巴拉素煤礦水平衡智能監測系統的設計與實現

張乘風，崔東鋒，肖 松，郭中權，李鵬翔，洪 飛

(1. 陜西延長石油巴拉素煤業有限公司，陜西 榆林 719000；2. 中煤科工集團杭州研究院有限公司，浙江 杭州 311201)

0 引 言

煤炭企業在生產過程中，需要大量的水資源作為生產用水和生活用水。我國大多數煤礦地處北方地區，水資源更加匱乏。然而在煤炭開采過程中會排放大量的礦井水，礦井水作為非常規水資源，對其進行處理利用，既可以解決煤礦的用水問題，也可以減少廢水的外排量。一般可以將煤炭企業作為一個獨立的用水系統，對其開展水平衡監測，從而全面掌握企業取水、用水及排水等情況。水平衡是指在一個確定的用水單元內，輸入水量和輸出水量之間遵守物質守恒定律和能量守恒定律，各種水量之間存在著平衡關系[1-4]。

目前，大多數煤礦的水資源系統采用人工報表的形式對取水、用水及排水等數據信息進行記錄，且報表是以日報表和月報表為主，對水資源系統異常情況的反饋具有很大的滯后性，水平衡分析及運行調度以人工經驗為主，無法及時對水資源系統的平衡問題進行有效的預警，不能形成全礦區統一的協調機制。

因此，通過對巴拉素煤礦水資源系統的研究和分析，構建了一套水平衡智能監測系統，用于對巴拉素煤礦的水資源平衡狀態進行實時監測和管理。

1 巴拉素煤礦水資源系統

通過對巴拉素煤礦的取水、用水、排水和水處理等系統進行梳理，全礦區的用水系統包括生產用水和生活用水兩部分。生產用水按用途和工藝流程劃分主要有煤礦井下生產用水、地面生產用水。生產用水的所有來源均為凈化處理或深度處理后的礦井水，其中礦井水凈化處理工藝為預沉調節+重介速沉+高效澄清+過濾，礦井水深度處理工藝為自清洗過濾+一級超濾+一級反滲透+二級高效沉淀+多介質過濾+離子交換+二級反滲透+蒸發結晶。

井下生產用水包括綜采、綜掘工作面防塵灑水、設備冷卻用水、巷道降塵噴霧用水、噴漿、注漿用水等。地面生產用水包括選煤廠用水、消防用水、鍋爐房用水、制冷站用水、風機房用水等。

生活用水系統包括行政辦公樓、各區隊辦公樓、職工公寓、食堂、浴室等。其水源包括臨時水源和永久水源，臨時水源采用自備水源井的方式獲取地下水，永久水源采用經過反滲透處理后的礦井水，其中臨時水源在礦井正常生產后將關閉。生活用水除少量消耗外，產生的污水排至生活污水處理系統。生活污水處理系統采用沉沙調節+ICEAS生化反應+化學沉淀+過濾的處理工藝，處理后的中水作為煤礦綠化用水和井下黃泥灌漿用水。

巴拉素煤礦水資源利用圖如圖1所示。

圖1 巴拉素煤礦水資源利用圖Fig.1 Water resources utilization of Balasu Coal Mine

2 水平衡監測系統的需求分析

根據巴拉素煤礦水資源系統的實際情況，結合水平衡分析的一般要求，對巴拉素煤礦水平衡智能監測系統的需求進行了分析，主要包括以下幾個方面。

2.1 管網數據的實時采集與存儲

對礦區取水、供水、排水及水處理所有主要管網進行流量監測，具有瞬時流量和累積流量監測功能；對采集到的實時數據和歷史數據進行存儲，形成數據庫，以備隨時進行處理和查詢，并開放數據接口，為上層數據分析應用提供數據源。

2.2 水資源系統信息的統計分析

系統可以將采集到的數據通過可視化的方式進行展示，將數字變成形象的圖像，將儀表數據從“數字孤島”變為一個智能管理網絡中的智能節點，包括時間分布狀況和空間分布狀況，提供各類日報、月報和年報等歷史報表、曲線圖、直方圖、趨勢圖等。

2.3 水資源系統的預測預警

構建水資源系統的預測模型和預警模型，對礦區的取水、用水等趨勢進行預測分析；對管網異常情況自動發出預警信號；系統允許用戶制定自定義的信號預警閾值。

2.4 水平衡在線動態分析

通過構建水平衡分析模型，結合實時監測數據和歷史數據，進行在線實時水平衡分析和歷史水平衡分析，根據分析結果，為上層決策者提供多角度、可選擇的水資源配置、調度方案。

3 水平衡監測點位的布設

結合《企業水平衡測試通則》(GB/T 12452—2008)，將巴拉素煤礦供水水源(水源井和礦井涌水)作為一級體系，礦區內各用水單元作為二級體系。根據《用水單位水計量器具配備和管理通則》(GB 2478—2009)的規定，巴拉素煤礦水平衡在線監測儀表的具體點位布設見表1，其一級水和二級水計量設施的安裝率和計量率均達到100%。

4 智能監測系統的設計

根據上述分析的水平衡監測系統功能需求和監測點位的布置，智能監測系統融合物聯網、大數據、云平臺等新一代技術，構建了一套前后端分離的智能化監測系統，實現水資源系統數據的采集、存儲、分析和應用。

4.1 總體設計

水平衡智能監測系統采用分層技術架構，主要由采集層、傳輸層、應用層3部分組成。采集層通過現代感知技術，運用監測儀表獲取管路上的流量、壓力和水質等信息，完成底層信息數據的感

表1 水平衡在線監測點位表

知匯聚；傳輸層利用網絡技術、通信技術傳輸匯聚信息；應用層負責數據處理和信息發布，實現用戶接口，整體采用B/S架構，通過MySQL進行數據的存儲，根據具體工作需要，搭建業務應用功能模塊，實現智能化應用。監測系統總體架構如圖2所示。

圖2 監測系統總體架構圖Fig.2 Overall architecture of the monitoring syetem

4.2 硬件設計

硬件設備主要包括服務器、監控計算機、監測儀表、數據傳輸單元、供電單元等。

(1)服務器

服務器主要負責對現場監測層的數據進行采集、存儲與分析，指令的收發，系統信息的收集和通知。服務器采用煤礦大數據中心分配的虛擬服務器來實現。

(2)監控計算機

監控計算機作為客戶端，主要提供簡潔直觀、快捷方便的人機界面，接受用戶指令至服務器，同時從服務端接收經過分析的數據信息和報警信息提供給用戶。

(3)監測儀表

流量傳感器選擇超聲波流量計，外加式安裝方式，實現流量非接觸式測量，實時對監測點的瞬時流量和累積流量進行監測。壓力傳感器選擇智能壓力變送器。水質傳感器包括pH、電導率、余氯等。上述各傳感器均同時具有模擬量4～20 mA信號輸出和采用MODBUS協議的串行通訊接口。

(4)無線數據傳輸單元

由于水平衡監測點位于礦區不同的位置，其分布非常分散，如果采用有線方式，需要敷設大量的電纜，或穿管埋地敷設或電纜橋架架空敷設，其工程量和施工難度都較大，因此采用無線通訊技術來實現數據的遠程傳輸。無線數據傳輸單元選用具有4G/5G/WIFI通訊功能的數據采集終端，數據采集終端與監測儀表采用有線通訊方式，與服務器采用無線通訊方式。

(5)供電單元

水平衡監測點位的供電主要取自附近的各建筑物或構筑物，以及路邊的路燈控制箱等。對部分供電線路敷設難度大的點位采用太陽能供電，解決傳感器和數據傳輸設備的供電問題。單個太陽能供電單元主要包括太陽能電池板、控制器、蓄電池等。根據監測點位的用電需求，單個監測節點配置1臺直流12 V、容量為50 Ah鋰電池的太陽能供電單元，可以保證單個監測節點在負載功率≤5 W的條件下連續工作5～10 d。

4.3 軟件設計

軟件設計主要是根據系統實現的功能設計不同的軟件功能模塊，主要軟件功能模塊包括以下幾個部分[5-7]。

(1)綜合展示模塊

以礦區管網圖為基礎，直觀的展現水平衡各監測點位的安裝位置、設備在線情況、實時數據等信息，對礦區的取水、用水和排水等信息進行展示，實時掌握企業水資源情況。

(2)數據實時監測模塊

對各終端監測模塊的在線情況、數據采集情況進行實時監視，直觀展示各監測點位的運行狀態，以多行列表和塊狀圖的形式進行展示，包括測點名稱、編號、無線通訊識別碼、數據更新時間、瞬時值、累計值、設備狀態等信息。

(3)數據統計及報表模塊

表格類：對各用水單元的用水量按照分鐘為單位展示其實時用水量，以日為單位進行查詢。形成表格類日報表、月報表和年報表，從而可以掌握各個用水單元的具體用水情況。

圖形類：為了直觀展現各用水單元的用水峰值、谷值及變化趨勢，對各用水單元的用水量按照時間形成小時、日、月、年用水量的折線圖和柱狀圖；對同一用水單元繪制日用水量和月用水量環比折線圖。

(4)用水指標分析模塊

根據企業的產量，人均用水定額等指標對用水情況進行分析，提升用水的精細化管理水平。

(5)預警模塊

閾值預警(異常用水預警)：結合各用水單元的用水量定額和長期累積日均用水量的均值，對各用水單元的水量超限設置閾值，當出現用水量大于消耗均值時，通過水壓和流量數據的分析，快速判斷用水量是否發生異常，若出現異常則緊急預警，提醒相關技術人員，并通過傳感器的安裝位置進行定位，展示異常位置的方位和編號，例如管路漏損嚴重或爆管等情況。

趨勢預警：當某個用水單元的用水量逐漸增加時，只有當用水總量超過報警閾值時，才會發出報警，導致處理故障的時間緊迫，因此，針對該種情況，采用趨勢預警的方式，通過對用水量數據的變化趨勢進行直線擬合，確定其變化的斜率。同時結合歷史極限斜率，進行對比分析，當斜率超過一定的范圍時，對該用水單元的用水量發出預警，從而實現異常情況的提前預警，為處理故障預留更多的時間。

(6)水平衡分析模塊

通過篩選某個時間段的所有取水、用水和排水數據信息，依據水量分配、單位產煤耗水量、生活用水定額標準等，系統可自動生成水平衡分析結果。

5 結 語

通過對全礦區水資源信息的梳理，重點分析了取水、用水和排水等系統的工藝環節，構建了基于物聯網的全流程一體化水資源平衡監控體系，實現了水資源系統關鍵數據信息的集中展示、運行監控、數據分析、預測預警等，使水資源系統的生產數據在水平衡管理方面得到了充分的利用，為實時掌握礦區水平衡變化情況和輔助決策提供了技術支撐。