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          井工礦山正壓給水前置泵串級調速技術機械研究

          來源: www.lov2go.com 發布時間:2020-03-07 論文字數:38855字
          論文編號: sb2020022417182629652 論文語言:中文 論文類型:碩士畢業論文
          本文是一篇機械論文,本文針對礦井排水系統能耗大、效率低等問題。通過分析離心泵串聯工作特性以及前置泵串級調速節能原理,提出了正壓給水前置泵串級調速方法。
          本文是一篇機械論文,本文針對礦井排水系統能耗大、效率低等問題。通過分析離心泵串聯工作特性以及前置泵串級調速節能原理,提出了正壓給水前置泵串級調速方法。搭建離心泵串級調速實驗平臺,開展了兩臺同型號離心泵串級正壓給水前置泵變頻調速實驗和兩臺不同型號離心泵正壓給水前置泵串級調速仿真實驗。以串級調速系統效率為優化目標,構建前置泵變頻調速控制系統數學模型;利用 Matlab/simulink模塊,結合模糊 PID 自適應控制算法,對控制系統的動、靜態特性進行仿真分析。最后搭建了主排水泵串級正壓給水實驗測試平臺,開展主排水泵地面性能試驗和煤礦井下正壓給水前置泵串級調速工業性實驗。

          第 1 章 緒論

          1.1 課題背景及研究意義
          目前,我國正面臨著資源短缺和環境破環等問題,《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》提出對國有能源企業體制結構進一步優化,加快發展低碳生態經濟,促進可持續發展。而煤炭產業作為傳統能源行業的代表,建設具有安全高效、綠色環保的一體化、現代化體系成為必然。
          井下排水系統擔負著煤礦井下排除積水的任務,是煤炭安全生產的重要保障。在礦井原煤開采的過程中,礦井周圍的地下水都會向縱深很大的礦井匯集,導致了礦井的積水量極大。據統計數據顯示,在正常開采中,開采 1 噸原煤一般只會在巷道水倉匯集 3~7 噸的地下水,但是在一些靠近河流等水源充足的地方,生產1 噸原煤可能會產生 30~40 噸地下水甚至更多[2]。大量的積水匯集在礦井的水倉和巷道內,不僅會影響井下的生產工作,降低開采效率,而且可能引發其他的安全事故,甚至威脅到井下工作人員的生命安全,安全隱患極大[3]。
          由于煤礦井下涌水快、水量大、積水多等特點,大排量的離心式水泵成為了礦井排水的首選排水設備[4]。對于很多的大型采煤礦井來說,水泵需要排水的高度高達幾百米甚至達到上千米,而用來驅動這些水泵的電動機相應的功率也多達上千千瓦,單單在排水設備上消耗的電量就占到了整個原煤生產總耗電量的 30%左右。而且,很多水泵的實際運行效率偏低,使得電機對電量的消耗又會額外的增多[5]。目前,國內生產的離心泵額定效率最高可達 80%~85%,由于離心泵在工作過程中存在水力損失、容積損失、機械損失等能耗,導致實際運行效率僅有 40%~50%,甚至更低,遠遠達不到國家的標準規定,與發達國家相比相差甚遠,同時離心泵在使用過程中存在壽命短、可靠性差、啟動時間長等問題[6]。因此,提高排水系統效率、增強其可靠性等研究工作仍有很長的路要走。
          ..........................

          1.2 國內外研究現狀
          針對排水設備運行效率低、耗電量大的問題,國內外學者在高效泵優化設計、排水系統優化研究以及離心泵變頻調速等方面做了大量研究,取得較多工作成績,積累了一定的研究成果,對降低排水系統能耗,提高煤礦企業經濟效益,具有實際應用價值。
          1.2.1 高效泵優化設計國內外研究現狀
          國內外學者目前總結的離心泵整體效率低下的主要影響因素是離心泵自身的結構設計,長期以來,學者們一直關注如何通過改善離心泵葉輪葉片的形狀、增減相關結構的尺寸來提高水泵自身效率。Ciocanea Adnan 等人對離心泵的葉輪進行優化設計并進行試驗驗證,試驗結果發現,改進后離心泵的運行效率相比之前提高了 2%[9]。Ashish Doshi 等人通過改變后向葉片的角度,使得液體進入水泵時的相對速度方向與葉片的角度相一致,實驗結果證明,水泵在工作過程中振動會明顯降低,可以節約 5~10%的能量消耗[10]。Lomakin 等人研究了多個準則下離心式水泵的流量優化問題,在考慮不確定性影響的基礎上,通過對葉輪結構的優化,實現了泵的穩定高效工作[11]?Mohammed K對離心泵葉輪和蝸殼進行了水動力多目標優化設計,優化結果證明改進后離心泵的效率提高了 3.2%,揚程損失降低了2%[12]。Shahram Derakhshan 等人結合人工神經網絡(ANN)和 Eagle 策略(ES)算法對Berkeh 32-160 泵的葉輪幾何結構進行優化,在實驗室對泵進行了實驗測試。最后,將優化后葉輪泵的全數值特性曲線與初始葉輪的驗證數值特性曲線進行比較,驗證優化結果。優化后的幾何形狀增加 9.9%的揚程,效率提高了 3.33%,顯著提高了泵葉輪的性能[13]。D. Khoeini 等人通過數值和實驗研究改變離心泵葉輪下游發散角(α)的 0°、5°和 10°來提高離心泵的性能。數據分析表明,數值計算結果與實驗結果吻合較好,在葉輪下游發散角α= 10°時,整體效率相比原來提高了 9%,大大提高了離心泵自身的效率[14]。Gamal R.H 等人為了研究了葉輪葉片數對泵性能的影響,在同一臺離心泵上分別對 5、7、9 個葉片的葉輪進行了數值試驗研究。工作采用 Fluent CFD 進行。確定了 2800 轉/分轉速下的最佳葉片數。發現葉輪與葉片 7比 5 和 9 兩種情況液體損失的能量減少,極大改善了離心泵的性能[15]。
          ..........................

          第 2 章 離心泵串聯運行特性及調速相關理論

          2.1 離心泵的串聯工作特性
          2.1.1 兩臺同型號泵的串聯運行
          圖 2-1 為兩臺同型號泵串聯運行工況,其中 H1(H2)為泵 1(泵 2)的特性曲線,H3 為兩臺泵串聯運行時泵組的流量-揚程特性曲線,R 為管路特性曲線。在管路特性不變的情況下,單泵運行時的工況點為 A,兩臺泵串聯運行時的工況點為 B,泵組的揚程為BH ,串聯后揚程和流量都增大,但兩臺離心泵串聯后工況點的流量和揚程均小于單泵工況點的二倍,即
          圖 2-1 兩臺同型號泵串聯
          ........................

          2.2 離心泵調速相關理論
          目前,離心泵常用的流量調節方法主要有:一是調節管路上的排水閥門來改變管路特性曲線的節流調節;二是改變離心泵揚程特性曲線的變速調節。
          2.2.1節流調速
          節流調速法就是通過改變管路上排水閘閥開度的大小來改變管路的阻力大小,從而改變管路的特性曲線,使得離心泵的工況點沿著流量-揚程特性曲線移動達到新的平衡,最終達到調節流量的目的。這種調速方法是通過增大管路局部阻力來實現流量調節的,在工作過程中會增大能量的消耗,但由于此法操作簡單,易于實現,所以應用較為廣泛[37]。
          流量的節流調節法如圖 2-4 所示,H 為離心泵的流量-揚程特性曲線。管路特性曲線為 R1 時,系統的工況點為 a 點,此時流量為 qva,當管路特性曲線由 R1 變為 R2、R3 時,系統的工況點沿流量-揚程特性曲線 H 由 a 點移動到 b 點、c 點,此時流量降低為 qvb、qvc。在管路上額外消耗的揚程分別為 bb'、cc',且有 cc'> bb',可見,隨著排水閘閥開度的逐漸減小,在閥門上的損失會越來越大,不符合節能的目標。
          圖 2-4 節流法調節流量
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          第 3 章 前置泵串級調速實驗及仿真研究....................................... 17
          3.1 搭建離心泵串級調速實驗測試平臺......................... 17
          3.2 兩臺同型號離心泵變頻調速實驗............................. 18
          第 4 章 基于模糊 PID 自適應前置泵調速控制方法研究...........................39
          4.1 礦井水倉涌水速率精準檢測................................. 39
          4.1.1 水倉有效容量與空倉量初步估算........................... 39
          4.1.2 涌水速率的精準檢測..................................... 40
          第 5 章 煤礦井下工業性試驗.................................... 55
          5.1 冀中能源峰峰集團孫莊礦概況................................. 55
          5.2 主排水泵串級正壓給水實驗測試................................... 55

          第 5 章 煤礦井下工業性試驗

          5.1 冀中能源峰峰集團孫莊礦概況
          孫莊礦隸屬冀中能源峰峰集團,井田南北走向長約 8km,東西寬約 2.5km,總開采面積 15.3km2。孫莊礦為水文地質條件極復雜型礦井,礦井涌水量較大,目前礦井的平均涌水量約為 21 m3/min,最大涌水量達到 27 m3/min。礦井具有完善的排水系統,井下共配備了五個泵房。每個泵房安裝 9 臺排水泵,2 趟排水管路,其中4 臺 MD280-43×6 型離心泵作為日常排水,每臺泵的額定排水量為 280m3/h,2 臺MD280-43 ×7 型離心泵作為備用泵,在正常排水泵出現故障時及時開啟保證排水能力,額定排量同樣為 280m3/h。兩臺 MD450-60×4 型離心泵作為緊急備用,在水倉水位達到警戒線后即將威脅到排水泵房時緊急開啟,額定排水能力為 450 m3/h。一臺型號為 ZO390-862/16-10 型潛水泵,每臺泵額定排水能力為 390 m3/h,在水位已經淹過泵房導致所有離心泵無法使用時開啟,將水位排到泵房以下,此類情況極少,一般潛水泵很少開啟。排水管路為 2 趟 426 ×10 的鋼管,單管長 480 米。
          ..........................

          結論

          本文針對礦井排水系統能耗大、效率低等問題。通過分析離心泵串聯工作特性以及前置泵串級調速節能原理,提出了正壓給水前置泵串級調速方法。搭建離心泵串級調速實驗平臺,開展了兩臺同型號離心泵串級正壓給水前置泵變頻調速實驗和兩臺不同型號離心泵正壓給水前置泵串級調速仿真實驗。以串級調速系統效率為優化目標,構建前置泵變頻調速控制系統數學模型;利用 Matlab/simulink模塊,結合模糊 PID 自適應控制算法,對控制系統的動、靜態特性進行仿真分析。最后搭建了主排水泵串級正壓給水實驗測試平臺,開展主排水泵地面性能試驗和煤礦井下正壓給水前置泵串級調速工業性實驗??偨Y得到以下研究成果及結論:
          (1)采用前置泵變頻調速極大的提高了排水系統的運行效率,節能效果顯著,值得推廣.
          (2)通過理論計算與模擬仿真推導的前置泵調速方法得出的理論轉速與實際轉速最大相對誤差不超過 3.575%,能夠滿足前置泵的調速需求,該調速方法具有很高的可行性與可靠性。
          (3)控制算法方面,完成了模糊 PID 自適應控制方案的設計,試驗證明,自適應模糊控制方案達到了較高的性能指標,能夠根據水倉液位偏差及偏差變化率自動調整前置泵轉速,調速效果明顯。
          (4)通過工業性試驗驗證了驗證了前置泵變頻調速控制方法的可行性與可靠性,能夠有效的提高排水系統的運行效率和節能效果,具有很高的經濟效益。
          參考文獻(略)

          原文地址:http://www.lov2go.com/jxlw/29652.html,如有轉載請標明出處,謝謝。

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