煤礦井下自動排水系統的節能優化

常 青

（山西潞安礦業（集團）有限責任公司五陽煤礦，山西長治 046205）

隨著煤炭的大量開采和開采技術的不斷進步，現代煤炭礦井的深度不斷增加，因此井下安全排水工作的重要性日益突出。各煤礦企業均在井下設置了大量的排水設備，以確保井下生產的安全［1]。但目前大多數排水設備自動化程度低，缺乏聯動運行機制，檢修、監測和控制完全依賴于人工；運行時同時開機或者同時關機，耗電量大，對應急透水事故的反應速度慢，已經越來越不能適應井下機械設備自動化、智能化、節能化的發展要求，迫切需要建立一個自動化程度較高的煤礦井下排水控制系統，實現對各排水裝置的聯動控制；同時還要對控制方式進行優化，降低排水系統的電耗，提高排水系統的使用壽命和工作可靠性。

1 煤礦井下自動排水系統整體結構

新建立的煤礦井下自動排水系統主要包括井下泵房自動控制單元和地面監測控制中心。井下泵房自動控制單元主要由綜合控制箱、離心泵及各類傳感器組成，主要用于對煤礦井下各排水裝置的監測和控制。地面監測控制中心主要包括工業計算機設備、顯示器設備及操作控制設備，能夠實時顯示該自動排水系統中各排水設備的運行情況和積水區域的水位情況，主要用于監測、控制及終端數據的采集。煤礦井下自動排水系統的整體結構如圖1所示。

圖1 煤礦井下自動排水系統整體結構示意

2 煤礦井下自動排水系統控制結構

煤礦井下自動排水控制系統采用PLC作為中央控制處理器，利用IP／TCP網絡標準通信協議，實現井下控制單元與PLC、地面監測控制中心的信息傳輸［2]，其控制結構如圖2所示。

在該自動控制系統中，由PLC中央控制處理器完成對各排水系統工作信息數據的監測和采集。首先由設置在井下積水區域的液位傳感器對積水區域的水位變化情況進行實時監測，然后將監測到的水位變化信號通過變送器轉化為電信號，以模擬量數字信號和開關量數字信號的方式傳送到PLC。設置在排水裝置上的電流、電壓傳感器和溫度傳感器等采集排水裝置工作電機的溫升、電流、電壓信號并以模擬量的形式傳遞給PLC。系統通過設置在排水裝置出水口處的流量傳感器監測水泵排出的水量，并以數據通訊的方式把數據信息傳遞到PLC。因各類傳感器設備監測的數據信號為整個控制系統可靠運行的關鍵，因此一方面要求使用可靠性高、精密度高、使用壽命長的傳感器設備，另一方面為確保各類數據傳輸的及時性和準確性，經實際測試，將系統的數據刷新周期設置為小于1 s。

圖2 煤礦井下自動排水系統控制結構示意

系統對水泵的控制方式包括遠程自動、遠程手動、就地自動和就地手動4種模式［3]。

在遠程自動控制模式下，系統根據已編寫好的邏輯控制程序，自動控制水泵的啟停。對水泵的工作時間進行合理調節，根據液位傳感器采集到的積水區域水位變化情況，自動判斷是否需要啟動排水及需要啟動的水泵數量和水泵編號。當水位突然增加，超過最大警戒標準時，自動控制排水系統進行強排水作業。PLC控制系統對水泵的運行情況進行實時監測，當出現故障時及時報警并按控制邏輯進行處理。

在遠程手動控制模式下，系統僅控制完成排水裝置電機的開關。而排水裝置的啟動或者停止是通過控制人員在井上控制中心根據井下積水區域的水位情況確定開啟的排水裝置數量和編號。

在就地自動控制模式下，在井下操作控制中心，操作人員根據積水區域的水位實際情況，通過綜合控制箱上的水泵啟、停按鈕對排水裝置進行控制。

在就地手動控制模式下，在井下操作控制中心，操作人員根據積水區域的水位實際情況，通過綜合控制箱上的開關按鈕對排水裝置進行啟動和停止操作，同時根據排水流程，按照控制順序完成對閘閥、水泵電機的手動操作，完成排水。

3 自動排水系統 “避峰就谷”控制的實現

為了實現節能，在排水自動控制系統中設置了 “避峰就谷”的排水控制模式。在該控制程序設計時，將積水區域的水位分為6個警戒點，共7個液位區段，最低處為1號警戒點，6號警戒點為極限水位。當系統在正常工作時，積水區域的水位應保持在1～5警戒點之間。液位在不同的警戒點對應不同的同時啟動的排水裝置數量。根據控制系統的要求，計算出每一個水位區段水位上升的平均速度，然后得出這7個水位區段的平均的水位上升速度，將這個數據寄存在寄存器中，作為積水區域水位的評估數據。同時在此程序中建立涌水速率數據庫，設置積水區域的最大涌水速度和正常排水速度區間，然后根據記錄下的每一個區間水位的上升速率，設置相應的響應邏輯，從而判斷是否啟動排水及需要同時啟動的排水裝置數量［4]。

在控制程序的具體實現上， “避峰就谷”的控制方式，需要采用PLC時鐘控制。在PLC內部的寄存器分別對應時鐘的時、分，在控制程序中設置 “峰段”、“谷段”、“平段”，每個區段對應具體的時間，在系統設計時將各段的對應時間分別設置在寄存器中，這樣在實際生產中，控制系統就自動控制排水裝置在對應的時間進行排水作業。為了確保煤礦井下的作業安全，當積水區域的液位超過6警戒點時，不管此時是何種狀態，系統都會控制排水系統進行強排水作業。

4 節能效果分析

為了驗證該自動排水系統的節能效果，在2019年6月3日全天對不同機組在相同工況下的能耗情況進行了對比分析，結果見圖3。

圖3 不同控制方式下的能耗對比

由圖3實際監測結果可知，原始水泵機組當天的總能耗約為37440 W，采用自動排水控制系統后的水泵機組當日總能耗約為17720 W，比優化前降低了約52.7%，節能效果顯著。

5 結 論

通過對當前井下排水系統的監測、控制方式存在的缺點分析，根據煤礦井下排水設備自動化、節能化發展趨勢的要求，提出了一種新的煤礦井下自動排水控制系統，并對該自動化排水系統的整體結構、自動控制系統及 “避峰就谷”控制的實現方式進行了詳細論述。通過分析可知，該井下自動排水控制系統不僅極大地提升了井下排水系統的自動化、智能化程度，大幅提高了井下排水控制系統控制的準確性、及時性，同時通過應用 “避峰就谷”控制邏輯，實現了井下排水系統的節能運行，極大地提升了煤炭生產企業的經濟效益。