探討礦井自動排水系統的優化

李 賓

(水口山鉛鋅礦, 湖南 衡陽市 421513)

0 前 言

礦山行業是我國國民經濟的重要支柱產業之一,為國家的經濟建設提供能源和原材料.井下排水作為礦山生產中的主要工作系統之一,在礦山安全問題中占有舉足輕重的地位,礦井涌水如果不能及時排除,將極大地威脅礦山生產和井下作業人員的生命安全.自進入21世紀以來,隨著我國經濟的高速發展,礦山安全問題越來越受到國家的重視,我國的礦井排水安全性能也得到了大幅度的提高,現如今礦山井下自動排水系統已經在國內大型礦山普遍應用.但由于自動排水系統工況的復雜性,大部分或多或少都存在一些問題,導致水泵自動運行時存在隱患甚至不能實行自動化運行.水口山鉛鋅礦自2012年6月在井下十三中段建立起第一個自動排水泵房以來,又先后在十一、十二、九、五中段的4個水泵房建立了井下自動排水系統.在這5年多的時間里,在排水泵房自動化技術改造升級時以及日常運行維護中,存在許多問題以及一些故障隱患,對這些問題和隱患進行了認真的研究和分析,努力尋找優化和解決辦法,以更好地提高礦井排水自動化系統運行的可靠性.本文從以下6個方面來探討如何優化礦井自動排水系統.

1 優化水位監測系統

目前國內自動化排水廠家除極少數使用單浮球或單液位計用作泵房水位監測外,絕大多數廠家的水位監測系統已采用兩個浮球開關＋兩個液位計的雙保險裝置.前者極易因浮球或液位計故障而導致系統癱瘓;而后者設備選擇可靠,但在邏輯控制設計上還存在一定的缺陷.其控制設計主要分兩種:

(1)設計浮球開關和液位計同時作用,只是要求上浮球開關高于液位計啟泵水位,下浮球開關低于液位計停泵水位.這種設計看似很合理,但礦井的浮球開關,特別是下浮球開關在水倉水位較低時容易因淤泥較多而沉下去,只有在水位上漲到一定高度才能再次浮起來,有時甚至因為埋的太深導致浮不起來,嚴重影響水泵自動化正常運行,而解決這類故障的方法通常是徹底拋棄浮球開關;

(2)設計浮球開關只有在液位計故障時才起作用,這樣存在設計缺陷,一臺液位計出現了故障,另外一臺正常的液位計還可以充分利用起來.

優化方法:水位監測系統使用兩臺互相備用的超聲波液位計檢測水倉水位,PLC系統設有檢測判斷程序,當兩臺液位計數字相差較大(假設0.1 m)且持續時間較長(假設10 s),就判定有液位計出現故障,這時分別比較兩個液位計故障前后數值,變化較大的液位計判定為故障液位計并給上位機發出液位計已故障的提示,若它為主液位計,則系統會自動將其切換至備用液位計,而另外一臺作為主液位計繼續使用;在備用液位計已經故障的情況下,如果主液位計也出現數值突變且時間持續(假設與10 s前的液位值比較的絕對值大于0.1且持續3 s以上),則判定主液位計也出現故障,這時系統會自動甩開液位計信號,根據上、下兩個浮球開關的信號來控制系統動作.

2 增加緊急停泵功能

在水泵維護記錄里,曾發生過幾次這樣的情況,水泵的電動排水閘閥在開或關的途中,其電機保護器突然跳閘,結果電機一直運轉,即使出現打空泵的情況也停不下來,而其他水泵也運行不起來,遇到這種情況必須立即到水泵房處理.但因為水泵房在井下,地理位置偏僻,特別是在下班后,臨時安排點訊工、卷揚工和維修工,需要花費大量的時間,極易燒壞電機,嚴重時甚至可能會水淹泵房,造成嚴重后果.

優化方法:在主機監控界面增加“緊急停泵”按鍵,當水泵出現上述情況或者其他導致PLC程序卡死,無法進行開/停泵操作時,點擊 “緊急停泵”按鍵,無需判斷“排水閥是否關到位”等其他條件,直接執行停泵操作.該按鍵不但需要有用戶權限要求,還需要有防誤觸發功能,如需要長按5 s以上或有確認彈出提示框.當然執行緊急停泵的水泵必須裝有止回閥,否則會出現管水倒流,導致水泵高速反轉,給水泵和電機造成嚴重的損害.

3 增加時限換泵功能

系統設定一個時限(假設8 h),當水泵連續運行時間達到該時限時,系統判斷當前有無備用水泵(故障切除和正在運行的不算在內):若有,則停止該泵后啟動備用泵;若無,則不停泵繼續使用該泵,并發出諸如“時限已到,無備用泵替換運行”之類的警告,這樣能更好地實現水泵的均勻磨損.

4 星三角啟動優化

現在井下低壓排水泵房一般都采用星三角降壓啟動方式,其優點是啟動電流是直接啟動的1/3,大大減少了啟動電流對電網的沖擊,但同時也給水泵自動化運行帶來一些隱患.當水泵啟動柜的三角接觸器或時間繼電器出現故障,就可能會發生星三角轉換失敗,導致電機雖然上星形已經運行起來,卻因為沒轉到三角形運行致使PLC接收不到水泵運行信號,進而失去了對水泵的控制.

優化方法:增加星三角降壓啟動成功判斷,當PLC發出啟泵信號后開始計時,如果超過時間繼電器設定的轉換時間幾秒后,PLC還未接收到三角接觸器吸合成功后發出的運行信號,則判斷星三角降壓啟動失敗,PLC發出報警并且強制停泵、切泵,進入下一臺水泵啟動程序.

5 構建故障自診系統

礦井自動化排水系統對礦山安全生產和節能降耗意義重大,但它的日常維護卻存在較大的問題.普通維修工對系統一知半解,處理問題基本上依賴技術人員,而技術人員任務較重,有時無法去現場處理,而遠程指導處理容易出現理解上的錯誤或者漏講了其他引發故障的可能性,有時還會出現對同一故障一個技術無法解決的情況,需經過多次處理才能解決,大大降低了工作效率.

優化方法:構建礦山自動排水故障自診系統.雖然,我國目前還沒有這類系統,但是可以結合這些年礦山排水自動化運行過程中遇到的常見故障、發生原因及處理辦法建立一份數據庫,以此為核心,建立一套簡易或者通用的自動排水故障自診系統,然后各礦山可以在這一套系統的基礎上,根據今后遇到的問題進行補充和完善,建成自己專屬的自動排水故障自診系統.系統建成后,一旦發生故障,用戶可在故障列表界面發現相應提示,點擊該提示后會彈出一個故障自診界面:上面會列舉出可能引起該故障的各種因素,并詳細說明如何處理該故障.以“1＃水泵不上水”為例,當系統檢測到1＃水泵不上水,會自動記錄故障時電機的電流、電壓等各項關鍵參數,而系統上位機主畫面會跳出報警提示“1＃水泵不上水”,此時用鼠標點擊該報警提示,進入故障自診界面,系統會根據故障時記錄電機的電流、電壓進行分析,如果電流正常,電壓正常,主畫面會給出3個選項提醒用戶檢查:一檢查小射流閥是否未關嚴;二檢查水泵盤根是否扎好;三檢查水泵有無其他部位漏氣;如果系統檢測到電流,電壓均為0,主畫面會給出兩個選項提醒用戶檢查:一檢查1＃泵主空氣開關是否合上;二1＃泵智能電表是否完好;如果電流異常、電壓正常,主畫面則會提醒:一檢查1＃泵電機是否正常;二檢查1＃泵啟動柜接觸器是否故障.這樣就能大大增強維修人員對自動化排水系統的了解,提高故障處理效率,為確保礦山安全生產提供了有力的幫助.

6 凈化水倉水質

礦井水主要是雨水、斷層水和各種地表水等,水中雜質多,而且種類繁雜,這種水一方面會造成礦井排水系統的球閥、壓力傳感器等小孔元器件的堵塞,另一方面,水中含有的酸性雜質長期積累對排水系統的零件造成腐蝕,而且水中的固體顆粒還會對水泵葉輪造成嚴重磨損,極大地損害礦井排水系統的完整性,同時大量的淤泥、垃圾等帶入水倉,會減少水倉有效容量,增加水泵啟停頻率,不斷提高排水系統的成本.

優化方法:要想降低礦井水給排水系統帶來的危害,首先要建立排水溝,并且要安裝合適的過濾網,對要進入水倉的礦井水進行初步過濾、沉淀.其次是在水倉入口前挖一個沉淀池或將水倉靠近進水口的一部分獨立出來作為沉淀池,進行再次過濾、沉淀.再次就是定期指派人員清理水溝的過濾網、水倉的漂浮物和巷道的淤泥、垃圾,并每隔3年清理一次水倉底部淤泥.

7 結 論

對礦井自動排水系統進行了除構建故障自診系統外其他5個方面的優化處理,通過這種由內到外的優化后,進一步減少了排水系統故障率,提高了對故障的應對能力.而構建故障自診系統暫時還在構想中,未曾付諸行動,不過,本文對礦井自動排水系統6個方面的優化建議可以為自動化排水系統在井下的應用提供一定的參考.

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