礦井主排水泵性能自動測試系統設計研究

黃玨

（安徽礦安檢測技術服務有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引言

主排水泵作為井下主要排水裝置，保證其長期穩定、高效的運行對井下開采工作有著重要的意義。目前國內部分煤礦井下主排水泵站建設時間較早，未進行升級改造，主要依賴人工對其進行記錄和檢查，存在著效率低、耗時長的缺點，即使是部分新建泵站的測試系統也存在自動化程度低、功能不完善、測試精度達不到國家標準要求等問題，影響了主排水系統工作的可靠性和經濟性。鑒于上述問題，結合國內某煤礦主排水系統實際，本文對井下主排水泵的自動測試系統提出了改造設計方案[1]。

1 主排水泵的性能測試原理及方法

主排水泵的性能測試主要是對水泵進行性能實驗和汽蝕實驗，檢測水泵在運行過程中的性能參數和運行穩定性。

性能實驗是對水泵的主要性能參數進行測定，每組測試數據（入口壓力、出口壓力、溫度、水泵流量、扭矩轉速等）都應在水泵穩定運行時采集，測試范圍從水泵最小流量到最大流量的1.15倍，并根據實測數據，計算水泵性能指標參數，繪制水泵流量-揚程、流量-軸功率以及流量-效率曲線。

汽蝕實驗是通過確定水泵的臨界汽蝕余量和水泵流量之間的關系，進行汽蝕參數的測定，以確定其是否滿足水泵運行設計要求。水泵汽蝕是指水泵在運行過程中，出現水泵內部壓力小于水的飽和蒸汽壓時，會出現大量的汽泡，汽泡在隨著泵內水體進入到高壓區時會產生破裂，導致泵內壓力不足和流量減少的情況產生，同時伴隨著較大的噪聲和振動，影響到水泵的正常運行。測試系統通過在一定的流量下采集計算不同入口壓力下的各參數值，根據揚程、效率下降的趨勢，判斷氣蝕點[2]。

2 主排水泵自動測試系統改造設計方案

2.1 總體目標

主排水泵自動測試系統實現以下主要功能：

（1）能自動完成水泵系統的水泵性能實驗和水泵汽蝕實驗；

（2）系統測試參數能滿足國家標準中的2級精度等級要求；

（3）實現測試過程中的原始數據的存儲、性能參數計算、歷史數據記錄以及水泵相關性能參數曲線的自動繪制、打印等功能；

（4）實現水泵流量等指標的自動調節功能。

系統自動測試獲取水泵的進出口壓力、水泵流量、電機轉速、扭矩、調節閥開閉程度、水泵揚程等參數，其中通過傳感器進行采集的數據如進出口水壓、電機轉速、水泵流量以及調節閥開閉程度等作為原始數據進行記錄，揚程、軸功率和效率等通過原始數據進行處理計算得到。

2.2 設計方案

按照主排水泵自動測試系統的總體目標要求，所設計的系統由信號采集、下位機處理、上位機處理以及系統顯示模塊組成。信號采集模塊完成對主排水泵的進出口水壓、電機轉速、水泵流量以及調節閥開閉程度等參數的采集，再將測量信號轉換成電信號，傳輸到PLC下位機。下位機處理模塊作為整個系統的主控制裝置，實現對數據的接收、處理和上傳。工控計算機作為上位機處理模塊實現人機之間的交互，工作人員通過對系統界面的操作來實現對主排水泵的控制以及數據的查詢、打印等。井下主排水泵自動測試系統的總體結構圖如下圖1所示。

3 測試系統硬件設計

主排水泵自動測試系統硬件主要由各類傳感器、數據采集卡、工控計算機、操作臺、顯示器、電動按鈕和打印機等組成。傳感器數據采集信號分為3類，扭矩轉速、流量傳感器輸出脈沖頻率信號，溫度傳感器輸出電阻信號，壓力變送器輸出電流信號，各類傳感器均采用抗干擾性能強的電源供電并使用光耦傳輸。利用電動閘閥來調節水泵流量大小，由電位器輸出4～20mA的標準電流閥口開閉信號[3]。

3.1 傳感器的選型

（1）壓力傳感器選型

主排水泵的進出口水壓測量采用壓力變送器完成，由于井下特殊的防爆使用環境，分別采用LED-900A和HX-L61D型號壓力變送器，兩種型號的主要參數如下表1所示。兩種壓力變送器可安裝在主排水泵管道或接口法蘭處。

表1 壓力變送器的主要參數

（2）流量傳感器選型

主排水泵自動測試系統流量的測量通過流量傳感器來完成，流量傳感器選用LW型渦輪式流量傳感器，其主要參數如下表2所示。在進行流量傳感器的安裝時需注意傳感器上游直管的長度需要大于20倍的管道直徑，流量傳感器的下游直段的安裝長度需要大于管道直徑的5倍。

表2 流量傳感器的主要參數

（3）扭矩轉速測量儀選型

主排水泵自動測試系統對電機的轉速和扭矩進行測量，選用JN338-5000A以及JN338-30000A的扭矩轉速測量儀。當對高壓水泵進行測試時選用量程較大的JN338-30000A測量儀，常壓水泵選用JN338-5000A測量儀。

（4）溫度傳感器選型

室溫和水溫測量分別選用XMZ-102和XMZ-8000型號溫度測量儀，其主要的工作部件是PT100鉑電阻，并且具有很好的防潮、防震、防干擾性能，適合在井下水泵房工作。

3.2 信號的采集與處理

數據采集卡選用PCI-1711來進行接收，所有數據采集均接到該裝置上，實現整個系統的數據采集工作。信號采集框圖如下圖2所示。

4 測試系統軟件設計

4.1 功能目標

主排水泵測試系統軟件部分需要實現報警、水泵性能曲線自動實時繪制、氣蝕曲線繪制、歷史數據查詢以及報表生成打印等功能。系統應功能完善、操作簡單。

4.2 組織架構設計

軟件系統主要由參數設置、數據采集、數據計算、曲線繪制打印、記錄查詢等模塊組成。工作人員可以根據主排水系統水泵型號規格結合水倉蓄水量設置測試參數和范圍，自動控制電動調節閘閥完成多工況測試數據的采集，利用內嵌Visual Basic軟件對采集到的單點水泵性能測試數據進行曲線擬合并生成可調用的執行文件，同時在系統主界面可以進行采集數據、清空數據、查看曲線、查詢歷史數據、打印曲線報表等功能[4-5]。

5 結語

井下主排水泵作為保證礦井安全生產的主要固定設備，其安全穩定運行對井下的正常工作開展具有重要的作用。本文以現有煤礦井下主排水泵自動測試系統為基礎，闡述了水泵的性能試驗和汽蝕試驗原理，提出了測試系統改造設計方案。對主排水泵自動測試系統的硬件配置進行設計，對信號采集模塊的壓力、流量、扭矩轉速和溫度傳感器等進行選型，設計了信號采集處理模塊。對主排水泵自動測試系統的軟件功能目標進行分析，設計了軟件組織架構，實現了整個井下主排水泵自動測試系統硬件和軟件的統一。該系統能夠有效地對主排水泵性能參數包括進出口壓力、流量等參數進行監測，實現對原始數據的自動實時處理、數據的存儲和查詢等功能，有助于提升煤礦井下主排水泵性能測試效率。