排水系统

排水系统（sewerage system）是指排水的收集、输送、水质的处理和排放等设施以一定方式组合成的总体。用以除涝、防渍、防盐的各级排水沟（管）道及建筑物的总称。它主要由田间排水调节网、各级排水沟、蓄涝湖泊、排水闸、抽排泵站和排水容泄区等组成（见图）。排水区的多余水量首先汇入田间排水调节网，然后经各级排水沟或经湖泊滞蓄后再由排水闸或抽排站排至容泄区。

简介

调节网

田间排水调节网的作用是汇集地面的降雨积水、降低地下水位和防止涝、渍及土壤次生盐碱化。田间排水调节网分明沟、暗沟（管）、竖井等几种。明沟主要用以排除地表径流，当明沟有足够的深度和间距时，也可以发挥控制地下水位的作用。明沟排水具有施工简单、投资少、见效快的优点，但开挖工程量大、占地多，而且存在坍坡、淤积、生长杂草等问题。暗管排水主要用以控制土壤水分和降低地下水位。由于它不占耕地，有利于机耕，近代世界各国已广泛采用。它的主要缺点是容易塌坡淤塞，施工时要注意质量和做好滤层。在地表透水性差而地层浅部有良好砂层时，可采用竖井排水或结合井灌起到排水作用。竖井排水可以形成较大的降深，能有效地控制地下水位，还可减少田间排水系统和土地平整工作量。但它需消耗能源，在地表土层透水系数过小或下部承压水的压力过高时，难以达到预期的排水效果。

排水沟道

排水沟道一般分为干沟、支沟、斗沟等数级，当排水面积较大或地形较复杂时，排水沟道级数可适当增加。它主要用以排水，有时也起到蓄水和滞水作用。通常采用明沟将涝（渍）水自流排入容泄区。但在一些地区，汛期外江水位高于排水区内的沟道水位，涝水不能自流排出，须设置泵站抽排。为了节省排水费用和能源，还要尽量利用排水区内的湖泊、洼地滞蓄一部分涝水。

布置

?排水系统的布置应全面规划，尽量做到：①排水沟道要处于控制面积的最低处，以求尽

量自流排水。②根据地形应将排水地区划分为高、中、低等片，做到高水高排，低水低排,自排为主,抽排为辅。③排水干沟的出口应选择在容泄区水位较低和河床比较稳定的地方。④下级排水沟道的布置要为上级沟道排水创造良好的条件，干沟要尽可能布置成直线。此外，排水沟布置要避开土质差的地带，以节省工程费用并使排水安全及时。⑤在有外水入侵的排水区，应布置截流沟或撇洪沟，使外来的地面水和地下水直接引入排水干沟或容泄区。

系统功能

?自动控制：根据工况设定，以及水位、时间、煤矿用电负荷等参数自动开启、停止水泵

的运转，并能实现泵阀的循环轮换启动和连锁启动功能。

?手动控制（远程）：根据实际需要可从自动控制切换到手动控制方式，可以从操作员站

进行远程开停水泵。

?手动控制（就地）：各设备工作方式切换到就地位置时，可以人工就地控制设备的启停，

可用于设备的检修。

保护功能：超温、电机保护、阀门运行保护

系统特点

合理调度轮换工作、远程监控、及时报警，最终达到减人提效、无人值守的目的。

工作方式：自动、手动（远控、就地）

结合水仓水位和全矿电力负荷信息，在安全排水的前题下，实现以“避峰填谷”原则确定开、停水泵时间。

双线制水位检测。

程序化控制：远程编程、现场编程。

操作台人机界面显示。

短信服务

系统配置

?井下排水控制系统

矿用隔爆兼本质安全型PLC控制柜

多回路组合开关柜

集中操作台

液控闸阀

电动球阀

传感器（液位、温度、压力、流量）

?上位机监控

服务器

网络交换机

机柜及其它通讯附件

?视频监控

防爆摄像机

画面分割器

视频卡

隔爆光端机及其它通讯附件

自动控制功能

水位的有效监测：

采用超声波水位仪及投入式水位传感器两套设备同时工作互为参考。

编制逻辑选择程序，防止水位传感器故障造成的严重后果，并实时报警。

煤泥较多时，可以加装煤泥传感器，防止煤泥淤积对水位的影响。

水泵的自动轮换问题：

控制程序将水泵启停次数、运行时间和停车时间等参数自动记录并累计；

根据这些运行参数按一定顺序自动启停水泵，使各水泵的使用率分布均匀。

同时将故障泵自动退出轮换工作，其余各泵继续按一定顺序自动轮换，以达到有故障早发现、早处理，以免影响矿井安全生产的目的。

水泵的开停控制：

监视水仓水位的变化，自动开停水泵。

当处于电网高负荷时间段，水位处于高水位时，可以暂缓开泵。

当处于电网低负荷时间段，水位处于高水位时，可以开启一台水泵排水。。

当水泵达到上限时，陆续启动多台水泵排水。

下限时陆续停泵，达到对电网的“移峰填谷”的目的。

水泵的运行：

水泵运行前需要进行水位检测、供电参数检测、水泵循环使用记录检测、管网压力检测、负压检测等工作，全部符合要求时才会对水泵进行运行控制。

水泵注水方式按有底阀和无底阀而稍有不同。

使用射流器和真空泵双套设备互为备用，并具有切换功能。

保护功能

?超温保护：水泵、电机轴承及定子温度超过警戒值时，提供超限报警。

?电机保护：利用电机电流、电压、水仓缺水等参数参与保

?阀门保护：检测电动阀门的故障信号，并参与水泵的连锁控制。

功能特点

?选用先进的PLC控制器，并配以以太网通讯模块，极大的提高了系统的实时性及数

据处理速度。

?实现对主排水泵的远程启停控制和运行状态的远程监测，可以在调度中心对主排水

泵运行参数进行修改，有效监测各种故障信息。

?系统能够通过检测水仓水位和其它工况设置，自动控制水泵轮换工作与适时启动备

用泵，使各水泵及其管路的使用率分布均匀，减少了故障率。

?系统具有多重可靠性措施，设置系统故障连锁状态及应急预案，维护量非常少，能

够达到减人提效、无人值守的目的。

?系统可扩展性强，可随时增加节点。

?数据实时显示、存储以及远程传输，并自动生成系统运行报表。上位操作站具有丰

富的图形、图表画面，直观、形象、实时地反映系统工作状态，操作快捷方便。系统建成后能够实现以下功能：

具体应用-【中央泵房主排水系统自动化】

实现泵房无人值守自动控制运行。

具备网络测控功能、具有系统故障自诊断功能（包括PLC故障自诊断、传感器故障诊断等）。

系统具备多种制模式：网络控制、就地自动控制、就地手动控制几种操作方式。

充分考虑节能降耗：在水仓水位满足条件的前提下，系统能按避峰填谷的原则进行水泵的启停控制；按连续运转的时间长短控制倒机运行。

按操作规程要求的顺序进行水泵的启动和停止操作。

对电机和水泵的运行参数及保护参数进行实时的监测和传送，这些参数包括：电机温度（定子温度和轴温）、泵体温度（壳体温度和轴温）、实时流量、水位、真空度、电压、

电流、水泵出水口压力、各种闸阀、电磁阀的位置信号、过转矩信号等。

整个系统做到可靠运行、维护方便、修改灵活。

具体应用-【井下排水系统自动化】

?系统技术性能及特点

先进性：系统为当今工业控制系统的领先产品，地面控制主站采用计算机进行优化控制，控制分站为国际品牌的PLC 控制器。系统可对整个控制过程进行集中监控，能实时采集和显示现场各生产环节设备的运行状态，具备数据处理及与全矿井综合控制系统联网功能。

可靠性：具有自诊断功能和故障处理能力，保证系统的可靠运行。

可扩展性：系统的软硬件留有充足的扩展余量，以保证将来的技术和产品升级

易操作性：用户无须进行任何编程，只需按照系统提示进行相应的操作即可。

直观便捷：监控站具有液晶显示器，图形动画显示，具有各种曲线图表及数据/故障记录，方便用户查询。

扩展冗余：选择的计算机和系统软件留有备用容量和以太网接口，可以方便地实现系统扩展（如增加其他保护装置等）和接入全矿井综合自动化平台。

具体应用-【井下水情预警】

?水情监测系统由水窝点信息采集、数据传输、处理及综合分析软件组成；开发煤矿

水情预警信息管理系统的关键技术，在于加强对开采工作面区域的实时水情参数监测，并将自动排水系统、预警信息管理进行综合技术开发，为煤矿井下提供一整套切实可行的水情监测系统。

?本系统将200个水窝点监测的数据通过有线或无线的方式传输到中控室，通过水情

预警分析软件，实现各个水窝点、水窝点支线、区域、全矿井的水情监测。

?采用多种的计量方式，对水情进行数据处理。

?分级计量：通过水窝点的压力、水泵的开停时间和泵的扬程计算本水窝点的日流量

或规定时间内的出水量。还可直接通过流量计计量。对两种计量进行对比分析。

?区域计量：将区域范围内各水窝出水量进行统一计量。

?总体计量：各个水窝点的出水量的总和。

?分级预警：将各个水窝点的日、月、年的数据进行统一分析，如果某一水窝点的出

水量变化率发生突变时，上位机显示此水窝点的报警。

?区域预警：将区域的出水量进行累计，当某一区域的出水量变化率发生突变时，上

位机就会显示此水窝点的报警。

?综合预警：将各个水窝点的出水量进行综合累计，并对每天、每月、每年同期出水

量进行对比。如当天出水量超过前日出水量或连续多日出现出水量增大，超过正常出水量时，系统将发出预警信号。对每月、每年的同一时期的出水量进行比较，做为长时间水情分析的参考数据。

矿井涌水量：

在单位时间内涌入矿井的总水量称为矿井涌量用q表示，其单位是m3/h。

最大涌水量：

雨季和溶雪期涌水多，称这时的涌水量为最大涌水量，用qmax表示，所对应的涌水时间

为最大涌水时间，用tmax表示。

正常涌水量：

其它时间涌水量大致均匀，称这时的涌水量为正常涌水量，用qz表示，所对应的涌水时间为正常涌水时间，用tz表示。

常见排水系统有集中排水系统、分段排水系统和吸

入式排水系统三种

水仓

作用：一是储存集中矿水，二是沉淀矿水; 水仓至少有一个主一个副水仓，以便清理时轮换使用。

水泵房

水泵房是专门为安装水泵、电机等排水设备而设置的硐室。

泵房一般都设置在副井井底车场的附近。

原因如下：

1.运输巷道的坡度都向井底车场倾斜，便于流向水仓

2.运输方便

3.节约材料，参加了排水工作可靠性

4.改善工作环境

5.减少电耗。

井下排水系统主要由离心式水泵、电动机、起动设

备、仪表、管路及管路附件等组成

1、离心泵

2、闸阀

手动闸阀示意图

手动闸阀实物图

自动闸阀

目前自动闸阀主要有两种形式：电动执行的电动闸阀和液压执行的液动闸阀。

3

、水介质电液球阀

（

a ） 关闭状态 （a ） 打开状态

4、液位传感器

液位传感器用于检测水仓内的水位，为PLC 控制柜提供判断信号。

对于矿井水仓情况较好一般选择超声波液位传感器，超声波液位传感器 5、压力/负压传感器

压力传感器用于检测水泵的出口压力，给PLC控制柜提供压力信号。

压力传感器

6、流量传感器

流量传感器安装在水泵的出水管路上，用于检测水泵的流量，为给PLC控制柜提供流量信号。

超声波流量传感器

7、PLC控制柜

实现远程控制、手动控制、检修控制的自由切换。

小功率多回路组合控制柜样图

小功率多回路组合控制柜实物

矿井自动排水系统的理论及其工艺

?离心泵的主要工作理论

?水流经叶轮后，流速发生变化，其原因是叶轮对水做功，这可用动量矩定理来分析。

该定理为：在稳定流中，单位时间内水由叶轮入口流向出口时动量矩的增量，等于作用在进、出口间原有的水上的外力矩。

理论扬程性能曲线

离心泵的实际特性曲线

管道特性

? R 称为管道阻力系数。对于一定的排水管道，因管道直径、长度、粗糙度以及管道附件等都是不变的，所以为一常数。

排水管道特性曲线

排水系统的安装、运转和维护

一、管道及其敷设

1、管件

管件在管道的转弯处和分支处用弯头、三通管、十字管把管子连接起来。不同管径的管子用异径管连接，它们都有标准铸件，按管径和承受压力来选用。为了避免管道因温度变化而产生张力的影响，可在管道中插入伸缩管。排水管道上安设的闸阀为板式闸阀其中有手动、电动、液动几种。排水管道上的逆止阀为一转动的阀门，当水泵突然停止工作时，借阀门的质量自动关闭以保护水泵防止受水冲击。

2、吸水罩

吸水罩装到吸水端，由滤水网和底阀两部分组成。滤水网孔的总面积应为吸水管面积的3-4倍。底阀的结构必须轻巧，且不漏水。它可由较轻的铁盘覆以耐腐蚀胶皮圈做成。

3、排水管道的敷设

在敷设管道之前，管子与管件都要经过耐压实验，尤其是安设在深井中的更为必要。在水泵中排水管道的敷设应当使每台水泵利用闸门能够接入任一套排水管道，图所示为两套排水管道的布置图，管道沿壁敷设，其重量由梁承受。逆止阀与水泵之间的闸阀，为启动和停车之用。

2

g H =H +RQ

二、水泵机组的安装

水泵机组正常运转的标志如下：

1）水泵机组运转平稳均匀，音响正常；

2）排水量均匀，压力表和真空表的指针摆动很小；

3）运转中电动机不过载；电压及电流指示正常；

4）轴承温度在试运转中不超过70℃；

5）平衡盘出水均匀，填料箱不过热并有少量水滴出；

6）水泵机组无晃动现象；晃动可能由于水泵轴与电动机轴不在一条线上，或地脚螺钉未拧紧所致。

三、排水设备的运转、维护和检修

正确的维护检修是执行计划性，预防性的维护制度。根据设备的特点和工作具体条件，组织经常的维护和制定周期检查图表（如大、中、小检修），有计划地进行检修，以便保证机器能长时期地在高效率下安全运转。

排水管道的清洗方法如下：

1）机械方法———利用带刺的球刷洗。球由手摇铰车系引下放到管道中，

上下移动时注入清水，使被刷掉的积垢和铁锈随水冲下。

2）冻裂方法———使管道空气温度从急剧下降到以下，引起积垢中的水冻

结而破裂脱落。此法适于在北方的冬天进行。

3）化学方法———管道中注入加热的盐酸溶液（）来清洗积垢。