矿井变频恒压供水系统总体方案设计

王宇鹏

（大同煤矿集团晋华宫煤矿， 山西 大同 037001）

引言

我国煤矿产量巨大，矿区分布广泛，井下用水量需求巨大，但长期以来，存在供水自动化水平低、井下用水高峰期时、供给量达不到需求量以及水压不够等现象。但是在用水低峰期，供给量大于需求量而导致水压升高等情况，造成设备使用寿命缩短、管网加速老化以及电能的浪费。晋华宫煤矿井下采区用水高峰和低峰时间段不固定，用水量也随井下需求而在不断变化，水压必需达到1.5 MPa，这就对供水系统的稳定性提出了非常高的要求。因此，要实现井下的恒压供水，必须采用变频控制技术。

1 变频恒压供水基本原理

在供水系统中，若要研究它的基本特征和扬程特性，必须保持水管管道的阀门开口不变。在水泵电机的转速保持不变的时候，水泵的流量Q和扬程H之间满足于一定的数学关系，可以用特性曲线来表示，如图1所示。从图1可以看出，供水系统中流量Q和扬程H之间是一种反比关系，扬程大时流量小，扬程小时流量大。其中扬程和流量之间的数学关系可以用扬程特性曲线表示，而系统中阻力为水泵消耗的能量在管道阻力、压力差等，这种关系称之为管阻特性。两条曲线的交点是流量和扬程的平衡点，在这一点处，供水系统运行平稳[1]。

1.1 传统供水基本原理

在矿区使用的传统供水系统主要是采用传统的电力拖动方式，即驱动水泵机组在工频条件下以固定恒速运转工作。但是，传统的矿区供水方式往往造成能量浪费，水锤效应降低了供水零部件的寿命。同时，传统的供水方式消耗大量的人力物力，在资源利用和配比上都是一种极大的消耗。如图2所示，为传统供水基本原理框图。

图1 水泵运行时的特性曲线

图2 矿区传统供水系统原理图

在此基础上，变频恒压供水技术慢慢在矿区得到应用和研究，用于解决上述传统供水系统在矿井供水系统中存在的问题。

1.2 变频恒压供水原理

变频恒压供水系统是由水泵机组、变频器、PID控制，以及压力传感器等主要供水系统组件构成，形成矿区供水负反馈闭环控制系统。该系统原理是通过压力传感器获取矿区总供水压力信息，将得到的压力信息与矿区所需水压阈值信息进行比较，从而获得PID控制器相对应的控制频率依据，通过可编程控制器预设程序控制水泵机组，实现水泵电机的运行状态条件，达到调整矿区水压。该系统可自动完成矿区水压调节，极大降低了人员和设备的成本，以及工作量。如图3所示，为矿区变频恒压供水系统原理图[2-3]。

图3 变频恒压供水系统原理图

由图3可以看出，变频恒压供水系统主要是调节水泵机组的电机转速，通过变频器拖动水泵电机进行调节，已达到维持矿区的水压供给平衡，因此，实质调节是改变电动机供电频率，实现水泵电机的变频调速。

水泵电机的转速为：

其中：v0为电机同步转速；S为转差率。

式中：f为电源频率；p为电机极对数。

2 变频恒压供水的特点

变频恒压供水系统相比传统的供水系统，在矿区条件较复杂环境中，充分体现了变频恒压控制的特点。

1）控制灵活。该系统通过可编程控制器实现矿区供水需求，真正实现了“需要多少水，提供多少水”的目标。可实现实时自动调节，包括定时、定量，以及人工干预的控制方式。

2）可靠性强。通过变频器实现水泵机组的软启动，使得水泵机组在切换工况频率变化时的无缝衔接，减少管道冲击、水锤效应等。

3）节约能源。矿区用水是不断变化的，因此，在供水过程中保证水泵机组适应用水变化，消除供水不足、供水过量，以及降低水泵的平均转速，延长供水系统部件寿命以外，实现了节约用水、节约用电、节省人力等。

4）人机交互。通过组态软件实现对矿区变频恒压供水系统各个部件的实时监控，直观反映系统运行状态，作为自动控制及人工干预的重要判断依据，同时能够快速发现故障区域做出紧急措施。

5）自保护特性。针对控制器设置紧急预警，实现供水系统在出现任何故障时，主动发送报警信息到上位机显示的同时，启动备用方案，维护整个供水系统的安全运行，也能减少误操作带来的损失。

3 变频恒压供水的总体方案

结合前文对变频恒压供水系统的研究，针对矿井供水应用环境，提出适用于该矿变频恒压供水系统总体方案，解决该矿应用静压供水系统时的关键问题，提高矿井供水系统的可靠性、稳定性以及可控性，得到更高的经济、资源效益。

3.1 系统硬件组成

该矿供水系统是基于恒压供水系统提出的适用于实际环境的变频恒压供水系统，该系统硬件组成包括变频恒压供水系统的主要硬件，图4为矿井变频恒压供水系统硬件组成及电器连接框图。

根据图4所示，矿井变频恒压供水系统硬件主要包括以下几个部分：

图4 变频恒压供水系统原理图

1）执行机构。该部分由主泵和辅助泵组成的水泵机组构成，主泵主要完成正常工作时矿区中的煤炭开采工作供水、生活供水及消防供水。当矿区供水出现异常供水，即超标供水时，辅助泵将起到补充主泵供水不足的问题。当主泵发生故障时，辅助泵将起到缓冲作用，在短时间内，实现用水设备的正常运行，为恢复主泵工作争取时间。

2）监测监控机构。该部分主要由压力传感器和上位机等监测监控设备组成，压力传感器主要完成对水泵出水压力进行检测，并将检测数据记录及实时发送到上位机进行显示。上位机主要是监控下位设备的运行状态以及监测装置的数据信息显示。

3）控制机构。该部分主要由PID控制器、PLC及变频器构成，PID控制器及其组件主要完成对监测软件信息以及人工干预控制指令的接收与判断，并向变频器发出控制指令。PLC主要完成收集压力传感器等监测信号并进行分析，得出相应控制方案。变频器主要实现对PLC控制指令的接收并响应之后，发出控制水泵电机的控制指令[4-5]。

4）报警机构。该部分主要有报警器组成，连接变频恒压供水系统上位监控软件以及下位设备，实现及时响应故障信息，以及异常状态。

3.2 控制系统构成

该矿变频恒压供水系统应用于消防、矿区和生活等区域，该系统能够向多台水泵提供支持，矿井变频恒压供水系统研究主要以2台水泵为研究对象，其控制系统原理流程图，如图5所示。

图5 变频恒压供水系统原理图

控制系统安装在控制箱中，主要包括电控设备、PLC组件和变频器组成，同时，控制系统还包括上位人机交互系统。

1）电控设备。主要由转换开关、主控计算机、继电器等设备构成，负责接收监测监控机构的采集信号，以及实现切换水泵等功能。

2）PLC组件。主要由PLC控制系统组成，是控制系统核心部件，完成采集信号并处理，并通过处理信息决策控制指令，将控制指令发送给执行机构。

3）变频器控制系统。主要是响应PLC控制指令，调节水泵电机的转速，实现水泵机组供水的控制。

4）人机交互系统。主要由交互界界面及触摸屏构成，是控制人员与控制系统实现操作的解决方案，基于WinCC开发的组态控制系统，是直观体现矿井变频恒压供水系统运行状态和控制操作的重要组成。

3.3 系统方案的实现与工作原理

矿井变频恒压供水系统是由多台并联水泵构成，实现水压恒定的目标。当出水量发生变化时，通过负反馈闭环控制系统实现变频器调节，完成水泵电机转速控制，使水泵出水压力达到设定阈值。在变频控制扩成中，为解决切换过程中水锤效应和电流冲击等负面因素，合理利用软启动设备，实现切换的平滑过度。这里以2台可控水泵为例，具体控制如下：

1）供水系统开始运行时，变频器拖到主泵运行，压力传感器实时监测水泵出水口压力并输入控制系统与设定阈值比较，通过PLC系统进行决策，通过PID控制器控制变频器拖动水泵电机提速，水压达到阈值时，保持变频器频率不变，水泵电机转速不变。

2）当用水量变化导致水压增大或减小时，由于闭环反馈变化信息，变频器输出频率降低或升高，控制水泵电机转速实现减速或加速，直到水压再次达到阈值。

3）当矿区用水量不断上升，使得变频器频率达到上限时，依然无法满足矿区用水量，即压力传感器监测值低于阈值，此时，系统发出切换控制指令，开启水泵电机2，使其以工频运行，水泵电机1仍以变频器拖动实施变频调节，从而使两泵工作时的出水口的水压达到设定值。如果用水量仍然继续上升，处于变频运行状态的水泵再次达到频率上限时，系统无法达到压力平衡，此时控制系统发出报警信号，显示在控制中心的人机交互系统中，并预先做出安全措施[6]。

4）当矿区用水量不断减小且水压上升，控制系统控制水泵变频运行频率低于下限值时，水压仍然较高，此时控制关闭工频运行的辅助水泵，同时由变频泵实现闭环反馈调节，使水压恢复到平衡值。若水压持续下降，实际水压值降低到阈值时，控制变频器调节至仅剩主泵提供用水。

4 结论

1）由于晋华宫矿区井下用水高峰和低峰时间段不固定、用水量变化大，因此要实现恒压供水，必须采用变频控制技术。

2）晋华宫矿采用适合其矿区供水、生活供水和消防供水的变频恒压供水系统总体方案，解决了矿井的可靠供水问题。