煤1四采区排水系统设计计算说明书
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
                 生产技术装备部机电室
 
                    2018年7月
 
 
 
 
 
 
 
 
审       批
 
 
 
编    制：
 
 
 
生产技术装
备部机电室：
 
 
 
机电副总：
 
 
 
防治水副总：
 
 
 
机电矿长：
 
 
 
总工程师：
 
 
 
 
 
 
 

煤1四采区排水系统设计计算说明书
    一、设计依据
1、煤1四采区排水泵房设在煤1四采下部车场附近，下部车场标高－546.4m；采区涌水排至煤1四采下部水仓，由采区水泵通过排水管路排至东大巷煤1四采轨道下山门子口排水沟，标高－443.6m；采区排水高度为102.8m。
2、正常涌水量q_z=80 m³/h
3、最大涌水量q_max=200 m³/h
二、排水设备选型计算：
1、预选水泵：
⑴正常涌水时期，水泵必须的排水能力
Q_B≥1.5q_z=1.5×80=120m³/h
⑵最大涌水时期，水泵必需的排水能力
Q_max≥1.5q_max=1.5×200=300m³/h
⑶预选水泵，自泵产品目录查得MD155-30型水泵，水泵额定流量Q_C=155 m³/h，单级额定扬程He=30m。
2、管路及管路布置
根据各涌水期投入工作的水泵台数，选用两条管路。正常涌水期开启1台工作水泵通过一条排水管路排水；最大涌水期同时开启工作水泵和备用水泵，通过两条排水管路排水。
⑴计算管径，选择管材，取流速Vp=1.5—2.2m/s时排水管内径
d_p =√4Q/π3600×V_p
=√(4×150)/π3600×(1.5—2.2)
=0.188—0.155 m
自标准YB231-70查得外径D_p=159的无缝管壁厚有5、6、7mm等，取壁厚δ=6mm试算，此时dp=159-2×6=147mm，所需壁厚：
δ=0.5dp[√(δ_z+0.4×0.011Hp)/ (δ_z－1.3×0.011Hp)-1] ＋0.15
=0.5*14.7[√(80+0.4×0.011*103)/ (80－1.3×0.011×103)  -1] ＋0.15
=0.24cm
因此，排水管采用D159×6无缝钢管，排水管长度L_p=586m，吸水管内径d_x=d_p+25=172mm，吸水管采用D180×7无缝钢管，吸水管长度L_x=6m。
⑵管路系统，如图三台泵共用1口吸水井，共同使用2条排水管路。

⑶计算管路特性：
管路沿程阻力计算：
V=Q/3600/（πr²）=155/3600/[ (π/4)×0.147²]=2.54 m/s
沿程阻力系数为：
λ=0.02+0.0018/√Vdp=0.02+0.0018/√(2.54×0.147)  =0.021
排水管沿程阻力损失：
h_f=λ(L/dp)×(V²/2g)
=0.021×(586/0.147)× [2.54²/(2×9.8) ]=27.6 m
局部阻力损失与沿程阻力损失比值取0.3
排水管总水头损失：
Σh=27.6×(1+0.3)=35.9 m
排水泵必须的扬程为：
H_f=Σh+Hc=35.9+（546.4-443.6）=138.7 m
3、选择水泵：
选用MD155-30×5多级耐磨离心泵三台，一台工作，一台备用，一台检修；单台水泵额定流量Q_B=155m³/h，额定扬程H⑪_e=150m，配电机功率110KW。
4、验算排水时间：
正常涌水期和最大涌水期每天必须的排水时间为：
T_z=24q_z/Q_k=24×80/155=12.39 h
T_max=24q_max/Qk=24×200/310=15.48 h
    无论正常涌水期和最大涌水期，每昼夜的排水均不超过20h，符合《规程》规定。
 
 
 
 
 
 
煤1四采区排水泵房设备、材料明细表
 

序号	名   称	规格型号	单位	数量	备   注
1	多级耐磨离心泵	MD155-30×5	台	3
2	无缝钢管	D159×6	米	1200
3	无缝钢管	D180×7	米	18
4	闸    阀	Z41H-16  DN150	个	6
5	信号返回式防爆 电动闸阀	DN150    Pg16	个	3
6	止 回 阀	H44H-16   DN150	个	2
7	信号返回式防爆 电磁阀	DN20	个	6
8	配水闸阀	PZ-600	套	1
9	喷 射 泵	ZPBG	只	3
10	偏心异径管	Dg150/175	个	3
11	电接点真空表	Y-100  0~1.6Hpa	块	3
12	压 力 表	Z-100  -0.1~0MPa	块	3
13	无缝钢管	D57*4	米	18
14	快速接头	Φ150	套	200	以节管6米计
15	冲压弯头	Φ150	个	20

 
 
 
 
 
 
 
 
煤1四采排水泵房自动控制系统方案
一、总则
本方案是针对梁家煤矿煤1四采泵房，共3台水泵远程监控的相关技术要求，并充分考虑系统的先进性、安全性、可靠性及安装、使用和维护的方便灵活而设计。
二、达到的技术水平和实现的目标
本系统投入后，可使系统更加安全可靠，提高排水能力，降低事故率，减少故障处理时间，提高矿井效益。能够最大限度地减少因电控系统故障而造成的事故，提高排水系统的可靠性，节约设备维修费用，延长设备使用寿命。
根据现在的技术水平，配备先进的检测、监控系统，完成水泵的自动开停和工况检测，实现主排水系统自动化控制。
本控制系统在井下泵房集控室设PLC集中控制站，采集各种信号，按照工艺流程控制各台水泵及相应的电动闸阀，显示各种工作状态。整个集中控制系统由PLC集控及监控部分、现场设备两大部分组成。
   （1）系统采用最先进的工业以太网技术，实现四采下部泵房2台水泵的远程自动化控制。
   （2）立足于高起点、高技术和高质量，系统均采用国际工控界的知名品牌产品及配件。
   （3）提高管理水平和技术水平，减少操作人员和工人的劳动强度，为今后矿井生产综合自动化打下良好基础。
   （4）实现地面水泵的长距离、多点位信息传输和集中监测监控。具有在线监测、分析及完善的报警及自动执行功能。
   （5）地面控制中心计算机可以对系统的生产管理、事故跟踪与处理、打印各种运转日志报表。
   （6）系统将冗余技术用于水泵的远程自动化控制，实现地面控制中心计算机互为热备，提高系统的可靠性以及维修的方便性。
   （7）实现在地面控制中心对远程PLC的直接编程，方便控制程序的修改。
   （8）系统除自动化控制、远程控制外，在自动化系统检修时也可进行在控制柜上的集中控制。
   （9）通俗易懂的梯形图编程语言，现场技术人员可在最短的时间内掌握编程。
   （10）采用国际流行的组态软件，动态画面美观，修改灵活，数据保存时间长。
   （11）系统设计着眼于将来煤矿综合自动化系统的实现，充分考虑系统的可扩展性和移植的方便性。
三、系统概述
1、基础数据参数
   水泵型号及台数：MD155—30×4，3台
   水泵扬程：120M；流量 155m³/h
   电机规格型号及功率：90KW，660V
   主排水管路：2条
   供电形势：高压开关柜供电，矿用一般性电抗器降压启动。
四、主要功能与特点
1、主要功能
（1）冗余功能（选用）
采用双操作员站的系统可实现双机热备用，当其中一台计算机出现故障时，可自动切换到另一台计算机，以防止数据丢失或控制失控。
（2）系统容量
系统输入/输出点位能够满足可采集300个监控点；巡检周期符合行业规定。
（3）扩展功能
选择的计算机和系统软件留有备用容量和接口，可以很方便地进行扩展；分布式系统结构具有良好的扩展性。
   （4）打印功能
能实时或按时间段打印各相关设备的运行参数（如运行时间、电机电流等）和运行状态。
  （5）控制功能
具有远程启动、停止、复位和测试功能，并可进行地面远程编程、故障（保护）屏蔽等功能控制。
  （6）在线编程
系统具有在线现场、远程编程，完善修改系统功能。
  （7）系统软件
系统平台为WINDOWS操作系统，应用软件采用iFIX组态软件，人机界面友好，便于系统程序员修改和维护。控制软件采用西门子公司最新的STEP7  V5.3编程软件编写。
  （8）数据统计、汇总
 对数据进行综合处理，满足报表统计、曲线图、柱状图显示并能打印输出。
  （9）掉电保护
为防止系统突然断电造成系统数据的丢失以及控制失控，每个节点采用1000VA UPS供电，保证系统不间断运行。
  （10）水位监测
实时在线监测水仓水位，当水位达到上限时能够报警，自动开启水泵；当水位达到下限时，发出声光信号，自动停泵。
  （11）监测点位
实时在线监测水泵各工况参数，包括水位、流量、电压、电流、压力、功率、温度、真空度、闸阀开启度等。
  （12）数据分析
具有数据分析功能，对水泵的效率、电耗、工况点等进行分析，确保经济运行。
  （13）故障报警
当水泵出现故障时，能够及时报警，并能够自动开启备用水泵，不能满足排水能力时，根据涌水量情况自动确定开启水泵台数。系统应具有以水仓水位为主，结合分时计费和避峰填谷原则，确定开停水泵时间。同时根据水位控制原则自动实现水泵的轮换工作；具有远程、就地启动、停止功能。
   （14）显示功能
水泵房现场以计算机图形界面结合现场操作，最大程度简化操作与状态显示。
  （15）核心控制单元
集中控制器采用SIEMENS公司的S7-300系列PLC及先进的过程控制软件，实现井下排水监控系统的最优控制策略。
  （16）报警和报表
井下排水监控系统的报警，信息显示，报表统计处理能够全部融入整个矿井监控系统的数据系统。
  （17）保护功能
具备完善的系统保护功能。
  （18）网络功能
控制系统可以通过以太网接入矿井工业以太干网，实现水泵监控子系统与全矿井的自动化监控系统信息共享。
  （19）兼容性
具有较强的兼容性和扩展性，为下一步综合自动化集中控制做好扩展接口。
    2、主要特点
   （1）主排水泵控制系统由地面控制中心的计算机，井下由SIEMENS S7-300系列PLC以及集中控制柜组成。
   （2）实现主排水泵自动化的无人职守，仅需要巡检人员和定期检修。
   （3）本系统结构合理，信息共享，实现提高指挥效率和生产率，达到减人提效的目的。
   （4）水仓的水位选用超声波液位计进行检测。真空度和压力传感器选用精度高、稳定性好的传感器。
   （5）系统的控制信号有：主电机的开停控制；电动闸阀控制及射流引水电磁阀的开闭控制。
   （6）系统的主要监测信号有：各水泵及真空泵的开停信号；各电动闸阀的开关位置信号；排水管路的流量；水仓的水位信号；水泵的真空度、排水压力；电机温度及电机轴承温度信号；水泵电机的工作电流等。
   （7）系统控制柜采用矿用一般型，配以操作屏实现对水泵的自动控制，在水泵房设主控制站。采集水泵控制系统的各种输入信息，输入/输出点数可扩展、显示操作简便。
   （8）系统具有灵活、可靠的控制功能，简单实用，易于掌握，人机界面友好、美观。
   （9）系统具有自诊断功能，并具有语音、图像以及报警功能。充分满足现场运行和检修要求。
   （10）能完成水泵的单机控制，还可通过RS485或工业以太网传输接口模块与设置在井下四采变电所的网络交换机连接，由井上调度中心监控所有排水泵等被控设备。保证整个系统运行可靠、故障率低、维护方便、程序修改灵活。
   （11）系统具有实时数据采集、处理及显示功能。具有历史纪录查询功能（可以保存1~3年的所有数据）。
    3、控制系统组成
   （1）控制计算机
 硬件系统由高配置的工控机和网络模块组成；系统监控界面由IFIX开发而成。
   （2）远距离通讯传输系统
 通过工业以太网，上位机显示数据直接从数据库中读取。
   （3）现场设备的控制与信号采集。
   （4）PLC硬件系统的核心使用的是SIEMENS S7-300 系列的CPU CPU313C-2DP，保证系统数据处理的快速、稳定。
    4、显示方式
能实时显示各水泵开停、电机电流和水仓水位等信号状况，并能方便地进行多画面切换；当水位超限时，给出语音、文字告警提示，并自动执行相应的远程操作。
5、图形曲线显示
在地面控制站上应可实时显示各设备运行图。并提供开放式的图形制作软件，用户可随心所欲描绘各种动态图形、静态图形，同时支持多种图形格式（Bmp、Jpg、Gif、Icon、Avi等等），图形画面具有链接功能，可以很方便地切换其它画面显示。可显示实时曲线，可显示年、月、日各时间段的历史曲线和具体数据表。
五、控制模式
1、自动控制功能 
根据工况设定，以及时间、水位、煤矿用电负荷等参数自动开启、停止水泵的运转，并能实现泵阀的联所启动，对运行中的各种参数进行实时监控，通过接口向上传送数据。
   （1）根据所监测的水位信号，设定出低水位、高水位和上限水位信号。低水位时停泵；高水位时水泵一台运行、一台备用、一台检修；上限水位时二台泵运行，另一台备用或检修。
   （2）每台水泵设置地面控制、井下控制、自动、手动和检修五种工作方式，工作方式可直接在本机上设定或由地面主机设定。当水位达到高位或不在高位而处在用电低谷时间内，将自动启动运行泵，当达到低位或不在高位而处在用电高峰时间内时自动停泵。当水位达到上限水位时，自动启动“运行泵”及“备用泵”，直到水位低于高位时停止“备用泵”只运行“运行泵”， 当达到低位或不在高位而处在用电高峰时间内时自动停泵。
   （3）系统可自动或手动选择以实现备用泵的循环启动和停止。
   （4）将本机工作方式转为“地面控制”时，各水泵由地面主机控制。
   （5）当运行的水泵出现轴承超温、开关柜故障、流量不够时自动停止运行，并提示、报警。
    2、手动控制功能
 根据实际需要也可以从自动控制方式切换到手动控制方式。此方式下操作人员在操作台上人工手动控制。
 3、单机自动控制
 地面监控主机将工作方式切转到单机自动时，可在地面监控主机上单独控制系统中的各设备。
 4、就地手动控制
各设备工作方式打到就地位置时，可直接在就地控制箱上起停水泵及相应的电动闸阀。此方式主要用于设备检修时。
5、现场编程
用户可在现场通过面板上的键盘对程序或参数进行修改。
6、组网功能
该控制器通过四采变电所交换机与全矿综合自动化系统连接。
7、水泵运行计量/时间/运行统计
在地面控制站可分别对每台水泵的运行电耗、工作时间等进行统计，便于管理人员及时掌握每台水泵的工况。
8、实时报警/报警记录
在现场PLC控制器上可汉字显示各故障信息并报警，在地面控制站上可显示现场单元当前的报警信息以及保存的报警记录。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
煤1四采区排水泵房远程监控系统设备、材料明细表
 

序号	名称	规格型号	单位	数量	备注
1	工业控制计算机	研华工控机	台	1
2	液晶监视器	三星      19寸	台	1
3	工控组态软件	SIMATIC WinCC V6.2	套	1
4	光电以太网控制器(含软件）	RF-ETH-S2	台	1
5	单模跳线	SC-SC	条	3
6	开关电源	XXDY-24V	台	1
7	水泵控制柜	PLC	台	1
8	水泵液位控制程序	KY-1	套	1
9	闸阀就地控制箱	KY-JD	台	5
10	隔爆电动球阀（4寸手动、电动一体）	DN15	套	6
11	电动闸阀		台	3
12	压力传感器	KGY7	只	3
113	负压（真空）传感器	GPD5000F	台	6
14	流量传感器	LCZ-803	台	3
	液位计（超声波）	LCC-803	台	1
15	投入式液位计	GUY5	台	1
16	光纤模块		个	1
17	阻燃(单模)光缆	MGTSV-4	KM	0.5
18	阻燃屏蔽电缆	ZR-MHVR 4	KM	1
19	电源电缆	ZR-MHVR 4	KM	0.5