CN112628130A - 井下矿山智能排水方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下矿山智能排水方法，根据现场水位，对泵站排水所耗电量进行预测，以降低用电费用为目标对各级泵站进行调度调整。上下级泵站之间通过网络进行通讯连接。排水时，针对最底层的泵站和除最底层泵站之外的区域泵站采取不同的控制措施；如果只有单级泵站，则直接采用最底层的泵站的控制策略。本发明结合能源消耗和现场水位等数据，实现对用电量的预测，通过预测做出调度计划指令，实现地下水位的平衡协调控制，达到最大程度的削峰填谷的目的，既避免了溢流，同时也降低了用电的消耗。

Description

井下矿山智能排水方法

技术领域

本发明涉及矿山井下排水方法。

背景技术

矿山今夏各泵站之间按照地势低到高的特点逐级提升，各泵站之间并不是孤立的，而是通过排放管道联系在一起。地下水从最底层泵站(称为最上级泵站)逐级提升到地面，最底层泵站含有至少一个下级泵站。

泵站的进水来源广泛，进水量随人为、自然等因素影响大，进水中很多是充填材料中的浑水，充填时间和水量都不可控制。进水管数目不同，各进水管的进水流量实时变化。每座泵站与至少一座泵站存在级联关系，各级联泵站之间排水相互制约。当某一级泵站流量控制出现问题，直接影响到与之级联的上下级泵站地下水的排放。因此地下水排水系统流量控制所面临的问题主要包括以下几个方面：

1)现有技术主要以单一泵站为控制中心，采用恒速排水的方式，当进水流量较小时，开单台机泵处于开启状态，当进水流量高于一定值时，机泵处于多台泵全速开启运行状态，灵活性差，能耗高。

2)各级泵站之间排水相互协调性差，很难做到流进量等于排出量，无法针对各泵站不同的排水能力及纳容能力协调控制排水量。上级泵站进水量很大，水位上涨很快的情况下，下级泵站的控制器不能及时做出控制决策，将水池的水位下调来增加纳容，导致上级泵站的地下水排不出去，容易造成溢出。

3)缺乏对系统综合优化调度及相应智能决策的研究，由于地下矿井地域分布广泛，在不同时刻，水量状况不同；泵站之间的关联输入流量不同，且管道时滞大小也不同；不合理的流量调度容易造成泵站进水量超负荷，引发溢流。

由此可见，目前的排水系统主要存在无法避免溢流和用电消耗较高的问题。

发明内容

本发明提出了一种井下矿山智能排水方法，其目的是：(1)针对各级泵站之间的排水进行协调，避免溢流；(2)降低排水用电的消耗。

本发明技术方案如下：

一种井下矿山智能排水方法，根据现场水位，对泵站排水所耗电量进行预测，以降低用电费用为目标对各级泵站进行调度调整。

作为本方法的进一步改进：上下级泵站之间通过网络进行通讯连接；运行过程中，各级泵站的控制器通过网络获取上下级泵站的现场数据，该现场数据包括当前实际水位、当前目标水位、机泵数量和机泵工作状态；

各级泵站的控制器还通过网络获取不同时段的电价数据。

作为本方法的进一步改进：排水时，针对最底层的泵站和除最底层泵站之外的区域泵站采取不同的控制措施；如果只有单级泵站，则直接采用最底层的泵站的控制策略。

作为本方法的进一步改进：对于最底层泵站的排水策略方程式为：

γq_in＝αq_n+βq_f；

式中，γ为进水量系数；q_in为该泵站的最大进水量，q_n为机泵运行在工频状态下的排水量，qf为机泵运行在变频状态下的排水量；α表示运行在工频状态下的机泵的台数，β表示运行在变频状态下的机泵的台数；

α和β为控制参数，为正整数；通过调节α和β，满足地下水不溢出以及变频调速实现节能的要求。

作为本方法的进一步改进：对于区域泵站，当某泵站的实际水位超过原目标水位且水位变化率超过预设阈值，而且其它相邻泵站仍在各自目标水位之下，则根据未来时间段的电价，提高该泵站的机泵的转速，同时向下级泵站发出控制指令降低下级泵站的目标水位以增加容纳能力，向上级泵站发出控制指令提高上级泵站的目标水位以减少其排水。

作为本方法的进一步改进：设当前过水位的区域泵站的排水量变化为Δq3，Δq3对应该泵站、上级泵站和下级泵站的水位变化量分别为Δh3、Δh1和Δh2；设Δh1和Δh2对应的改变水位变化量所需要的时间分别为t1和t2，所耗的电能费用分别为e₁和e₂；所耗电能费用是根据机泵的功率、t1和t2以及未来时间段的电价计算出来的；

设目标函数：

T_min＝K₁·Δt₁+K₂·Δt₂

E_min＝K₁·e₁+K₂·e₂

设约束函数：

K1·Δh1+K2·Δh2＝Δh3

T_min≤min(Δt₁，Δt₂)

E_min≤min(e₁，e₂)

根据以上公式求解处最优的控制参数K₁和K₂，K₁、K₂∈(-1～0)；

K1·Δh1和K2·Δh2即为最终发送至上级泵站和下级泵站的控制指令中所包含的目标水位改变量。

作为本方法的进一步改进：等该区域泵站水位稳定在设定的目标水位一段时间后，恢复对其上级泵站和下级泵站的目标水位的改变。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明结合能源消耗和现场水位等数据，实现对用电量的预测，通过预测做出调度计划指令，实现地下水位的平衡协调控制，达到最大程度的削峰填谷的目的，既避免了溢流，同时也降低了用电的消耗。

附图说明

图1为实施例中仿真模拟时进水量系数γ随时间的变化情况；

图2为实施例中参数α和β的模拟结果；

图3为实施例中参数K_1-2的模拟结果；

图4为实施例中参数K_2-3的模拟结果。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的技术方案：

针对地下水排放流量控制所面临的问题，本方案提出了一种以防止泵站地下水溢出和节能为目标的智能优化协调控制策略。该决策针对最底层的单级泵站和其它区域泵站分别设有不同的控制方案。

对于最底层的单级泵站(最底层是指高度最低，但是是最上一级的泵站)，根据泵站进水量的多少控制机泵排水量，通过设置合理的目标水位以及机泵变频调速的方法防止地下水溢出，并达到节能的效果。进一步的，上下级泵站之间通过局域网实现数据通信，各泵站的本地控制器根据与之级联的泵站的实时信息计算出时间最短、耗能 (费用)最小的排水方案，从而决定向相邻泵站具体的排水情况。还可以进一步设置中央协调控制器，通过局域网实时获得各泵站的流量信息，根据各种不同的工况做出其它控制决策，协调控制各级泵站的出水量，防止地下水溢出。

在保证地下水不溢出(即泵站地下水流入量等于泵出量)的基础上，要实现泵站的节能，首先要分析泵站耗能相关因素。

众所周知，机泵抽水是将地势较低的水抽到地势较高的地方，将电能转化为水的重力势能，而水的势能等于水的重力乘以提升的高度，即机泵耗能与抽水量、机泵扬程有直接关系。单位时间内机泵提升地下水重力耗能为：

式中：s为进水池截面积，Q为流量(Qin＝Qout＝Q),ρ为地下水的密度，g为重力加速度，H为机泵实际扬程。由于地下水密度和重力加速度为定值，因此，可以通过降低机泵实际扬程H以及调节机泵抽水量Q两种方法减小耗能。

基于流量的优化协调控制策略的目标是防止地下水溢出和节能。地下水排放系统涵盖区域广泛，为了更好地协调调度整个地下水排放系统，将地下水排放系统按照所在位置分为不同的区域，对单级泵站，区域泵站和全局系统分别提出不同的智能控制策略，实现地下水排放系统地下水不溢出和节能的目标。

一、对于最底层泵站来说，只要支流进水量等于泵站出水量便可有效的防止地下水溢出。通过机泵节能机理分析可知，对于单级泵站来说，抬高运行水位降低排水扬程可以有效的减少机泵排水耗能，因此，机泵运行水位hi应设定在相对较高的位置。但是由于泵站水位的抬髙造成了泵站纳容能力的下降，使地下水外溢的概率变大，因此，在设定最佳节能水位的同时，还应根据需要设定最高运行水位hi', 当水位超出hi'时，应做报警处理，立即采取相应的措施。

应当指出的是，增加运行机泵台数加速排水的时候还应考虑到出水管的管径大小，当出水管管径不能容纳过多地下水时，增加运行机泵台数只会增加额外的功耗。

单级泵站智能排水策略根据泵站进水管和出水管的管径计算出泵站最大进水量及最大出水量，并根据泵站所配备的机泵型号及台数来设计智能排水控制参数，例如泵站最大进水量小于等于两台机泵额定流量之和，则表示当泵站进水量在最大值时，釆用两台机泵工频运行全速抽水，即可满足进水量等于出水量的要求。

由于机泵调速运行可以减少耗能，因此，单级泵站智能排水策略方程式：

γq_in＝αq_n+βq_f

式中q_in为泵站最大进水量，q_n为机泵工频排水量，q_f为机泵变频排水量；

为进水量系数；

α表示运行在工频状态的机泵的台数，β表示运行在变频状态的机泵的台数。当进水量不同(即γ不同时)，通过调节参数α和β，使得泵站进水量等于出水量，从而满足地下水不溢出以及变频调速实现节能的要求。

二、当区域内泵站进水量增大，导致水池水位超过目标水位且水位变化率超过5％而其他级泵站运行在设定目标水位，该级泵站的本地控制器将接收到与自己相关联的其它泵站的流量、水位等信息进行综合比较，根据尖峰平谷时间段电价，以及目前离下一个时间段的时间和水位变化趋势，计算出在不同尖峰平谷时间段将水位降下来的最优节能控制参数，在最优时间点发出控制信息，提高自身机泵的转速，加大机泵出水流量.同时向其下级泵站发出控制指令，降低下级泵站目标水位，增加容纳地下水的能力；或者向其上级泵站发出减少排水的控制指令，等该泵站水位稳定在设定目标水位一段时间后，冉恢复对其它泵站所做出的改变。

应当指出的是，由于机泵的静扬程越高，进水池水位越低，能容纳的地下水量越多，能耗也越大；而接受上级泵站的进水量越大，泵站的排水压力也越大。因此应减小那些静扬程较低、排水压力较小、以及控制量接近上限的泵站进水量；相反则应增加那些静扬程较高、排水压力较小、以及控制量远低于上限的泵站进水量，降低能耗，充分利用各泵站的纳容和排放能力。

区域泵站协调控制策略具体计算过程如下：

1)根据流量扬程关系h＝f(q)，分别计算出其它条件不变的情况下，当前过水位的区域泵站的排水量变化为Δq3时，Δq3对应该泵站、上级泵站和下级泵站的水位变化量分别为Δh3、Δh1和Δh2(满足h1、h2均小于各泵站最高水位与目标水位之差的条件下)；设Δh1 和Δh2对应的改变水位变化量所需要的时间分别为t1和t2，所耗的电能费用分别为e₁和e₂；所耗电能费用是根据机泵的功率、t1和t2 以及未来时间段的电价计算出来的；

控制方程式可表示为：

设目标函数：

T_min＝K₁·Δt₁+K₂·Δt₂

E_min＝K₁·e₁+K₂·e₂

设约束函数：

K1·Δh1+K2·Δh2＝Δh3

T_min≤min(Δt₁，Δt₂)

E_min≤min(e₁，e₂)

根据以上公式求解处最优的控制参数K₁和K₂，

K1·Δh1和K2·Δh2即为最终发送至上级泵站和下级泵站的控制指令中所包含的目标水位改变量。

显然，当泵站1,2同时做出调整时，所需的时间最短。

可见，只要计算出最优的控制参数，就可以实现流量最优控制，即根据水位变化趋势计算出某一级泵站的水位高出目标水位的时间点，根据尖峰平谷时间段电价，以及目前离下一个时间段的时间，最大程度依次利用谷段、平段和峰段，最少利用尖峰段，以最少的电费将水位降下来，同时保证泵站工作保持在安全的目标水位。

以下为上述的控制策略的仿真情况：

(1)设单级泵站智能排水方程式为q_in＝q_n+q_f,q_in为泵站最大进水量,对于管径相同的管道q_in为定值，q_n为机泵工频排水量，q_f为机泵变频排水量，0≤γ≤1为进水量系数，α∈(0,l,2)表示运行在工频状态的机泵的台数，β∈(0,l,2)表示运行在变频状态的机泵的台数。

机泵运行在工频状态时，转速为额定转速N,流量为额定流量q_n，对于相同型号的机泵来说q_n为一定值，设为Q。相似机泵调速且运行在相似工况点时满足相似律：Q1/Q2＝n₁/n₂，可得机泵变频运行时q_f＝ n_f/N·Q因此，单级泵站智能排水方程式可表示为：

根据单级泵站智能排水策略对该模型进行仿真，分别对γ取不同的值即不同的进水量(如图1)，测试机泵运行状态及转速，验证单级泵站在不同进水量时，排水策略能否智能控制排水量等于进水量，以保证系统运行在最佳节能水位。

仿真时机泵额定排水量：Q＝600(m³/h),N＝920(r/min)，泵站最大进水量qin＝1800(m³/h)。

仿真结果如图2所示：进水量系数γ作为输入量，机泵开机台数、转速及泵站出水量作为输出量，图1为对进水量系数随机取值得到的输入量曲线，从图2中可以看到，对于设定范围内的任意进水量q_in，泵站的控制器均可根据要求调节三台机泵工、变频开机台数及各机泵转速，使泵站出水量能较好的跟踪进水量。当泵站进水量系数γ<0.33 时，机泵1变频调速排水，机泵转速在100～900r/min之间，机泵2、 3停止，α＝O,β＝l；当γ在0.33-0.6之间时，机泵1工频运行,转速为920r/min，机泵2变频调速排水，通过变频调速实现节能的功能，机泵3停止，α＝1,β＝l；当0.6<γ≤0.65时，机泵1和机泵2同时工频全速排水，机泵3停止，α＝2,β＝0；当0.65<γ≤0.95时，机泵1 和机泵2同时工频全速排水，机泵3变频排水，α＝2，β＝l；当进水量接近最大时，智能控制三台机泵同时工频排水，以此保证地下水不溢出，α＝3，β＝0。

(2)以三级泵站建立协调排水系统模型进行仿真，根据泵站之间的级联关系建立系统模型：

q_o1(t)＝q1(t)

q_o2(t)＝K_1-2q_o1(t-τ₁)+q₂(t)

q_o3(t)＝K_2-3q_o2(t-τ₂)+q₃(t)

式中q_oi(t)和qi(t)(i＝1,2,3)分别表示泵站i的排水量和支流输入量；τ_i(i＝l,2)表示级联泵站之间的管道传输时延，q_i(t-τ_i)是泵站间的滞后流量；0≤K_i-j≤1(i＝l,2；j＝2,3)表示泵站i与泵站j 之间的流量关联系数，随着进水量q_i(t)的不同，根据控制协调策略随之变化。

然后对系统模型进行离散化，设采样周期为T，时延τ₁＝p₁T,τ₂＝p₂T，系统离散模型为：

q_o1(nT)＝q₁(nT)

q_o2(nT)＝K_1-2q_o1(nT-p₁T)+q₂(nT)

q_o3(nTt)＝K_2-3q_o2(nT-p₂T)+q₃(nT)

对三级泵站构成的系统模型进行仿真，设置釆样时间T＝lmin, p₁＝1,p₂＝2,泵站1,2,3的目标水位分别为2.5m、3.0m和3.5m,支流进水量q_i(nT)在200-500(m³/h)之间随机取值，每座泵站最大出水量q_omax(nT)＝6OO(m³/h)。对于不同进水量q_i(t)时，仿真结果如图3和4所示。

仿真时，三座泵站的支流进水量均随机取值，泵站2的进水量包括支流进水及从泵站排入的进水，因此泵站2(上级泵站)的出水量根据泵站1(上级泵站)的排水量及泵站2的支流进水量进行变化，泵站3(上级泵站)的出水量根据泵站2(上级泵站)的排水量及泵站2的支流进水量进行变化。当下级泵站支流进水量较大时，与上级泵站的流量关系系数交小，反之则较大。

结果显示，三座泵站均能较稳定的运行在目标水位；泵站1出水量准确跟踪进水量，泵站2和3根据支流进水量和上级泵站的关联排水量之和计算得到的出水量最大值为600(m³/h)；当支流进水量和上级泵站的排水量之和小于600(m³/h)时，泵站间的流量关联参数K_i-j＝1，大于600(m³/h)时，根据不同的进水量数据可得到不同的k_i-j值。

由此可见，本发明方法以采矿计划和能源单耗为基础，结合现场水位等数据，实现对用电量的预测，通过预测做出水泵调度计划，实现地下水位的平衡控制，达到最大程度的削峰填谷的目的。

具体的：

1、针对上下级泵站之间的协调工作，当上级泵站水池水位高于额定水位的时候，下级泵站能否及时做出处理，防止上级泵站地下水溢出；当各级泵站水池水位均低于目标水位且进水流量较小时，整个系统能否运行在最佳节能状态等。

2、本方案提出了基于流量的智能优化协调控制系统，通过智能控制策略和优化调度的方法，实时协调控制各级泵站出水量，保证各级泵站在不同工况下均能实现地下水不溢出，并在此基础上达到节能的效果。

3、用电预测模型包括用电量预测和地下水位平衡预测。用电量预测根据当前地下水位预测谷段用电量及平衡点，其主要作用是为电力调度提供参考依据。通过科学的电力调度，优化设备启停计划，增大谷段用电量。

4、根据负荷预测及平衡预测的结果，基于给定调度目标生成调度方案。基于能源预测及平衡优化调度模型的调度在确保安全的情况下，以增大谷段用电量为运转目标，建立多时段能源平衡优化调度和数学模型。

Claims (7)

1.一种井下矿山智能排水方法，其特征在于：根据现场水位，对泵站排水所耗电量进行预测，以降低用电费用为目标对各级泵站进行调度调整。

2.如权利要求1所述的井下矿山智能排水方法，其特征在于：上下级泵站之间通过网络进行通讯连接；运行过程中，各级泵站的控制器通过网络获取上下级泵站的现场数据，该现场数据包括当前实际水位、当前目标水位、机泵数量和机泵工作状态；

各级泵站的控制器还通过网络获取不同时段的电价数据。

3.如权利要求1或2所述的井下矿山智能排水方法，其特征在于：排水时，针对最底层的泵站和除最底层泵站之外的区域泵站采取不同的控制措施；如果只有单级泵站，则直接采用最底层的泵站的控制策略。

4.如权利要求3所述的井下矿山智能排水方法，其特征在于：对于最底层泵站的排水策略方程式为：

γq_in＝αq_n+βq_f；

式中，γ为进水量系数；q_in为该泵站的最大进水量，q_n为机泵运行在工频状态下的排水量，qf为机泵运行在变频状态下的排水量；α表示运行在工频状态下的机泵的台数，β表示运行在变频状态下的机泵的台数；

α和β为控制参数，为正整数；通过调节α和β，满足地下水不溢出以及变频调速实现节能的要求。

5.如权利要求3所述的井下矿山智能排水方法，其特征在于：对于区域泵站，当某泵站的实际水位超过原目标水位且水位变化率超过预设阈值，而且其它相邻泵站仍在各自目标水位之下，则根据未来时间段的电价，提高该泵站的机泵的转速，同时向下级泵站发出控制指令降低下级泵站的目标水位以增加容纳能力，向上级泵站发出控制指令提高上级泵站的目标水位以减少其排水。

6.如权利要求5所述的井下矿山智能排水方法，其特征在于：设当前过水位的区域泵站的排水量变化为Δq3，Δq3对应该泵站、上级泵站和下级泵站的水位变化量分别为Δh3、Δh1和Δh2；设Δh1和Δh2对应的改变水位变化量所需要的时间分别为t1和t2，所耗的电能费用分别为e₁和e₂；所耗电能费用是根据机泵的功率、t1和t2以及未来时间段的电价计算出来的；

设目标函数：

T_min＝K₁·Δt₁+K₂·Δt₂

E_min＝K₁·e₁+K₂·e₂

设约束函数：

K1·Δh1+K2·Δh2＝Δh3

T_min≤min(Δt₁，Δt₂)

E_min≤min(e₁，e₂)

根据以上公式求解处最优的控制参数K₁和K₂，K₁、K₂∈(-1～0)；

K1·Δh1和K2·Δh2即为最终发送至上级泵站和下级泵站的控制指令中所包含的目标水位改变量。

7.如权利要求5或6所述的井下矿山智能排水方法，其特征在于：等该区域泵站水位稳定在设定的目标水位一段时间后，恢复对其上级泵站和下级泵站的目标水位的改变。

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