PID控制與自動引水技術的融合應用

楊 波 潘秋祥

（山東省邱集煤礦有限公司，山東 齊河 251100）

邱集煤礦受地質條件影響，開采完成后的工作面約有200m3/h的老空水涌出，正常情況下流入水倉后排出地面。礦井生產用水和排水現狀是：一方面打鉆、防塵、工作面設備冷卻等需要消耗大量的地下水，每天消耗水量在100m3/h左右；另一方面老空水排至地面，增加原煤生產成本。為充分將老空水作為井下用水，減少礦井排水量，將PID控制與自動引水兩項技術融合，老空水引入專用供水管網，回用于井下打鉆、設備冷卻降溫、巷道沖塵和生產防塵等用水環節，代替水源井取水，日回用量在2000m3左右，有效緩解了礦井排水壓力，降低了排水費用。

1 系統分析與設計布局

邱集煤礦設有-447m和-395m兩個水平，現開采煤層為11煤。生產過程產生的涌水全部自流入-447m水平，-447m水平設有水平泵房一座，主要承擔11煤生產過程涌出礦井水的排放。-447m水平泵房排至-395m水平，由-395m水平的中央泵房排至地面。

1.1 供水管網及用水、老空水疏放情況

1.1.1 井下供水來源及凈化方式

邱集煤礦井下水源分兩部分：一是按照供水施救系統要求，由地面供至井下各工作面、進回風巷零散施工地點、應急避險硐室等；另一水源來自井下11煤一采區軌道巷水源井，主要為生產、防塵、打鉆等用水，滿足不同施工環節對水質要求。各掘進工作面防塵水管入口處安裝了水質過濾器，大巷防塵水幕就近安裝了過濾器，采煤工作面用水采用RO反滲透純凈水處理技術，將水中的雜質和有害元素全部去除。用于打鉆過程鉆頭降溫、沖出巖粉的水源對水質要求不高，可不進行凈化處理直接引入。由于系統最大取水量約為120m3/h，老空水涌出量約200m3/h，涌出量與取水量之間有80m3/h的差值，無需考慮供水量不足的問題。

1.1.2 管網布置

井下生產主供水管網設計水壓4MPa，管材均為DN108無縫鋼管（涂塑），膠帶運輸巷、煤倉等用水量較少的零散地點采用DN50無縫鋼管，掘進巷道、采煤工作面順槽等有打鉆施工地點為DN75無縫鋼管，管網管徑、耐壓情況均按生產需求設置。

1.1.3 11煤老空水涌出地點及流徑

一采區1101采煤工作面為11煤首采工作面，11煤95%以上的老空水由1101采空區涌出。1101采煤工作面推采完成后，工作面的老空水通過貫穿11煤上部（-338m）與下部（-447m）聯通的11煤集中軌道上山排放。老空水疏放管道安設在11煤集中軌道上山-424m處的聯絡巷，流入11煤集中運輸巷-418m處安設的沉淀池，老空水沉淀后再流入-447m水倉，經水平泵房內的排水泵排至-395m水平。經一段時間疏放，老空水中的懸浮雜質基本沖除干凈，與水源井水質無明顯并別。

1.2 系統安設布局設計

鑒于11煤采煤工作面老空水水質較好，按照系統控制簡單、運行安全穩定、維護方便的原則制定了井下老空水回用取水系統的組合方案。如圖1所示。

1.2.1 水泵和引水方式的確定

根據井下現場用水要求，采用臥式離心水泵對系統進行加壓，將水泵安裝在集中運輸巷-418m處的沉淀池上方。水泵安裝處壓力保持在2.2 MPa以上，最高點（-338m）壓力保持在1.2MPa以上，以滿足打鉆施工、防塵、設備冷卻等用水壓力需求。引水裝置采用蓄水緩存方式的負壓自動引水裝置，滿足水泵啟動時的引水要求。水泵的進水口與負壓自動引水裝置相連，出水口用同徑管與沉淀池硐室口處的供水管網連接。

圖1 井下老空水回用系統取水設備設施布置圖

1.2.2 控制和運行方式的確定

結合現場供電設施布置情況，在沉淀池硐室上方約10m處的井下注漿站安裝電控設施，利用現場配電點為系統供電。管路安裝壓力變送器，壓力信號輸出線與變頻器連接，利用壓力變送器輸出的4～20mA信號與變頻器控制系統配合實現PID控制。根據現場實際情況設定壓力平衡值，調整比例、積分、微分等參數值，實現自動運行。同時為保持供水壓力和變頻器輸出頻率的穩定，在注漿站硐室內安裝了蓄壓裝置以維持水壓的相對恒定，實現恒壓變流供水，最大程度滿足現場用水需求。

1.2.3 管網及現場水質凈化設施的設置

由于原系統管網設置滿足供水水量和壓力要求，水質凈化設施采用就地設置的方式，因此管網和水質凈化設施仍沿用原設置方式，不再進行更改。

2 PID控制與自動引水技術的融合

系統采用壓力變送器與變頻器配合實現PID控制的主要目的，同時加裝水壓蓄壓裝置解決水壓波動大的問題，實現系統的自動化運行。采用負壓自動引水裝置解決了引水環節復雜、自動化控制繁瑣的問題。

2.1 PID控制技術應用

2.1.1 系統原理

井下用水主要要求是水壓恒定，以保證現場用水壓力穩定要求。由于液體具有不可壓縮性，氣體具有較強的壓縮性，利用氮氣囊的緩壓原理，將穩壓裝置內的皮囊充入約1 MPa的氮氣，當系統水壓較高時氣體被壓縮，吸收系統壓力，當系統水壓下降時氣體膨脹，向系統內釋放壓力。通過安裝穩壓裝置一方面可減輕由于用水不均勻造成的壓力波動，使系統壓力變換平滑，利于PID參數的設置和水泵運行的穩定。另一方面當各地點不用水或用水較少時，壓力上升到設定值以上水泵停機，穩壓裝置蓄存的壓力可保持系統壓力的穩定，減少下降時間，延長停機時間。

2.1.2 PID及主要參數的調整設定

根據現場情況，選定水泵額定揚程240m，工頻運行最大實際壓力2.4MPa，現場設定平衡壓力2.3MPa。變頻器選用ZJT2-250/660型，首先將控制方式設定為模擬量，在對比例系數與積分系數調整上，通過現場配合測試，比例系數P調為35、積分系數調整為15補償比例差值，微分系數調整為1，輸入隨輸出量變化均較為平滑，無大的波動，頻率隨壓力輸入4～20mA模擬量變化實時調整。考慮取樣時間與輸出頻率之間的時間差，通過對加速時間與減速時間進行補償，保持變頻器輸出頻率的穩定。

2.1.3 系統實現功能

從現場調試和使用效果看，系統主要實現以下功能：

（1）系統通過變頻調節水量的方式保持水壓恒定的功能，解決了使用水源井用水多時水壓低、用水量少時水壓高的不利因素造成的影響，管路始終在恒定狀態下，各用水地點均能保持足夠的水量和恒定的水壓，實現變流穩壓的功能。

（2）采用變頻器控制，通過頻率變化調整水泵電動機的運行功率，可有效減少損耗，相比于長時間工頻運行的設備具有較強的節電功能。

（3）如若在系統運行時開啟水源井，水源井壓力一般較高，壓力變送器會將壓力信號傳送給變頻器，變頻器會很快將運行頻率降到0Hz，水泵停止運轉，避免兩個水源給系統供水造成的擾動，具有保護功能。

（4）利用變頻器上的RS485通訊口讀取壓力、電壓、電流、頻率等參數，設立分站后上傳至地面，監控系統簡單實用。

2.2 負壓自動引水技術應用

2.2.1 負壓自動引水裝置構成及安裝方式

系統組成的負壓自動引水裝置由蓄水罐體、吸水管、出水管、加水管、補償管、閘閥六部分組成。如圖2所示。

圖2 負壓引水裝置部件構成圖

安裝時蓄水罐安裝于平臺，與水泵安裝平臺同一水平。蓄水罐安裝完成后吸水管伸入蓄水池內，保證排水時水位高于管口，防止氣蝕。出水管與水泵進水口相連。加水管管口接至主管路，用于安裝完成后罐內加水，加完水后即可將加水管閘閥關閉，正常使用無需再加水。補償管閘閥應保持常開，下管口伸入蓄水池內，伸入水池深度應不小于吸水管伸入水池的深度。

2.2.2 負壓自動引水裝置工作原理

設備安裝完成后首先打開閥門往蓄水罐內加水，加至吸水管往外溢水即可。水泵開啟后，蓄水罐內水位下降形成負壓，在負壓作用下吸水管內水位上升，水流引入罐內，水流形成循環，水池內的水不斷流入罐內，罐內的水通過水泵壓入主管路，一般要求水罐內暫存水量不得少于循環水量的2.5倍。當水泵停機后止回閥關閉，吸水管內的水位下降，罐內形成負壓，補償管內水流在罐內負壓作用下流入罐內。當吸水管水位降至與蓄水池水面同一水平時，補償管在虹吸作用下仍會向罐內注水，直至罐內形成正壓將補償管內的水頂出，不再向罐內注水。如圖3所示。

圖3 負壓引水裝置工作原理圖

2.2.3 技術優勢

負壓自動引水技術充分利用水泵自身動能形成負壓引水，相比傳統的環流泵和射流引水簡單實用，無動力設施和專用密封件，無需人工操作，免維護，易于實現自動化控制。

2.3 PID控制與負壓自動引水技術融合

本項目將PID控制與負壓自動引水兩技術融合，與常規水泵自動化控制系統相比，省去一套引水控制系統，利用變頻器自帶的PID控制功能和串口通訊接口，省去一套專門的自動化控制和監控單元，從而組合成一套系統簡單、運行穩定、可靠性高、節能效果顯著的供水系統。