矿井主排水泵性能自动测试系统设计研究

黄珏

（安徽矿安检测技术服务有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引言

主排水泵作为井下主要排水装置，保证其长期稳定、高效的运行对井下开采工作有着重要的意义。目前国内部分煤矿井下主排水泵站建设时间较早，未进行升级改造，主要依赖人工对其进行记录和检查，存在着效率低、耗时长的缺点，即使是部分新建泵站的测试系统也存在自动化程度低、功能不完善、测试精度达不到国家标准要求等问题，影响了主排水系统工作的可靠性和经济性。鉴于上述问题，结合国内某煤矿主排水系统实际，本文对井下主排水泵的自动测试系统提出了改造设计方案[1]。

1 主排水泵的性能测试原理及方法

主排水泵的性能测试主要是对水泵进行性能实验和汽蚀实验，检测水泵在运行过程中的性能参数和运行稳定性。

性能实验是对水泵的主要性能参数进行测定，每组测试数据（入口压力、出口压力、温度、水泵流量、扭矩转速等）都应在水泵稳定运行时采集，测试范围从水泵最小流量到最大流量的1.15倍，并根据实测数据，计算水泵性能指标参数，绘制水泵流量-扬程、流量-轴功率以及流量-效率曲线。

汽蚀实验是通过确定水泵的临界汽蚀余量和水泵流量之间的关系，进行汽蚀参数的测定，以确定其是否满足水泵运行设计要求。水泵汽蚀是指水泵在运行过程中，出现水泵内部压力小于水的饱和蒸汽压时，会出现大量的汽泡，汽泡在随着泵内水体进入到高压区时会产生破裂，导致泵内压力不足和流量减少的情况产生，同时伴随着较大的噪声和振动，影响到水泵的正常运行。测试系统通过在一定的流量下采集计算不同入口压力下的各参数值，根据扬程、效率下降的趋势，判断气蚀点[2]。

2 主排水泵自动测试系统改造设计方案

2.1 总体目标

主排水泵自动测试系统实现以下主要功能：

（1）能自动完成水泵系统的水泵性能实验和水泵汽蚀实验；

（2）系统测试参数能满足国家标准中的2级精度等级要求；

（3）实现测试过程中的原始数据的存储、性能参数计算、历史数据记录以及水泵相关性能参数曲线的自动绘制、打印等功能；

（4）实现水泵流量等指标的自动调节功能。

系统自动测试获取水泵的进出口压力、水泵流量、电机转速、扭矩、调节阀开闭程度、水泵扬程等参数，其中通过传感器进行采集的数据如进出口水压、电机转速、水泵流量以及调节阀开闭程度等作为原始数据进行记录，扬程、轴功率和效率等通过原始数据进行处理计算得到。

2.2 设计方案

按照主排水泵自动测试系统的总体目标要求，所设计的系统由信号采集、下位机处理、上位机处理以及系统显示模块组成。信号采集模块完成对主排水泵的进出口水压、电机转速、水泵流量以及调节阀开闭程度等参数的采集，再将测量信号转换成电信号，传输到PLC下位机。下位机处理模块作为整个系统的主控制装置，实现对数据的接收、处理和上传。工控计算机作为上位机处理模块实现人机之间的交互，工作人员通过对系统界面的操作来实现对主排水泵的控制以及数据的查询、打印等。井下主排水泵自动测试系统的总体结构图如下图1所示。

3 测试系统硬件设计

主排水泵自动测试系统硬件主要由各类传感器、数据采集卡、工控计算机、操作台、显示器、电动按钮和打印机等组成。传感器数据采集信号分为3类，扭矩转速、流量传感器输出脉冲频率信号，温度传感器输出电阻信号，压力变送器输出电流信号，各类传感器均采用抗干扰性能强的电源供电并使用光耦传输。利用电动闸阀来调节水泵流量大小，由电位器输出4～20mA的标准电流阀口开闭信号[3]。

3.1 传感器的选型

（1）压力传感器选型

主排水泵的进出口水压测量采用压力变送器完成，由于井下特殊的防爆使用环境，分别采用LED-900A和HX-L61D型号压力变送器，两种型号的主要参数如下表1所示。两种压力变送器可安装在主排水泵管道或接口法兰处。

表1 压力变送器的主要参数

（2）流量传感器选型

主排水泵自动测试系统流量的测量通过流量传感器来完成，流量传感器选用LW型涡轮式流量传感器，其主要参数如下表2所示。在进行流量传感器的安装时需注意传感器上游直管的长度需要大于20倍的管道直径，流量传感器的下游直段的安装长度需要大于管道直径的5倍。

表2 流量传感器的主要参数

（3）扭矩转速测量仪选型

主排水泵自动测试系统对电机的转速和扭矩进行测量，选用JN338-5000A以及JN338-30000A的扭矩转速测量仪。当对高压水泵进行测试时选用量程较大的JN338-30000A测量仪，常压水泵选用JN338-5000A测量仪。

（4）温度传感器选型

室温和水温测量分别选用XMZ-102和XMZ-8000型号温度测量仪，其主要的工作部件是PT100铂电阻，并且具有很好的防潮、防震、防干扰性能，适合在井下水泵房工作。

3.2 信号的采集与处理

数据采集卡选用PCI-1711来进行接收，所有数据采集均接到该装置上，实现整个系统的数据采集工作。信号采集框图如下图2所示。

4 测试系统软件设计

4.1 功能目标

主排水泵测试系统软件部分需要实现报警、水泵性能曲线自动实时绘制、气蚀曲线绘制、历史数据查询以及报表生成打印等功能。系统应功能完善、操作简单。

4.2 组织架构设计

软件系统主要由参数设置、数据采集、数据计算、曲线绘制打印、记录查询等模块组成。工作人员可以根据主排水系统水泵型号规格结合水仓蓄水量设置测试参数和范围，自动控制电动调节闸阀完成多工况测试数据的采集，利用内嵌Visual Basic软件对采集到的单点水泵性能测试数据进行曲线拟合并生成可调用的执行文件，同时在系统主界面可以进行采集数据、清空数据、查看曲线、查询历史数据、打印曲线报表等功能[4-5]。

5 结语

井下主排水泵作为保证矿井安全生产的主要固定设备，其安全稳定运行对井下的正常工作开展具有重要的作用。本文以现有煤矿井下主排水泵自动测试系统为基础，阐述了水泵的性能试验和汽蚀试验原理，提出了测试系统改造设计方案。对主排水泵自动测试系统的硬件配置进行设计，对信号采集模块的压力、流量、扭矩转速和温度传感器等进行选型，设计了信号采集处理模块。对主排水泵自动测试系统的软件功能目标进行分析，设计了软件组织架构，实现了整个井下主排水泵自动测试系统硬件和软件的统一。该系统能够有效地对主排水泵性能参数包括进出口压力、流量等参数进行监测，实现对原始数据的自动实时处理、数据的存储和查询等功能，有助于提升煤矿井下主排水泵性能测试效率。