摘 要：根據(jù)山西某礦井下生產(chǎn)供水方案，分析恒壓變頻供水裝置的選型與要求，包括蓄水池、管路、恒壓變頻泵及其供電系統(tǒng)的造型與要求，以及自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與要求。該礦井通過恒壓變頻水泵與南翼主供水管路并網(wǎng)，將 3 號奧灰水直接在井下利用，為南翼盤區(qū)工作面生產(chǎn)供水，保證工作面水量充足，壓力穩(wěn)定，全自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)無人值守。
引言
隨著礦井工作面的延伸，供水壓力已不能滿足生產(chǎn)的需要，同時(shí)考慮減輕地面污水處理壓力，奧灰水不上井，直接在井下利用，作為南翼盤區(qū)的生產(chǎn)水源。山西某礦井下生產(chǎn)供水系統(tǒng)為：依靠地面蓄水池靜壓水，通過主管道向井下供水。
1 供水方案
南輔大巷 3 號奧灰水的涌水 80 m 3 /h，如圖 1 所示通過南輔 DN100 mm管道排至西一盤區(qū)輔運(yùn)大巷蓄水池（建兩個(gè) 150 m 3 左右的蓄水池，容積滿足加壓 1 臺水泵 1 h 用水即可）；如果奧灰水補(bǔ)水不足，可通過地面靜壓水，向蓄水池補(bǔ)水。同時(shí)通過潛水泵、隔爆變頻器、壓力變送器與 PLC 控制箱控制（2套，1 用 1 備定時(shí)輪換），經(jīng) DN150 mm 管路輸出壓力恒定的水流，經(jīng)一趟 DN200 mm管引到南翼采區(qū)管路上，專供南翼用水（如水池水位到達(dá)下限，水位控制器動(dòng)作，水泵停止輸出）。 [1] 保證工作面水量充足，壓力穩(wěn)定，工作面壓力要求達(dá)到 1.6 ~1.8 MPa。
注水時(shí)電動(dòng)閥 1 關(guān)閉，奧灰水通過閥 3、閥 4 進(jìn)入蓄水池 1、2，達(dá)到上限水位，通過液位信號可編程控制箱控制電動(dòng)閥 1 打開，奧灰水直接流向水倉。當(dāng)水位下降 0.3 m，電動(dòng)閥自動(dòng)關(guān)閉，繼續(xù)向水池注水。如奧灰水供水不能滿足用水要求，蓄水池水位低于1 m 時(shí)，自動(dòng)打開電動(dòng)閥 2，地面靜壓水通過閥 8、閥9 進(jìn)入蓄水池 1、2，達(dá)到上限水位，電動(dòng)閥關(guān)閉 [2] 。
2 選型及要求
根據(jù)礦井南翼用水量，需 150 m 3 /h 的蓄水池作為水源儲蓄。
2.1 蓄水池的選擇及相關(guān)要求
經(jīng)過對比篩選，供水硐室決定布置在西一盤區(qū)輔運(yùn)大巷內(nèi)，距離南翼 3 號奧灰水孔 850 m，落差 5 m。
2.1.1 選址原因
1）該巷道目前處于閑置狀態(tài)，長度有 100 m，可以直接改造成供水硐室；
2）該巷道沿煤層頂板布置，底板煤厚約 2 m，施工蓄水池時(shí)底板破巖量少；
3）該巷道有好立的通風(fēng)系統(tǒng)，滿足供水硐室的使用要求。
2.1.2 水池建造方案
設(shè)置兩個(gè)蓄水池（見下頁圖 2），一用一備。蓄水能力 2×150 m 3 ，單個(gè)水池尺寸：長×寬×高 =20 m×3 m×3 m。
單個(gè)水池尺寸：長×寬×高 =20 m×3 m×3 m（底板以上 1 m+ 底板以下 2 m），四周澆筑 0.6 m厚的素混凝土，水池中間澆筑 0.8 m厚的鋼筋混凝土，墻體采用錨桿（索）+ 網(wǎng)片進(jìn)行支護(hù)，錨桿間排距為 800mm×1 000 mm，錨索間排距為 1 000 mm×2 000 mm。在每個(gè)蓄水池中間位置各施工一個(gè)放置泵體的水窩，水窩尺寸：長×寬×高 =7 m×2 m×0.7 m。
在水池東幫各留設(shè)一個(gè)溢流口，高于巷道底板200 mm，并在巷道東幫留設(shè) 200 mm×200 mm的水溝；在中間墻體設(shè)置兩個(gè) Φ159 mm 的連接孔，且安裝配套閥門，距水池底板 1 m。硐室內(nèi)砌筑設(shè)備安裝平臺，平臺尺寸為：長×寬×高 =30 m×2 m×0.5 m。
2.2 管路選型、系統(tǒng)及施工要求
2.2.1 管路材質(zhì)、管徑選擇
1）奧灰水進(jìn)蓄水池管路選擇，南翼 3 號奧灰水出水口管徑為 DN80 mm，水質(zhì)檢驗(yàn)報(bào)告內(nèi)含有硫酸根離子與碳酸根離子，為防治酸根離子對鋼管腐蝕，故選定為 DN100 mm的環(huán)氧樹脂涂層復(fù)合鋼管 [3] 。
2）蓄水池出水管路選擇，除滿足不被酸根離子腐蝕外，為減少恒壓變頻泵揚(yáng)程阻力，降低管路投資成本，選定為 DN150 mm的環(huán)氧樹脂涂層復(fù)合鋼管。
3）地面供水管路進(jìn)蓄水池管路選擇，為減少普通無縫鋼管管內(nèi)銹質(zhì)、減少供水阻力，降低管路投資成本，選定為 DN150 mm的環(huán)氧樹脂涂層復(fù)合鋼管。
2.2.2 管路系統(tǒng)
2.2.2.1 補(bǔ)水管路系統(tǒng)
1）從南翼 3 號奧灰水出水點(diǎn)安裝至西一盤區(qū)輔運(yùn)大巷蓄水池內(nèi)。
2）從南翼膠帶大巷 DN200mm靜壓水管，經(jīng)南輔與南膠 9 號聯(lián)巷，安裝至西一盤區(qū)輔運(yùn)大巷蓄水池內(nèi)。
2.2.2.2 供水管路系統(tǒng)
從西一盤區(qū)輔運(yùn)大巷蓄水池，管路安裝至南翼膠帶大巷，南翼各大巷分別與南翼膠帶大巷靜壓水主管路聯(lián)通，為南翼工作面供水 [4] 。
2.3 恒壓變頻泵選擇及供電系統(tǒng)
根據(jù)南翼 3 號奧灰水孔標(biāo)高 +467 m，出水量80 m 3 /h，水壓 1.8 MPa 及水質(zhì)檢驗(yàn)報(bào)告分析；蓄水池位置標(biāo)高 +472 m，#遠(yuǎn)工作面供水距離 6 300 m，供水落差為 80 m；滿足工作面壓力 1.6 ~1.8 MPa。
1）選定型號：BQS160- 390- 350，揚(yáng)程 390 m，電壓 1 140 V，電機(jī)功率 350 kW。外形尺寸：長 5.1 m，直徑 600 mm，重量 2 300 kg。防腐蝕型不銹鋼礦用排沙電泵 2 臺，一用一備。
2）供電系統(tǒng)。恒壓變頻泵站采用 1 140 V 雙回路供電，雙回路電源來自南翼瓦斯泵站變電所，經(jīng)南輔大巷引至西一盤區(qū)輔運(yùn)繞道泵站低壓饋電開關(guān)。潛水泵采用變頻驅(qū)動(dòng)，泵站配備 2 臺變頻器 。
2.4 自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及要求
監(jiān)控傳輸系統(tǒng)，井下奧灰水恒壓變頻供水監(jiān)控系統(tǒng)需將信號接口轉(zhuǎn)變?yōu)?RJ45 后接入該礦井千兆以太環(huán)網(wǎng),將信號傳輸給地面的上位機(jī)，并支持相關(guān)單位通過網(wǎng)頁方式（B/S） 或者安裝客戶端的方式（C/S）訪問上位機(jī)查看數(shù)據(jù)。
3 工作要求
3.1 系統(tǒng)組成
通過潛水泵、變頻器與壓力變送器實(shí)現(xiàn)恒壓（0~2.5 MPa）控制，滿足工況要求。
3.2 系統(tǒng)原理
如圖 3 所示，其原理是：將主管出口壓力作為調(diào)控參數(shù)，通過智能壓力變送器將主管出口壓力信號，轉(zhuǎn)換為 4~20 mA直流信號，送入調(diào)節(jié)器，與壓力設(shè)定比較，其差值由調(diào)節(jié)器作 PI 運(yùn)算，輸出信號送給變頻器，隨時(shí)調(diào)整變頻器的輸出頻率，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變泵的排水量，維持主管出口壓力穩(wěn)定在設(shè)定的壓力值上；若主管壓力改變時(shí)，將自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，如：當(dāng)用水量減少而主管壓力增加時(shí)，調(diào)節(jié)過程使變頻器信號大于設(shè)定信號，調(diào)節(jié)器輸出減少，變頻輸出頻率低，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，泵排水量減小，使主管壓力減小；由于其調(diào)控過程較快，短時(shí)間內(nèi)變頻器信號和壓力給定信號便處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，從而維持了變頻器輸出頻率的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了主管出口壓力，平穩(wěn)供水—— — 恒壓供水。
如果誤操作關(guān)閉主管道閥門或長時(shí)間不用水時(shí)，水泵在變頻器設(shè)定的下限頻率運(yùn)行 5 min 后，將進(jìn)入休眠狀態(tài)，節(jié)省了電能；等到有地方用水時(shí)，自動(dòng)喚醒功能起效，水泵正常工作，維持設(shè)定壓力。
3.3 系統(tǒng)要求
實(shí)現(xiàn)手、自一體化，可設(shè)置手動(dòng)、自動(dòng)功能，定時(shí)輪換。
1）手動(dòng)時(shí)可隨意啟動(dòng)任一臺泵。
2）自動(dòng)時(shí)默認(rèn) 1 號泵先啟動(dòng)，到達(dá)設(shè)定時(shí)間自動(dòng)切換到 2 號泵，往復(fù)循環(huán)。
3）設(shè)置水池缺水、出水口超壓預(yù)警值，可自動(dòng)停機(jī)；恢復(fù)后，自動(dòng)投入運(yùn)行。
4）可通過安全監(jiān)控分站，利用礦上現(xiàn)有環(huán)網(wǎng)，向地面?zhèn)鬏攦商紫到y(tǒng)工況，通過顯示屏監(jiān)視包括雙電源狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)、流量、水位、入口、出口壓力，溫度等，可控制泵啟停，實(shí)現(xiàn)無人值守。
5）監(jiān)測現(xiàn)場 CO 2、H2 S、SO 2 、NH 3 、CO 等氣體情況，設(shè)置報(bào)警斷電。將監(jiān)控探頭吊掛在水池下風(fēng)側(cè)。
4 結(jié)論
1）恒壓供水能自動(dòng) 24 h 維持恒定壓力，并根據(jù)壓力信號自動(dòng)啟動(dòng)備用泵，調(diào)整壓力，供水方便，不需要重復(fù)升井處理后再下井使用的復(fù)雜過程 [7] 。
2）直接將靜壓水轉(zhuǎn)換為動(dòng)壓供水，減少沿途壓力損失，維持工作面用水壓力恒定。
3）采用恒壓變頻供水保護(hù)，可監(jiān)測水泵運(yùn)行情況、流量、水位、入口、出口壓力、溫度等。
4）系統(tǒng)配置可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)供水，實(shí)現(xiàn)無人值守自動(dòng)供水。控制系統(tǒng)具有故障報(bào)警和顯示功能，并可進(jìn)行工變頻轉(zhuǎn)換，應(yīng)急供水。
5）系統(tǒng)根據(jù)工作面用水量的變化來調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，使水泵始終工作在高效區(qū)，當(dāng)系統(tǒng)零流量時(shí)，機(jī)組進(jìn)入休眠狀態(tài)，水泵停止，流量增加后才進(jìn)行工作，節(jié)電效果明顯，比恒速水泵節(jié)電 23%~55%。
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