8083523_煤矿隔爆型水泵综合性能试验系统设计__

煤矿隔爆型水泵综合性能试验系统设计
【摘要】
【关键词】
【Abstract】
【Key words】
一、前言
目前我国煤矿安全生产整体形势好转，但事故总量和百万吨死亡率仍然偏高，煤矿生产事故隐患还没有得到彻底解决。

煤矿安全生产和抢险救援工作仍然是各大矿业集团和煤矿企业今后工作的重点。

在煤矿施工面、采掘工作面、涌水无人区和救援抢险中的迅速排水是矿井建设和安全生产过程中首要考虑的问题。

随之煤矿开采深度和强度的不断增加，对排水设备的性能要求越来越高，相关产品的检验检测也变得越来越重要。

煤矿隔爆型水泵是煤矿主要排水和救援设备，其性能好坏直接关系到矿井建设、安全生产和救援抢险工作的顺利进行。

随着科技水平的高速发展，微电子学、信息技术和现代控制理论在各个领域具有广发的运用。

煤矿隔爆型水泵的检验技术和检验手段不断进步，逐渐形成了以工业计算机和变频调速技术为核心智能化、实时化的检验系统。

本文以煤矿隔爆型离心泵、煤矿隔爆型潜水泵等为检测对象设计水泵综合性能试验系统，该系统可以按照“GB/T 12785 《潜水电泵 试验方法》”和“GB/T 3216 《回转动力泵 水力性能验收试验 1级和2级》”标准要求，完成不同规格的煤矿隔爆型水泵扬程、流量、效率、功率等综合性能检测试验。

二、试验系统构成
煤矿隔爆型水泵综合性能试验系统由水源单元、水路单元、二次仪表、数据采集单元、工业计算机、控制单元和变频试验电源等部分组成（试验系统结构框图如图1所示），其中水源单元具有容量的水和良好的水循环系统，可以为试验的顺利进行提供足够容量的水源，同时具有水位调节功能；水路单元由六条不同直径的管道和电动阀门组成，实现试验过程的水循环和压力调节；二次仪表包括电压表、电流表、压力计、流量计和转差表等，为数据采集单元提供试验系统原始数据参数；数据采集系统将原始数据转换成控制系统可识别的信号，实现二次仪表和控制系统之间的数据转换；控制单元和变频电源为整个系统的核心，实现整个试验系统控制指令输出、试验数据的处理及试验工况动态调节；工业计算机完成试验指令输入、试验数据分析处理、试验曲线的拟合及系统参数和试验结果的显示和存储。

图1 煤矿隔爆型水泵综合性能试验系统结构框图
试验系统工作时，操作面板发送动作指令，水经过底阀进入管道（直径φ0.05m、φ0.08m、φ0.1m、φ0.15m、φ0.20m、φ0.35m）系统，在水泵中获得能量后，流经入口
压力传感器、电磁控制阀、流量计、出口压力传感器反馈到水池中。

控制单元对电动阀门进行调节，近而控制水的流量，接收数据采集单元采集的系统电流、电压、流量、压力、功率因数等数据，经过软件程序完成数据的计算处理，并发送给显示单元进行试验参数实时显示和存储。

试验系统采用动
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态闭环调节和变频试验电源供电的方式，既可以提高试验效率和测量精度，又可以节省电能的消耗，达到高效节能效果。

三、变频调速系统节能原理
传统水泵流量调节过程采用阀门控制的方式，这种控制方式控制时管道阻力变大，造成大量的能源浪费。

煤矿隔爆型水泵综合性能试验系统采用变频试验电源通过改变速度进而实现流量的调节，传统调节方式和变频电源试验调节过程扬程-流量特性(H-Q)曲线如图2 所示。

传统阀门控制试验过程中, 当流量需要从Q1减小到Q2时, 必须关小阀门，此时阀门磨擦阻力将变大, 阻力曲线从R1移到R2，扬程则从H1上升到H2, 运行工况点从M 点移到N 点。

图2 试验系统调速过程中H-Q 关系曲线
采用变频试验电源进行流量调节过程中, 当流量需要从Q1减小到Q2，将速度从Nl 降到N2, 运行工况点则从M 点移到O 点, 扬程从H1下降到H3，由于阻力曲线R1不变, 试验系统消耗的能量不变。

根据离心泵的特性曲线公式:
(l)
参考文献
[1] 国家安全监管总局 国家煤矿安监局.关于进一步加强煤矿安全监管监察工作的通知.〔2012〕130号[2] 李剑峰.高可靠性可编程水泵监控系统[J].煤矿机械,2009,(11）:127
[3] 姜秀柱,徐钊,冯东芹.基于EPA 的煤矿井下水泵控制系统[J].工矿自动化
,2008(10):62-65
式中: p —水泵使用工况轴功率(kW );Q—使用工况点的水压或流量(m 3 / s );H —使用工况点的扬程(m ) ;r—输出介质单位体积重量(kg / m 3 );η—使用工况点的泵效率(% )。

可求出运行在N 点泵的轴功率和O 点泵的轴功率分别
为:
(2) (3)
两者之差为:
(4)
也就是说, 用传统阀门控制方式进行流量时, 有△P 功率被阀门阻力损耗浪费掉了, 且随着流量的变小，阀门不断关小, 这个损耗还要增加。

而用变频电源进行流量控制时, 根据流量Q、扬程H、功率P 和转速N 之间的关系, 有:
(5)
根据公式(5)可知，流量Q 与转速N 的一次方成正比；扬程H 与转速N 的平方成正比；功率P 与转速N 的立方成正比，即功率与转速成3次方的关系下降。

如果不是用关小阀门的方法，而采用变频电源进行流量调节时，那么在同样流量的试验情况下，原来消耗在阀门的功率就可以避免，从而获得图2中MNO 区域大小的节能效果，这就是水泵调速
节能原理。

四、结束语
综上所述可得，本文设计的煤矿隔爆型水泵综合性能试验系统具有变频调速效果好、节能效果显著、安全可靠等的优点。

在国家大力提倡节能环保的今天，推广集电力电子技术、电机学和计算机理论为一体的高效节能的煤矿隔爆型水泵综合性能试验系统对于提高工作效率、降低能源消耗、减少污染具有相当重要的现实意义。

基金项目：抚顺市科技发展基金项目
(20131312)。