摘 要：根據山西某礦井下生產供水方案，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的造型與要求，以及自動化控制系統的設計與要求。該礦井通過恒壓變頻水泵與南翼主供水管路并網，將 3 號奧灰水直接在井下利用，為南翼盤區工作面生產供水，保證工作面水量充足，壓力穩定，全自動化監測系統運行情況，實現無人值守。
引言
隨著礦井工作面的延伸，供水壓力已不能滿足生產的需要，同時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，作為南翼盤區的生產水源。山西某礦井下生產供水系統為：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管道排至西一盤區輔運大巷蓄水池（建兩個 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）；如果奧灰水補水不足，可通過地面靜壓水，向蓄水池補水。同時通過潛水泵、隔爆變頻器、壓力變送器與 PLC 控制箱控制（2套，1 用 1 備定時輪換），經 DN150 mm 管路輸出壓力恒定的水流，經一趟 DN200 mm管引到南翼采區管路上，專供南翼用水（如水池水位到達下限，水位控制器動作，水泵停止輸出）。 [1] 保證工作面水量充足，壓力穩定，工作面壓力要求達到 1.6 ~1.8 MPa。
注水時電動閥 1 關閉，奧灰水通過閥 3、閥 4 進入蓄水池 1、2，達到上限水位，通過液位信號可編程控制箱控制電動閥 1 打開，奧灰水直接流向水倉。當水位下降 0.3 m，電動閥自動關閉，繼續向水池注水。如奧灰水供水不能滿足用水要求，蓄水池水位低于1 m 時，自動打開電動閥 2，地面靜壓水通過閥 8、閥9 進入蓄水池 1、2，達到上限水位，電動閥關閉 [2] 。
2 選型及要求
根據礦井南翼用水量，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要求
經過對比篩選，供水硐室決定布置在西一盤區輔運大巷內，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，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，施工蓄水池時底板破巖量少；
3）該巷道有好立的通風系統，滿足供水硐室的使用要求。
2.1.2 水池建造方案
設置兩個蓄水池（見下頁圖 2），一用一備。蓄水能力 2×150 m 3 ，單個水池尺寸：長×寬×高 =20 m×3 m×3 m。
單個水池尺寸：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）+ 網片進行支護，錨桿間排距為 800mm×1 000 mm，錨索間排距為 1 000 mm×2 000 mm。在每個蓄水池中間位置各施工一個放置泵體的水窩，水窩尺寸：長×寬×高 =7 m×2 m×0.7 m。
在水池東幫各留設一個溢流口，高于巷道底板200 mm，并在巷道東幫留設 200 mm×200 mm的水溝；在中間墻體設置兩個 Φ159 mm 的連接孔，且安裝配套閥門，距水池底板 1 m。硐室內砌筑設備安裝平臺，平臺尺寸為：長×寬×高 =30 m×2 m×0.5 m。
2.2 管路選型、系統及施工要求
2.2.1 管路材質、管徑選擇
1）奧灰水進蓄水池管路選擇，南翼 3 號奧灰水出水口管徑為 DN80 mm，水質檢驗報告內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的環氧樹脂涂層復合鋼管 [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程阻力，降低管路投資成本，選定為 DN150 mm的環氧樹脂涂層復合鋼管。
3）地面供水管路進蓄水池管路選擇，為減少普通無縫鋼管管內銹質、減少供水阻力，降低管路投資成本，選定為 DN150 mm的環氧樹脂涂層復合鋼管。
2.2.2 管路系統
2.2.2.1 補水管路系統
1）從南翼 3 號奧灰水出水點安裝至西一盤區輔運大巷蓄水池內。
2）從南翼膠帶大巷 DN200mm靜壓水管，經南輔與南膠 9 號聯巷，安裝至西一盤區輔運大巷蓄水池內。
2.2.2.2 供水管路系統
從西一盤區輔運大巷蓄水池，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通，為南翼工作面供水 [4] 。
2.3 恒壓變頻泵選擇及供電系統
根據南翼 3 號奧灰水孔標高 +467 m，出水量80 m 3 /h，水壓 1.8 MPa 及水質檢驗報告分析；蓄水池位置標高 +472 m，#遠工作面供水距離 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，揚程 390 m，電壓 1 140 V，電機功率 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。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，經南輔大巷引至西一盤區輔運繞道泵站低壓饋電開關。潛水泵采用變頻驅動，泵站配備 2 臺變頻器 。
2.4 自動化控制系統設計及要求
監控傳輸系統，井下奧灰水恒壓變頻供水監控系統需將信號接口轉變為 RJ45 后接入該礦井千兆以太環網,將信號傳輸給地面的上位機，并支持相關單位通過網頁方式（B/S） 或者安裝客戶端的方式（C/S）訪問上位機查看數據。
3 工作要求
3.1 系統組成
通過潛水泵、變頻器與壓力變送器實現恒壓（0~2.5 MPa）控制，滿足工況要求。
3.2 系統原理
如圖 3 所示，其原理是：將主管出口壓力作為調控參數，通過智能壓力變送器將主管出口壓力信號，轉換為 4~20 mA直流信號，送入調節器，與壓力設定比較，其差值由調節器作 PI 運算，輸出信號送給變頻器，隨時調整變頻器的輸出頻率，控制電機轉速，改變泵的排水量，維持主管出口壓力穩定在設定的壓力值上；若主管壓力改變時，將自動進行調節，如：當用水量減少而主管壓力增加時，調節過程使變頻器信號大于設定信號，調節器輸出減少，變頻輸出頻率低，電機轉速下降，泵排水量減小，使主管壓力減小；由于其調控過程較快，短時間內變頻器信號和壓力給定信號便處于動態平衡狀態，從而維持了變頻器輸出頻率的穩定，實現了主管出口壓力，平穩供水—— — 恒壓供水。
如果誤操作關閉主管道閥門或長時間不用水時，水泵在變頻器設定的下限頻率運行 5 min 后，將進入休眠狀態，節省了電能；等到有地方用水時，自動喚醒功能起效，水泵正常工作，維持設定壓力。
3.3 系統要求
實現手、自一體化，可設置手動、自動功能，定時輪換。
1）手動時可隨意啟動任一臺泵。
2）自動時默認 1 號泵先啟動，到達設定時間自動切換到 2 號泵，往復循環。
3）設置水池缺水、出水口超壓預警值，可自動停機；恢復后，自動投入運行。
4）可通過安全監控分站，利用礦上現有環網，向地面傳輸兩套系統工況，通過顯示屏監視包括雙電源狀態、運行狀態、流量、水位、入口、出口壓力，溫度等，可控制泵啟停，實現無人值守。
5）監測現場 CO 2、H2 S、SO 2 、NH 3 、CO 等氣體情況，設置報警斷電。將監控探頭吊掛在水池下風側。
4 結論
1）恒壓供水能自動 24 h 維持恒定壓力，并根據壓力信號自動啟動備用泵，調整壓力，供水方便，不需要重復升井處理后再下井使用的復雜過程 [7] 。
2）直接將靜壓水轉換為動壓供水，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，可監測水泵運行情況、流量、水位、入口、出口壓力、溫度等。
4）系統配置可實現全自動供水，實現無人值守自動供水。控制系統具有故障報警和顯示功能，并可進行工變頻轉換，應急供水。
5）系統根據工作面用水量的變化來調節水泵轉速，使水泵始終工作在高效區，當系統零流量時，機組進入休眠狀態，水泵停止，流量增加后才進行工作，節電效果明顯，比恒速水泵節電 23%~55%。
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