)當(dāng)水位超過(guò)報(bào)警界限后水泵開(kāi)始啟動(dòng)工作，并在水位回到最低限值后停止排水。

2）2 號(hào)策略為保證水位不超過(guò)水倉(cāng)的3 m 界限，并且在用電高峰期前1 h，對(duì)水倉(cāng)中的水進(jìn)行排放。

3）3 號(hào)策略為基于“避峰填谷”原則所設(shè)計(jì)的合理用電策略。

3.3.2 三種用電策略的應(yīng)用效果

三種用電策略的應(yīng)用效果具體總結(jié)如下：

1）1 號(hào)策略水倉(cāng)內(nèi)水位保持在2 m，導(dǎo)致排水泵頻繁啟動(dòng)。此種方式不僅增加用電成本，而且會(huì)導(dǎo)致排水泵使用壽命縮短。而且，該控制策略目前主要依靠人工完成，自動(dòng)化水平較低[5]。

2）2 號(hào)策略雖然能夠直觀地避開(kāi)了用電高峰進(jìn)行排水，但是，該策略不能對(duì)未來(lái)的高峰期內(nèi)水倉(cāng)的水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，在用電高峰期前1 h 排水水量較小，會(huì)導(dǎo)致在高峰期水倉(cāng)內(nèi)水位激增。水倉(cāng)容量較小時(shí)，該種策略明顯不適用。

3）3 號(hào)策略本質(zhì)上是對(duì)2 號(hào)策略的優(yōu)化，通過(guò)分析可以看出在5：00—22:00 的時(shí)間段內(nèi)排水泵一直處于關(guān)閉狀態(tài)，而僅在22：00—23:00 的用電低峰期運(yùn)行。

對(duì)上述三種策略運(yùn)行1 d 的電費(fèi)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表3 所示，3 號(hào)策略用電量最少。

表3 不同策略下運(yùn)行1 d 產(chǎn)生的電費(fèi)

4 結(jié)語(yǔ)

排水泵為保障煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵部件，主要作用是將工作面生產(chǎn)時(shí)的涌水排出。為減少排水泵長(zhǎng)時(shí)間且在用電高峰期運(yùn)行，導(dǎo)致電費(fèi)較大的問(wèn)題，本文基于“避峰填谷”的原則，設(shè)計(jì)了排水泵的合理用電策略，所設(shè)計(jì)的3 號(hào)策略每天用于排水的電費(fèi)僅為600.2 元，較1 號(hào)策略有明顯的降低成本的效果。與2 號(hào)策略相比，可實(shí)現(xiàn)對(duì)水倉(cāng)水位的預(yù)測(cè)，進(jìn)一步保障了生產(chǎn)的安全性。實(shí)際應(yīng)用證明，該策略不僅滿足安全生產(chǎn)要求，還能達(dá)到降低電費(fèi)的效果。