演马矿泵房主排水监控系统技术改造.pdf

第4 6 卷 第1 1 期 2 0 1 4 年第1 1 期 煤炭工程 C0 AL E NGI NE ER I NG Vo 1 46， No 1 1 No 1 1，2 01 4 d oi ： 1 0 1 1 7 9 9 c e 2 01 41 1 01 8 演 马矿泵房主排水监控系统技术改造 苏明辉 ，庞政铎 ，刘冬梅 ( 1 中国神华海外开发投资有限公司，北京1 0 0 0 1 1 ；2 中工国际工程股份有限公司，北京1 0 0 0 8 0 ； 3 中国 国际人才开发 中心 ，北京1 0 0 1 9 2 ) 摘要 ：针对调研发现的演马矿泵房主排水设备监控 系统存在的不足之处，进行 了针对性的 技术改造。文章主要介绍了通过分析主排水设备效率计算方法，设计了监控系统应具有的监测点 和控制点 ，然后 ，阐述 了监控 系统避峰填谷 、轮换和 高效运行的新型控制策略 ，最后介绍 了系统 的 组成 结构 和功 能 。 关键词 ：主排水设备 ；监控 系统 ；设备效率；新型控制策略 中图分类号 ：T D 7 4 4 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 6 7 1 0 9 5 9 ( 2 0 1 4 ) 1 1 - 0 0 5 7 - 0 4 Te c h no l o g i c a l Re f o r m f o r M a i n W a t e r Dr a i n a g e M o n i t o r i n g S y s t e m o f Pump Ro o m i n Ya n ma Co a l M i ne S U Mi n gh u i ，P ANG Z h e n gd u o ， L I U Do n gme i ( 1 C h i n a S h e n h u a O v e r s e a s D e v e l o p me n t a n d I n v e s t me n t C o mp a n y L i m i t e d ，B e i j i n g 1 0 0 0 1 1 ，C h i n a ； 2 C h i n a C A MC E n g i n e e r i n g C o m p a n y L i m i t e d ，B e ij i n g 1 0 0 0 8 0 ，C h i n a ； 3 C h i n a I n t e r n a t i o n a l T a l e n t D e v e l o p m e n t C e n t e r ，B e i j i n g 1 0 0 1 9 2 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：Ai mi n g a t t h e i n a d e q u a c y i n ma i n wa t e r d r a i n a g e mo n i t o rin g s y s t e m o f Y a n ma c o a l mi n e p u mp r o o m， a t e c h n o l o g i c a l r e f o r m wa s c o n d u c t e d T h e p a p e r a n a l y z e d t h e c a l c u l a t i o n me t h o d o f ma i n p u mp i n g e q u i p me n t e f f i c i e n c y， a n d d e s i g n e d t h e mo n i t o r i n g p o i n t s a n d c o n t r o l l i n g p o i n t s t h e s y s t e m r e q u i r e d Th e n a n e w c o n t r o l s t r a t e g y wa s p r o p o s e d， a c h i e v i n g r e a s o n a b l e a r r a n g e me n t o f o p e r a t i o n a t p e a k a n d s l a c k p e r i o d，r e a l i z i n g r a t i o n a l r o t a t i o n， a n d e ffi c i e n t o p e r a t i o n o f t h e mo n i t o r i n g s y s t e m F i n a l l y t h e s t r u c t u r e a n d f u n c t i o n o f t h e s y s t e m wa s i n t r o d u c e d Ke ywo r ： ma i n p umpi n g e qu i pme n t ； mo n i t o rin g s ys t e m ； e qu i pme n t e ffic i e n c y； c o n t r o l s t r a t e gy 1 概述 演马矿泵房共安设 8台主排水泵，4趟管路 ，每台主排 水泵均采用射流泵抽真空。目前，井下配备两名水泵工值 班 ，水泵启停都为人工操作，仅电机轴承及定子备有 F r 0 0 温度信号传感元件和二次仪表。通过现场调研 ，发现演马 矿泵房主排水设备监控系统存在如下不足之处： 1 )监测点不全面。现有 自动化排水装置无法监测水泵 效率、管路效率、水泵振动、电动机振动。流量监测点布 置较少 ，只监测排水 管路的流量 。 2 )选用 电动或电液闸阀作为管路控制元 件 。由于煤 矿 主排水系统管路的管径较大，排水高度较高，打开闸阀需 要力( 力矩) 很大，加上机构的阻力影响，使得用电动操作 机构操作时很容易造成开闭失败 ，较大容量的电磁阀或电 动机还很容易造成过载烧坏 。 3 )无法根据水泵 和管路效率进行更合 理的 自动化 排水 。 现有 自动化排水装置最全面的控制原则为：根据水位 ， 结合避峰填谷和轮换工作原则 自动控制水泵启停。但是， 由于无法监测水泵效率、管路效率 ，系统无法选择效率高 的水泵和管路投入运行 ，导致主排水系统的经济性不够高。 针对上述问题，对焦作演马矿泵房进行 自动化技术改造。 2 监测点与控制点的选择 理论上矿井主排水系统的总效率为电机效率、传动效 率、水泵效率和管路效率的乘积，在 电动机正常运行时， 可以认为电机效率和传动效率为固定值，因此运行主排水 系统效率的主要因素只有水泵本身的效率和管路效率。水 收稿 日期 ：2 0 1 4 0 21 8 作者简介：苏明辉( 1 9 8 2一) 男，河南周 口人，硕士，工程师，主要研究方向为煤炭机 电，Ema i l ：s u m i n g h u i s h e n h u a C C 。 引用格式：苏明辉 ， 庞政铎 ， 刘冬梅演马矿泵房主排水监控系统技术改造 J 煤炭工程， 2 0 1 4 ， 4 6 ( 1 1 ) ： 5 7 6 0 5 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 4 年第 1 1 期 泵效率为水泵有效功率与水泵轴功率 的比值，管路效率 为实际排水扬程 和水泵总扬程 日的比值。因此只需得到 水泵总扬程 日、实际排水扬程 月 、管路损失、水泵轴功率 和水泵有效功率 ，即可计算主排水系统的效率 。 。 1 )水泵总扬程 日的计算。测定总扬程可在水泵进、出 口法兰盘上，分别安装负压传感器和正压传感器 ，然后按 式( 1 ) 计算总扬程。 日 = p +p 2+p g + 盯 8 o t 1 一 击 ) Q ( 1 ) 式中 水泵扬程，m； P 压力表读数，P a ； p ： 真空表读数，P a ； Q 流量 ，m s ； 两表盘中心垂直高度，m； p 矿水密度，k g m ； d 水泵出口内径，m； d 水泵进 口内径 ，m。 2 )实际排水扬程 可根据矿井井 口与泵房标高资料 计算。 3 )管路损失的计算。 =H一 ( 2 ) 4 )水泵轴功率 。水泵的轴功率是电动机传递给水泵 轴的功率。水泵轴功率的测定是通过测定电机的输入功率 和电动机功率损耗来测定 电机输出功率，对于联轴器直联 传动机组，有： N ：, 3u i c o s O d 叼 。 ( 3 ) 式中 水泵轴功率； M 线 电压 ，V； 线电流 ，A； c o s 一功率因数； 叼 电动机的效率 ； 传动效率。 5 )水泵有效功率。水泵实际传递给水的功率就是水泵 的有效功率 。 =y Q H ( 4 ) 式中， 为矿水重度，N m ；Q为水泵流量，m 。 s ；H 为水泵 总扬 程 。m。 2 1 系统 的监 测点 通过上述计算分析，通过直接监测水泵进水 口压力、 出水口压力、流量、电动机电压、电流、功率因数就可计 算得到主排水系统的效率参数。系统监测点见表 1 。 2 2 系统 的控 制点 系统采用多功能水泵控制阀代替传统 电动闸阀作为管 路控制元件，采用本安型电动球 阀作为射流泵控制元件。 多功能水泵控制阀易于实现 自动化控制，具有止回和水锤 消除等功能，安全可靠性高。 单台水泵排水装置示意图如图 1 所示，1和2组成射流 5 8 泵抽真空系统，电动机由配电开关供电。单台水泵过程是 ： 首先，关闭多功能水泵控制阀 5 ，打开电动球阀 1和电动球 阀2，开始抽真空；待负压传感器 3达到规定值后，关闭电 动球阀 1和2 ，启动电动机，待正压传感器 4读数达到规定 值后( 必须在规定的时间内，否则说明水泵出现故障) ，打 开多功能水泵控制阀5，开始排水。电动机的启 停控制是 通过控制配电开关实现的，本系统通过数字通信方式实现 对开关的控制从而控制电动机启 停。系统的控制点见表 2 。 表 1 监测点信息表 1 、2 一 电动球阀 ；3 一 负压传感器 ；4 一正压传感器 ；5 一控制阀 图 l 单 台水泵排水装置 示意 图 表 2 控制点信息表 3 系统的控制策略 总的要求是：对水泵房 内所有水泵，按照保持 电机不 受潮，排水效率高，避峰填谷的原则 ，根据矿井涌水量的 情况编制运行程序，确保排水系统工作在最佳状态。对所 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年第1 1 期 煤炭工程 有水泵实行实时运行状态和故障检测，并能根据检测实现 提示 、警告警示、预警、报警等功能。 3 1 避 峰 填谷 原 则 按照避峰填谷的原则和汛期、非汛期及涌水量 的稳定 情况 ，确定排水水位范围和开泵数量。 设定排水系统高、较高、中、低 四个水位，在用电高 峰期 ，当水位上升至 中水位时，可暂时不增加排水能力， 只有 在水 位上升至 较高水 位 时再增 加排水 能力 。在用 电尖 峰期 ，当水位上升至较高水位时，可暂时不增加排水能力， 只有在水位上升至高水位时再增加排水能力。在用电低谷 期 ，当水位上升到中水位时，增加开泵台数，将水排至低 水位 。 非汛 期时按上述 程序 执行 ，汛 期时 按照低 水位 运行 的 原则 编制 程序。非汛期程序编制原则见表 3 。 表3 非汛期避峰填谷原则 3 2轮 换 运行 原 则 根据水泵房的潮湿程度 ，在确保安全高效和保证电机 不受潮的前提下编制控制程序。对所有能够运行的水泵( 检 修泵除外) ，强制轮流运行，力求在兼顾水泵电机不受潮的 前提下确保系统的高效运行 J 。 3 3 高效原 则 优先运行高效率水泵，选择高效率的管路。 综上所述 ，非汛期时，按避峰填谷原则，开停水泵。 按如下优先等级选择水泵启动：运行累计时间短；效 率高。根据管路与水泵配合情况 ，按优先选择效率高的管 路。若需增加排水能力，先启动一 台水泵，监测水位变化 率，计算按此变化率下降到规定的水位所需时间，若该时 间大于距下一用电时段的时间，则再增加一台水泵，重复 上述检测与计算比较，直至将水位排至规定的水位所需时 间小 于距下一用 电时段 的时间。 4系统功能和结构 4 1 系统功 能 1 )系统能够实 时监测水泵 的运行 效率 、管路 效率 、水 泵运行时间、电机 电压、电机电流、水泵和电机温度、水 泵和电动机振动、矿井涌水量、水位、真空度、出水 口压 力等模拟量和开关量。 2 )系统有三种控制方式 ，分别为就地手动控制、就地 自动控制和远程控制。就地手动控制是指通过井下就地操 作台，按钮点动控制各台水泵的启、停。自动控制分为系 统自动控制和单台泵 自动控制。系统 自动控制方式是依据 水位和涌水量 ，按照效率优先 、排水管路均衡分配、轮换 工作制的原则 ，编制 P L C控制程序，控制水泵 自动运行。 单台泵 自动控制是指选定待开水泵，操作流程( 抽真空一检 测真空度是否合格一启动电机一检测 出水 口压力是否合格 一选择管路一排水) 由 P L C控制。远程控制是指在地面调 度室 ，通过计算机启、停各台水泵 ，设定排水系统相关参 数。其控制方式也分系统 自动控制和单 台自动控制。就地 控制 与远程控 制相 互闭锁。 3 )每台泵具有 “ 检修” 、“ 工作”两种工作状态。 4 )系统具有按年、按月、按日进行数据存储、数据查 询、故障记录、事件以及打印功能。 5 )系统具有故障报警功能，比如水位超限、电机、水 泵震动过大、电机超温等报警功能。 6 )系统在正常的自动运行状态下，能够在轮换原则、 避峰填谷原则、高效原则以及当前涌水量的前提下 自动启 动 停止水泵，以及选择水泵运行的台数。 7 )水泵启动时具有 自动检测水泵启动条件 的闭锁功 能 。 8 )系统具有电气保护功能，其中过压，欠压 ，过流等 参数由变电所监控系统提供 ，可以通过此参数计算、分析、 判断水泵房电机的运行情况。 9 )系统的通讯接 口标准、统一，通讯协议开放 ，方便 接人全矿 自动化平 台中。 1 0 )系统能够监测 自身运行状态，自诊断。 1 1 )系统具有功能扩展冗余。 4 2 系统 的 结构 演马矿新泵房监测 监控 系统 由井下 监控 和地 面监测设 备设备组成，两者通过 P r o fi b u s D P现场总线通信。井下 监控设备由就地操作台、井下监测分站、防爆显示屏和井 下监控总站组成，井下监控总站通过本质安全型现场总线 P r o fi b u s D P I S与就地操作 台、井下监测分站通信，通过 P r o fi b u s D P现场总线与防爆显示屏通信。地面监测设备主 要由工控机 、U P S不 间断电源和打印机 组成 。 4 2 1 地面监控设备 1 )就地操作台。泵房巡检人员可通过就地操作台控制 水泵启停，按下启动按钮或停止 ，对应的水泵启动流程或 停止流程都由程序 自动完成。就地操作台前面板的红色状 态指示灯亮，指示对应的水泵处于 “ 检修”状态 ；红色状 态指示灯灭 ，指示对应的水泵处于 “ 工作”状态。 2 )井下监测分站。井下监测分站直接连接传感器，设 计成通用的模块。当系统扩展时，只需选用更多的井下监 测分站模块 ，同时软件做相应的改变即可。井下监控分站 的监测点按 4台水泵机组、所有排水管和水井的监测点设 计。每台水泵机组必须监测 的物理量包括：电动机的三相 绕组 ，前、后轴承座温度，轴承座振动 ；水泵的前、后轴 承座温度，轴承座振动，真空度，出水 口压力；吸水管流 量；4趟排水管流量；水井水位。 5 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 4 年第 1 1 期 3 )井下监控总站和防爆显示屏。井下监控总站采集就 地操作台手动启 停水泵的动作信号和井下监测分站的数字 量信号，并根据采集的信号作出判断，控制电动球阀和多 功能水泵控制阀；并将泵房工况通过模拟图显示到防爆显 示屏上，实现排水过程 的动态模拟和工况超限报警 ；同时 将监测结果和操作事件上传至地面。 井下监控总站采用 s 7 3 0 0 P L C 开发，设计为隔爆兼 本安 型。 4 2 2 地面监控设备 地面监控总站采用工控机( 内置西门子 P C I 卡 e p 5 6 1 1 ) 、 G 1 1 、打 印机和 U P S不间断 电源开发 。 接受信号时，G 1 1将 P r o fi b u s D P的光信号转变为电 信号，送入 C P 5 6 1 1卡，工控机读取卡内数据 ，进行分析、 存储和显示。采用西门子组态软件编程，A C E S S建立数据 库 ，C+语言开发分析软件 。 当总站电源突然断开，由 U P S电源给总站供电，保证 总站继续工作 1 2 h 。 打印机用于报表等的打印输出。 5结语 改造后的演马矿泵房监测监控系统 已经 良好地运行 了 近半年时间。改造前，两个水泵工需每天来 回下井，现在 每周只需下一次，极大的减轻 了工人的劳动强度。由于采 ， 、 ( 上接 第 5 6页) 用了新的控制策略；现在泵房耗电量相当于改造前的一半， 极大地降低了生产成本，经济效益极为显著。 参考文献 ： 1 张君 ，王 任远矿 井排 水设 备最佳 工 况点 的研 究 J 煤矿机械 ，2 0 0 8，1 2 ( 1 2 )：1 2 31 2 5 2 孙玉臣 ，刘海 涛P L C在矿井 下 主排水 控制 系统 中的应 用 J 科苑论谈 ，2 0 0 8 ，4 ( 5 ) ：5 4 5 5 3 李维熙 提高矿井排 水管 网运行 效率 的研究 J 矿业 快 报 ，2 0 0 8，7 ( 7 ) ：1 5 4 王东 ，李维熙 ，冯立杰 矿井 自动排水优化控制策略 的研 究 J 中州煤 炭，2 0 0 8 ( 2 ) ：5 7 5 8 5 程高新 ，李敬 兆基 于 P L C的矿井 自动排水系统设计 J 煤矿机 电，2 0 0 9 ( 3 ) ：7 7 7 8 6 高林煤矿 井下 排水 自动控制 系统 的研究 与 开发 D 太原 ：太原理工大学 ，2 o 0 7 7 郭金龙 ，马文智P L C技术在矿井排水全 自动控制系统中的 应用 c 第 1 8 届煤矿自动化与信息化学术会议论文集， 2 0 0 9 8 刘守胜 ，孙秀茹 ，夏国彬P L C控制在矿井 自动排水系统 中 的应用 J 矿山机械，2 0 0 8 ( 2 O )：2 32 4 9 李利青 ，李爱旺 ，裴江涛 ，等P L C在矿井主排水系统 自动 化平 台及 远 程 监 控 系统 的应 用 J 数 字 化 矿 山 建 设 ， 2 0 0 8 ，1 0 ( 1 0 ) ：3 4 3 6 ， ( 责任编辑赵巧芝 ) 期来压极不明显，且曲线表现出了高阻力值的连续特性 ， 曲线甚至呈现 出了连续 的一字分 布特征 。 Z 60 0 0 5 0 0 0 0 。0 ： 20 0 0 1 0 0 0 O 5 0 6 3 7 3 8 4 92 l1 】 1 33 l 5 3 1 7 4 1 82 1 9l 21 2 22 1 工作面推进度 m 值的连续特性，顶板表现出了典型的缓慢下沉运动特征。 参 考文 献 ： 2 图 3 周期 来压 工作 面支架末阻力 曲线 3 5 结论 1 )根据顶板钻孔窥视和岩石力学测试 ，可将 K 2 石灰 岩坚 硬顶 板分 为下 部厚 约 1 3 m，中部 厚 约 2 6 m，上 部 厚 约5 2 1 m的三个分层考虑 ，各分层强度由下至上逐渐增大 ， 岩层完整性也逐渐提高。 2 )理论计算表明，总厚约 3 9 m( 厚约 1 3 m的下分层 和厚约2 6 m的中分层) 的顶板下部分层随机垮落，充填采 空区；厚约 5 2 1 i n的顶板上部分层表现出明显的缓慢下沉 特征 。 3 )通过顶板深基点观测及顶板来压分析可知，工作面 石灰岩顶板在现场生产过程中并没有表现出典型的周期来压 特征，顶板岩层整体下沉明显，末阻力曲线表现出了高阻力 6 0 4 5 6 7 8 9 1 0 韩立 军，蒋斌松 ，韩贵 雷，等晋城矿 区厚层脆 韧性石 灰 岩顶 板 变形 与 控制 特性 研 究 J 岩 土 力学 ，2 0 1 0 ，3 1 ( 6 ) ：1 8 4 1 1 8 4 6 杨玉辉 ，祖贺军 厚煤层坚硬 顶板采 场矿压显 现规律分 析 J 煤炭技术 ，2 0 1 1 ，3 0 ( 2) ：6 76 9 黄醒春 ，陶连金 ，曹文 贵岩 石力 学 ( 第 l版 ) M 北 京 ：高等教育 出版社 ，2 0 0 5 侯忠杰 断裂带 老顶 的判 别 准则 及在 浅埋 煤层 中的应 用 J 煤炭学报 ，2 0 0 3 ( 1 ) ：81 2 梁运培采场 覆岩移 动 的组 合岩 梁理论 J 地下空 间 ， 2 0 0 1 ，2 1 ( 5 )：3 4 1 3 4 5 钱呜高，缪协兴，许家林，等岩层控制的关键层理论 M 徐 州：中国矿业大学 出版社 ，2 0 0 3 史元伟采煤工作面围岩控制原理 和技术 ( 第 1版 ) M 徐州 ：中国矿业 大学出版社 ，2 0 0 3 郑刚高等基础工程学( 第 l 版)【 M 北京：机械工 业出版社 ，2 0 0 7 曾巧玲基础工程 M 北 京：清华大学 出版社 ，2 0 0 7 贾 喜荣矿 山岩层 力学 M 北 京 ：煤 炭 工业 出 版社 ， l 9 9 7 ( 责任编辑郭继圣) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m