礦井變頻恒壓供水系統總體方案設計

王宇鵬

（大同煤礦集團晉華宮煤礦， 山西 大同 037001）

引言

我國煤礦產量巨大，礦區分布廣泛，井下用水量需求巨大，但長期以來，存在供水自動化水平低、井下用水高峰期時、供給量達不到需求量以及水壓不夠等現象。但是在用水低峰期，供給量大于需求量而導致水壓升高等情況，造成設備使用壽命縮短、管網加速老化以及電能的浪費。晉華宮煤礦井下采區用水高峰和低峰時間段不固定，用水量也隨井下需求而在不斷變化，水壓必需達到1.5 MPa，這就對供水系統的穩定性提出了非常高的要求。因此，要實現井下的恒壓供水，必須采用變頻控制技術。

1 變頻恒壓供水基本原理

在供水系統中，若要研究它的基本特征和揚程特性，必須保持水管管道的閥門開口不變。在水泵電機的轉速保持不變的時候，水泵的流量Q和揚程H之間滿足于一定的數學關系，可以用特性曲線來表示，如圖1所示。從圖1可以看出，供水系統中流量Q和揚程H之間是一種反比關系，揚程大時流量小，揚程小時流量大。其中揚程和流量之間的數學關系可以用揚程特性曲線表示，而系統中阻力為水泵消耗的能量在管道阻力、壓力差等，這種關系稱之為管阻特性。兩條曲線的交點是流量和揚程的平衡點，在這一點處，供水系統運行平穩[1]。

1.1 傳統供水基本原理

在礦區使用的傳統供水系統主要是采用傳統的電力拖動方式，即驅動水泵機組在工頻條件下以固定恒速運轉工作。但是，傳統的礦區供水方式往往造成能量浪費，水錘效應降低了供水零部件的壽命。同時，傳統的供水方式消耗大量的人力物力，在資源利用和配比上都是一種極大的消耗。如圖2所示，為傳統供水基本原理框圖。

圖1 水泵運行時的特性曲線

圖2 礦區傳統供水系統原理圖

在此基礎上，變頻恒壓供水技術慢慢在礦區得到應用和研究，用于解決上述傳統供水系統在礦井供水系統中存在的問題。

1.2 變頻恒壓供水原理

變頻恒壓供水系統是由水泵機組、變頻器、PID控制，以及壓力傳感器等主要供水系統組件構成，形成礦區供水負反饋閉環控制系統。該系統原理是通過壓力傳感器獲取礦區總供水壓力信息，將得到的壓力信息與礦區所需水壓閾值信息進行比較，從而獲得PID控制器相對應的控制頻率依據，通過可編程控制器預設程序控制水泵機組，實現水泵電機的運行狀態條件，達到調整礦區水壓。該系統可自動完成礦區水壓調節，極大降低了人員和設備的成本，以及工作量。如圖3所示，為礦區變頻恒壓供水系統原理圖[2-3]。

圖3 變頻恒壓供水系統原理圖

由圖3可以看出，變頻恒壓供水系統主要是調節水泵機組的電機轉速，通過變頻器拖動水泵電機進行調節，已達到維持礦區的水壓供給平衡，因此，實質調節是改變電動機供電頻率，實現水泵電機的變頻調速。

水泵電機的轉速為：

其中：v0為電機同步轉速；S為轉差率。

式中：f為電源頻率；p為電機極對數。

2 變頻恒壓供水的特點

變頻恒壓供水系統相比傳統的供水系統，在礦區條件較復雜環境中，充分體現了變頻恒壓控制的特點。

1）控制靈活。該系統通過可編程控制器實現礦區供水需求，真正實現了“需要多少水，提供多少水”的目標。可實現實時自動調節，包括定時、定量，以及人工干預的控制方式。

2）可靠性強。通過變頻器實現水泵機組的軟啟動，使得水泵機組在切換工況頻率變化時的無縫銜接，減少管道沖擊、水錘效應等。

3）節約能源。礦區用水是不斷變化的，因此，在供水過程中保證水泵機組適應用水變化，消除供水不足、供水過量，以及降低水泵的平均轉速，延長供水系統部件壽命以外，實現了節約用水、節約用電、節省人力等。

4）人機交互。通過組態軟件實現對礦區變頻恒壓供水系統各個部件的實時監控，直觀反映系統運行狀態，作為自動控制及人工干預的重要判斷依據，同時能夠快速發現故障區域做出緊急措施。

5）自保護特性。針對控制器設置緊急預警，實現供水系統在出現任何故障時，主動發送報警信息到上位機顯示的同時，啟動備用方案，維護整個供水系統的安全運行，也能減少誤操作帶來的損失。

3 變頻恒壓供水的總體方案

結合前文對變頻恒壓供水系統的研究，針對礦井供水應用環境，提出適用于該礦變頻恒壓供水系統總體方案，解決該礦應用靜壓供水系統時的關鍵問題，提高礦井供水系統的可靠性、穩定性以及可控性，得到更高的經濟、資源效益。

3.1 系統硬件組成

該礦供水系統是基于恒壓供水系統提出的適用于實際環境的變頻恒壓供水系統，該系統硬件組成包括變頻恒壓供水系統的主要硬件，圖4為礦井變頻恒壓供水系統硬件組成及電器連接框圖。

根據圖4所示，礦井變頻恒壓供水系統硬件主要包括以下幾個部分：

圖4 變頻恒壓供水系統原理圖

1）執行機構。該部分由主泵和輔助泵組成的水泵機組構成，主泵主要完成正常工作時礦區中的煤炭開采工作供水、生活供水及消防供水。當礦區供水出現異常供水，即超標供水時，輔助泵將起到補充主泵供水不足的問題。當主泵發生故障時，輔助泵將起到緩沖作用，在短時間內，實現用水設備的正常運行，為恢復主泵工作爭取時間。

2）監測監控機構。該部分主要由壓力傳感器和上位機等監測監控設備組成，壓力傳感器主要完成對水泵出水壓力進行檢測，并將檢測數據記錄及實時發送到上位機進行顯示。上位機主要是監控下位設備的運行狀態以及監測裝置的數據信息顯示。

3）控制機構。該部分主要由PID控制器、PLC及變頻器構成，PID控制器及其組件主要完成對監測軟件信息以及人工干預控制指令的接收與判斷，并向變頻器發出控制指令。PLC主要完成收集壓力傳感器等監測信號并進行分析，得出相應控制方案。變頻器主要實現對PLC控制指令的接收并響應之后，發出控制水泵電機的控制指令[4-5]。

4）報警機構。該部分主要有報警器組成，連接變頻恒壓供水系統上位監控軟件以及下位設備，實現及時響應故障信息，以及異常狀態。

3.2 控制系統構成

該礦變頻恒壓供水系統應用于消防、礦區和生活等區域，該系統能夠向多臺水泵提供支持，礦井變頻恒壓供水系統研究主要以2臺水泵為研究對象，其控制系統原理流程圖，如圖5所示。

圖5 變頻恒壓供水系統原理圖

控制系統安裝在控制箱中，主要包括電控設備、PLC組件和變頻器組成，同時，控制系統還包括上位人機交互系統。

1）電控設備。主要由轉換開關、主控計算機、繼電器等設備構成，負責接收監測監控機構的采集信號，以及實現切換水泵等功能。

2）PLC組件。主要由PLC控制系統組成，是控制系統核心部件，完成采集信號并處理，并通過處理信息決策控制指令，將控制指令發送給執行機構。

3）變頻器控制系統。主要是響應PLC控制指令，調節水泵電機的轉速，實現水泵機組供水的控制。

4）人機交互系統。主要由交互界界面及觸摸屏構成，是控制人員與控制系統實現操作的解決方案，基于WinCC開發的組態控制系統，是直觀體現礦井變頻恒壓供水系統運行狀態和控制操作的重要組成。

3.3 系統方案的實現與工作原理

礦井變頻恒壓供水系統是由多臺并聯水泵構成，實現水壓恒定的目標。當出水量發生變化時，通過負反饋閉環控制系統實現變頻器調節，完成水泵電機轉速控制，使水泵出水壓力達到設定閾值。在變頻控制擴成中，為解決切換過程中水錘效應和電流沖擊等負面因素，合理利用軟啟動設備，實現切換的平滑過度。這里以2臺可控水泵為例，具體控制如下：

1）供水系統開始運行時，變頻器拖到主泵運行，壓力傳感器實時監測水泵出水口壓力并輸入控制系統與設定閾值比較，通過PLC系統進行決策，通過PID控制器控制變頻器拖動水泵電機提速，水壓達到閾值時，保持變頻器頻率不變，水泵電機轉速不變。

2）當用水量變化導致水壓增大或減小時，由于閉環反饋變化信息，變頻器輸出頻率降低或升高，控制水泵電機轉速實現減速或加速，直到水壓再次達到閾值。

3）當礦區用水量不斷上升，使得變頻器頻率達到上限時，依然無法滿足礦區用水量，即壓力傳感器監測值低于閾值，此時，系統發出切換控制指令，開啟水泵電機2，使其以工頻運行，水泵電機1仍以變頻器拖動實施變頻調節，從而使兩泵工作時的出水口的水壓達到設定值。如果用水量仍然繼續上升，處于變頻運行狀態的水泵再次達到頻率上限時，系統無法達到壓力平衡，此時控制系統發出報警信號，顯示在控制中心的人機交互系統中，并預先做出安全措施[6]。

4）當礦區用水量不斷減小且水壓上升，控制系統控制水泵變頻運行頻率低于下限值時，水壓仍然較高，此時控制關閉工頻運行的輔助水泵，同時由變頻泵實現閉環反饋調節，使水壓恢復到平衡值。若水壓持續下降，實際水壓值降低到閾值時，控制變頻器調節至僅剩主泵提供用水。

4 結論

1）由于晉華宮礦區井下用水高峰和低峰時間段不固定、用水量變化大，因此要實現恒壓供水，必須采用變頻控制技術。

2）晉華宮礦采用適合其礦區供水、生活供水和消防供水的變頻恒壓供水系統總體方案，解決了礦井的可靠供水問題。