煤矿井下自动排水系统的节能优化

常 青

（山西潞安矿业（集团）有限责任公司五阳煤矿，山西长治 046205）

随着煤炭的大量开采和开采技术的不断进步，现代煤炭矿井的深度不断增加，因此井下安全排水工作的重要性日益突出。各煤矿企业均在井下设置了大量的排水设备，以确保井下生产的安全［1]。但目前大多数排水设备自动化程度低，缺乏联动运行机制，检修、监测和控制完全依赖于人工；运行时同时开机或者同时关机，耗电量大，对应急透水事故的反应速度慢，已经越来越不能适应井下机械设备自动化、智能化、节能化的发展要求，迫切需要建立一个自动化程度较高的煤矿井下排水控制系统，实现对各排水装置的联动控制；同时还要对控制方式进行优化，降低排水系统的电耗，提高排水系统的使用寿命和工作可靠性。

1 煤矿井下自动排水系统整体结构

新建立的煤矿井下自动排水系统主要包括井下泵房自动控制单元和地面监测控制中心。井下泵房自动控制单元主要由综合控制箱、离心泵及各类传感器组成，主要用于对煤矿井下各排水装置的监测和控制。地面监测控制中心主要包括工业计算机设备、显示器设备及操作控制设备，能够实时显示该自动排水系统中各排水设备的运行情况和积水区域的水位情况，主要用于监测、控制及终端数据的采集。煤矿井下自动排水系统的整体结构如图1所示。

图1 煤矿井下自动排水系统整体结构示意

2 煤矿井下自动排水系统控制结构

煤矿井下自动排水控制系统采用PLC作为中央控制处理器，利用IP／TCP网络标准通信协议，实现井下控制单元与PLC、地面监测控制中心的信息传输［2]，其控制结构如图2所示。

在该自动控制系统中，由PLC中央控制处理器完成对各排水系统工作信息数据的监测和采集。首先由设置在井下积水区域的液位传感器对积水区域的水位变化情况进行实时监测，然后将监测到的水位变化信号通过变送器转化为电信号，以模拟量数字信号和开关量数字信号的方式传送到PLC。设置在排水装置上的电流、电压传感器和温度传感器等采集排水装置工作电机的温升、电流、电压信号并以模拟量的形式传递给PLC。系统通过设置在排水装置出水口处的流量传感器监测水泵排出的水量，并以数据通讯的方式把数据信息传递到PLC。因各类传感器设备监测的数据信号为整个控制系统可靠运行的关键，因此一方面要求使用可靠性高、精密度高、使用寿命长的传感器设备，另一方面为确保各类数据传输的及时性和准确性，经实际测试，将系统的数据刷新周期设置为小于1 s。

图2 煤矿井下自动排水系统控制结构示意

系统对水泵的控制方式包括远程自动、远程手动、就地自动和就地手动4种模式［3]。

在远程自动控制模式下，系统根据已编写好的逻辑控制程序，自动控制水泵的启停。对水泵的工作时间进行合理调节，根据液位传感器采集到的积水区域水位变化情况，自动判断是否需要启动排水及需要启动的水泵数量和水泵编号。当水位突然增加，超过最大警戒标准时，自动控制排水系统进行强排水作业。PLC控制系统对水泵的运行情况进行实时监测，当出现故障时及时报警并按控制逻辑进行处理。

在远程手动控制模式下，系统仅控制完成排水装置电机的开关。而排水装置的启动或者停止是通过控制人员在井上控制中心根据井下积水区域的水位情况确定开启的排水装置数量和编号。

在就地自动控制模式下，在井下操作控制中心，操作人员根据积水区域的水位实际情况，通过综合控制箱上的水泵启、停按钮对排水装置进行控制。

在就地手动控制模式下，在井下操作控制中心，操作人员根据积水区域的水位实际情况，通过综合控制箱上的开关按钮对排水装置进行启动和停止操作，同时根据排水流程，按照控制顺序完成对闸阀、水泵电机的手动操作，完成排水。

3 自动排水系统 “避峰就谷”控制的实现

为了实现节能，在排水自动控制系统中设置了 “避峰就谷”的排水控制模式。在该控制程序设计时，将积水区域的水位分为6个警戒点，共7个液位区段，最低处为1号警戒点，6号警戒点为极限水位。当系统在正常工作时，积水区域的水位应保持在1～5警戒点之间。液位在不同的警戒点对应不同的同时启动的排水装置数量。根据控制系统的要求，计算出每一个水位区段水位上升的平均速度，然后得出这7个水位区段的平均的水位上升速度，将这个数据寄存在寄存器中，作为积水区域水位的评估数据。同时在此程序中建立涌水速率数据库，设置积水区域的最大涌水速度和正常排水速度区间，然后根据记录下的每一个区间水位的上升速率，设置相应的响应逻辑，从而判断是否启动排水及需要同时启动的排水装置数量［4]。

在控制程序的具体实现上， “避峰就谷”的控制方式，需要采用PLC时钟控制。在PLC内部的寄存器分别对应时钟的时、分，在控制程序中设置 “峰段”、“谷段”、“平段”，每个区段对应具体的时间，在系统设计时将各段的对应时间分别设置在寄存器中，这样在实际生产中，控制系统就自动控制排水装置在对应的时间进行排水作业。为了确保煤矿井下的作业安全，当积水区域的液位超过6警戒点时，不管此时是何种状态，系统都会控制排水系统进行强排水作业。

4 节能效果分析

为了验证该自动排水系统的节能效果，在2019年6月3日全天对不同机组在相同工况下的能耗情况进行了对比分析，结果见图3。

图3 不同控制方式下的能耗对比

由图3实际监测结果可知，原始水泵机组当天的总能耗约为37440 W，采用自动排水控制系统后的水泵机组当日总能耗约为17720 W，比优化前降低了约52.7%，节能效果显著。

5 结 论

通过对当前井下排水系统的监测、控制方式存在的缺点分析，根据煤矿井下排水设备自动化、节能化发展趋势的要求，提出了一种新的煤矿井下自动排水控制系统，并对该自动化排水系统的整体结构、自动控制系统及 “避峰就谷”控制的实现方式进行了详细论述。通过分析可知，该井下自动排水控制系统不仅极大地提升了井下排水系统的自动化、智能化程度，大幅提高了井下排水控制系统控制的准确性、及时性，同时通过应用 “避峰就谷”控制逻辑，实现了井下排水系统的节能运行，极大地提升了煤炭生产企业的经济效益。