中转水仓的自动化排水系统的制作方法

本发明涉及矿山机械领域，尤其涉及一种用于井下排水的中转水仓的自动化排水系统。

背景技术：

随着锦界煤矿数字化矿山建设项目的投入，井下部分中转水仓已能实现自动化排水，相比过去人工起停离心泵排水，自动化排水系统减少了固定排水岗位人员，同时解决了设备过渡磨损及频繁起动等问题。现有的中转水仓自动化排水系统，主要发现如下问题：

1.自动化排水系统配套的出水电动闸阀、注水电动球阀、排气电动球阀、底阀等在运行一段时间后均有不同程度故障发生，特别是注水排空气的电动球阀极易损坏，更换较频繁；

2.目前离心泵正常排水时流程为先提前进行注水排空气，当底阀内有杂物或闭合不严时，均影响离心泵的正常排空气时间，导致排空气不彻底，甚至造成水泵无法正常吸水，水泵空转损坏离心泵泵体；

3.由于出水电动闸阀、注水电动球阀、排气电动球阀、底阀等均为电子元件，发生故障后需要专业人员进行维修处理，导致故障处理时间较长；

4.由于现有自动化排水配套设备较多，造成离心泵无法正常起动的因素较多，造成中转水仓自动化排水系统不稳定、不可靠，影响矿井正常排水，同时增加巡检人员检修强度，更换费用昂贵。一套离心泵排水配套设备维修更换费用约￥8万元。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单、安装维修方便、成本低的中转水仓的自动化排水系统。

本发明的技术方案提供一种中转水仓的自动化排水系统，包括离心泵、出水管、吸水管和注水管，

还包括封闭的负压水箱；

所述注水管与所述负压水箱的顶部连通，所述负压水箱在初始安装后，所述注水管对所述负压水箱注水并排气；

所述离心泵与所述负压水箱连通，用于抽取所述负压水箱中的液体使所述负压水箱中形成负压，所述离心泵通过所述出水管排走液体；

所述吸水管插入到所述负压水箱中，所述负压水箱利用负压通过所述吸水管抽取所述中转水仓中的液体。

进一步地，所述注水管上安装有注水阀门。

进一步地，所述出水管上安装有逆止阀。

进一步地，所述出水管与所述注水管连通。

进一步地，所述负压水箱的底部设有排污口。

进一步地，所述吸水管插入到所述中转水仓的管口处设有防污滤网。

进一步地，所述自动化排水系统还包括控制单元，所述控制单元包括磁力启动器和水位传感器，当水位传感器检测到所述中转水仓为高水位时，磁力启动器控制所述离心泵启动，当水位传感器检测到所述中转水仓为低水位时，磁力启动器控制所述离心泵停止运转。

进一步地，维持所述离心泵正常运转的所述负压水箱的真空度h为：

h＝h'+H_ss+ΣΔh

h'——提供所述离心泵吸入流量为Q的液体的真空度；

H_ss——需要举起的液柱高度，即从所述吸水管的顶端到所述中转水仓的液面的垂直距离；

ΣΔh——液体从所述中转水仓经所述吸水管注入所述负压水箱的总阻力；

$h^{\′}=Q^2/2{\mathrm{gA}}_1^2$

其中，所述离心泵的流量为Q，所述吸水管的横截面积为A₁，重力加速为g。

进一步地，负压水箱的最小理论容积可由下式确定：

$V_{\min }=\frac{P_a{V}_1}{P_a-h\×\mathrm{\υ}}+V_2=\frac{P_a{V}_1}{P_a-(H_{ss}+\frac{Q^2}{2{\mathrm{gA}}_1^2}+\mathrm{\Σ}\mathrm{\Δ}h)\mathrm{\υ}}+S\·K$

P_a——大气压强，Pa；

V₁——所述吸水管的体积；

V₂——所述负压水箱中液体的体积；

υ——水的比重；

S——所述负压水箱的截面积；

K——从所述吸水管的顶端到所述负压水箱底面的垂直距离。

进一步地，考虑工程中存在的误差，实际采用所述负压水箱的容积修正后为：

V_实＝(1.2～1.3)×V_min。

采用上述技术方案后，具有如下有益效果：

本发明由于利用负压水箱和离心泵，通过负压来抽取中转水仓中的液体，省去了现有的出水电动闸阀、注水电动球阀、排气电动球阀和底阀，简化了自动化排水系统的结构，易于维修和更换，降低了成本。

附图说明

参见附图，本发明的公开内容将变得更易理解。应当理解：这些附图仅仅用于说明的目的，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：

图1是本发明一实施例中中转水仓的自动化排水系统的结构示意图；

图2是本发明一实施例中负压水箱的容积计算示意图。

附图标记对照表：

1-离心泵 2-出水管 3-吸水管

4-注水管 5-负压水箱 6-排气阀

7-注水阀门 8-逆止阀 9-排污口

10-磁力启动器 11-水位传感器 12-离心泵处吸水管

100-中转水仓

具体实施方式

下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。

容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明实质精神下，本领域的一般技术人员可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或视为对发明技术方案的限定或限制。

在本说明书中提到或者可能提到的上、下、左、右、前、后、正面、背面、顶部、底部等方位用语是相对于各附图中所示的构造进行定义的，它们是相对的概念，因此有可能会根据其所处不同位置、不同使用状态而进行相应地变化。所以，也不应当将这些或者其他的方位用语解释为限制性用语。

本实施例中，如图1所示，中转水仓的自动化排水系统，包括离心泵1、出水管2、吸水管3和注水管4，还包括封闭的负压水箱5和设置在负压水箱5顶部的排气阀6；注水管4与负压水箱5的顶部连通，负压水箱5在初始安装后，注水管4对负压水箱5注水，并通过排气阀6排气；离心泵1与负压水箱5连通，用于抽取负压水箱5中的液体使负压水箱5中形成负压，离心泵1通过出水管2排走液体；吸水管3插入到负压水箱5中，负压水箱5利用负压通过吸水管3抽取中转水仓100中的液体。

其中，负压水箱5在初始安装后，注水管4对负压水箱5注水，并通过排气阀6排气，排气后关闭排气阀6。

较佳地，也可以不设置排气阀6，通过离心泵1和出水管2也可以将空气排除。

当需要抽取中转水仓100中的液体时，启动离心泵1，离心泵1抽取负压水箱5中的液体，使得负压水箱5中形成负压，利用负压负压水箱5通过吸水管3从中转水仓100中抽取液体。液体依次经过吸水管3、负压水箱5、离心泵1，最终从出水管2被抽出。

本发明由于利用负压水箱和离心泵，通过负压来抽取中转水仓中的液体，省去了现有的出水电动闸阀、注水电动球阀、排气电动球阀和底阀，简化了自动化排水系统的结构，易于维修和更换，降低了成本。

本实施例中，如图1所示，注水管4上安装有注水阀门7。

注水阀门7用于调节进入负压水箱5中的水量。为了保证离心泵1正常运行，负压水箱5内必须有足够容量的水，实际工程中注水阀门7需打开一定程度。同时，当负压水箱5内集聚淤泥过多，需开大注水阀门7结合负压水箱5底部的排污口9进行反冲洗，达到有效排污的效果。

如图1所示，负压水箱5的底部设有排污口9。

本实施例中，如图1所示，出水管2上安装有逆止阀8。

逆止阀8使液体只能从离心泵1进入到出水管2中，而不能使液体从出水管2反流到离心泵1中。

较佳地，如图1所示，出水管2与注水管4连通。

出水管2和注水管4汇集到一条总管上，该总管用于连接外部储水设备，该外部储水设备一方面用于存储从中转水仓100中抽出的液体，另一方面为负压水箱5供水。

较佳地，吸水管3插入到中转水仓100的管口处设有防污滤网(图未示)。

由于中转水仓100多为污水仓，需要设计负压水箱5的防污措施。防污滤网设计在吸水管3插入到中转水仓100的管口处，即吸水管3的底端，减少进入到负压水箱5中的淤泥和杂质。

本实施例中，如图1所示，自动化排水系统还包括控制单元，控制单元包括磁力启动器10和水位传感器11，当水位传感器11检测到中转水仓100为高水位时，磁力启动器10控制离心泵1启动，当水位传感器11检测到中转水仓100为低水位时，磁力启动器10控制离心泵1停止运转。

根据中转水仓100实际情况从上往下依次设置高、低、地(公共端)三个水位传感器11，保证中转水仓100达到高水位时水不至于溢出。高水位起泵、低水位停泵。

本发明中，负压水箱5与离心泵1组成连通器，通过计算负压水箱5的容积同离心泵1吸程管路的合理匹配，设计制作负压水箱5，然后合理设置吸水管3的顶端与水仓液面的高度Hss，负压水箱顶部与离心泵1高度H，保证在真空力作用下使负压水箱内水位不能下降，保证吸水管、负压水箱及离心泵内始终存在较多容积水，即使吸水管和离心泵轴封处有泄漏，也能在此真空力作用下逐渐减少甚至停止。便于离心泵随时启动，当离心泵运转后负压水箱形成真空状态，不断自动吸水，达到排水目的。

离心泵1起动时，负压水箱5内的液体量需大于离心泵吸程管路的体积，同时离心泵1运转以后，负压水箱5需要有与离心泵流量相适应的液体量，以维持进入负压水箱5的水量与由离心泵1抽出的水量相平衡，保证水泵稳定运转。

如图2所示，维持离心泵1正常运转的负压水箱5的真空度h为：

h＝h'+H_ss+∑Δh

h'——提供离心泵1吸入流量为Q的液体的真空度；

H_ss——需要举起的液柱高度，即从吸水管3的顶端到中转水仓100的液面的垂直距离；

∑Δh——液体从中转水仓100经吸水管3注入负压水箱5的总阻力；

$h^{\′}=Q^2/2{\mathrm{gA}}_1^2$

其中，离心泵1的流量为Q，吸水管3的横截面积为A₁，重力加速为g。

负压水箱5的最小理论容积可由下式确定：

$V_{\min }=\frac{P_a{V}_1}{P_a-h\×\mathrm{\υ}}+V_2=\frac{P_a{V}_1}{P_a-(H_{ss}+\frac{Q^2}{2{\mathrm{gA}}_1^2}+\Σ\mathrm{\Δ}h)\mathrm{\υ}}+S\·K$

P_a——大气压强，Pa；

V₁——吸水管3的体积；

V₂——负压水箱5中液体的体积；

υ——水的比重；

S——负压水箱5的截面积；

K——从吸水管3的顶端到负压水箱5底面的垂直距离。

考虑工程中存在的误差，实际采用负压水箱5的容积修正后为：

V_实＝(1.2～1.3)×V_min。

此外，吸水管3的顶端至水仓液面的距离H_ss和负压水箱5顶部至离心泵1中心高度H均需要校验：

(1)H_ss的校验：

以水仓液面0-0为基准面，列出吸水管3的顶端1′-1′断面至0-0基准面间伯努利方程：

Z₀+P₀/υ+V₀²/2g＝Z₁+P₁/υ+V₀²/2g+h_w0-1

0-0断面：Z₀＝0，P₀＝P_a，因中转水仓100的截面积远大于吸水管3的横截面积，则V₀＝0。

1′-1′断面：Z₁＝H_ss，V₁＝Q/A，h_w0-1＝λLV₁²/2dg＝λLQ²/2dgA²

代入上式得：

0+P_a/υ+0＝H_ss+P₁/υ+Q²/2gA²+λLQ²/2dgA²

变换后得：(P_a-P₁)/υ＝H_ss+(1+λL/d)Q²/2gA²

式中：

P_a——大气压强，Pa；

υ——水的重度；

Q——离心泵流量，m³/s；

A——吸水管横截面积，m²；

L——吸水管长度，m；

d——吸水管直径，m；

V——吸水管管内流速，m/s；

λ——沿程阻力系数。

吸水管内只有沿程阻力损失h_w0-1，无局部阻力。

沿程阻力系数λ的确定：

1)确定雷诺数R_e＝Vd/γ＝4Q/πdγ，由雷诺数判别流态，γ为水运动黏度系数，常温下取1.003×10^-6m²/s。

2)由R_e确定λ计算式：

①R_e<2320，层流区：λ＝64/R_e；

②R_e>2320，紊流区：对于新管，λ＝0.0121K₁K₂/d^0.226；对于旧管，λ＝0.021/d^0.3；

在实际生产条件下，K₁＝1.15，K₂＝1.18。

上式中(P_a-P₁)/υ即为吸水管在1′-1′断面处产生的吸水真空值H_v1，此值需小于离心泵最大允许吸上真空值H_s，否则离心泵将出现汽蚀，即H_ss+(1+λL/d)Q²/2gA²＜H_s(H_s由离心泵生产厂家提供)。

变换后得：H_ss＜H_s-(1+λL/d)Q²/2gA²。

(2)H的校验：

以吸水管中心为基准面，列出负压水箱顶部3′-3′断面至离心泵横断面2′-2′之间伯努利方程：

H+P₃/υ+V₃²/2g＝Z₂+P₂/υ+V₂²/2g+h_w3-2

3′-3′断面：V₃＝0(负压水箱5的横截面远大于离心泵处吸水管12的横截面)，离心泵处吸水管12见图1。

2′-2′断面：Z₂＝0，V₂＝Q/A，

代入上式得：

H+P₃/υ+0＝0+P₂/υ+Q²/2gA²+λLQ²/2dgA²

变换后得：(P₂-P₃)/υ＝H-(1+λL/d)Q²/2gA²

(P₂-P₃)/υ即为负压水箱内顶部3′-3′断面处产生的真空值H_v2，此值需小于离心泵最大允许吸上真空值H_s，否则在3′-3′断面处将出现汽化现象，即H-(1+λL/d)Q²/2gA²＜H_s，变换后得：H＜H_s+(1+λL/d)Q²/2gA²。

其中，L代表离心泵处吸水管12的长度。

离心泵起动过程中，负压水箱顶部3′-3′断面的负压真空值H_v2小于吸水管口处负压真空值H_v1，此时在外界大气压的作用下，中转水仓100的水可被吸入负压水箱5，又进入离心泵处吸水管12到离心泵1后排出。

本发明一实际应用中，负压水箱5采用6mm的钢板加工而成(成本1000元，原来电磁阀、电动球阀、传感器等材料8万元)，节约资金明显；且系统安装维护方便，负压水箱设有排污口，只需定期排污，改变了频繁换底阀的现状。取消了中转水仓排水岗位工，减少了主水管路的敷设，节约了电费，降低了了离心泵磨损。本系统经过试运转，状态平稳，效果良好。同时，通过观察发现，负压水箱自动排水起泵初期电流较小，经过10余秒钟，电流恢复至额定值，且此现象具有普遍性，由此可见，负压水箱自动排水装置还具有“软启”的作用，对电机起到一定保护作用。

以上所述的仅是本发明的原理和较佳的实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在本发明原理的基础上，还可以做出若干其它变型，也应视为本发明的保护范围。