矿井在生产过程排水设备的控制.doc

第二章 2.1排水设备的控制矿山在生产过程中，会有一定数量的涌水产生，因此，排水设备是矿山建设和生产中不可缺少的固定设备。它的主要任务是及时迅速地排除井下的涌水，以保证矿井的正常生产和安全。每个矿井都有许多台排水设备，由于它的功率大、台数多，因此，排水设备是矿井的主要用电负荷之一，所以，保证排水设备安全、可靠、经济、合理的运转有着十分重要的意义。2.1.1水泵的电力拖动一、 矿井排水设备的组成目前，我国煤矿使用的水泵有离心式、往复式和喷射式（射流式），其中最常用的是离心式水泵。往复式和喷射式水泵仅用于局部排水或排送泥浆。离心式水泵有多级和单级之分。单级离心泵扬程较低，主要用于区段及井底水窝等局部排水；多级离心泵主要用于中央泵房的集中排水。离心式排水设备，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-离心式水泵； 2电动机； 3起动设备； 4吸水管； 5滤水器； 6底阀；7调节闸阀； 8排水管； 9逆止阀；10旁通管；11灌引水漏斗；12放水管；13放水闸阀；14真空表；15压力表；16放气栓（一）滤水器和底阀 滤水器又叫滤网，安装在水泵吸水管的下端，其作用是阻止吸水井中沉淀的煤泥和杂物吸入水泵内，以防水泵堵塞和磨损。在滤水器内装有舌形底阀，它的作用是不使引水漏掉。（二）闸阀调节闸阀7安装在靠近水泵排水管上方的排水管路上，位于逆止阀9的下面。其作用为：调节水泵的流量和扬程；水泵起动时将它完全关闭，以降低电动机的起动电流。放水闸阀13安装在调节闸阀上方的排水管的防水管12上，其作用是为检修排水管时放水用。（三）逆止阀逆止阀9安装在调节闸阀7的上面，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。逆止阀是有方向性的，在安装时，必须使其箭头方向向上。（四）灌引水漏斗、放气栓和旁通管灌引水漏斗11是在水泵初次起动时，用来向水泵和吸水管中灌引水。在向水泵和吸水管中灌引水时，要通过放气栓将水泵和吸水管中的空气放掉。当排水管中有存水时，也可以通过旁通管10向水泵和吸水管中灌引水，此时要将旁通管上的阀门打开。（五）压力表和真空表压力表15安装在水泵的排水接管上，用于检测排水管中水压的大小。常用的压力表为普通弹簧管压力表，根据其结构特征可以分为径向无边、径向带边和轴向带边三种。表壳的公称直径有60、100、150、200和250mm五种。压力表所测出的压力叫做表压力或相对压力。真空表14安装在水泵的吸水接管上，用于检测水泵吸水口处的真空度。根据其结构特征也可以分为径向无边、径向带边和轴向带边三种。表壳的公称直径和压力表一样，也有60、100、150、200和250mm五种。真空表的测量范围为076000Pa。 在离心式水泵起动时，要将压力表和真空表管上的旋塞打开，进行压力和真空度的测量。 2.1.2 对矿井排水设备的要求为了保障煤矿的安全生产，对排水设备的主要要求是：（一） 水泵 必须有工作、备用和检修的水泵，其中工作水泵的能力，应能在20h内排除24h的正常涌水量；备用水泵的能力应不小于工作水泵能力的70，并且工作和备用水泵的总能力，应能在20h内排出24h的最大涌水量；检修水泵的能力应不小于工作水泵能力的25. 水文地质条件的复杂或有突水危险的矿井，可根据具体情况，在主泵房内预留一定数量水泵的位置，或另外增加排水能力。 （二）水管 必须有工作和备用水管，其中工作水管的能力应能配合工作水泵在20h内排出矿井24h的正常涌水量。工作和备用水管的总能力，应能配合工作和备用水泵在20h内排出矿井24h的最大涌水量。涌水量小于300m3/h的矿井，排水管也不得小于两趟。（三）配电设备配电设备应同工作、备用和检修水泵相适应，并能同时开动工作和备用水泵。主排水泵房的供电线路不得少于两趟，当一路停止供电时，另一路应能担负全部负荷的供电。（四）其他要求（1） 主排水设备应有预防涌水突然增加而致使设备被淹没的措施。（2）水泵除要保证工作可靠外，还必须有较高的运行效率。（3）应尽量采用体积小的水泵，以减小泵房尺寸。水泵在结构上应适合井下安装、拆卸、运输和便于维修。（4）水泵机组装在需要采取隔爆措施的地区，其电气设备也应是隔爆型的。2.1.3 排水设备的工作特点及自动控制的基本要求根据水泵的基本工作原理要求，排水设备应具有以下工作特点：1、 泵内空间必须具有一定的真空度。这是水泵正常工作的必要条件。在启动水泵前，应首先向泵内主满“引水”，把泵内原有空气排出，待水充满泵内空间和吸水管路后方可启动水泵。2、采用首先关闭闸阀而后停止拖动电机的停车方式，这是为了防止或减轻 水锤现象对泵内部件的冲击。3、水泵是一种不经常启动，一经启动便长时运转不需调速的没备，在一定的转速和管网特性情况下，水泵在确定的工况点工作，负荷比较稳定，因此，排水设备多采用交流鼠笼式电动机拖动。在电网容量较小的情况下，也可选用绕线式电动机。井下主排水设备的工作地点通风良好，但比较潮湿，有时有滴水，可采用封闭式或仿滴防溅式电动机，区段排水设备的工作条件比较恶劣;一般选用隔爆型电动机。 4、水泵是关系矿井安全生产的要害设备。矿井不断涌水，水泵必须连续工作。尤其是在危险水位时，应使多台泵同时开动。当运转水泵发生故障需要启动另一台水泵，或者涌水量太大需要启动多台水泵时要迅速、准确、简单、方便，简而言之，排水设备的各项操作及轮换必须简单易行。5、排水设备在工作过程中的工作状态和矿井的涌水量有关，而决定水泵工作台数和工作时间的参数是水仓的水位，易于实现控制过程的自动化。 基于水泵的上述工作特点，排水设备对自动控制的基本要求是:1、能根据水仓水位的高低自动开、停水泵。开、停水泵的每个环节应按照程序自动完成。 2、为避免电动机和电控设备因长期停用受潮、使各台水泵磨损均衡和及时发现存在的问题，在正常水位时，各台水泵应能自动轮换工作。在危险水位时，能使必要数目的水泵自动投入运行。3，如果某台水泵在启动或运转过程中发生故障，应使该泵立即停车，并自动启动下一台水泵。在故障未排除之前，故障泵电路闭锁，退出正常工作。 4、为使矿井变电所母线负荷均匀，应能远距离监视水仓水位的变化和每台水泵的运行状态，以便根据 “移峰填谷”的原则确定各泵的开停时间。5、应具有尽可能完善的保护措施，保证设备安全运转。一旦发生故障，应能立即停车或发出警报信号，避兔事故进一步扩大。二、电动机的选择与计算 根据离心式水泵的机械特性，鼠龙型电动机完全能够满足要求，而且效率高、价格便宜，应首先考虑选用。如果电网的容量较小不允许直接启动，一般采用电抗器降压启动，也有采用绕线型电动机的，此时应经技术经济对比后确定。水泵电动机的功率按下式计算：式中 电动机功率备用系数，一般取1.11.5；矿水的比重，公斤/米3；水泵在工况点的流量，米3/小时；水泵在工况点的总扬程，米；水泵在工况点的效率。每年排水电耗按下式计算：式中 电网效率，一般取0.95；电动机效率； 分别为正常涌水期和最大涌水期的天数，一般ZN取305天、Zmax取60天，或按找矿井的具体情况而定； 分别为正常涌水期和最大涌水期开泵台数； 分别为正常涌水期和最大涌水期每台泵一昼夜工作小时数 二、排水设备的拖动控制及启动电抗器的计算与选择如前所述，排水设备的拖动电动机属长时恒载工作方式，对调速无特殊要求，启动也不频繁，通常采用交流鼠笼式电动机，低压小容量的电动机只要小于供电变压器额定容量的三分之一，一般都可采用直接启动方式。，当电动机容量较大时通常采用电抗器或自耦变压器降压启动。自耦变压器有三个抽头电压（40，60和80、也有的是55、64和73），使用时只需调整抽头电压，一般不做计算。但对高压大容量电机。由于它的影响面较大必须进行启动设备的计算。（一）排水设备的拖动控制图2.2-1所示为交流鼠笼式电动机拖动的控制系统原理图。该系统的特点是:用高压电动机拖动，用油断路器和空冷式电抗器组成高压综合启动器。启动时电抗器串接于电动机定子回路中进行降压启动，待电动机达到满转后利用接触器将电抗器短接，水泵转入正常运行状态。系统工作原理如下：启动准备：首先合上三极隔离开关K1和刀闸开关K2、K3，信号灯XDZ、XDK同时明亮，表示主控电源已经接通。若水泵充水已经完成，则允许启动。启动操作：手动操作失压脱扣器ydk的手柄，便油断路器DL合闸，电动机带电抗器DK接入电源开始降压启动。图2.2-1 用电抗器降压的启动控制线路原理图油断路器的辅助触点DLf比主触点的动作稍迟。当DL合闸后，时间继电器2SJ和电压继电器YJ的线圈回路仍能维持通电状态。当DL的手柄全部合上后，虽然DLf1打开，2SJ断电，但断开延时触点2SJ须经一段延时时限后方能断开，故常开触点YJ仍然闭合。由于DLf3闭合，时间继电器1SJ线圈得电，延时闭合其常开触点，接通交流接触器C的主触点闭合立即被它的扣锁机构锁住，所以，尽管2SJ 、YJ、1SJ和C的线圈均断电，仍能保证电动机正常运转。只有当DL因故跳闸，DLf1 恢复常闭状态后，交流接触器C1的线圈得电，才能松开锁扣，断开DL的主触点，电动机停止运行。在启动过程中，若发生故障，在预定延时后未能将电抗器短接，将引起油断路器跳闸，保证电抗器不致长时带电工作。这是因为电压继电器YJ和交流接触器C的常开触点并联，在此情况下二者均不能闭合，从而使ydk线圈失电的缘故。但在正常启动过程中，由于C的触点闭合，ydk不能断电。停车操作：正常停车时，只需按下停止按钮TA，ydk失电，油断路器跳闸，电动机便因失去电源而停车。保护措施：该系统用熔断器做短路保护，把过电流继电器1GLJ和2GLJ的常闭触点串接于ydk的线圈回路中作过负荷保护。 (二)启动电抗器的计算与选择大容量的电动机所以多用电抗器降压一方面是可以减少启动过程的能量损失；另一方面在加速到高速段时电动机的力矩比较大（与电阻降压相比），同样负荷情况下启动最终速度较高，当转换到全电压时电流冲击小。用电抗器降压的接线图和机械特性如图2.2-2所示。 (一)电抗器计算准则:电动机启动时，启动电流可达额定电流的47倍。这样大的电流流经供电线路，将造成严重的电压降落，不仅影响接于同一电网上的电抗器降压启动的接线和机械特杜其他用电设备的正常工作，而且也使电动机的启动力矩降低，启动时间延续过长，危及电动机的绝缘，甚至可能将电动机烧毁。为此，进行降压启动计算时必须满足以下两个条件：1、启动时电网电压降落不得超过允许值；2、电动机的启动力矩必须满足生产机械的要求。(二)计算方法。：图2.2-3(a)所示为一台由高压母线供电的供电系统图。在供电回路中由于有变压器，各段电路的电压、电流都各不相同。为便于计算，往往将电路化简为以标么值为基础的等值电路【图2.2-3（b）所示】，采用标么值法进行计算。图2.2-3 供电线路及其等值电路用标么值计算启动电抗器的基本方法是：首先将实际的供电系统图化简成为等值电路图，分别计算出电路中各元件的标么值。然后利用欧姆定律，根据允许的电压降计算出所需最小电抗值；再从生产机械对启动力矩的要求这个条件出发，计算出满足该条件的最大电抗值。最后确定满足两个条件下的启动电抗器。其计算过程如下：1、 确定基准参数基准容量Sj；一般可取变压器的额定容量Se作为基准容量，也可取任意值，如100兆伏安、1000兆伏安等。基准电压Uj：一般取母线上的平均电压Up为基准电压。 基准电流： （2.2-1） 基准电抗： （2. 2-2）2、 计算电抗的标么值根据标么值的定义，计算电抗标么值的公式是： （2.2-3）1） 电源的电抗标么值 （2.2-4）式中分别为母线I上的短路电流及短路容量。2） 变压器的电抗标么值 （2.2-5）若，则。 （2.2-6）式中变压器的短路电抗百分值。3） 电抗器的电抗标么值 （2.2-7）式中 电抗器的百分电抗值； 电抗器的额定电压； 电抗器的额定电流； 电抗器所在段的额定电压。4） 供电线路的电抗标么值 （2.2-8）式中 每公里线路的电抗（欧/公里），对架空线路为0.4，对电缆线路为0.8； 供电线路长度（公里）； 线路工作电压。5） 负载阻抗标么值 （2.2-9） 6） 被启动电动机的电抗标么值 （2.2-10）式中 启动电流倍数；电动机额定电压；电动机额定电流；电动机额定容量（千伏安）；电动机所在段工作电压。 由于启动时功率因数很低，即所以 3、 化简等值电路 化简后的等值电路如图2.2-3（C）所示。 （2.2-11） （2.2-12）4、 计算母线在电动机启动时的电压标么值取变压器二次侧额定电压（即母线的平均电压）UO为基准电压Uj，变压器的空载电压U=1.04Ue，其标么值为 电动机启动瞬间的电流标么值为 母线上的电压标么值，由欧姆定律得 设母线允许的最低电压为，则在启动时 即 或 （2.2-13）把（2.2-12）待入（2.2-13）经化简得 （2.2-14）设电动机启动时允许最大电压降为15%，即 =0.85则（2.2-14）成为 （2.2-15） 用（2.2-15）式计算出来的电抗值是保证母线的电压在电动机启动时电压降不超过15%的最小电抗值。如计算结果为负值，就表示电源容量允许电动机直接启动而无需用启动电抗器降压。5、 根据生产机械对电动机启动力矩的要求计算电抗器的最大值由电机与拖动知道，电动机在额定电压下的启动力矩为 （2.2-16）降压后的启动力矩必须大于负载所需要的启动力矩 即 （2.2-17）式中 生产机械所需启动力矩与额定力矩的比值，矿山主要生产机械的K值见表2.2-1 表2.2-1 生产机械对启动力矩的要求 生产机械名称K2轴流式通风机离心式通风机空气压缩机往复式真空表离心式水泵0.30.30.40.40.3比较（2.2-16）和（2.2-17）得Uqe标么值为 （2.2-18）从等值电路图可知，电动机启动时的端电压等于代入（2.2-18）得 （2.2-19）式中最低允许母线电压。设，则 （2.2-2.0）由式(2.2-20)计算出来的电抗们为满足启动力短要求的最大电抗值。我们选择启动电抗器时要同时满足(2.2-15)和(2.2-20)两个条什，如果由（2.2-20）计算出来的电抗值比由（2.2-15）确定的小，就表示采用电抗器降压方式不适用，它的启动力矩不够。此时就要考虑用自耦变压器降压或者改用绕线式异步电动机。三、排水设备的综合自动化控制排水设备的综合自动化是指对包括泵站的任何操作完全按照予先设计的原则自动进行。实践证明，实现综合白动化的排水设备，不仅大量缩减了维护人员，改善了工人的劳动务件，而且显著的提高了排水工作的可靠性和经济性。图2.2-4为一典型的综合自动化排水设备的控制系统结构框图。如图所示，一个综合自动化控制系统通常包括以下几个环节:自动注水环节1、闸阀操纵环节2、水位自动控制环节3、水位传示环节4、故障保护环节5和电动机的自动控制环节6等。图2.2-4综合自动化控制系统结构方框图 (一)自动注水环节如前所述，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。如果吸水不好，泵内有空气存在，将会造成不上水和转动部件烧坏等故障。因此，启动前的注水是水泵工作的重要操作项目之一，而自动注水是排水设备自动化必须遵守的基本要求。水泵的注水方式分自灌式与非自灌式两种。对于自动化程度和排水可靠性要求较高的系统以采用自灌式注水方式为宜。目前，通常应用以下几种自灌式注水方式：1、利用贮水箱注水。在水泵出口水平以上装设贮水箱。箱的下口与水泵吸水口相接，上口与吸水管相联。水泵启动前，箱内和泵壳内均充满水。水泵启动后，箱中存水进人水泵，箱中空气所占容积增大造成足够的负压。从井中的水在大气压力作用下流入水箱经泵排出。由干水箱占据一定空间，这种注水方式只适用于中小型水泵。2、采用潜没式（深基式）泵房。潜没式泵房就是水泵的安装位置低于水仓最低水位的泵房。这种泵房能保证水泵经常注水。3、利用潜水泵向主泵注水。把潜水泵串接于主水泵的吸水管道上并淹没于吸水井中。当吸水井中水位上升时，自动开动潜水泵向主水泵注水。4)矿井主泵的扬程大，排水管道长，管中静压也大，通过旁通管，利用排水管道中的压力水向水泵注水的方式比较普遍。这种注水方式必须使闸阀经常处于微开状态，并在水泵放气口处装设能够反映注满水的自动装置。二)闸阀操纵环节为了减小启动功率，水泵操作规程规定离心式水泵一定要关闭出水闸阀启动。水泵电动机的容量也是按关闭闸阀启动的条件考虑的，而当水泵停车时，为了避免水锤事故，则先关闭闸阀，缓慢减小流速，最后停车。同时还可用闸阀调节流量和压头。根据管路检修要求，在出水管道上也应配置闸阀。在矿山排水系统中，检修与调节水量是不经常遇到的。对综合自动化的排水设备，水泵的启动和停车需要完全自动进行。因此，闸阀操纵环节就成为不可缺少的重要环节。自动装置中闸阀的开启通常采用电动、液压等方法来实现。1、电动阀门。阀用电动执行机构由专用电动机、减速器、中间传动组件、行程控制器、开度指示器等部分组成。它可满足下列工作要求： 1）当闸阀全开或全闭时能自动切断电源，使阀用电动机停转。2）可以任意操纵闸阀的开启程度。3）有手动、电功转换装置，可实现手动、电动两种操作方式。4）有过力矩保护装置。在开启闸阀时，若输出轴上的力矩超过了力矩限制机构的动作力矩时，可切断电源，使电机停转。2、水力开启闸阀，它是利用水泵启动后的压力自动缓慢地开启或关闭闸阀的。该法与水泵的启动或停车紧密配合，易于实现自动化操作。3、敞闸启动和吸气停泵。矿井排水系统中，一般扬水高差较大，排水管道上均设有逆止阀。水泵停车时，逆止阀关闭，其上部承受着排水管路中水栓的全部压力。当水泵启动时，随者转速的升高，水泵出口处的压力渐增，逐渐推开逆止阀向外排水。逆止阀的这种逐渐打开的情况可近拟视为排水管道上闸阀的开启过程。因此，敞闸启动时，由于设置了逆止阀，启功过程中电动机的过负荷情况仍能得到一定程度的改善。需要停泵时，首先打开水泵放气孔的阀门，空气经此进入泵体，破坏水泵内部的真空度，排水量逐渐减小，逆止阀缓慢关闭，减弱了水锤作用的影响。 (三)水位自动控制环节 水位自动控制环节的任务是根据水位的高低自动准确地发出开、停水泵的控制信号。它是由能够反映水位变化的传感元件构成水位控制器实现自动控制的。按照结构上的不同特点，水位控制器分为浮球式、舌簧管式和电极式等类型。 浮球式水位控制器是借助于浮球的浮力，通过杠杆、滑轮、重锤等机件推动水位开关