本發(fā)明涉及礦山機(jī)械領(lǐng)域，尤其涉及一種用于井下排水的中轉(zhuǎn)水倉的自動(dòng)化排水系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著錦界煤礦數(shù)字化礦山建設(shè)項(xiàng)目的投入，井下部分中轉(zhuǎn)水倉已能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化排水，相比過去人工起停離心泵排水，自動(dòng)化排水系統(tǒng)減少了固定排水崗位人員，同時(shí)解決了設(shè)備過渡磨損及頻繁起動(dòng)等問題?，F(xiàn)有的中轉(zhuǎn)水倉自動(dòng)化排水系統(tǒng)，主要發(fā)現(xiàn)如下問題：

1.自動(dòng)化排水系統(tǒng)配套的出水電動(dòng)閘閥、注水電動(dòng)球閥、排氣電動(dòng)球閥、底閥等在運(yùn)行一段時(shí)間后均有不同程度故障發(fā)生，特別是注水排空氣的電動(dòng)球閥極易損壞，更換較頻繁；

2.目前離心泵正常排水時(shí)流程為先提前進(jìn)行注水排空氣，當(dāng)?shù)组y內(nèi)有雜物或閉合不嚴(yán)時(shí)，均影響離心泵的正常排空氣時(shí)間，導(dǎo)致排空氣不徹底，甚至造成水泵無法正常吸水，水泵空轉(zhuǎn)損壞離心泵泵體；

3.由于出水電動(dòng)閘閥、注水電動(dòng)球閥、排氣電動(dòng)球閥、底閥等均為電子元件，發(fā)生故障后需要專業(yè)人員進(jìn)行維修處理，導(dǎo)致故障處理時(shí)間較長；

4.由于現(xiàn)有自動(dòng)化排水配套設(shè)備較多，造成離心泵無法正常起動(dòng)的因素較多，造成中轉(zhuǎn)水倉自動(dòng)化排水系統(tǒng)不穩(wěn)定、不可靠，影響礦井正常排水，同時(shí)增加巡檢人員檢修強(qiáng)度，更換費(fèi)用昂貴。一套離心泵排水配套設(shè)備維修更換費(fèi)用約￥8萬元。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、安裝維修方便、成本低的中轉(zhuǎn)水倉的自動(dòng)化排水系統(tǒng)。

本發(fā)明的技術(shù)方案提供一種中轉(zhuǎn)水倉的自動(dòng)化排水系統(tǒng)，包括離心泵、出水管、吸水管和注水管，

還包括封閉的負(fù)壓水箱；

所述注水管與所述負(fù)壓水箱的頂部連通，所述負(fù)壓水箱在初始安裝后，所述注水管對(duì)所述負(fù)壓水箱注水并排氣；

所述離心泵與所述負(fù)壓水箱連通，用于抽取所述負(fù)壓水箱中的液體使所述負(fù)壓水箱中形成負(fù)壓，所述離心泵通過所述出水管排走液體；

所述吸水管插入到所述負(fù)壓水箱中，所述負(fù)壓水箱利用負(fù)壓通過所述吸水管抽取所述中轉(zhuǎn)水倉中的液體。

進(jìn)一步地，所述注水管上安裝有注水閥門。

進(jìn)一步地，所述出水管上安裝有逆止閥。

進(jìn)一步地，所述出水管與所述注水管連通。

進(jìn)一步地，所述負(fù)壓水箱的底部設(shè)有排污口。

進(jìn)一步地，所述吸水管插入到所述中轉(zhuǎn)水倉的管口處設(shè)有防污濾網(wǎng)。

進(jìn)一步地，所述自動(dòng)化排水系統(tǒng)還包括控制單元，所述控制單元包括磁力啟動(dòng)器和水位傳感器，當(dāng)水位傳感器檢測到所述中轉(zhuǎn)水倉為高水位時(shí)，磁力啟動(dòng)器控制所述離心泵啟動(dòng)，當(dāng)水位傳感器檢測到所述中轉(zhuǎn)水倉為低水位時(shí)，磁力啟動(dòng)器控制所述離心泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

進(jìn)一步地，維持所述離心泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)的所述負(fù)壓水箱的真空度h為：

h＝h'+H_ss+ΣΔh

h'——提供所述離心泵吸入流量為Q的液體的真空度；

H_ss——需要舉起的液柱高度，即從所述吸水管的頂端到所述中轉(zhuǎn)水倉的液面的垂直距離；

ΣΔh——液體從所述中轉(zhuǎn)水倉經(jīng)所述吸水管注入所述負(fù)壓水箱的總阻力；

$h^{\′}=Q^2/2{\mathrm{gA}}_1^2$

其中，所述離心泵的流量為Q，所述吸水管的橫截面積為A₁，重力加速為g。

進(jìn)一步地，負(fù)壓水箱的最小理論容積可由下式確定：

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

P_a——大氣壓強(qiáng)，Pa；

V₁——所述吸水管的體積；

V₂——所述負(fù)壓水箱中液體的體積；

υ——水的比重；

S——所述負(fù)壓水箱的截面積；

K——從所述吸水管的頂端到所述負(fù)壓水箱底面的垂直距離。

進(jìn)一步地，考慮工程中存在的誤差，實(shí)際采用所述負(fù)壓水箱的容積修正后為：

V_實(shí)＝(1.2～1.3)×V_min。

采用上述技術(shù)方案后，具有如下有益效果：

本發(fā)明由于利用負(fù)壓水箱和離心泵，通過負(fù)壓來抽取中轉(zhuǎn)水倉中的液體，省去了現(xiàn)有的出水電動(dòng)閘閥、注水電動(dòng)球閥、排氣電動(dòng)球閥和底閥，簡化了自動(dòng)化排水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，易于維修和更換，降低了成本。

附圖說明

參見附圖，本發(fā)明的公開內(nèi)容將變得更易理解。應(yīng)當(dāng)理解：這些附圖僅僅用于說明的目的，而并非意在對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍構(gòu)成限制。圖中：

圖1是本發(fā)明一實(shí)施例中中轉(zhuǎn)水倉的自動(dòng)化排水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明一實(shí)施例中負(fù)壓水箱的容積計(jì)算示意圖。

附圖標(biāo)記對(duì)照表：

1-離心泵 2-出水管 3-吸水管

4-注水管 5-負(fù)壓水箱 6-排氣閥

7-注水閥門 8-逆止閥 9-排污口

10-磁力啟動(dòng)器 11-水位傳感器 12-離心泵處吸水管

100-中轉(zhuǎn)水倉

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖來進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

容易理解，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案，在不變更本發(fā)明實(shí)質(zhì)精神下，本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員可相互替換的多種結(jié)構(gòu)方式以及實(shí)現(xiàn)方式。因此，以下具體實(shí)施方式以及附圖僅是對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案的示例性說明，而不應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明的全部或視為對(duì)發(fā)明技術(shù)方案的限定或限制。

在本說明書中提到或者可能提到的上、下、左、右、前、后、正面、背面、頂部、底部等方位用語是相對(duì)于各附圖中所示的構(gòu)造進(jìn)行定義的，它們是相對(duì)的概念，因此有可能會(huì)根據(jù)其所處不同位置、不同使用狀態(tài)而進(jìn)行相應(yīng)地變化。所以，也不應(yīng)當(dāng)將這些或者其他的方位用語解釋為限制性用語。

本實(shí)施例中，如圖1所示，中轉(zhuǎn)水倉的自動(dòng)化排水系統(tǒng)，包括離心泵1、出水管2、吸水管3和注水管4，還包括封閉的負(fù)壓水箱5和設(shè)置在負(fù)壓水箱5頂部的排氣閥6；注水管4與負(fù)壓水箱5的頂部連通，負(fù)壓水箱5在初始安裝后，注水管4對(duì)負(fù)壓水箱5注水，并通過排氣閥6排氣；離心泵1與負(fù)壓水箱5連通，用于抽取負(fù)壓水箱5中的液體使負(fù)壓水箱5中形成負(fù)壓，離心泵1通過出水管2排走液體；吸水管3插入到負(fù)壓水箱5中，負(fù)壓水箱5利用負(fù)壓通過吸水管3抽取中轉(zhuǎn)水倉100中的液體。

其中，負(fù)壓水箱5在初始安裝后，注水管4對(duì)負(fù)壓水箱5注水，并通過排氣閥6排氣，排氣后關(guān)閉排氣閥6。

較佳地，也可以不設(shè)置排氣閥6，通過離心泵1和出水管2也可以將空氣排除。

當(dāng)需要抽取中轉(zhuǎn)水倉100中的液體時(shí)，啟動(dòng)離心泵1，離心泵1抽取負(fù)壓水箱5中的液體，使得負(fù)壓水箱5中形成負(fù)壓，利用負(fù)壓負(fù)壓水箱5通過吸水管3從中轉(zhuǎn)水倉100中抽取液體。液體依次經(jīng)過吸水管3、負(fù)壓水箱5、離心泵1，最終從出水管2被抽出。

本發(fā)明由于利用負(fù)壓水箱和離心泵，通過負(fù)壓來抽取中轉(zhuǎn)水倉中的液體，省去了現(xiàn)有的出水電動(dòng)閘閥、注水電動(dòng)球閥、排氣電動(dòng)球閥和底閥，簡化了自動(dòng)化排水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，易于維修和更換，降低了成本。

本實(shí)施例中，如圖1所示，注水管4上安裝有注水閥門7。

注水閥門7用于調(diào)節(jié)進(jìn)入負(fù)壓水箱5中的水量。為了保證離心泵1正常運(yùn)行，負(fù)壓水箱5內(nèi)必須有足夠容量的水，實(shí)際工程中注水閥門7需打開一定程度。同時(shí)，當(dāng)負(fù)壓水箱5內(nèi)集聚淤泥過多，需開大注水閥門7結(jié)合負(fù)壓水箱5底部的排污口9進(jìn)行反沖洗，達(dá)到有效排污的效果。

如圖1所示，負(fù)壓水箱5的底部設(shè)有排污口9。

本實(shí)施例中，如圖1所示，出水管2上安裝有逆止閥8。

逆止閥8使液體只能從離心泵1進(jìn)入到出水管2中，而不能使液體從出水管2反流到離心泵1中。

較佳地，如圖1所示，出水管2與注水管4連通。

出水管2和注水管4匯集到一條總管上，該總管用于連接外部儲(chǔ)水設(shè)備，該外部儲(chǔ)水設(shè)備一方面用于存儲(chǔ)從中轉(zhuǎn)水倉100中抽出的液體，另一方面為負(fù)壓水箱5供水。

較佳地，吸水管3插入到中轉(zhuǎn)水倉100的管口處設(shè)有防污濾網(wǎng)(圖未示)。

由于中轉(zhuǎn)水倉100多為污水倉，需要設(shè)計(jì)負(fù)壓水箱5的防污措施。防污濾網(wǎng)設(shè)計(jì)在吸水管3插入到中轉(zhuǎn)水倉100的管口處，即吸水管3的底端，減少進(jìn)入到負(fù)壓水箱5中的淤泥和雜質(zhì)。

本實(shí)施例中，如圖1所示，自動(dòng)化排水系統(tǒng)還包括控制單元，控制單元包括磁力啟動(dòng)器10和水位傳感器11，當(dāng)水位傳感器11檢測到中轉(zhuǎn)水倉100為高水位時(shí)，磁力啟動(dòng)器10控制離心泵1啟動(dòng)，當(dāng)水位傳感器11檢測到中轉(zhuǎn)水倉100為低水位時(shí)，磁力啟動(dòng)器10控制離心泵1停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

根據(jù)中轉(zhuǎn)水倉100實(shí)際情況從上往下依次設(shè)置高、低、地(公共端)三個(gè)水位傳感器11，保證中轉(zhuǎn)水倉100達(dá)到高水位時(shí)水不至于溢出。高水位起泵、低水位停泵。

本發(fā)明中，負(fù)壓水箱5與離心泵1組成連通器，通過計(jì)算負(fù)壓水箱5的容積同離心泵1吸程管路的合理匹配，設(shè)計(jì)制作負(fù)壓水箱5，然后合理設(shè)置吸水管3的頂端與水倉液面的高度Hss，負(fù)壓水箱頂部與離心泵1高度H，保證在真空力作用下使負(fù)壓水箱內(nèi)水位不能下降，保證吸水管、負(fù)壓水箱及離心泵內(nèi)始終存在較多容積水，即使吸水管和離心泵軸封處有泄漏，也能在此真空力作用下逐漸減少甚至停止。便于離心泵隨時(shí)啟動(dòng)，當(dāng)離心泵運(yùn)轉(zhuǎn)后負(fù)壓水箱形成真空狀態(tài)，不斷自動(dòng)吸水，達(dá)到排水目的。

離心泵1起動(dòng)時(shí)，負(fù)壓水箱5內(nèi)的液體量需大于離心泵吸程管路的體積，同時(shí)離心泵1運(yùn)轉(zhuǎn)以后，負(fù)壓水箱5需要有與離心泵流量相適應(yīng)的液體量，以維持進(jìn)入負(fù)壓水箱5的水量與由離心泵1抽出的水量相平衡，保證水泵穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

如圖2所示，維持離心泵1正常運(yùn)轉(zhuǎn)的負(fù)壓水箱5的真空度h為：

h＝h'+H_ss+∑Δh

h'——提供離心泵1吸入流量為Q的液體的真空度；

H_ss——需要舉起的液柱高度，即從吸水管3的頂端到中轉(zhuǎn)水倉100的液面的垂直距離；

∑Δh——液體從中轉(zhuǎn)水倉100經(jīng)吸水管3注入負(fù)壓水箱5的總阻力；

$h^{\′}=Q^2/2{\mathrm{gA}}_1^2$

其中，離心泵1的流量為Q，吸水管3的橫截面積為A₁，重力加速為g。

負(fù)壓水箱5的最小理論容積可由下式確定：

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

P_a——大氣壓強(qiáng)，Pa；

V₁——吸水管3的體積；

V₂——負(fù)壓水箱5中液體的體積；

υ——水的比重；

S——負(fù)壓水箱5的截面積；

K——從吸水管3的頂端到負(fù)壓水箱5底面的垂直距離。

考慮工程中存在的誤差，實(shí)際采用負(fù)壓水箱5的容積修正后為：

V_實(shí)＝(1.2～1.3)×V_min。

此外，吸水管3的頂端至水倉液面的距離H_ss和負(fù)壓水箱5頂部至離心泵1中心高度H均需要校驗(yàn)：

(1)H_ss的校驗(yàn)：

以水倉液面0-0為基準(zhǔn)面，列出吸水管3的頂端1′-1′斷面至0-0基準(zhǔn)面間伯努利方程：

Z₀+P₀/υ+V₀²/2g＝Z₁+P₁/υ+V₀²/2g+h_w0-1

0-0斷面：Z₀＝0，P₀＝P_a，因中轉(zhuǎn)水倉100的截面積遠(yuǎn)大于吸水管3的橫截面積，則V₀＝0。

1′-1′斷面：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

變換后得：(P_a-P₁)/υ＝H_ss+(1+λL/d)Q²/2gA²

式中：

P_a——大氣壓強(qiáng)，Pa；

υ——水的重度；

Q——離心泵流量，m³/s；

A——吸水管橫截面積，m²；

L——吸水管長度，m；

d——吸水管直徑，m；

V——吸水管管內(nèi)流速，m/s；

λ——沿程阻力系數(shù)。

吸水管內(nèi)只有沿程阻力損失h_w0-1，無局部阻力。

沿程阻力系數(shù)λ的確定：

1)確定雷諾數(shù)R_e＝Vd/γ＝4Q/πdγ，由雷諾數(shù)判別流態(tài)，γ為水運(yùn)動(dòng)黏度系數(shù)，常溫下取1.003×10^-6m²/s。

2)由R_e確定λ計(jì)算式：

①R_e<2320，層流區(qū)：λ＝64/R_e；

②R_e>2320，紊流區(qū)：對(duì)于新管，λ＝0.0121K₁K₂/d^0.226；對(duì)于舊管，λ＝0.021/d^0.3；

在實(shí)際生產(chǎn)條件下，K₁＝1.15，K₂＝1.18。

上式中(P_a-P₁)/υ即為吸水管在1′-1′斷面處產(chǎn)生的吸水真空值H_v1，此值需小于離心泵最大允許吸上真空值H_s，否則離心泵將出現(xiàn)汽蝕，即H_ss+(1+λL/d)Q²/2gA²＜H_s(H_s由離心泵生產(chǎn)廠家提供)。

變換后得：H_ss＜H_s-(1+λL/d)Q²/2gA²。

(2)H的校驗(yàn)：

以吸水管中心為基準(zhǔn)面，列出負(fù)壓水箱頂部3′-3′斷面至離心泵橫斷面2′-2′之間伯努利方程：

H+P₃/υ+V₃²/2g＝Z₂+P₂/υ+V₂²/2g+h_w3-2

3′-3′斷面：V₃＝0(負(fù)壓水箱5的橫截面遠(yuǎn)大于離心泵處吸水管12的橫截面)，離心泵處吸水管12見圖1。

2′-2′斷面：Z₂＝0，V₂＝Q/A，

代入上式得：

H+P₃/υ+0＝0+P₂/υ+Q²/2gA²+λLQ²/2dgA²

變換后得：(P₂-P₃)/υ＝H-(1+λL/d)Q²/2gA²

(P₂-P₃)/υ即為負(fù)壓水箱內(nèi)頂部3′-3′斷面處產(chǎn)生的真空值H_v2，此值需小于離心泵最大允許吸上真空值H_s，否則在3′-3′斷面處將出現(xiàn)汽化現(xiàn)象，即H-(1+λL/d)Q²/2gA²＜H_s，變換后得：H＜H_s+(1+λL/d)Q²/2gA²。

其中，L代表離心泵處吸水管12的長度。

離心泵起動(dòng)過程中，負(fù)壓水箱頂部3′-3′斷面的負(fù)壓真空值H_v2小于吸水管口處負(fù)壓真空值H_v1，此時(shí)在外界大氣壓的作用下，中轉(zhuǎn)水倉100的水可被吸入負(fù)壓水箱5，又進(jìn)入離心泵處吸水管12到離心泵1后排出。

本發(fā)明一實(shí)際應(yīng)用中，負(fù)壓水箱5采用6mm的鋼板加工而成(成本1000元，原來電磁閥、電動(dòng)球閥、傳感器等材料8萬元)，節(jié)約資金明顯；且系統(tǒng)安裝維護(hù)方便，負(fù)壓水箱設(shè)有排污口，只需定期排污，改變了頻繁換底閥的現(xiàn)狀。取消了中轉(zhuǎn)水倉排水崗位工，減少了主水管路的敷設(shè)，節(jié)約了電費(fèi)，降低了了離心泵磨損。本系統(tǒng)經(jīng)過試運(yùn)轉(zhuǎn)，狀態(tài)平穩(wěn)，效果良好。同時(shí)，通過觀察發(fā)現(xiàn)，負(fù)壓水箱自動(dòng)排水起泵初期電流較小，經(jīng)過10余秒鐘，電流恢復(fù)至額定值，且此現(xiàn)象具有普遍性，由此可見，負(fù)壓水箱自動(dòng)排水裝置還具有“軟啟”的作用，對(duì)電機(jī)起到一定保護(hù)作用。

以上所述的僅是本發(fā)明的原理和較佳的實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在本發(fā)明原理的基礎(chǔ)上，還可以做出若干其它變型，也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。