煤矿排水泵合理用电策略及仿真分析

李鹏亮

（晋能控股煤业集团潞安煤炭事业部黄山煤业有限公司， 山西 长治 046000）

引言

煤矿生产的主要动力为电能，包括综采工作面的采煤机、刮板输送机、带式输送机以及地面布置的通风机、排水泵等均为主要的耗能设备。其中排水泵的主要作用是将煤矿的涌水排出，以保证煤矿的安全生产。

目前煤矿生产过程中，通常是在水位即将超过水仓的水位约束时，才启动排水泵进行排水，在用电高峰期，增加了煤矿排水的成本[1]。因此，采用“避峰填谷”的排水方式，不仅能够解决“透水”事故的威胁，而且对降低煤矿生产的电力费用具有重要意义。本文将根据实际情况，完成排水泵合理用电策略的设计，并对其节能效果进行仿真分析。

1 煤矿排水泵使用概况

首先，设计煤矿排水泵合理用电策略之前，需明确其重点解决的问题。煤矿排水泵合理用电策略设计，重点解决在用电高峰期排水时造成电费成本增加的问题。具体目的如下：

1）在用电低峰期正常运转，而在用电高峰期停止排水泵运行，达到“躲峰”的目的。

2）在用电低峰期同样可以采用节能运行模式，对排水泵进行控制运行。

本文所研究煤矿目前排水泵的基本情况，如表1 所示。

表1 煤矿排水泵关键参数

煤矿的涌水量在不同生产阶段变化较大，而且呈季节性变化，是影响该煤矿排水泵合理用电策略制定的主要因素。一般情况，煤矿在雨季的涌水量偏大，而在旱季的涌水量偏小。在春天的涌水量较大，在夏天的涌水量最多，在秋季的涌水量偏少，在冬季的涌水量最少。本文以DDM360×75 型水泵所负责区域的涌水量进行研究，该区域的用数量最大可达到70.5 m3/h，平均涌水量为64.6 m3/h。同时，该区域涌水量在一天内的波动较小，包括有煤矿正常生产时破坏含水层所导致的涌水和矿井回填时所导致的涌水[2]。

2 合理用电策略的总体方案设计

煤矿排水泵合理用电策略的制定需结合矿井涌水量和当地分时电价综合考虑，并结合灰色模型和模型预测控制等理论，保证功能的实现。

2.1 分时电价

结合当地的实际情况，该煤矿所在区域的用电情况可分为峰时、谷时和平时三种情况，每个情况所包含的时间段和实际电费，如表2 所示。

表2 所在区域分时电价表

该煤矿-830 水平泵房中共布置有3 台型号为DDM360×75 的排水泵。在实际生产中，该水平泵房中的排水泵只有一台运行，其余一台为备用，一台检修。该型水泵的额定功率为440 kW，电机额定转速为1480 r/min。-830 水平泵房所配置水仓的出水量为3000 m3。平均涌水量在8 h 所积攒的水量为64.6 m3/h×8 h=516.8 m3。水仓的容量大于平均涌水量在8 h 所积攒的水量。

2.2 合理用电策略总体方案的实现

2.2.1 建立灰色模型

灰色模型建立依据：系统开始运行后，基于灰色理论对矿井的涌水量进行预测，预测至系统运行6 h后。基于所建立的灰色模型，对8～11 h 各个时间段内的涌水量进行预测，并得出最终水仓内涌水的体积。其中，在6～8 h 的时间段内，将水仓内新增加的水量排出，躲避上午时的用电高峰[3]。

灰色模型建立流程如图1 所示。

图1 灰色模型流程图

结合灰色模型的建立依据和流程图，所建立的灰色模型如式1 所示：

2.2.2 建立MPC 闭环模型

在上述灰色模型建立的基础上，根据排水泵的实时状态和水仓水位之间的相互约束关系，建立如图2 所示的水泵调度工作流程。

图2 排水泵调度预测流程图

当工作面涌水量出现突发情况时，不按照上述“避峰填谷”的原则对排水泵进行控制。此时，所有排水泵全部启动，以保证工作面生产的安全性。值得注意的是，当水仓内的水位已经达到报警位置，即便在高峰期也需立即将水仓中的水排出[4]。

3 合理用电策略的分析

针对上述所设计的排水泵合理用电策略，在实际生产中对本身灰色模型的预测准确性、模型预测控制的正确性和电费节约效果三方面进行应用效果验证。

3.1 针对灰色预测模型准确性的验证

针对灰色预测模型准确性的验证，即对模型预测的涌水量和实际涌水量进行对比。经比对可知，二者在同一时间段内的最大差值为3.6411 m3，说明本文所建立的灰色预测模型可应用于该煤矿实际涌水量的预测。

3.2 针对模型预测控制正确性的验证

系统在某个时域对未来5 个时域排水泵的工作状态进行预测，并将预测结果与未来5 个时域内排水泵的实际工作状态进行比对。经比对可知，模型预测控制可实现对排水泵未来5 个时域工作状态的精准控制。

3.3 对电费节约效果的验证

3.3.1 三种用电策略

对电费节约效果的验证，也是排水泵合理用电策略的最终目的。本文分别对三种策略下的电费进行对比，三种策略分别描述如下：

1）1 号策略为不采用任何优化策略进行控制，保证水仓内水位不超过2 m，同时当水位超过报警界限后水泵开始启动工作，并在水位回到最低限值后停止排水。

2）2 号策略为保证水位不超过水仓的3 m 界限，并且在用电高峰期前1 h，对水仓中的水进行排放。

3）3 号策略为基于“避峰填谷”原则所设计的合理用电策略。

3.3.2 三种用电策略的应用效果

三种用电策略的应用效果具体总结如下：

1）1 号策略水仓内水位保持在2 m，导致排水泵频繁启动。此种方式不仅增加用电成本，而且会导致排水泵使用寿命缩短。而且，该控制策略目前主要依靠人工完成，自动化水平较低[5]。

2）2 号策略虽然能够直观地避开了用电高峰进行排水，但是，该策略不能对未来的高峰期内水仓的水量进行预测，在用电高峰期前1 h 排水水量较小，会导致在高峰期水仓内水位激增。水仓容量较小时，该种策略明显不适用。

3）3 号策略本质上是对2 号策略的优化，通过分析可以看出在5：00—22:00 的时间段内排水泵一直处于关闭状态，而仅在22：00—23:00 的用电低峰期运行。

对上述三种策略运行1 d 的电费进行统计，如表3 所示，3 号策略用电量最少。

表3 不同策略下运行1 d 产生的电费

4 结语

排水泵为保障煤矿安全生产的关键部件，主要作用是将工作面生产时的涌水排出。为减少排水泵长时间且在用电高峰期运行，导致电费较大的问题，本文基于“避峰填谷”的原则，设计了排水泵的合理用电策略，所设计的3 号策略每天用于排水的电费仅为600.2 元，较1 号策略有明显的降低成本的效果。与2 号策略相比，可实现对水仓水位的预测，进一步保障了生产的安全性。实际应用证明，该策略不仅满足安全生产要求，还能达到降低电费的效果。