煤礦主排水泵自動化吸水系統設計

王藝明

(中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

主排水泵是煤礦井下關乎人身安全與連續生產的重要設備，其功能是將井下工作面及大巷涌出水排至地面，保障井下正常生產和工人安全[1-4]。煤礦井下主排水泵(以下簡稱主排水泵)通常采用離心泵，離心泵屬于葉片泵，水泵內沒有水的情況下，葉片旋轉無法建立起真空壓力，因此離心泵是沒有自吸能力的。當水泵內水量不足時會產生氣蝕現象，造成水泵永久傷害，使用壽命變短[5-7]。由于井下條件限制，主排水泵房均為吸上式泵房，停止工作時，水泵內是沒有水的。因此，為了解決主排水泵啟泵前的吸水問題，應在泵上加吸水裝置[8]。

1 主排水泵常用吸水方法

目前，煤礦主排水泵常用的吸水方法有真空水箱吸水法、射流泵吸水法、真空泵吸水法等[9-10]。

1.1 真空水箱吸水法

真空水箱是用金屬制成的封閉型水箱，上部接吸水管，下部接水泵入水口。水泵啟動前，先將水箱灌滿水進行密封，待水泵灌滿水后，啟動水泵，由于水箱水位下降使水箱密閉環境內形成一定的真空，進水池中的水就會在大氣壓的作用下，經吸水管進入水箱中，從而形成水的循環，使水泵正常排水。真空水箱吸水法適用于小型泵、水源相對清潔的環境。由于礦井水中含大量煤粉，水泵停止運行時，煤粉便會沉淀在真空水箱底部，長此以往造成管道堵塞，影響排水效率。此外，主排水泵房內需要安裝水泵、管道、球閥、閘閥、電纜、橋架等設備，每臺水泵安裝一臺真空水箱占用空間太大，因此真空水箱吸水法不適用于主排水泵的使用環境。

1.2 射流泵吸水法

射流吸水是利用壓力水通過射流器時，射流和空氣之間的黏滯作用，噴嘴附近產生的真空將泵體內空氣逐漸帶走，水倉水沿吸水管自下而上充滿泵殼的一種吸水方式[11]。射流泵吸水法是目前煤礦井下最常用的無底閥吸水方式，優點是設備結構簡易、安裝方便、易于維護；缺點是消防灑水管路提供水源作為動力，主排水泵管路之間是通過法蘭連接，長時間運行管道密閉性不強，通過射流泵將水泵灌滿甚至需要幾十分鐘才能完成，吸水效率不高。

1.3 真空泵吸水法

真空泵吸水方式采用水環式真空泵的偏心結構，周期性地形成負壓，抽取水泵、吸水管內的空氣，通過循環水箱的汽水分離功能實現水箱內水的循環使用，逐漸排空泵體內的空氣[12]。該吸水方式的優點是吸水速度快、效率高，不需要消防灑水管路提供水源；缺點是需要為真空泵提供電源，并需要擴大主排水泵房，為真空泵提供安裝空間，設備成本較高，所有水泵共用一套真空泵吸水系統，如發生故障會造成主排水泵癱瘓。

2 水泵自動化吸水系統設計

2.1 系統架構

針對煤礦目前主排水泵吸水方法效率低、控制系統模式單一等問題，提出了一種新的吸水方式，即射流泵與真空泵組合吸水系統。每臺水泵設置一套射流泵吸水系統，作為獨立的吸水系統；再設置一套真空泵吸水系統，泵房內設置2臺真空泵，所有主排水泵通過主吸水管實現真空泵共用。每臺水泵使用一臺DCS分站，控制射流泵吸水系統、支管閥門及單臺水泵啟停，使水泵形成獨立控制系統自動運行；再設置一臺DCS主站，控制主管路閥門、真空泵吸水系統及每一臺水泵。DCS分站控制射流泵吸水系統給水泵灌水，如灌水時間過長，DCS分站給DCS主站發出信號，由主站啟動真空泵吸水系統，迅速將水灌滿。主泵運行時，備用泵根據系統設定逐個灌滿水，等待系統發出運行命令后可立即啟泵，做到“零耗時啟泵”。主排水泵系統如圖1所示。

1-電動閘閥；2-止回閥；3-電動球閥；4-底閥；5-真空表；6-壓力表；7-噴射泵；8-吸水管圖1 主排水泵系統Fig.1 Main drainage pump system

2.2 水泵自動化吸水系統組成

水泵自動化吸水系統主要由水泵控制系統、傳感器、閘閥及遠程監控系統組成。

2.2.1 水泵控制系統

水泵控制系統由DCS主站和DCS分站組成。DCS主站配置浙大中控FCU712系統DCS及8寸觸摸屏，可通過箱體觸摸屏控制系統內各項功能；DCS主站可以為真空泵、真空泵主吸水管球閥、主排水管閘閥供電。DCS主站與DCS分站之間采用以太網通信；DCS主站通過DCS分站控制每臺水泵射流泵吸水系統啟停，通過硬接線控制真空泵吸水系統啟停，當水泵灌滿后，給DCS分站發出指令啟動水泵。實現了整個水泵房的集中控制。DCS分站配置浙大中控FCU712系統DCS及8寸觸摸屏，可通過箱體觸摸屏控制系統內各項功能；DCS分站為本水泵分支吸水管球閥、射流泵、排水管閘閥供電。DCS分站采集水倉水位信號、吸水管真空度及流量、水泵軸承溫度及振動、排水管出水壓力及流量、水泵運行電流及電壓等參數；通過硬接線控制本水泵排水管閘閥、分支吸水管球閥、射流泵的開關；當水泵灌滿后，給高壓隔爆柜發出指令啟動水泵。實現了單臺水泵自動和就地控制。DCS主站和DCS分站內均含有配電系統和控制系統，實現系統集成，每臺水泵均可自動吸水、獨立運行，最大程度保證水泵自動化系統安全運行。

2.2.2 傳感器

檢測傳感器包括壓力傳感器、負壓傳感器、雙聲道超聲波流量計、投入式液位計、溫度振動一體傳感器、水流傳感器等；需要檢測的參數有泵體負壓，水泵出水口壓力，電機電流、電壓，排水的瞬時流量及水倉水位等信號。投入式液位傳感器配置2臺投入式液位計，實時監測井下水倉水位變化。每臺水泵配置1臺正壓傳感器，用來監測水泵出水口壓力，當排水壓力出現故障時可及時停泵，以免水泵腔體產生“汽蝕現象”；每臺水泵配置1臺負壓傳感器，用來監測水泵真空度，作為判斷水泵啟動前腔體是否灌滿水的主要參數。

在每趟主管路上，分別配置1臺雙聲道超聲波流量傳感器，檢測每趟出水管路瞬時流量。利用水泵軸承體預留的傳感器接口，采用溫度振動一體傳感器對水泵軸承運行溫度、振動進行實時檢測，檢測到的溫度、振動信號經轉換輸出成標準模擬量信號交由DCS分站作為判斷水泵是否正常工作的依據。同時，系統應可接入電機繞組溫度數據，當溫度過高時則報警，嚴重時停泵。通過高壓隔爆柜綜保通信，采集相關電量信息，每臺水泵單獨采集電流，用于實現對電機電流信號的有效采集及檢測。吸水管通過水流后輸出開關量信號，作為水泵啟動前腔體是否灌滿水的輔助參數。將水流傳感器安裝在水泵吸水管上，并高于泵排氣口。

2.2.3 閘閥

為實現主排水泵吸水自動化控制，提高吸水效率與可靠性，真空泵吸水管路和射流泵吸水管路上設置電動球閥，主排水管路上設置電動閘閥。DCS主站控制主排水管閘閥和真空泵主吸水管路球閥；DCS分站控制本水泵排水管閘閥、射流泵吸水管路球閥、真空泵分支吸水管路球閥。

2.2.4 遠程監控系統

水泵房內設置水泵遠程監控系統接入工業自動化環網，與公共網絡之間建立一條安全可靠的VPN通道，甲方授權后，可隨時訪問現場設備，實時監控設備運行狀態，遠程監控系統畫面如圖2所示。當系統出現吸水、無法啟泵等故障時，分析系統故障原因，并遠程技術指導工人現場解決故障。水泵遠程監控系統收集水泵吸水時間、傳感器參數等，形成設備運行參數數據庫，當設備運行參數值超出增產范圍后，進行數據分析和比對，確定設備狀態是否健康，實現水泵全生命周期管理。增加水泵遠程監控系統后，可以快速進行故障診斷，遠程排除故障，縮減水泵維護成本及增加水泵排水效率。

圖2 水泵遠程監控系統畫面Fig.2 The picture of the pump remote monitoring system

3 控制方式

3.1 全自動控制方式

當系統啟動水泵之前，DCS分站發出指令打開射流泵閥門，啟動射流泵，吸水時限設定為3 min。超出時限后，DCS主站啟動真空泵，打開真空泵主管路球閥，同時啟動此臺泵2套吸水系統，水泵負壓傳感器顯示壓力值≤-0.06 MPa，且水流傳感器監測到吸水管有水時，由DCS主站給DCS分站發出指令啟動水泵，如果是單泵自動運行模式下，可由DCS分站自行發出指令啟動水泵。在正常水位時，由DCS主站給DCS分站發出指令，各臺水泵能自動輪換灌滿水，最大涌水及突出涌水時，同時開啟可運行最高臺數的水泵，做到“零耗時啟泵”，最大限度地減小災害時間。水泵控制系統能迅速給調度中心發出災害報警，通過遠程電力調度切斷水泵配電系統中除排水以外負荷，做到一切為救災讓路。

3.2 遠程控制方式

操作人員可在地面調度中心工控機組態畫面中遠程控制水泵機組的啟停。井下DCS接收指令后，按照程序首先打開吸水管球閥，進行水泵吸水。再打開排水管閘閥，并啟動水泵后，關閉吸水管球閥，完成水泵機組啟動。

4 結語

射流泵與真空泵組合吸水系統最大程度縮減了水泵吸水的時間，雙吸水系統互為備用，確保吸水系統安全可靠。水泵自動化吸水系統以DCS為核心，使用主站、分站的分散式控制方式，更能凸顯DCS系統的優勢，DCS系統更擅長過程自動化控制，處理模擬量能力強且聯網功能強大，在主排水系統中使用更具優勢。射流泵與真空泵組合吸水系統從硬件到控制系統均有突破，井下排水系統安全系數和效率均得到提高，值得推廣。