第 1 章 绪论
1.1 课题背景及研究意义
目前，我国正面临着资源短缺和环境破环等问题，《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》提出对国有能源企业体制结构进一步优化，加快发展低碳生态经济，促进可持续发展。而煤炭产业作为传统能源行业的代表，建设具有安全高效、绿色环保的一体化、现代化体系成为必然。
井下排水系统担负着煤矿井下排除积水的任务，是煤炭安全生产的重要保障。在矿井原煤开采的过程中，矿井周围的地下水都会向纵深很大的矿井汇集，导致了矿井的积水量极大。据统计数据显示，在正常开采中，开采 1 吨原煤一般只会在巷道水仓汇集 3～7 吨的地下水，但是在一些靠近河流等水源充足的地方，生产1 吨原煤可能会产生 30～40 吨地下水甚至更多[2]。大量的积水汇集在矿井的水仓和巷道内，不仅会影响井下的生产工作，降低开采效率，而且可能引发其他的安全事故，甚至威胁到井下工作人员的生命安全，安全隐患极大[3]。
由于煤矿井下涌水快、水量大、积水多等特点，大排量的离心式水泵成为了矿井排水的首选排水设备[4]。对于很多的大型采煤矿井来说，水泵需要排水的高度高达几百米甚至达到上千米，而用来驱动这些水泵的电动机相应的功率也多达上千千瓦，单单在排水设备上消耗的电量就占到了整个原煤生产总耗电量的 30%左右。而且，很多水泵的实际运行效率偏低，使得电机对电量的消耗又会额外的增多[5]。目前，国内生产的离心泵额定效率最高可达 80%～85%，由于离心泵在工作过程中存在水力损失、容积损失、机械损失等能耗，导致实际运行效率仅有 40%～50%，甚至更低，远远达不到国家的标准规定，与发达国家相比相差甚远，同时离心泵在使用过程中存在寿命短、可靠性差、启动时间长等问题[6]。因此，提高排水系统效率、增强其可靠性等研究工作仍有很长的路要走。
..........................
1.2 国内外研究现状
针对排水设备运行效率低、耗电量大的问题，国内外学者在高效泵优化设计、排水系统优化研究以及离心泵变频调速等方面做了大量研究，取得较多工作成绩，积累了一定的研究成果，对降低排水系统能耗，提高煤矿企业经济效益，具有实际应用价值。
1.2.1 高效泵优化设计国内外研究现状
国内外学者目前总结的离心泵整体效率低下的主要影响因素是离心泵自身的结构设计，长期以来，学者们一直关注如何通过改善离心泵叶轮叶片的形状、增减相关结构的尺寸来提高水泵自身效率。Ciocanea Adnan 等人对离心泵的叶轮进行优化设计并进行试验验证，试验结果发现，改进后离心泵的运行效率相比之前提高了 2%[9]。Ashish Doshi 等人通过改变后向叶片的角度，使得液体进入水泵时的相对速度方向与叶片的角度相一致，实验结果证明，水泵在工作过程中振动会明显降低，可以节约 5~10％的能量消耗[10]。Lomakin 等人研究了多个准则下离心式水泵的流量优化问题，在考虑不确定性影响的基础上，通过对叶轮结构的优化，实现了泵的稳定高效工作[11]?Mohammed K对离心泵叶轮和蜗壳进行了水动力多目标优化设计，优化结果证明改进后离心泵的效率提高了 3.2%，扬程损失降低了2%[12]。Shahram Derakhshan 等人结合人工神经网络(ANN)和 Eagle 策略(ES)算法对Berkeh 32-160 泵的叶轮几何结构进行优化，在实验室对泵进行了实验测试。最后，将优化后叶轮泵的全数值特性曲线与初始叶轮的验证数值特性曲线进行比较，验证优化结果。优化后的几何形状增加 9.9%的扬程，效率提高了 3.33%，显著提高了泵叶轮的性能[13]。D. Khoeini 等人通过数值和实验研究改变离心泵叶轮下游发散角(α)的 0°、5°和 10°来提高离心泵的性能。数据分析表明，数值计算结果与实验结果吻合较好，在叶轮下游发散角α= 10°时，整体效率相比原来提高了 9%，大大提高了离心泵自身的效率[14]。Gamal R.H 等人为了研究了叶轮叶片数对泵性能的影响，在同一台离心泵上分别对 5、7、9 个叶片的叶轮进行了数值试验研究。工作采用 Fluent CFD 进行。确定了 2800 转/分转速下的最佳叶片数。发现叶轮与叶片 7比 5 和 9 两种情况液体损失的能量减少，极大改善了离心泵的性能[15]。
..........................
第 2 章 离心泵串联运行特性及调速相关理论
2.1 离心泵的串联工作特性
2.1.1 两台同型号泵的串联运行
图 2-1 为两台同型号泵串联运行工况，其中 H1（H2）为泵 1（泵 2）的特性曲线，H3 为两台泵串联运行时泵组的流量-扬程特性曲线，R 为管路特性曲线。在管路特性不变的情况下，单泵运行时的工况点为 A，两台泵串联运行时的工况点为 B，泵组的扬程为BH ，串联后扬程和流量都增大，但两台离心泵串联后工况点的流量和扬程均小于单泵工况点的二倍，即
........................
2.2 离心泵调速相关理论
目前，离心泵常用的流量调节方法主要有：一是调节管路上的排水阀门来改变管路特性曲线的节流调节；二是改变离心泵扬程特性曲线的变速调节。
2.2.1节流调速
节流调速法就是通过改变管路上排水闸阀开度的大小来改变管路的阻力大小，从而改变管路的特性曲线，使得离心泵的工况点沿着流量-扬程特性曲线移动达到新的平衡，最终达到调节流量的目的。这种调速方法是通过增大管路局部阻力来实现流量调节的，在工作过程中会增大能量的消耗，但由于此法操作简单，易于实现，所以应用较为广泛[37]。
流量的节流调节法如图 2-4 所示，H 为离心泵的流量-扬程特性曲线。管路特性曲线为 R1 时，系统的工况点为 a 点，此时流量为 qva，当管路特性曲线由 R1 变为 R2、R3 时，系统的工况点沿流量-扬程特性曲线 H 由 a 点移动到 b 点、c 点，此时流量降低为 qvb、qvc。在管路上额外消耗的扬程分别为 bb'、cc'，且有 cc'> bb'，可见，随着排水闸阀开度的逐渐减小，在阀门上的损失会越来越大，不符合节能的目标。
..............................
3.1 搭建离心泵串级调速实验测试平台......................... 17
3.2 两台同型号离心泵变频调速实验............................. 18
第 4 章 基于模糊 PID 自适应前置泵调速控制方法研究...........................39
4.1 矿井水仓涌水速率精准检测................................. 39
4.1.1 水仓有效容量与空仓量初步估算........................... 39
4.1.2 涌水速率的精准检测..................................... 40
第 5 章 煤矿井下工业性试验.................................... 55
5.1 冀中能源峰峰集团孙庄矿概况................................. 55
5.2 主排水泵串级正压给水实验测试................................... 55
第 5 章 煤矿井下工业性试验
5.1 冀中能源峰峰集团孙庄矿概况
孙庄矿隶属冀中能源峰峰集团，井田南北走向长约 8km，东西宽约 2.5km，总开采面积 15.3km2。孙庄矿为水文地质条件极复杂型矿井，矿井涌水量较大，目前矿井的平均涌水量约为 21 m3/min，最大涌水量达到 27 m3/min。矿井具有完善的排水系统，井下共配备了五个泵房。每个泵房安装 9 台排水泵，2 趟排水管路，其中4 台 MD280-43×6 型离心泵作为日常排水，每台泵的额定排水量为 280m3/h，2 台MD280-43 ×7 型离心泵作为备用泵，在正常排水泵出现故障时及时开启保证排水能力，额定排量同样为 280m3/h。两台 MD450-60×4 型离心泵作为紧急备用，在水仓水位达到警戒线后即将威胁到排水泵房时紧急开启，额定排水能力为 450 m3/h。一台型号为 ZO390-862/16-10 型潜水泵，每台泵额定排水能力为 390 m3/h，在水位已经淹过泵房导致所有离心泵无法使用时开启，将水位排到泵房以下，此类情况极少，一般潜水泵很少开启。排水管路为 2 趟 426 ×10 的钢管，单管长 480 米。
..........................
结论
本文针对矿井排水系统能耗大、效率低等问题。通过分析离心泵串联工作特性以及前置泵串级调速节能原理，提出了正压给水前置泵串级调速方法。搭建离心泵串级调速实验平台，开展了两台同型号离心泵串级正压给水前置泵变频调速实验和两台不同型号离心泵正压给水前置泵串级调速仿真实验。以串级调速系统效率为优化目标，构建前置泵变频调速控制系统数学模型；利用 Matlab/simulink模块，结合模糊 PID 自适应控制算法，对控制系统的动、静态特性进行仿真分析。最后搭建了主排水泵串级正压给水实验测试平台，开展主排水泵地面性能试验和煤矿井下正压给水前置泵串级调速工业性实验。总结得到以下研究成果及结论：
（1）采用前置泵变频调速极大的提高了排水系统的运行效率，节能效果显著，值得推广.
（2）通过理论计算与模拟仿真推导的前置泵调速方法得出的理论转速与实际转速最大相对误差不超过 3.575%，能够满足前置泵的调速需求，该调速方法具有很高的可行性与可靠性。
（3）控制算法方面，完成了模糊 PID 自适应控制方案的设计，试验证明，自适应模糊控制方案达到了较高的性能指标，能够根据水仓液位偏差及偏差变化率自动调整前置泵转速，调速效果明显。
（4）通过工业性试验验证了验证了前置泵变频调速控制方法的可行性与可靠性，能够有效的提高排水系统的运行效率和节能效果，具有很高的经济效益。
参考文献(略)