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2020年度中(上海自动化仪表)对矿井排水系统自动化改造新方案

来源:上海自動化儀表有限企业自動化儀表三廠?-电子服务中心编辑:毛豆逗网址:

【描 述】:

    基于测控系统及相关仪表的自动化改造,实现了井下排水系统的无人值守;并根据两仓三泵运行模式,从而完成自动控制策略的制定;通过峰谷电价差优化运行模式,不仅能够实现减员增效目的,还能够有效降低系统能耗。

1排水系统改造
煤矿排水系统的组成部分主要有补水管路、输送管道、逆比阀、泵出口阀、大功率水泵以及水仓等,在特殊情况下还能含有检修附属设备和取样设备,如图1所示。当系统以人工方式运行时,相关人员首先需对水位高低进行判断,而在水位达到启泵液位后,此时需开启旁路的排空管路和补水管路,以此来进行水量补充,在补水完成后,需及时关闭排空管路和补水管路,与此同时,还需手动打开水泵,通过水泵启动取样出口或是开关柜电流,以此来判断是否正常出水。由于该流程当中存在多处人工操作和相关状况判断,故而无法实现系统运行过程中的高效状态。因此,为实现系统的可靠性与高效性,需进行仪表或是电控回路方面的改造,从而尽可能地降低给生产所带来的影响[1]。
1.1仪表设备改造
因矿井渗水所附带的泡沫或是杂物,使得水仓水面准确界限难以通过超声波液位计或是目测等方式进行测定,其准确测量方式仅有静压原理的投入式液位计,故而需在每一水仓处安装1台投入式液位计。随着时间的流逝,水仓淤泥逐渐增多,故而在安装设备时,需对底部淤泥进行定期高度的限制[2]。通过泵出口阀前的压力表,实现对该处水压的测量。
逆比阀主要用于在泵停止工作时进行该处静压的显示;在启动泵后,若出水正常,那么则表示该处静压小于阀前压力,因此,可用其判断出流量和正常出水是否处于正常工作状态。为实现现场供电电源获取与设备防爆安全,需利用防爆变送器,与此同时,还需通过2线制进行信号采集和仪表供电。
在进行人工操作时,可由目测方式进行水泵补满状态的判断,通常情况下,泵的停运时间与补水时间有着密切关联,由于二者均为变量,故而人工方式难以对补水状态进行准确判断。因此,需将检水开关安置于排空管路末端,使通过管路的水能够自动导入到通接点[3]。由于两管路开关常用小口径球阀,故而长时间运行会致使开关出现卡涩现象。然而,若将其改造为防爆电磁阀,那么不仅能够降低所用时限,还能减少操作误差产生。而原手动阀门可用于进行检修使用。
对于大口径出水阀水泵而言,若将其改造为电动阀门,那么不仅会降低静压下所产生的逆比阀影响,还能改善因逆比阀造成的泄漏问题[4]。
排水系统设备仪表图
1.2控制系统改造
基于原就地手动按钮,实现过程控制系统的增加,其中主要包含了新增阀门控制箱、远程运行维护的工程师站和操作站、模拟量输出输入模块的IO单元、配置了开关量以及PCS-9150过程控制器,如图2所示。
控制系统结构示意图
在井下水仓附近的煤安认证防爆柜内进行阀门控制回路、IO单元以及控制器的安装,与此同时,还需在井上调度监控中心处进行工程师站和操作员站的建立,前者功能可由后者兼任。控制系统可通过冗余配置实现对无人看守系统可靠性的提升,其中包含了监控网络、IO网络以及冗余控制器。而光纤监控网络的配置,其不仅用于进行井上与井下超长距离的操作员站的传输,还用来进行电磁干扰的消除。
对于水泵电磁启动器而言,基于RS485总线方式接入IO,其内部智能设备,通过改造后的接入IO单元的开关量、原水泵电机启动器模拟量、出口电动阀门控制回路、新增补水排空阀控制回路、泵出口压力变送器以及水仓液位变送器,从而达到监控的全方位模式。
2一键自动启停
井下排水系统中具有一键启停功能,令其操作流程得到有效简化,其具体流程如下:首先将排空阀与补水阀依次打开,接下来等待减水开关操作,之后将补水阀与排空阀依次关闭,若阀门可控,非常后将泵出口阀门打开即可。在具体应用中应注意,只有正确实行前一步,才能开始接下来的步骤,例如,补水阀处于打开状态,并在规定时间内减水开关动作未正常进行,此时流程将无法顺利完成,并报警;若动作正常,为确保完成充水,接收到信号后应适当延长,为成功启泵提供保障[5]。
泵组自动启停逻辑框图
一键停比具体流程如下:首先将排空阀打开,完成后适当延时,之后水泵停止,并将排空阀关闭,若阀门可控,非常后将泵出口阀门关闭即可。在上述流程中,延时操作非常根本的目的是避免空气进入水泵后对抽水造成一定影响,从而减少进水管底阀受到冲击造成的影响。
实际上,泵组的自动停止或开启主要由水位高低予以控制,若液位处于正常区间之内,无需任何处理,从而实现无人值守或少人干预这一目标。如图3所示,若液位自动投入,便会实行自动启停,若该功能并未投入,还可采取手动的方式对其进行调整;对配置延时或死区进行判断时可以将液位高低作为判断标准,减少误操作的发生,无论是液位过低还是过高,其触发的停止流程均只有一次。根据液位高低情况自行判断实行,以此来对实际液位与自动投入情况加以判断。
3两仓三泵联合运行
在正常生产过程中井下排水系统尤为关键,只有该系统能够正常运行才能为正常生产提供保障,并应具备备用功能。其中较为常见的一种方式为两仓三泵,1#、2#水仓分别与1"、3"相对应,而2"通常作为备用泵组,通过切换阀门便能操控两者正常工作。其工作运行正常时,若发生故障,泵组2"便正式运行,使其正常工作得到保障,若结束检修,便能恢复正常1#、3#工作模式[6]。
如图4所示,水仓与泵组之间呈现出如下关系,其中人机界面按钮脉冲指令为取消泵组置检修与1"、3"泵组置检修,其中泵组使能为3#,1#为初始状态,若要激活2"、3"泵组使能,只需按照检修指令1"操作。只有在全部泵组停比状态下才允许切换模式,以确保切换运行时的不确定性不会发生;若要激活2"泵组使能,不仅需要隐藏指令按钮,还需将1#与3#隐藏,所保留的检修按钮仅为取消泵组置检修按钮,从而避免出现仅2"泵组使能的现象。
泵组使能选择逻辑
通常情况下,水泵处在变电所相同分支线路上,不仅需要较大的功率,且缺乏软启动器,若同时启用,则产生的冲击负荷相对较大。为减少或避免启动泵组时冲击带来的影响,在具体应用中应减少或避免同时启动2个高液位水仓的现象[7]。
4节能优化
在实际应用中,井下排水(www.shsaic.net)与排风系统均处于不断运行状态,所以,不仅主扇耗电量相对较大,水泵占据份额同样不容忽视。若原有设备不进行改造,节能还能够利用运行策略来实现,其一,将峰谷电价差异充分利用起来,使设备尽可能在谷区工作;其二,对泵租启停液位区间加以优化。分析现场得到的历史数据,得出抽水效率较高的定速泵组,则自动启停泵组边界即为液位上限与下限,进而令设备正常运行得到保障。由于峰谷电价定价存在一定差异,所以在峰电价时应尽量使水仓安全运行得到保障,在谷电价时尽量采取空仓运行这一方式,换而言之,结合实际情况,在白天将液位下限与上限之间的区间尽可能扩大,在夜间则适当缩小,令其区间有所增大。为保证夜间与白天泵组均能正常运行,应将二者有机结合在一起。与普通运行方式相比,该策略有效减小了液位区间,增加了启停水泵次数,进而影响到开关设备寿命,所以对泵组运行液位区间进行优化时应将设备寿命考虑在内[8]。
5结语

   本文在改变仪表与自动化设备时,主体设备并未发生变化,并且经实践检验后发现,主体设备不发生改变来改造仪表与自动化设备,对系统的管理更为便利,能够实现无人值守与一键启动的运行方式,不仅如此,在改进自动控制策略时将峰谷电价策略与水泵自身运行特性考虑在内,进而优化了实际耗电量,其实际应用价值相对较高。

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