VB程序下排水系统优化方案程序设计

　　摘要：排水系统是铀矿山生产过程中的四大系统之一, 耗电量大。铀矿山开拓中段多, 服务年限长, 控制排水耗电量来降低企业成本尤为重要。通过运用可视化程序语言Visual Basic, 对铀矿山服务年限内的排水系统进行优化计算, 找出最优的水泵房的布置中段和配置方案。结果表明, 该方案简化了计算过程, 得到了最优的排水方案。

　　关键词：优化研究; 排水系统; 避峰就谷;

　　Abstract：The drainage system is one of the four major systems during production of the uranium mine with huge power consumption. There were multiple middle mining levels in the uranium mine, and the uranium mine has operated for many years, thus it was important for the enterprise to reduce the cost via controlling power consumption for drainage. With the aid of visual programming language VISUAL BASIC, the drainage system in the uranium mine within service life was optimized and calculated, and the optimal layout of middle levels and the configuration scheme of the pump station were identified. The results showed the calculation process was simplified via the scheme, and the optimal drainage scheme was obtained.

　　Keyword：research on optimization; drainage system; avoid power peak;

　　排水系统是矿山生产过程中的四大系统之一, 耗电量大, 一般占矿山耗电量的20%~40%。铀矿开拓中段多, 服务年限长, 若所有的井下中段涌水都汇到最下中段再排出地表, 势必造成排水费用增加。设计中, 一般会根据工程安排, 选择两段或三段排水方案, 水泵房位置也主要凭经验和生产需要来规划位置。而在水泵选型上, 为了满足“避峰就谷”的原则[1], 选择大流量排水泵集中排水, 无形中也增加了企业的用电容量费用。这种设计方案虽能降低一部分的企业运行成本, 但不是最优规划方案, 主观性影响较大。而且, 不同的矿山, 由于现有水泵性能的原因, 使得正常选择的水泵比避峰就谷选出的水泵, 在经济上不具有优势, 甚至增加企业的运行成本。笔者利用可视化程序语言VISUAL BASIC, 建立排水系统优化程序, 根据计算结果, 选出最优的排水方案。

　　1、排水系统的影响因素

　　矿山排水系统主要考虑基建费用、排水电费、维修费用、人员工资以及工人的劳动强度几方面的因素[2]。

　　1.1、基建费用

　　基建费用主要包括井巷工程费、设备材料费和安装工程费。井巷工程费主要包括水泵房、管路通道、水泵房通道、水仓等基建工程费用, 设备材料费包括水泵、管路、电气设备等购置费用, 安装工程费包括水泵、管路及电气设备等安装费用。多级排水系统每增加1个水泵房, 井巷工程费和安装工程费增加1倍, 设备材料费则差异不大。

　　1.2、排水电费

　　排水电费主要由水泵功率、排水工作时间以及电价决定。矿井水从井下排出地表所需功率

　　式中:t为排水时间, h。

　　由式 (1) 、 (2) 可得

　　式 (3) 中的Qt就是矿井的每天排水量, 包含矿井每天的井下涌水和生产废水, 铀矿山生产废水量较小, 为简化计算, 这里忽略不计。所以, Qt就简化成矿井的每天涌水量, 即24 Q。

　　对于第i个的中段, 其在服务期内的矿井涌水总耗电量

　　式中:Wi为第i个中段服务期内排水每天耗电量;Ti为第i个中段服务时间。

　　由公式 (3) 、 (4) 可得

　　式中:Qi为第i个中段涌水量, m3/h;Hi为第i个中段排水高度, m。

　　当水泵房设在矿山井下的第x中段, 井下总中段数为n时, 该水泵房在矿山服务期内的排水耗电量[3]

　　由式 (5) 、 (6) 可得

　　对于一个确定的矿山, 其井下涌水量是确定的。若通过设立多级泵房, 接力排水, 截流上部中段的涌水, 控制排水高度, 从而可以减少耗电量。

　　工业用电电价受国家和地区政策影响, 实行“峰-谷-平”分时段计价收费, 一般是高峰时段 (6 h) 用电电价是在基础电价的基础上上浮50%, 低谷时段 (6 h) 用电电价是在基础电价的基础上下浮50%, 平时 (12h) 用电电价执行基础电价。排水时, 应遵循“避峰就谷”原则开启水泵排水。根据GB 50521—2009《核工业铀矿冶工程设计规范》规定, “工作水泵总能力应能在20 h内排出矿井24 h的正常涌水量”[4], 水泵选型时, 再考虑预留排水能力, 可以控制水泵在18 h, 即“谷-平”时段内工作, 排完矿井水, 所以, 不考虑高峰时段排水电价。

　　水泵在“谷-平”时段内工作, 可以考虑只在低谷时段 (6 h内) 将矿井水全部排完与在低谷加平时时段将矿井水全部排完2种方案。这2种方案总的排水耗电量相差不大, 但因为电费单价的差异, 使得低谷时段排水方案的排水电费变少。而低谷时段将矿井水全部排完, 就需要选择流量大的水泵, 这样就加大了水泵的电动机功率, 增大了矿山变压器的装机容量, 增加了企业的容量费用。同时, 为了能在6 h内排完24 h内的矿井水, 也需要加大水仓的容积, 增大基建工程费用。

　　1.3、维修费用

　　工程上, 年维修费用一般按照设备费用的2‰计算。由于多级排水系统与单级排水系统的设备费用相差不多, 所以维修费用相差不大, 在进行经济性比较时, 可以不予考虑。

　　1.4、人员工资

　　现阶段铀矿山井下排水主要采用人工控制方式排水, 手动启泵, 自动停泵, 每班1名工人控制多个泵房的水泵。所以排水系统级数的变化不会对人员工资产生大的影响, 在进行经济比较时, 可以不予考虑。而低谷加平时时段的排水方案比低谷时段的排水方案需要增加1个班的工人, 造成人员工资增加。

　　1.5、工人的劳动强度

　　排水系统级数越多, 维修工人和泵房值班人员的劳动强度越大。

　　2、建立排水系统优化程序

　　通过上面的分析, 最优的排水方案主要由基建费用和排水费用决定。多一级排水, 基建费用增加, 排水费用减少;低谷时段排水, 基建费用增加, 变压器容量费用增加, 排水费用减少, 人员工资较少。通过比较矿山服务年限内的排水总费用, 选出最优的排水方案。

　　排水系统的优化过程涉及到排水级数的确定和是否采用“避峰就谷”排水方案两方面。从逻辑上来考虑, 应先确定排水系统最优的排水级数, 再根据确定好的排水级数选择2套水泵配置方案, 即低谷时段 (6h内) 将矿井水全部排完与在低谷加平时时段将矿井水全部排完2种方案。

　　采用1级泵站排水, 水泵房设在最下中段。当矿床没有开拓到最下中段时, 用开拓中的最下中段水量计算排水耗电量;当开拓到最下中段时, 用最下中段水量计算耗电量, 计算出总的耗电量,

　　采用2级泵站接力排水, 最下中段设1个水泵房, 然后考虑上部第1级水泵房的位置。首先将第1级水泵设在井下的第1个中段, 计算出矿山服务期内的耗电总量, 然后将第1级水泵设在井下的第2个中段, 计算出矿山服务期内的耗电总量, 依此类推, 从中选出耗电总量最低的排水方案。当矿床没有开拓到第1级水泵房所设中段时, 用开拓的最下中段水量计算排水耗电量, 当超过第1级泵站后, 考虑第1级泵站截流该中段30%的涌水量, 下面中段的涌水量计算时, 减去这部分水量, 最后计算出矿床服务年限内排水总耗电量。

　　设第1级水泵房设在第x中段, 第2级水泵房设在最下中段, 即第n中段, 则矿床服务年限内排水总耗电量

　　采用3级泵站接力排水, 水泵房的设置位置和耗电量计算类似2级泵站接力排水。

　　设第1级水泵房设在第x中段, 第2级水泵房设在第y中段, 第3级水泵房设在最下中段, 即第n中段, 则矿床服务年限内排水总耗电量

　　现阶段铀矿山4级泵站接力排水用不到, 在此不进行分析比较。

　　分别将各种排水方案得到的排水总耗电量存入数据库中, 然后从其中比选出3种排水方案各自总耗电量最少的排水方案, 同时, 把得到的所有结果存入到Word文档中供后期查阅使用。最后, 从选出的3个排水方案中, 考虑基建等因素进行综合经济性比较, 得出最优的排水级数和水泵房布置中段位置方案。

　　根据确定好的排水级数和水泵房布置中段位置选择2套水泵配置方案, 配置各自方案的水泵。根据选好的水泵的流量和功率, 得到矿山在服务期内这2种水泵配置方案的电费和人工费。然后, 再考虑基建等因素进行综合经济性比较, 得出是否采用错峰排水方案。

　　利用Visual Basic程序设计语言, 编制一套矿井排水系统分析程序, 通过输入服务年限、排水标高、各中段涌水量, 计算出最佳的水泵房布置方案, 然后对每个中段的水泵房配置2套排水泵, 即满足正常排水能力的水泵配置方案和满足错峰排水能力的水泵配置方案。选定水泵后, 进行错峰排水经济性分析, 确定是否采用错峰排水。主要程序界面如图1所示。

　　输入工程名称、排水标高、服务年限等基本信息, 然后在中段文本框、水量文本框和中段服务时间文本框中录入中段和对应的水量、服务时间, 一个中段点一次录入水量按钮, 将信息录入到程序中, 并在下面的列表框中显示, 供检查。当发现数据录入错误, 可选中错误的数据, 然后通过录入框进行修改。当中段服务时间没有具体数值时, 程序可以根据服务年限和井下中段数, 自动计算出每个中段的近似服务时间, 完成数据分析任务。

　　当中段和水量录入结束后, 根据需要点“一段排水”、“两段排水”、“三段排水”, 进行排水耗电量计算, 然后点“排水方案”按钮, 将计算结果保存到“水泵.doc”文件中。参考采矿专业设计的开拓方案, 若不需要更改, 可直接根据图片区显示的信息, 直接选定多级排水方案, 进行错峰排水分析;若最优结果与采矿专业规划方案不符, 可点开“水泵.doc”文件, 进行人工分析, 然后选定排水方案, 再进行错峰分析。最后, 将主要信息保存到文档中, 供查阅使用。

图1 排水系统优化程序界面

　　3、排水优化实例计算

　　某铀矿床采用竖井开拓, 服务年限为23 a。矿井水通过竖井排到215 m井口矿井水沉淀池。井下涌水量如表1所列。

表1 涌水量预测

　　将表1参数输入程序, 结果如表2所列。

表2 排水方案功率比较

　　从表2可以看出, 三段排水的优势最大, 两段排水次之, 一段排水最差。考虑到多1段排水, 就需多设1个水泵房, 需增加约40万的投资费用, 三段排水比两段排水的优势就不大了。同时, 增加1个水泵房, 就增大管理维护费用和工作量, 所以不推荐该矿床采用三段排水方案, 推荐采用两段排水方案, 在-33 m和-233 m中段设水泵房。

　　按照上面的参数和规划配置水泵房, 正常排水与错峰排水费用如表3所列。

表3 正常排水与错峰排水费用比较

　　从表3可以看出, 考虑变压器容量费用后, 错峰排水配置水泵方案所花费的总费用要高于正常排水配置水泵方案所花费的总费用, 因此该矿不采用错峰排水方案。该矿具体排水方案如表4所列。

表4 矿床排水方案

　　4、结语

　　使用Visual Basic编的排水方案优化程序后, 仅需输入基本的参数后, 就可以得到供选择的排水方案, 简化了排水方案计算过程, 提高了计算结果的准确性。而且, 量化后的排水方案比凭经验确定的排水方案更具有科学性, 为后面的项目评审等环节提供可信的依据, 为矿山的运行节能降耗, 减少运行成本, 提高矿山的市场竞争力。

　　参考文献
　　[1]　汤　伟, 孙振宇, 李含君.基于动态规划的井下排水策略优化研究[J].煤矿机械, 2015, 36 (9) :63-65.
　　[2]　张钦礼, 陈　宇, 王新民, 等.改进突变理论在井下排水方案优选中的应用[J].安全与环境学报, 2015, 15 (3) :48-52.
　　[3]　王再英.多级排水系统最优控制模型及分级PD算法[J].西安矿业学院学报, 1997, 17 (2) :175-178.
　　[4]　中国核工业集团公司.核工业铀矿冶工程设计规范:GB50521—2009[S].北京:中国计划出版社, 2010.□