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1、第二章 2.1 排水设备的控制矿山在生产过程中，会有一定数量的涌水产生，因此，排水设备是矿山建设和生产中不可缺少的固定设备。它的主要任务是及时迅速地排除井下的涌水，以保证矿井的正常生产和安全。每个矿井都有许多台排水设备，由于它的功率大、台数多，因此，排水设备是矿井的主要用电负荷之一，所以，保证排水设备安全、可靠、经济、合理的运转有着十分重要的意义。2.1.1 水泵的电力拖动一、矿井排水设备的组成目前，我国煤矿使用的水泵有离心式、往复式和喷射式（射流式） ，其中最常用的是离心式水泵。往复式和喷射式水泵仅用于局部排水或排送泥浆。离心式水泵有多级和单级之分。单级离心泵扬程较低，主要用于区段及井底水窝
2、等局部排水；多级离心泵主要用于中央泵房的集中排水。离心式排水设备，主要由离心式水泵、电动机、起动设备、仪表、管路及管路附件等组成，如图，1-离心式水泵； 2电动机； 3起动设备； 4吸水管； 5滤水器； 6底阀；7调节闸阀； 8排水管； 9逆止阀；10旁通管； 11灌引水漏斗；12放水管；13放水闸阀；14真空表；15压力表；16放气栓（一）滤水器和底阀滤水器又叫滤网，安装在水泵吸水管的下端，其作用是阻止吸水井中沉淀的煤泥和杂物吸入水泵内，以防水泵堵塞和磨损。在滤水器内装有舌形底阀，它的作用是不使引水漏掉。（二）闸阀调节闸阀 7 安装在靠近水泵排水管上方的排水管路上，位于逆止阀 9 的下面。其
3、作用为：调节水泵的流量和扬程；水泵起动时将它完全关闭，以降低电动机的起动电流。放水闸阀 13 安装在调节闸阀上方的排水管的防水管 12 上，其作用是为检修排水管时放水用。（三）逆止阀逆止阀 9 安装在调节闸阀 7 的上面，其作用是当水泵突然停止运转（如突然停电）时，或者在未关闭调节闸阀的情况下停泵时，能自动关闭，切断水流，使水泵不致受到水力冲击而遭到损坏。逆止阀是有方向性的，在安装时，必须使其箭头方向向上。（四）灌引水漏斗、放气栓和旁通管灌引水漏斗 11 是在水泵初次起动时，用来向水泵和吸水管中灌引水。在向水泵和吸水管中灌引水时，要通过放气栓将水泵和吸水管中的空气放掉。当排水管中有存水时，也可
4、以通过旁通管 10 向水泵和吸水管中灌引水，此时要将旁通管上的阀门打开。（五）压力表和真空表压力表 15 安装在水泵的排水接管上，用于检测排水管中水压的大小。常用的压力表为普通弹簧管压力表，根据其结构特征可以分为径向无边、径向带边和轴向带边三种。表壳的公称直径有 60、100、150、200 和 250mm 五种。压力表所测出的压力叫做表压力或相对压力。真空表 14 安装在水泵的吸水接管上，用于检测水泵吸水口处的真空度。根据其结构特征也可以分为径向无边、径向带边和轴向带边三种。表壳的公称直径和压力表一样，也有60、100、150、200 和 250mm 五种。真空表的测量范围为 076000P
5、a。在离心式水泵起动时，要将压力表和真空表管上的旋塞打开，进行压力和真空度的测量。2.1.2 对矿井排水设备的要求为了保障煤矿的安全生产，对排水设备的主要要求是：（一） 水泵必须有工作、备用和检修的水泵，其中工作水泵的能力，应能在 20h 内排除 24h 的正常涌水量；备用水泵的能力应不小于工作水泵能力的 70，并且工作和备用水泵的总能力，应能在 20h 内排出 24h 的最大涌水量；检修水泵的能力应不小于工作水泵能力的 25.水文地质条件的复杂或有突水危险的矿井，可根据具体情况，在主泵房内预留一定数量水泵的位置，或另外增加排水能力。（二）水管必须有工作和备用水管，其中工作水管的能力应能配合工
6、作水泵在 20h 内排出矿井 24h的正常涌水量。工作和备用水管的总能力，应能配合工作和备用水泵在 20h 内排出矿井24h 的最大涌水量。涌水量小于 300m3/h 的矿井，排水管也不得小于两趟。（三）配电设备配电设备应同工作、备用和检修水泵相适应，并能同时开动工作和备用水泵。主排水泵房的供电线路不得少于两趟，当一路停止供电时，另一路应能担负全部负荷的供电。（四）其他要求（1） 主排水设备应有预防涌水突然增加而致使设备被淹没的措施。（2）水泵除要保证工作可靠外，还必须有较高的运行效率。（3）应尽量采用体积小的水泵，以减小泵房尺寸。水泵在结构上应适合井下安装、拆卸、运输和便于维修。（4）水泵机
7、组装在需要采取隔爆措施的地区，其电气设备也应是隔爆型的。2.1.3 排水设备的工作特点及自动控制的基本要求根据水泵的基本工作原理要求，排水设备应具有以下工作特点：1、 泵内空间必须具有一定的真空度。这是水泵正常工作的必要条件。在启动水泵前，应首先向泵内主满“引水” ，把泵内原有空气排出，待水充满泵内空间和吸水管路后方可启动水泵。2、采用首先关闭闸阀而后停止拖动电机的停车方式，这是为了防止或减轻 水锤现象对泵内部件的冲击。3、水泵是一种不经常启动，一经启动便长时运转不需调速的没备，在一定的转速和管网特性情况下，水泵在确定的工况点工作，负荷比较稳定，因此，排水设备多采用交流鼠笼式电动机拖动。在电网
8、容量较小的情况下，也可选用绕线式电动机。井下主排水设备的工作地点通风良好，但比较潮湿，有时有滴水，可采用封闭式或仿滴防溅式电动机，区段排水设备的工作条件比较恶劣;一般选用隔爆型电动机。4、水泵是关系矿井安全生产的要害设备。矿井不断涌水，水泵必须连续工作。尤其是在危险水位时，应使多台泵同时开动。当运转水泵发生故障需要启动另一台水泵，或者涌水量太大需要启动多台水泵时要迅速、准确、简单、方便，简而言之，排水设备的各项操作及轮换必须简单易行。5、排水设备在工作过程中的工作状态和矿井的涌水量有关，而决定水泵工作台数和工作时间的参数是水仓的水位，易于实现控制过程的自动化。基于水泵的上述工作特点，排水设备对
9、自动控制的基本要求是:1、能根据水仓水位的高低自动开、停水泵。开、停水泵的每个环节应按照程序自动完成。2、为避免电动机和电控设备因长期停用受潮、使各台水泵磨损均衡和及时发现存在的问题，在正常水位时，各台水泵应能自动轮换工作。在危险水位时，能使必要数目的水泵自动投入运行。3，如果某台水泵在启动或运转过程中发生故障，应使该泵立即停车，并自动启动下一台水泵。在故障未排除之前，故障泵电路闭锁，退出正常工作。4、为使矿井变电所母线负荷均匀，应能远距离监视水仓水位的变化和每台水泵的运行状态，以便根据 “移峰填谷”的原则确定各泵的开停时间。5、应具有尽可能完善的保护措施，保证设备安全运转。一旦发生故障，应能
10、立即停车或发出警报信号，避兔事故进一步扩大。二、电动机的选择与计算根据离心式水泵的机械特性，鼠龙型电动机完全能够满足要求，而且效率高、价格便宜，应首先考虑选用。如果电网的容量较小不允许直接启动，一般采用电抗器降压启动，也有采用绕线型电动机的，此时应经技术经济对比后确定。水泵电动机的功率按下式计算： mecQHKP36012式中 电动机功率备用系数，一般取 1.11.5；K矿水的比重，公斤/米 3；水泵在工况点的流量，米 3/小时；Q水泵在工况点的总扬程，米；H水泵在工况点的效率。mec每年排水电耗按下式计算： maxax36012 TNZQHWNsmec式中 电网效率，一般取 0.95；s电动
11、机效率；分别为正常涌水期和最大涌水期的天数，一般 ZN 取 305 天、Z max 取 60maxZN、天，或按找矿井的具体情况而定；分别为正常涌水期和最大涌水期开泵台数；ax、分别为正常涌水期和最大涌水期每台泵一昼夜工作小时数mTN、二、排水设备的拖动控制及启动电抗器的计算与选择如前所述，排水设备的拖动电动机属长时恒载工作方式，对调速无特殊要求，启动也不频繁，通常采用交流鼠笼式电动机，低压小容量的电动机只要小于供电变压器额定容量的三分之一，一般都可采用直接启动方式。，当电动机容量较大时通常采用电抗器或自耦变压器降压启动。自耦变压器有三个抽头电压（40，60和80、也有的是55、64和73），
12、使用时只需调整抽头电压，一般不做计算。但对高压大容量电机。由于它的影响面较大必须进行启动设备的计算。（一）排水设备的拖动控制图2.2-1所示为交流鼠笼式电动机拖动的控制系统原理图。该系统的特点是:用高压电动机拖动，用油断路器和空冷式电抗器组成高压综合启动器。启动时电抗器串接于电动机定子回路中进行降压启动，待电动机达到满转后利用接触器将电抗器短接，水泵转入正常运行状态。系统工作原理如下：启动准备：首先合上三极隔离开关K 1和刀闸开关K 2、K 3，信号灯XD Z、XD K同时明亮，表示主控电源已经接通。若水泵充水已经完成，则允许启动。启动操作：手动操作失压脱扣器ydk的手柄，便油断路器DL合闸，
13、电动机带电抗器DK接入电源开始降压启动。M VA 6 K V1R DH yD L1 G L J2 G L JC1 L H2 L HD KCD L f 1C2 S J1C1 S J 1 S Jy JD L f 3 y J2 S JR D 3K 2 2 0 Vy JC Z K T A 2 G L J1 G L J y d kD L f 4C G L JD L f 2 X D ZX D K RR D2K 1 1 0 V图2.2-1 用电抗器降压的启动控制线路原理图油断路器的辅助触点DL f比主触点的动作稍迟。当DL合闸后，时间继电器2SJ和电压继电器YJ的线圈回路仍能维持通电状态。当DL的手柄全部合
14、上后，虽然DLf 1打开，2SJ断电，但断开延时触点2SJ须经一段延时时限后方能断开，故常开触点YJ仍然闭合。由于DL f3闭合，时间继电器1SJ线圈得电，延时闭合其常开触点，接通交流接触器C的主触点闭合立即被它的扣锁机构锁住，所以，尽管2SJ 、YJ、1SJ和C的线圈均断电，仍能保证电动机正常运转。只有当DL因故跳闸，DL f1 恢复常闭状态后，交流接触器C 1的线圈得电，才能松开锁扣，断开DL的主触点，电动机停止运行。在启动过程中，若发生故障，在预定延时后未能将电抗器短接，将引起油断路器跳闸，保证电抗器不致长时带电工作。这是因为电压继电器YJ和交流接触器C的常开触点并联，在此情况下二者均不
15、能闭合，从而使ydk线圈失电的缘故。但在正常启动过程中，由于C的触点闭合，ydk不能断电。停车操作：正常停车时，只需按下停止按钮TA，ydk失电，油断路器跳闸，电动机便因失去电源而停车。保护措施：该系统用熔断器做短路保护，把过电流继电器1GLJ和2GLJ的常闭触点串接于ydk的线圈回路中作过负荷保护。(二)启动电抗器的计算与选择大容量的电动机所以多用电抗器降压一方面是可以减少启动过程的能量损失；另一方面在加速到高速段时电动机的力矩比较大（与电阻降压相比），同样负荷情况下启动最终速度较高，当转换到全电压时电流冲击小。用电抗器降压的接线图和机械特性如图2.2-2所示。(一)电抗器计算准则:电动机启
16、动时，启动电流可达额定电流的47倍。这样大的电流流经供电线路，将造成严重的电压降落，不仅影响接于同一电网上的D LD KMC电抗器降压启动的接线和机械特杜其他用电设备的正常工作，而且也使电动机的启动力矩降低，启动时间延续过长，危及电动机的绝缘，甚至可能将电动机烧毁。为此，进行降压启动计算时必须满足以下两个条件：1、启动时电网电压降落不得超过允许值；2、电动机的启动力矩必须满足生产机械的要求。(二)计算方法。：图2.2-3(a)所示为一台由高压母线供电的供电系统图。在供电回路中由于有变压器，各段电路的电压、电流都各不相同。为便于计算，往往将电路化简为以标么值为基础的等值电路【图2.2-3（b）所示】，采用标么值法进行计算。S dS e uX kU g dS dMS f zyXbkXqdufz1ufzX( a )( b )( c )nBAIqeqdIqeMd图 2.2-3 供电线路及
