煤矿深井多水平恒压供水系统的研究与应用_2.pdf

收稿日期2019 -09 -25 作者简介刘文峰,男,山东省泰安市肥城市人,本科,助理工程 师,研究方向为煤矿井下恒压供水系统方面。 煤矿深井多水平恒压供水系统的研究与应用 刘文峰1,孟祥忠2 1. 内蒙古黄陶勒盖煤炭有限责任公司巴彦高勒煤矿,内蒙古 鄂尔多斯 017313; 2. 青岛科技大学 自动化与电子工程学院,山东 青岛 266100 摘要针对传统的煤矿井下供水系统存在的供水压力过高以及减压阀损耗较大且容易损坏等 问题,该文开发设计了一套煤矿千米深井多水平恒压供水系统。 该系统采用西门子 PLC 作为整个 控制系统的核心,可编程控制器将各传感器采集到的实时信息通过工业以太网传输到地面监控中 心上位机,同时实时对信息进行处理后发出控制命令,对系统进行实时控制,实现了恒压供水系统 运行参数的在线监测和远程控制,节省了人力、物力,提高了煤矿的经济效益。 关键词煤矿;恒压供水;PLC;自动化;MCGS 中图分类号TP273 文献标识码A 文章编号1000 -0682202004 -0025 -04 Research and application of kilometer deep well constant pressure water supply system LIU Wenfeng1,MENG Xiangzhong2 1. Inner Mongolia Huangtao Legai Coal Co., Ltd. - Bayan Guller Coal Mine, Inner Mongolia Erdos 017313, China; 2. College of Automation and Electronic Engineering, Qingdao University of Science and Technology,Shandong Qingdao 266100, China AbstractIn order to solve the problems such as the high water supply pressure in the traditional coal mine underground water supply system and the large loss of the pressure reducing valve, a set of multi - level constant pressure water supply system for deep wells in coal mines was developed and designed. The system uses Siemens PLC as the core of the entire control system. The programmable controller transmits the real - time ination collected by each sensor to the ground monitoring center host computer through the industrial Ethernet. At the same time, the control ination is sent after the real - time ination is processed. The quantity is controlled in real time and the on - line monitoring and remote control of the operating parameters of the constant pressure water supply system are realized. Save manpower and material resources, improve the economic benefits of coal mines. Keywordscoal mine; constant pressure water supply; PLC; automation; MCGS 0 引言 煤矿井下供水系统是井下安全生产活动所必须 具备的生命系统。 不论采掘生产活动,还是矿井 “一通三防” [1],都需要具备足够流量和压力的水源 支持,达不到要求,不仅影响井下安全生产,还会带 来非常重大的安全隐患问题。 满足煤矿供水需求, 提高井下供水系统安全可靠运行,是煤矿安全生产 必须解决的问题。 煤矿井下供水系统的水源一般来 自于地面水源井,供水管路以静压自流的方式与井 下供水管网相联,中间用减压阀减压。 煤矿最深可 达 1 km,由于水的静压,不同层高的采区水压差很 大,其结果是有的地方供水不足,有的地方水压过 高。 然而矿井井下生产活动由于所处地点不同,作 业方式不同,用水量不同,水压要求不同,其用水量 凹凸期很难确定,这给井下供水系统的稳定性带来 较大困难。 生产实践经验表明,供水管路的压力超 高或较低都会引发各类事故的发生。 该文开展千米 深井多水平恒压供水智能控制技术研究,采用智能 传感技术、通信技术和混杂控制技术,研制出一套深 井多水平恒压供水新型智能控制系统,使各水平的 水压稳定控制在 4 MPa 左右,提高了煤矿供水的稳 定性和效率[2]。 该研究对于节约水资源、提高供水 安全等具有十分重要的意义。 522020 年第 4 期 工业仪表与自动化装置 1 恒压供水系统总体设计方案 根据该矿实地状况以及以往类似供水项目的经 验,该文提出了在供水管路中途设置稳压水箱和电 动调节阀的方法,调节管路中水压,达到恒压供水的 目标。 同时当井下出现断电的情况时,利用断电应 急处理与控制子系统实现矿井的安全用水。 1. 1 供水管路的沿程损失计算 根据现场考察调研,该矿的供水管道为铸铁管 道,直径 d 156 mm,管道的粗糙度 σ 0. 2 mm,煤 矿的用水量约 120 m3/ h,管网的总长度约 1. 2 km。 假设日常运行中管路中间没有局部阻力件,可以求 得供水管路的沿程损失。 流量为 v Q πr2 120 3600 3. 14 0. 0782 1. 744 9 m/ s 1 雷诺数为 Re vd γ 1. 744 9 0. 156 1. 79 10 -6 152 0692 所以符合水力光滑区的条件为 105 Re 106。 采用布拉休斯公式 λ 0. 012 5,沿程阻力损失 为 hf λ lv2 2dg 14. 94 m 。 由于矿井深度可达 600 m 以上,根据以上计算 可得沿程的阻力损失总共约为 14. 94 m,所以沿程 阻力造成的损失可以忽略不计。 1. 2 恒压供水方案设计 该矿共有 3 个水平,分别是 3 -1 煤层,4 -1 煤 层,5 -1 煤层。 全矿的供水来自 3 - 1 煤层的稳压 水箱 1,压力 4 MPa,6 寸管路向井下各个水平分别 供水,系统通过增设稳压水箱和电动调节阀的方式 来控制供水压力。 系统总体设计方案如图 1 所示。 图 1 恒压供水系统设计方案图 水箱系统的设计方案如图 2 所示。 图 2 稳压水箱系统设计方案图 煤矿的供水水源位于地面水源井,压力为4 MPa。 从 1271 660 m 水的静压力约为 6. 1 MPa,所以 在3 -1 煤层水的压力已达到4 MPa 以上,需要减压。 根据现场的考察此部分压力超标比较小,而且设置 水箱的难度比较大,所以采用中途设置电动调节阀 来调节压力,使 3 -1 煤层水压稳定到 4 MPa 以下。 在 3 -1 煤层水平设置恒压供水处理站,设置水 箱 1,可以在保证供水流量的前提下,保持 3 - 1 煤 层水压稳定,使水压稳定在 4 MPa。 在后续水平设 置水箱 2,可以保证后续水平供水水压稳定。 当系统正常运行的时候,闸阀 R3,R7关闭,闸阀 R1,R4,R5,R8打开,电动调节阀 R2,R6根据水箱水 位自动调节。 水流通过主管道途径 R1,R2流到水箱 1,从水箱 1 流出途径 R4回到主管路,从主管道途径 R5,R6流到水箱 2,从水箱 2 流出途径 R8回到主管 路。 上述过程为该方案运行时水流的路径。 R1,R3,R4,R5,R7,R8为闸阀;R2,R6为电动调节 阀;R9为气动调节阀。 水箱 1、水箱 2 都留有排气 孔,保证水箱内外气压平衡。 当供水系统出现故障时,可以启动备用方案,以 保证煤矿的供水。 此时闸门 R3,R7打开,闸门 R1, R2,R4,R5,R6,R8关闭,通过主管道向综采作业面供 水,不经过水箱。 62工业仪表与自动化装置 2020 年第 4 期 2 自动化监控系统硬件组成 2. 1 系统主要装置及结构方案 自动化监控系统主要由现场信号采集设备、西 门子 PLC、以太网交换机、以太环网和上位机组 成[3]。 压力、液位、流量等传感器采集到的信号传 输到井下监控分站,然后通过以太网交换机进入井 下以太网,经由以太环网[4]传输至监控中心上位 机。 采用 MCGS 作为上位机组态软件,传输至上位 机中的信号通过 MCGS 界面的工艺流程图进行实时 显示。 同时 PLC 接收上位机发出的控制命令,对系 统开关量进行开停控制。 煤矿千米深井多水平恒压 供水系统硬件结构如图 3 所示。 2. 2 系统主要装置设计 2. 2. 1 西门子 PLC 及矿用控制柜 由于 PLC 具有结构灵活、可靠性高、编程简单、 耗电量小、功能强大和设计周期短等特点[5],并且 非常适合井下恶劣的生产环境,因此选用矿用 PLC 控制柜作为整个控制系统的核心部件,系统所用的 PLC 为西门子公司的 S7 -200。 矿用控制柜的基本 构成框图如图 4 所示。 图 3 多水平恒压供水监控系统硬件结构图 图 4 控制柜的基本构成框图 控制柜内的 PLC 对整个系统进行管理,通过 PLC 的输入模块采集压力、液位、流量等传感器的实 时信号并传输到地面监控中心上位机进行显示,同 时 PLC 根据液位的高低和流量的大小对电动调节 阀的开度大小进行控制。 当稳压水箱的液位达到高 警戒水位时,电动调节阀关到位;当液位下降到低警 戒水位时,电动调节阀开到位[6];当液位处于高低 警戒水位之间时,为防止电动调节阀频繁动作降低 使用寿命,在高低警戒水位之间设置 4 个液位区间, 由小到大分别对应电动调节阀的 4 种开度大小,液 位区间越高,阀门开度越小,以此降低电动调节阀的 动作频率,增加其使用寿命。 2. 2. 2 液位传感器 由于煤矿井下供水系统的重要性,且液位传感 器是整个排水系统合理运行的关键所在,一旦液位 传感器失灵,监控分站和上位机软件设置都会无法 响应或产生错误控制信息[7],使相应的供水系统运 行异常,严重影响煤矿正常生产及矿下安全。 所以, 选择合适的液位传感器非常重要。 考虑到以下几个方面的内容1稳定性要好, 能够长期稳定运行;2传感器的制造成本;3稳 压水箱中水的浑浊度较高;4水池高约 1. 8 m,量 程无需太大。 综合以上条件,选用稳定性好、制造成本较低、 量程在 15 m 以内的投入使液位传感器。 投入式液 位传感器是一种测量液位的压力传感器,将传感器 的探头投入到水池中,基于所测液体静压与该液体 的高度成比例的原理,采用国外先进的隔离型扩散 722020 年第 4 期 工业仪表与自动化装置 硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器,将静压转 换为电信号,再经过温度补偿和线性修正,转化成标 准电信号[8]。 为了防止由于传感器运行异常所导致的系统 运行失常,系统设计了 2 路液位传感器,PLC 通过 对 2 路液位传感器的实时数据分析进而控制电动 调节阀的开度大小,可以防止当其中一路液位传 感器运行异常时系统运行失常的情况,并且控制 器通过数据分析后能够对上位机发送报警信息, 提醒工作人员及时更换传感器,保证系统正常 运行。 2. 2. 3 矿用电动调节阀 电动调节阀是工业自动化过程控制中的重要执 行单元仪表。 随着工业领域的自动化程度越来越 高,电动调节阀被越来越多的应用在各种工业生产 领域中,与传统的气动调节阀相比具有节能、环保、 安装快捷方便的优点。 电动调节阀由电动执行机构 和调节阀连接组合后经过机械连接装配、调试安装 构成。 其执行器内含饲服功能,接受统一的 4 20 mA或 1 5 VDC 的标准信号,将电流信号转变成 相对应的直线位移,自动地控制调节阀开度[9],达 到对管道内流体的压力、流量、温度、液位等工艺参 数的连续调节。 3 自动化监控系统软件设计 监测分站采用西门子 S7 -200 PLC 以软件编程 的方式实时采集安装于各个位置的压力传感器和流 量传感器的数据[10],配合 MCGS 嵌入版触摸屏,在 现场进行实时显示。 监控分站通过光纤进入井下工业环网,与地面 监控主机进行数据交互。 图 5 为系统软件架构示 意图。 图 5 系统软件架构示意图 系统通过设置每个传感器报警上下限,可以快速 定位故障部位,具有全方位的异常状态识别与报警保 护功能。 当水管某段管路出现跑冒滴漏故障时,对应 压力传感器的会触发系统的报警功能;当稳压水箱的 液位达到警戒水位时,对应的液位传感器会触发液位 报警功能。 控制系统具有故障显示报警功能,报警窗 口能实时的反映恒压供水系统的故障信息,监控界面 可以显示具体设备、状态参数以及报警阈值,并由此 分析出故障原因,根据具体情况采取相应措施。 系统 报警界面及报警参数设置如图6 所示。 图 6 系统报警界面及报警参数设置图 下转第 47 页 82工业仪表与自动化装置 2020 年第 4 期 理模块的载体一并构成系统的监测节点,一是具有 优越的便携性,方便部署且后期维护难度低;二是可 通过调节气象气球的高度以实现不同高度风速风向 信息的采集,适用场景丰富。 2每个监测节点有 5 个一样的风速风向传感 器同时工作,信息处理模块同时获取 5 个传感器采 集的信息并通过信息融合技术提取得到最终的风速 风向有效数据[8],提高了测量精度和准确性;在监 测节点其他设备正常的前提下,5 个传感器中只要 有 1 个可正常工作该节点便能正常运转,传感器多 余度设计使监测节点具有高可靠性。 3通过引入 LoRa 无线通信技术,在几乎不需 要铺设线路的情况下实现了大范围多节点定高度的 风速风向信息采集;此外还采用 MQTT 物联网技术, 将监测节点发送的数据通过 LoRa 集中器透传至云 端服务器,使系统数据包括现场风速风向数据、监测 节点地理位置信息以及硬件设备运行状态信息,可 供多个用户在线调用。 5 结论 该文设计的风速风向监测节点以气象气球作为 载体,克服了固定支架高度不足的缺陷,同时通过信 息融合技术保证了测量精度,并且通过 LoRa 无线 通信技术提高了监测节点的便携性,极大降低了现 场布置和后期维护难度。 整个监测系统基于物联网 框架开发,采用 MQTT 协议实现了与云端服务器的 连接,使系统的数据包括现场风速风向数据、监测节 点地理位置信息以及硬件设备运行状态信息可供多 个用户在线调用,数据传输灵活、调用方便且安全性 高,较传统脱机运行的风速风向监测系统优势显著。 参考文献 [1] 崔国恒,曹可劲,朱银兵. 一种高精度超声波风速风向 测量系统设计与研究[J]. 计算机测量与控制, 2009 1161 -63. 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