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矿井排水系统节能控制系统探讨
论文类别:专家论文
作 者:佚名
所在地区:矿井排水系统节能控制系统探讨
下载次数:114
摘 要:
    摘要:针对传统排水系统排水量控制时能耗较大且自动化程度低的问题,文章根据工作面涌水量特点为其配置能力相符的水泵和电机,并基于PLC控制器和变频器实现对排水系统的自动化变频控制,从而实现排水系统的节能控制。
    关键词:排水系统;PLC控制器;变频器;水泵;节能控制
    排水系统是煤矿安全生产的基础,为了保证排水系统能够满足煤矿正常生产时的最大排水量,排水系统各个设备、分系统的选型结果均留有较大的裕量。受到季节性的影响,工作面涌水量是处于动态变化的,以往排水系统通过改变阀门的开口大小实现对排水量的调节,此方法增加了排水管道的管道阻力,增加了排水系统电机的功率,从而增加了系统的能耗。为降低矿井排水系统的能耗,本文将设计一款适用于排水系统的节能控制系统,具体阐述如下。
    1节能控制系统的总体设计
    基于对传统排水系统在实际工作中导致能耗增大的问题进行研究,可从如下几个方面实现对矿井节能排水控制系统的设计。(1)对矿井排水系统的水泵及其电机进行重新选型设计,要求水泵及电机满足工作面涌水量及时排水的标准即可。(2)要求控制系统能够实时监测工作面的涌水量和排水系统的实时排水能力,并对涌水量和排水能力进行对比分析,即需为排水系统配置对应的监控系统。(3)对以往排水系统调节阀口大小改变排水量的调节方式,避免由于管路阻力增大而导致增加水泵电机的能耗。故采用水泵电机的变频调速方式实现对水泵排水能力的实时控制。
    2排水系统设备的选型设计
    (1)工作面排水设备的选型。设计依据:煤矿开采深度为536m;一般情况下工作面的正常涌水量qz=550m3/h,最大涌水量qmax=1000m3/h;矿井的产量Q=5×106t/年。(2)水泵的选型计算。根据矿井工作面的正常涌水量和最大涌水量,得出水泵的正常排水能力和最大排水能力分别为:Qz=1.2qz=660m3/h;Qmax=1.2qmax=1200m3/h。式中,QZ为正常排水量;Qmax为最大排水量。扬程作为水泵选型的关键指标,所需水泵的扬程计算如下:HB=(H1+H2+H3)/η。式中,H1为本矿井的开采深度,取H1=536m;H2为井底车场与最低吸水面标高差,取H2=4m;H3为排水管高处井口的高度,取H3=1m;η为管路效率,取η=0.9-0.89。经计算可知,所需水泵的扬程HB=601.1~607.9m。经调研,所选水泵的型号为D450-60×9。当在正常涌水工况时,所需水泵的数量为660/450=1.47,即需要水泵的数量为2个;当在最大涌水工况时,所需水泵的数量为1200/450=2.7,即所需水泵的数量为3个。综上所述,根据“三用一备”的原则,为该工作面配置要4台水泵。(3)电机的选型计算。电机作为处理水泵的核心设备,其选型的依据为容量。式中,Nd为电机容量;k为富裕系数,k的取值如表1所示;ρ为工作面积水的密度,H为水泵工况的扬程,取Q=571.5m;Q为工作面的涌水量,取Q=406.8m3/h;η为水泵工况效率,取η=0.78;ηc为传动效率,取ηc=0.98。经计算可得,所需电机的容量为929.6kW。经查阅手册,所选电机的型号JSQ-151,该电机的额定容量为1050kW。
    3排水系统监测控制的设计
    矿井排水监测控制系统要求能够实时对工作面水仓内各项参数、水泵运行状态及水泵电机轴承温度等参数进行实时监测,并根据监测结果基于PLC控制器进行控制,同时将监测结果通过上位机实时显示并存储于上位机。根据上述控制需求为排水监测系统配置地面监控主站、PLC控制层以及数据采集层三个层次。(1)数据采集层功能的实现。数据采集层的主要功能是工作面设备各项参数指标的实时监测。因此,需根据排水监测系统的监测项目,为其配置对应的传感器等器件,关键传感器的选型如表2所示。(2)PLC控制层。根据节能排水系统的控制需求,要求PLC控制器能够实现与数据采集层和地面监控主站之间进行数据通信。因此,要求所选型PLC控制器具备模拟量输入模块(实现水泵及其电机各项运行参数的传输)、数字量输入模块(电动阀的启停控制、水泵启停反馈信号的传输)以及数字量输出模块(对水泵电机、电机轴承温度的过保护以及故障报警等)。结合所需控制的数字量和模拟量,为节能排水系统配置S7-300系列的PLC315-2PN/DN的控制器,并为其扩展四个SM321数字量输入模块,两块SM322数字量输出模块和两块SM331模拟量输入模块。(3)地面监控界面功能的实现。地面监控界面主要是对水泵及电机等运行参数的显示和存储,并对设备运行故障进行报警的功能。地面监控界面如图1所示。
    4变频调速功能的实现
    变频调速是实现矿井排水系统节能控制的核心技术。变频调速系统基于PLC控制器对水泵电机供电频率的控制实现对电机转速的调节,从而实现对水泵排水能力的控制。变频器选型时综合考虑水泵的负载特性,根据水泵及电机的选型结果,通过相关计算完成变频器输出电流和功率的计算,从而完成变频器的选型。此外,要求所选型变频器具备转矩提升功能、频率设定功能、防失速功能以及减少机械冲击和振动功能。综合上述要求,所选型变频器的关键参数如表3所示。经实践表明,采用上述变频调速技术+PLC控制技术实现对排水系统的节能控制后,排水系统每月用电量为230万元,较之前所采用人工手动控制阀门每月的用电量节省约20万元,每年节省约240万元。
    5结语
    矿井排水系统保证工作面涌水量满足《煤炭安全规程》相关标准要求的关键系统,在当前“节能减排”要求的号召下,实现排水系统的节能控制尤为重要。经研究,可从如下几方面实现对排水系统的节能控制:(1)根据工作面涌水情况配置能力相符的排水设备及电机,具体水泵型号为D450-60×9、水泵电机型号为:JSQ-151。(2)将PLC控制技术与变频技术相结合实现排水系统的自动化变频节能控制。’
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