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太原理工人学硕士研究生学位论文 y7 8 8 5 2t 井下水泵房自动排水系统研究 摘要 煤炭行业是我国的支柱产业。随着煤炭行业高产高效 的发展，矿井安全问题已成为制约煤炭生产的关键因素。 井下涌水是危及矿井安全的重要因素。一旦发生井下透水 事故，不仅影响井下生产，甚至会使矿井淹没，危及生产 工人生命。井下水泵房排水系统担负着整个矿井积水排除 的任务，其安全可靠性直接影响矿井生产的效率和安全。 目前，我国大多矿井水泵房仍然普遍使用传统的人工操作 排水系统。这种排水系统由于自动化程度低，应急能力差， 存在很大的安全隐患。随着我国煤炭行业的发展，井下排 水系统自动化已成为亟待解决的问题。 本课题从我国煤矿生产实际出发，针对现有排水系统 存在的弊病，结合现代工业技术和控制理论，研究开发适 于煤矿井下使用的自动排水系统。利用工业专用可编程控 制器p l c 和超声波液位检测装置，组成自动监控系统，根 据水仓水位变化情况，实现自动排水。 依据液压传动理论和流体力学原理，研究开发了两种 可控闸阀，以适应不同环境下的井下排水系统，解决了井 下排水系统自动控制的难题，并通过理论和试验验证了其 可行性。 利用现代最优控制理论，分析矿井涌水情况和用电情 况，建立了排水系统的离散数学模型。根据最优性原理， 用动态规划法，对排水系统进行分段决策控制，并提出通 太原理上人学硕士研究生学位论文 过递推算法对数学模型进行求解，得出获取最优控制策略 的一般方法。 本课题研究的井下自动排水系统具有以下特点：水位 实时在线检测与显示；水泵自动启动与停止；多台水泵实 行“轮班工作制”，提高水泵使用寿命；根据涌水量大小和 用电“避峰就谷”原则，自动控制投入运行的水泵台数； 与矿井监控系统联网，便于集中控制。 在课题研究期间，对具有代表性的潞安矿务局常村煤 矿井下s 3 采区水泵房现有排水系统进行- 多次现场勘测 与分析，收集了大量第一手资料。并通过对国内外相关课 题的分析研究，提出矿井自动排水系统方案，并通过试验 验证了其可行性。 关键词：水泵房，井下排水，可控闸阀，p l c ，最优控制 i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 s t u d yo na u t o d r a i n a g es y s t e m l nt h ep u m p i n gh o u s eu n d e rm i n e a b s t r a c t t h ec o a lt r a d ei sa p i l l a ri n d u s t r yo f o u rc o u n t r y w i t ht h e d e v e l o p m e n to fc o a l t r a d ei ni t s h i l g hp r o d u c t i o n a n d e f f i c i e n c y , t h es e c u r i t yp r o b l e mo fm i n eh a sb e e nt h ek e y o b s t a c l et oc o a lp r o d u c t i o n w a t e rp o u r i n gi sa ni m p o r t a n t f a c t o re n d a n g e r i n gm i n e o n c et h ew a t e rl e a ka c c i d e n tt a k e s p l a c ei nm i n e ，c o a lp r o d u c t i o nw i l l b eh e l db a c k ；e v e nt h e m i n ew i l lb e f l o o d ，j e o p a r d i z i n g l a b o r s l i f e p u m p i n g c o l l e c t e dw a t e rf r o mm i n i n ga r e ai st h ej o bo f d r a i n a g es y s t e m i np u m p i n gh o u s eu n d e rm i n e ，w h i c hh a sc l o s e l yr e l a t i o n st o m i n i n gs e c u r i t y a n d e f f i c i e n c y a tp r e s e n t ，t h ec h i e f l y d r a i n a g es y s t e m si nm i n i n gp u m p i n gh o u s e si no u rc o u n t r y a r et r a d i t i o n a lo n e s ，w h i c ha r eo p e r a t e db yh a n d t h e r ea r e p o t e n t i a ls a f e t yh a z a r di nt h i sk i n do fd r a i n a g eb e c a u s eo fi t s l l i 太原理工大学硕士研究生学何论文 l o wa u t o m a t i o na n df a i l u r ei n d e a l i n g w i t h e m e r g e n c y t h e r e f o r e ，i ti su r g e n t t os o l v et h ep r o b l e mo fd r a i n a g e a u t o m a t i o nu n d e rm i n e b a s e do np r a c t i c eo fc o a lp r o d u c i n g ，a n dm a k i n gu s eo f m o d e mi n d u s t r i a lt e c h n i q u e sa n dc o n t r o lt h e o r y , a u t o m a t i c d r a i n a g es y s t e ms t u d i e di no u rr e s e a r c h i sm a d et oa d a p tt o c o a lm i n e c o m p o s e do fi n d u s t r i a lc o n t r o l l e ra n du l t r a s o n i c l e v e ld e t e c t i n gi n s t r u m e n t ，m o n i t o r e da n dc o n t r o ls y s t e mc a n m a k ed r a i n a g ee q u i p m e n t sw o r k i n ga u t o m a t i c a l l y , a c c o r d i n g t ot h ea l t e m a t i o no f w a t e rw e l l sl e v e l i no r d e rt om e e tv a r i o u sr e q u i r e m e n t s o fd r a i n a g e s y s t e m si nd i f f e r e n ts i t u a t i o n s ，t w ok i n d so fc o n t r o l l e dg a t e v a l v e sa r es t u d i e da n de x p l o i t e db a s e do nh y d r a u l i ct h e o r y a n df l u i dm e c h a n i c sp r i n c i p l e s ，a n dt h e i rf e a s i b i l i t i e sh a v e b e e nc h e c k e db ye x p e r i m e n t s s ot h ep u z z l ep r o b l e mi n a u t o m a t i o no fd r a i n a g eu n d e rm i n ei ss o l v e d t h ed i s c r e t em a t h e m a t i c a lm o d e li s s e t u pb yu s i n g m o d e mo p t i m a lc o n t r o lt h e o r ya n da n a l y s i so fw a t e rp o u r i n g i v 太原理丁大学硕士研究生学位论文 a n dp o w e rc o n s u m p t i o n o nt h eb a s i so fo p t i m u mp r i n c i p l e ， a n du s i n go fd y n a m i cp r o g r a m m i n g ，s e g m e n t a lc o n t r o l l i n g d e c i s i o n so r em a d et ot h ed r a i n a g es y s t e m a sas o l u t i o nf o r m a t h e m a t i c a l m o d e l ，r e c u r s i v ea l g o r i t h m i s p r o p o s e d t o a c h i e v eg e n e r a lm e t h o do f o p t i m i z i n gc o n t r o ls t r a t e g y t h ef o l l o w i n gf e a t u r e sa r ea t t a c h e dt ot h ea u t o d r a i n a g e s y s t e m ：w a t e r l e v e lc a nb em o n i t o r e da n d d i s p l a c e d r e a l t i m e l y ；w a t e rp u m p ss t a r t o rs t o pa u t o m a t i c a l l y ；m u l t i w a t e rp u m p s w o r k i n g o nb yt u r n si no r d e rt op r o m o t ep u m p s u s i n gl i v e s ；t h en u m b e ro fw o r k i n gp u m p sc a nb ec o n t r o l l e d a c c o r d i n gt ot h eq u a n t i t yo fw a t e rp o u r i n ga n dt h ep r i n c i p l eo f p o w e rc o n s u m p t i o n a v o i d t h e p e a k ，o n t h e v a l l e y ； c o n n e c t i n gw i t hm i n em o n i t o r a n dc o n t r o ls y s t e mb yn e t w o r k ， o nt h ep u r p o s eo fc e n t r a l i z e dc o n t r o l d u r i n gt h es t u d yp e r i o d ，w em a d es e v e r a ls u r v e ya n d a n a l y s i so nt h ep u m p i n gh o u s ei ns 3m i n i n gr e g i o nc h a n g c u n c o a lm i n eo fl u a nm i n eb u r e a u ，p r o v i d i n gu s e f u lm a t e r i a l s f o ro u rs t u d y o nt h i sb a s i s ，w ea n a l y z e dc o h e r e n tr e s e a r c h e s v 太原理工大学硕士研究生学位论文 i nt h es a m ea r e a ，a n do f f e r e das o l u t i o nf o ra u t o m a t i cd r a i n a g e s y s t e mu s i n gi nm i n e e x p e r i m e n t sh a v eb e e nm a d et oc h e c k i t sf e a s i b i l i t y k e yw o r d s ：p u m p i n gh o u s e ，u n d e r - m i n ed r a i n a g e ， c o n t r o l l e dg a t ev a l v e ，p l c ，o p t i m i z ec o n t r o l v l 太原理_ l 人学硕士研究生学位论文 第一章概论 井下排水系统是煤矿生产中四大系统之一，担负着井下积水排 除的重要任务。然而，目前我国普遍使用的井下排水系统依然是传 统的人工操作方式。本章分析这种排水系统的组成及工作过程，指 出其存在的问题，为井下自动排水系统的研究提供依据。 1 1 井下排水系统概述 1 1 1 井下涌水现象及排水的重要性 在煤矿地下开采的过程中，由于地层中含水的涌出，雨水和江河 中水的渗透，水砂充填和水力采煤矿井的井下供水，将要有大量的水 昼夜不停地汇集于井下。矿井涌水与采区的水文地质及当地的气象 条件有关系，涌水量在不同的季节也呈现不同。在一些大水矿井， 矿井涌水量可达到每秒1 7 立方米，甚至超过每秒2 0 立方米。另外， 煤炭开采过程中，由于地层结构被破坏，岩层断裂，使采区与储水 层连通，发生突水事故，涌水量会突然增加。如果不能及时地将这 些积水排送到井上，井下的生产就可能受到阻碍，井下的安全就会 得不到保障，严重者会造成重大事故。给人民的生命、国家的财产 都带来了极大的威胁。因此，井下排水就显得尤为重要。井下排水 系统的任务就是把流入井下煤矿巷道中的矿井积水排送至地表。 太原理丁大学硕士研究生学位论文 根据统计，每开采1 吨煤就要排出2 7 吨矿井水，有时甚至要 排出3 0 - - 4 0 吨矿井水。井下排水设备所配备电机的功率，小的几千 瓦到几十千瓦，大的几百千瓦到上千千瓦。在我国煤炭行业中，井 下排水用电量占原煤生产总耗电量的1 8 - 4 1 ，一般为2 0 左右。 因此，井下排水设备运转的可靠性( 安全运转) 与经济性( 效 率高、电耗量小) ，具有十分重要的意义。 矿井水的成分很复杂，它对水泵和水管的腐蚀性，不仅与游离 硫酸的存在有关系，而且也和硫酸镁、硫酸铁和硫酸铝的存在有一 定关系。矿井水的物理性质和酸度，可用氢离子浓度( 又叫氢离子 指数) p h 值的大小来表示，如表l 一1 所列。 由于酸性矿井水对金属具有腐蚀破坏作用，所以井下排水设备 的钢铁零件，一旦遇到酸性矿井水时，将会很快遭到破坏。因此， 当p h 值小于5 时，就必须采用耐酸泵等防酸措施。 表1 1 矿井水物理性质与酸度 t a b l e1 - it h e p h y s i c a lf e a t u r e sa n da c i d i t yo f m i n ew a t e r 矿井水p h 值 o 34 , - 678 - 9 1 1 1 4 酸度物理强酸性弱酸性中性弱碱性强碱性 性质混浊。浓茶色混浊，黄色混浊清洁，透明清洁，透明 1 1 2 井下排水系统的组成 井下排水系统一般采用离心式水泵，一些小型煤矿或浅水井临 时排水系统也采用潜水泵。离一1 5 , 式水泵排水系统主要由离心式水泵、 电动机、起动设备、仪表、管路及管路附件等组成，如图1 1 所示。 2 太原理丁大学硕士研究生学位论文 图卜1 水泵房布局图 f i g 1 - il a y o u lo f t h ep u m p i n gh o u s e 1 一水仓；2 一水泵；3 一闸阀；4 一逆止阀；5 - - 射流泵控制阀； 6 一静压水管；7 一电机启动开关；8 一电动机；9 一射流泵 滤水器和底阀 滤水器安装在吸水管的下端，插入吸水井下面，不得低于o 5 m 。 其作用是防止井底沉积的煤泥和杂物吸入泵内，导致水泵被堵塞或 被磨损。在滤水器内装有舌型底阀，其作用是使灌入水泵和吸水管 中的引水，以及停泵后的存水不致漏掉。但是现在的排水系统中， 为了提高排水效率，减小水泵腐蚀，一般不用底阀，而用射流泵或 真空泵为水泵和吸水管注水。 闸阀 调节闸阀安装在靠近水泵排水管上方的排水管路上，位于逆止 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 阀的下方。其功用为： i 调节水泵的流量和扬程； i i 起动时将它完全关闭，以降低起动电流。 调节闸阀的优点是流动阻力和关闭压力较小，安装时无方向性， 能够方便地来调节水泵的流量和扬程等。其缺点是密封面容易擦伤， 检修较为困难，高度尺寸较大，在安装位置受到限制时，安装不便， 结构较复杂，价格较高。 放水闸阀安装在调节闸阀上方的排水管路的放水管上，其作用 为检修排水管路时放水用。 逆止阀 逆止阀安装在调节闸阀的上方，其作用是当水泵突然停止运转 ( 如突然停电) 时，或者在未关闭调节闸阀的情况下停泵时，能自 动关闭，切断水流，使水泵不致受到水力冲击而遭到损坏。 灌引水漏斗、放气栓和旁通管 灌引水漏斗是在水泵初次起动时，向水泵和吸水管中灌引水 用。在向水泵和吸水管中灌引水时，要通过放气栓( 又叫气嘴) 将 水泵和吸水管中的空气放掉。 当排水管中有存水时，也可通过旁通管向水泵和吸水管中灌引 水，此时要将旁通管上的阀门打开。此外，还可通过旁通管，利用 排水管中的压力水的反冲作用，冲掉积存于水泵流通部分和附着于 滤水器上的杂物，但此时须通过连接在底阀上的铁丝或链条将底阀 提起。 压力表和真空表 压力表安装在水泵的排水接管上，为检测排水管中水压大小用。 常用的压力表为普通弹簧管压力表，根据其结构特征可分为径向无 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 边、径向带边和轴向带边三种。表壳的公称直径有6 0 m m ，1 0 0 m m ， 1 5 0 m m ，2 0 0 m m , n 2 5 0 m m 五种。压力表所测出的压力叫做表压力或 相对压力，它比绝对压力小1 个大气压。 真空表安装在水泵的吸水接管上，为检侧吸水管的真空度用。 根据其结构特征也可分为径向无边、径向带边和轴向带边三种。表 壳的公称直径和压力表一样，也分为6 0 、1 0 0 、1 5 0 、和2 5 0 r a m 五种。 真空表的测量范围为0 - - 0 1 m p a ( 一个大气压) 。 射流泵或真空泵 离心式水泵在起动前必须将吸水管和泵腔内注满水才能进入运 行状态，否则水泵转动时将无法吸水，形成“干烧”，严重影响水泵 的使用寿命。在无底阀的排水系统中，水泵每次起动都要灌水，这 一工作由抽真空设备完成，一般使用射流泵或真空泵。它们的工作 原理不同，但都能在系统中使水泵工作腔达到一定的真空度，保证 系统正常工作。 以上是离心式水泵排水系统的组成。潜水泵排水系统在大型井 下排水中不常使用，但由于潜水泵排水系统有结构简单、实旋安装 和控制都很方便等优点，在规模不大的煤矿和小水仓辅助排水系统 中也得到一定的应用。 1 2 现有井下排水系统存在的问题 1 2 1 操作程序 目前，我国大多煤矿企业的井下水泵房使用的仍然是传统的人 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 工操作排水系统，以离心式水泵系统为主。这种排水系统的操作以 离心式水泵的工作特性为基础，泵站的起停时间判断，完全依赖于 工人的经验和已有的操作规程。如图卜l 所示，当水仓水位到达设 定的高水位时，工人打开射流泵( 或真空泵) ，为水泵抽真空，同时 观测真空表的读数。真空度达到要求后，起动水泵机组，使水泵运 转。当水泵出口压力表读数达到要求时，开起闸阀进行排水，同时 关闭抽真空的射流泵( 或真空泵) 。 停泵过程要进行相反的操作。当水仓积水降至低水位时，先将 闸阀关死，再停水泵机组。 根据现场涌水量的不同，工人还要判断同时投入几台水泵工作， 以便于既能及时排出积水，又能使泵站合理使用，避免过度频繁的 起停。 1 ，2 ，2 存在的问题 效率低、可靠性差。这种排水系统的工作流程完全由手工完 成，工人按部就班的完成各个执行件的操作。另外，对水位、涌水 量大小等现场数据的判断依赖于工人的经验。作业过程比较复杂， 要求工人具有很强的责任心，否则可能出现误操作，甚至发生大的 事故。 工人劳动强度大。人工操作无法避免高强度的劳作。尤其是 闸阀的操作，劳动量最大。通径d n 2 0 0 的闸阀开起时，往往需要两 个工人同时转动阀门手柄。而且，水泵房要时时有人值守，以便在 发生异常情况时，及时报警检修。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 3 研究动态和内容 1 3 1 国内外研究动态 井下排水是伴随着采矿工程产生的一项系统工程。随着控制理论 和现代检测技术的发展，自动排水系统的研究在理论和实践上都取 得了一定进步。 国外在软件设计方面提出了许多简单实用的算法。例如，前苏联 国家镍工业设计研究院开发的软件包能根据复杂的水文和地质条 件，以及矿井排水的参数，优化管理水泵房的运行，并有一定的计 算机辅助设计功能。 国内的科研工作者在理论研究和设计方面也作了大量的工作。结 合水泵特性研究的多种控制方法在不同地区得到应用。大多工作集 中在水泵闸阀的设计与控制系统的改进方面。 尽管国内外研究者在井下自动排水系统的研究中取得t , 目- 多成 果，但仍存在优待解决的问题。 可控闸阀问题。自动排水系统研究的一项重要任务是可控闸 阀研究。目前，在相关领域的研究中，以电动闸阀为主，在手动闸 阀机构的基础上增加电机驱动和减速装置，使闸阀能够自动控制。 但这样以来，机构更加庞大复杂，运输安装不便。而且，对井下环 境而言，电动闸阀存在控制及防爆等问题。还有一些设计方案从液 压、机械等方面考虑，设计传动及控制机构，取得一定成果，但难 以解决复杂性、可靠性及矿井环境适应性等问题。 控制策略f 1 题。矿井涌水是复杂的现象，受多种随机因素的 7 太原理j 二大学硕士研究生学位论文 影响，很难准确预测。所以，根据涌水量大小建立排水系统数学模 型，并选择合适控制策略很困难。因此，现有的自动排水系统多是 采用简单的水位开关控制方法，使问题简化。在处理复杂的排水问 题时，这种控制方法显然不能满足需要。 1 3 2 课题主要内容 本课题根据我国煤矿企业发展需要，针对现有井下排水系统自 动化程度低，劳动强度大、安全可靠性差等缺点，研制开发适用于 煤矿安全生产的井下自动排水系统。主要研究内容包括： 从现有井下排水系统现状出发，研究切实可行自动化排水方 案，解决井下排水现状存在的问题。 开发电气控制系统，选择可靠的控制器及附属电气元件，适 应井下环境，符合矿用设备的安全标准；并能充分利用井下条件， 使控制简便可行。 研制开发可控闸阎，适应于井下自动排水系统，提高排水效 率和安全可靠性。 优化控制系统，根据井下涌水情况的变化，选择不同的泵站 运行方案，是使水泵房工作更加高效节能。 1 4 小结 井下排水系统自动化程度低是我国煤矿企业普遍面临的问题。 随着煤炭行业的发展，对排水系统自动化的要求越来越高，在此背 景下，本课题提出了井下自动排水系统的研究方案。 8 太原理t 大学硕士研究生学位论文 第二章井下自动排水系统总体方案研究 基于对矿井水泵房常用水泵( 离心式水泵) 结构、性能的分析， 我们提出矿井自动排水系统的研究方案，针对目前国内普遍使用的 人工操作矿井排水系统存在的弊病，从实际出发，为适应煤矿企业 现代化管理运行，提高井下排水作业的安全性、可靠性、经济性， 提供了一种切实可行的方案。 2 1 离心式水泵工作原理 2 1 1 离心式水泵工作特性 离心式水泵工作中，主要其作用的性能参数有： 扬程h 一单位质量( 1 k g ) 的液体通过水泵后所获得的能量 ( m h 2 0 ) ： 轴功率n 一电机传给水泵泵轴的功率称为轴功率( k w ) 。 效率n 一水泵的有效功率与输入功率的比值称为效率； 允许吸上真空度h 。一水泵在标准状况下( 即水温为2 0 、表面 压力1 0 1 3 1 0 5 p a ) 运转时，水泵所允许的最大吸上真空高度 ( m h 2 0 ) 。 水泵各个参数从不同的角度描述了水泵的工作性能，这些参数 之间互相影响、互相制约、互相联系，它们之间的这种关系是有一 定规律的，人们通常用特性曲线来描述这些参数之间的关系( 规律) 。 9 太原理工大学硕十研究生学位论文 在实际应用中，通常以流量为横坐标，画出其他参数与流量的关系 曲线作为特性曲线。常用的特性曲线有扬程曲线( q h ) 、效率曲线 ( i 1 一h ) 、功率曲线( n q ) 和允许吸上真空度曲线( q h s ) 。图2 一l 是1 2 5 d 2 5 8 型的水泵特性曲线。 通过特性曲线可以综合分析水泵的排水能力和性能的优劣，确 定水泵的最佳工作点，并为排水系统其他元件参数选择提供一定的 依据。 1 2 sd2 5 8 飞一f f il n 一2 9 5 0r 椭l n； lll i ；+ l 李 h ( k _ 李 j 。譬姜- = 辛= 二 。； 澄1 憨 z - - ，t* l 事 匕，飞l i ； l ；6 0 “ ，嚣宅 “雩寥7 磁j 4 0 7 fho l f ； # li 2 0 ，t - _ 盛。 i * ；| 岗| 2 0 f rrr r i l 一r r 】1 02 03 0 o ，1 f 1 ， 图2 - i12 5 d 25 8 型的水泵特性曲线 f i g2 i c h a r a c t e rc u r v eo f12 5 d 2 5 。8w a t e rp u m p 2 1 2 水锤现象 水锤也称为水击，是在有压管路中由于液体流速的突然变化而 1 0 太原理下大学硕十研究生学位论文 引起的压力急剧的交替升高和降低的水力冲击现象。水锤发生时， 最高压力可达到正常压力的2 0 0 ，对水泵和管路配件的冲击损坏很 大。为了防止水锤破坏设备，管路水流速度不能太大。根据经验排 水管路中的水流速度一般不宜超过3 m s 。 在水泵站运行中，水锤现象经常发生在起泵和停泵阶段，由于 人员误操作或设备故障引起。一般水锤事故会造成“跑水”、停水： 事故严重时，会造成泵房被淹没，设备损坏，甚至伤及操作人员， 造成人员伤亡事故。在水泵房排水系统设计中，要非常重视消除水 锤现象。 为避免出现水锤现象，一般采取以下措施： 尽可能不设止回阀，减少水锤发生的可能性。 管路设有止回阀时，应设置防止压力升高的措施，如下开式 水锤消除器、自动复位式水锤消除器、空气缸、安全阀等。 防止压力下降和水柱分离，在容易发生断流水锤部位的下方 管道设止回阀。 用缓闭止回阀、自动缓闭水力闸阀、液控止回阀等，可以减 小水锤产生的压力增值。 此外，还可以考虑采用增加管道直径和壁厚，选择机组的飞 轮力矩( g d 2 ) 大的电机。 2 1 3 引水设备 水泵房排水设备一般安置在水井液面以上，所以水泵启动前的 灌水一般采用吸入式。为了减小井水吸入阻力，提高泵站运行效率， 吸水管路不宜设置底阀。无底阀吸入式灌水，要采用专门的引水设 备，对水泵排水腔和吸水管路进行抽真空，使水泵运行前充满水。 太原理1 二大学硕士研究生学位论文 引水设备一般为真空泵或射流泵。真空泵运行效率高，水泵启动快， 但需要提供专门的驱动设备。射流泵结构简单，操作方便，根据矿 井的地下环境和条件，射流泵的应用更为普遍。其结构包括：喷嘴、 吸入室、混合管、扩散管，如图2 2 所示。 射流泵的工作原理是水射流时的“虹吸现象”。如图2 - 3 所示， 高压水以流量q 由喷嘴高速射出时，连续挟走了吸入室2 内的空气， 在吸入室内造成不同程度的真空，被抽升的液体在大气压力作用下， 以流量如由管5 进入吸入室内，两股液体( q 十q ：) 在混合管3 中进 行能量的传递的交换，使流速、压力趋于拉平，然后，经扩散管4 使部分动能转化为压力能后，以一定的流速由管道6 输送出去。 图2 2 射流泵结构 f i g 2 - 2t h es t r u c t u r eo f j e tp u m p 1 一喷嘴；2 吸入室；3 一混合管；4 一扩散管 1 2 太原理t 大学硕士研究生学位论文 图2 - 3 射流泵工作原理 f i g 2 3w o r k i n gp r i n c i p l eo f j e tp u m p l 一喷嘴；2 一吸入室；3 一混合管 4 一扩散管；5 一吸水管；6 一压出管 射流泵工作时要有高压水源，使喷嘴处产生高速水流，通过虹 吸现象使吸入室产生真空，将低处的水吸入水泵内，再启动水泵。 射流泵应连接于水泵的最高处，如图2 4 所示。在开启射流泵前， 要把水泵压水管上的闸阀关闭。射流泵具有结构简单、占地少、安 装容易、工作可靠、维护方便等优点，是一种常用的引水设备，适 合井下排水设备使用。 1 3 太原理丁大学硕士研究生学位论文 图2 - 4 射流泵引水 f i g 2 4w a t e rp i l o t i n gw i t hj e tp u m p 2 2 井下自动排水系统总体方案研究 井下自动排水系统的目的是要实现井下水泵房的无人化操作， 能够实时监测、自动运行，提高安全性、可靠性和运行效率，增强 抗灾能力。并能够优化调度水泵运行情况，节能降耗，降低生产成 本。 随着现代科学技术的进步，尤其是微电子技术和控制理论的发 展及其在各行各业中的渗透，使现有的工业设备的安全可靠性、经 济性都得到很大的提高。传统的矿井排水系统已经不适应现代煤矿 企业的管理和操作，亟需一种新的排水系统来保障煤炭开采工作的 安全高效进行。井下自动排水系统就是为了实现排水系统的安全性、 可靠性及经济性而设计开发的一种自动化系统。 井下自动排水系统在传统排水系统的基础上，应用现代工业控 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 制技术和检测装置，实现排水系统的自动化。并且延伸其功能，使 井下水泵房在实现无人化运行的同时，能够根据井下具体情况和要 求，选择最佳运行方案，为井上监控系统提供有用的数据资料。 系统组成 井下排水系统一般由水仓、吸水管路、多台水泵、多趟管路、 水泵、排水管路、灌水装置及若干控制阀门组成。 井下排水主要特点 i 水位受各种因素影响( 如矿井涌水量、排水量、水仓净容积 和水仓内沉淀物) ，其控制必须留有一定的裕量。 i i 水泵电机的电压高、功率大，起动过程比较复杂。 j i i 水泵普遍采用无底阀吸水方式，在排水系统中设有水泵及吸 水管路灌水装置，起动前须给水泵及吸水管路充水。 i v 矿井涌水中含有大量固体悬浮物，对水泵磨损较大，容易在排 水管路上形成沉积物，致使管路有效通流面积变小，影响水泵运行效 率及排水管网效率。 v 按国家电力部门实行“峰谷电价”收费制度，井下排水系统 工作时间应尽可能实现“躲峰填谷”方式运行，以减少排水电费支出。 v i 排水系统是按矿井最大涌水量和配套水泵数量进行设计，正 常工作时水泵备用能力比较大。 具备功能 i 水仓水位变化等情况自动控制排水泵的开停。 i i 水泵轮流工作，实时监测水泵的综合效率和管网的效率，且 根据参数变化，优化排水系统的运行方式，使其始终处于高效率运 行。 i i i 水仓水位变化、供电峰谷时段划分等情况，合理调度水泵运 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 行，达到躲峰填谷目的。 i v 能实时监测排水系统的机械、电气工作参数，如电机电压、 电流、输入功率、温升，水泵流量、入口真空度、出1 2 1 压力、轴温、 水仓水位等。 v 根据排水系统的工作状态，实现各种故障报警。 v i 通过网络连接，与矿井监控系统进行数据交换，达到管、控、 监一体化。 2 2 1 水泵站双位逻辑控制方式 井下水泵房要根据水井水位情况，判断泵站的运行状态，最简 单的控制方式就是双位逻辑控制。双位逻辑控制系统可以通过微电 脑控制系统实现，根据水位设置及逻辑运算结果得出水泵的运行状 况。 图2 - 5 水泵站双位逻辑控制 f i g 2 5d o u b l e l e v e ll o g i cc o n t r o lt op u m p i n g s t a t i o n 如图2 - 5 所示，水泵房水井液面设置高低水位a 和b ，水泵依水 井的水位高低来自动地开停：水位高于a 时，水泵启动排水；水位 1 6 牛 口口 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 低于b 时，水泵停止。为此，在逻辑控制中设置水位开关于相应水 位处。规定水位高于规定值，水位开关触点闭合，逻辑值为1 ；水位 低于规定值，水位开关触电断开，逻辑值为0 。 分析系统工作过程，可知这是一个有记忆的逻辑系统，通过控 制器的输入、输出寄器存储逻辑变量。变量有水位开关a 、b 及代表 水泵当前状态的附加变量h ，共有8 种组合。按给定的要求，每种 组合的结果应符合表2 1 中的运算关系。 表2 - 1 变量逻辑运算表 t a b l e2 - 1v a r i a b l el o g i co p e r a t i o nt a b l e 序号 ab p t p 1oooo 200lo 30 l00 4ol1l 5loo 6lol 71101 8l11l 表中第j 、6 项两种逻辑组合不符合实际的正常情况，属于故障 状态，不予考虑。由此建立逻辑运算并可得到逻辑表达式： p = a b + b e , 一i = b ( a + p 1 ) ( 2 1 ) 采用交流接触器控制水泵的运行，其线圈的通断电与水泵的起 停一致，用符号y 表示；接触器中一对常开触点用作记忆功能，代 表p 。用y 。表示，则有 1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 y = b ( a + ) ( 2 - 2 ) 其工作过程如下：当水位低于a 也低于b 时，水井处于空状态， 交流接触器的线圈处于断电状态，水泵停止；涌水不断在井内聚集， 逐渐高于低水位b ，使触点b 闭合，但触点a 仍断开，水泵不运行； 当水位继续升高至高水位a 后，水位开关a 的触点闭合，接触器线 圈y 导通，带动其主触点闭合，同时副触点y ；也闭合，水泵开始工 作；随着水泵运转将水排出，井内水位下降，低于高水位a ，a 触点 断开，但此时控制电路可通过副触点y 导通，水泵仍在工作；直至 水位降到低水位h 以下，b 触点断开，控制线路中的线圈y 断电，主 触点断开，水泵停止工作。 根据双位逻辑控制原理可以得出如图26 所示电路控制图，它 是自动排水系统设计的基础。 图2 - 6 双位控制电路原理 f i g2 6c i r c u i tp r i n c i p l eo f d o u b l e l e v e lc o n t r o l l i n g 1 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2 2 工作方式与工作环节 双位逻辑控制是排水泵站最基本的工作方式，通过水井液面变 化，运用高低水位与水泵运行现状态一定的逻辑运算关系，控制水 泵下一步的运行状态。在实际工作中，水泵房还要根据各种运行参 数( 如涌水量大小、水泵状况等) 、现场环境以及意外事故等，对水 泵站进一步控制，或改变控制方法。在离心式水泵排水系统中，还 要增加许多工作环节。这就使排水系统的工作方式更为复杂。 利用现代工业控制器，如工控机、可编程控制器( ) i c ) 、单片 机等，结合各种检测传感器，可以构成完整的电气控制系统，来控 制水泵站各执行机构按一定的规程完成水位检测、水泵起动、停止 及其过程控制等工作。并且可以进行数据传输、处理等工作。 本课题研究的井下离心式水泵自动排水系统，采用p l c 作为控 制器，用超声波液位传感器监测水位，结合相应的控制电路，组成 排水监控系统；用可( 电气) 控制的阀门和接触器等作为执行件， 完成对泵站系统的控制。监控系统组成如图2 7 所示。 工作方式： 本监控系统有自动、半自动及手动三种工作方式。其中自动方 式由超声液位传感器连续检测水仓水位，根据水仓的水位变化，自 动开、停水泵及其阀门。正常情况下，按双位逻辑控制和“轮班工 作制”各台水泵能自动轮换工作；水位变化过大时，自动投入必要 数量的水泵运行，此方式下可实现无人值守；半自动方式是操作工 人根据水仓显示水位，人工手动开、停水泵和确定开泵台数，电机及其 阀门的开、停由p l c 自动执行；手动方式是维修工人可操作任一水 泵电机、自动闻阀、电磁阀的开关，解除相互闭锁关系。 1 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 矿井监控系统 图2 7 监控系统结构图 f i g 2 7d i a g r a m m a t i cs k e t c ho f m o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e m 工作环节： 监控系统可概括为六个环节：即自动注水( 抽真空) 环节、闸 阀操纵环节、水位自动监控环节、参数传示环节、故障保护环节及 电动机的自动控制环节。图2 - 8 为水泵房排水管路示意图。 自动注水( 抽真空) 水泵只有在其叶轮完全淹没于水中的情况下，泵体内部才能造 成必要的真空度实现正常排水。若真空度不够，泵内有空气存在， 将会造成不上水和转动部件“干烧”等故障。系统采用射流泵抽真 空，由真空表监测真空度，流量作为监测真空度的后备。系统通过 2 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 控制静压水管开关( 1 0 # 、2 0 # 、3 0 # 、4 0 # 、5 0 # 控制阀) 来控制射流 泵的启动和停止。 图2 - 8 水泵房管路示意图 f i g 2 - 8s c h e m a t i cp l a no fd r a i n a g el i n e si np u m p i n gh o u s e 自动闸阀操纵 为减小启动功率，水泵操作规程规定离心式水泵一定要关闭出 水闸阀启动，而当水泵停车时，为避免水锤事故，必须先关闭闸阀， 缓慢减小流速，最后停泵。 泵体内充满水后，以启动和停止1 # 泵为例，其过程为：打丌1 0 # 控制阀，进行抽真空；真空度达到要求后，启动1 1 1 水泵电机；l # 水 泵出口压力达到设定值，打开1 1 # 闸阀，进行排水；关闭1 0 # 阀。停 止时，先关闭1 l 撑闸阀，再停1 # 水泵电机。 水位自动监控 水位自动监控环节的任务是根据水位的高低自动准确发出丌、 停水泵命令。依据双位逻辑控制原理，采集水位信号，以开关量( 水 位开关) 和模拟量形式输送给p l c 。水位传感器的可靠性和准确性 直接影响整个控制系统的工作可靠性。为此选用超声波液位传感器， 它具有高精度、非接触式、非机械型、维护方便、安装容易、标定 2 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 简单等许多优点。 当水位达到水位2 时，若处于低计费时段，可以立即启动，若处于 高计费段，则暂缓启动；当水位继续上升至水位3 时，则不论电网如 何，必须启动水泵。若水位继续上升至水位4 时，则表明一台水泵 的排水量已不足于排除矿井涌水，必须启动第二台水泵，两台水泵 一齐排水，以矿井的最大排水能力来排除矿井出水。不论投入几台泵， 水位必须下降到水位1 方可停泵。上述水位1 至水位4 均由超声液 位计将模拟信号送入p l c ，由p l c 通过软件标定。分时计费办由p l c 通过软件标定。 参数传示 主控柜的模拟屏上可模拟显示水仓水位、水泵流量、水泵压力 及电动机、电磁阀和自动闸阀的各种工作状态。所有的检测参数及 工作状态均可由井下p l c 通过传输网络传送给地面计算机，由计算 机分析处理，在显示器上模拟显示，并做出曲线、报表，以利于地 面管理人员做出正确判断，向井下可编程控制器发出控制命令。 故障保护 i 流量保护：当水泵启动后或正常运行中，如流量达不到正常 值，通过流量保护装置使本台水泵停车，转为启动另一台水泵； i i 电动机故障：p l c 监视水泵电机欠压、过流、短路等故障， 由高压开关柜的综合保护器提供，并参与控制； l i i 闸阀故障：通过对闸阀工作中压力、流量及管路等参数的测 定来判断闸阀是否正常工作；通过信号反馈回p l c ，进行故障保护 与控制。 电动机的自动控制 该环节是排水设备综合自动化控制系统的中，1 5 , 环节。它由p l c 、 太原理t 大学硕十研究生学位论文 中间继电器及接触器等组成，前5 个环节最终都要与该环节配合，根 据水位情况自动开、停水泵，及所开水泵台数。 为防止因备用泵长期不用而使电机受潮或有其它故障而未被发 现，当紧急情况需要投入而不能投入以至影响矿井安全，该环节按 “轮班工作制”来控制，以达到有故障早发现、早处理，以免影响 矿井安全的目的。系统根据水泵的开启次数自动按一定顺序轮换开 启水泵；当某台或其所属阀门故障或检修时，该泵退出轮换，其余 各泵仍按轮换工作制运行。 监控系统特点： 实行在线监控 监控系统对水泵房设备运行实行在线监控，并具有自诊断功能， 可实现水泵房的无人值守；并通过网络与矿井监控系统进行数据交 换，接受管理人员指令。 控制灵活 可实现多种控制方式之间的切换，应用于不同的工作环境下。 一般情况下，根据水位情况自动运行；故障检修或系统维修时，可 使用半自动或手动方式运行，即可以对运行环节“截断”操作。 延长水泵寿命 据水位控制原则，自动实现水泵的轮换工作，避免同一水泵长 期使用，而其他水泵闲置；还可以根据水井涌水情况，选择不同的 排水方案，避免涌水小量时水