煤矿井下排水系统控制的系统设计毕业设计论文.docx

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煤矿井下排水系统控制的系统设计毕业设计论文

中国矿业大学毕业论文任务书

任务下达日期：

毕业论文日期：

毕业设计题目：

煤矿井下排水系统控制的系统设计

毕业设计专题题目：

毕业设计主要内容和要求：

1.掌握煤矿井下排水系统的工作原理和过程，设计水泵控制的实现方法。

2.完成排水系统的自动控制，实现“避峰填谷”功能。

3.使用可编程控制器（PLC）、水位测量单元、压力检测单元、流量监测单元等多种手段，实现自动控制，最终达到无人值守的目的。

指导教师签字：

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

摘要

煤矿井下排水设备对保证矿井正常生产起着非常重要的作用。

目前国内各矿井的排水系统多采用传统的继电器控制方法，用人工进行监测。

传统方法控制线路复杂，设备运行的可靠性低，工人劳动强度大，不适应煤炭发展的需要。

本文设计的排水系统采用PLC控制与PC监视相结合的方式，弥补了传统继电器控制的缺陷与不足，提高了工作可靠性和稳定性。

在本设计中首先对煤矿排水系统进行概述，然后根据排水控制的要求，进行自动控制方面的设计。

本系统采用西门子的S7-300系列PLC，并结合各种传感器（主要为水位传感器、负压传感器、压力传感器、流量传感器等），完成系统设计中要实现的控制功能。

有自动、半自动和手动三种操作方式可供选择。

为了防止工作水泵及管路磨损过于严重、备用泵及其电气设备或备用管路长期不用而导致电机和电气设备受潮或有其他故障不能及时发现，本系统采用水泵及管路的“自动轮换”工作机制。

又根据“避峰就谷”的原则确定开启水泵台数，以达到节省用电的目的。

关键词：

煤矿；排水系统；集中控制;PLC

1绪论

1.1煤矿井下水的形成及排水的重要性

在矿井生产过程中，经常有各种水源的水涌入矿井，称之为矿水。

大量的矿水威胁到矿井生产的正常运行，突发时甚至会造成工作人员的伤亡。

产生矿井涌水的两个必备条件是矿井水源和涌水通道。

1.矿井涌水的水源

矿井涌水的水源有地表水和地下水两大类。

（1）地表水源。

地表水源主要指大气降水和地表水。

1）大气降水。

大气降水是地下水的主要补给水源。

降水量对矿井涌水的影响，对于分布于河谷洼地，并且煤层上部有透水层、溶洞、裂隙或塌陷的浅井较为显著，其影响具有明显的季节性。

雨季矿井涌水量增大，旱季则相反。

2）地表水。

河流、湖泊、水库和塌陷地积水等地表水，可以通过井筒、塌陷裂隙、断层、裂隙、溶洞和钻孔等直接进入井下，也可以作为地下水的补给水源，使地下水经过与井巷连通的通道进入井巷，造成水灾。

（2）地下水源。

地下水是矿井水最经常、最主要的水源，而大气降水和地表水也是一般先补给地下水，然后再流入矿井。

所以研究地下水的水量分布、补给条件、动态变化规律等，对分析矿井涌水极为重要。

根据地下水的赋存状态和赋存位置的不同，可将矿井水分为以下几种：

1）含水层水。

地层中的沙层、砂岩和灰岩层等，往往含有丰富的地下水。

当掘进巷道揭露含水层或回采工作面放顶后所形成的冒落裂隙与这些含水层相通时，含水层水就涌入矿井。

含水层水一般都具有很高的压力，特别是当它与地面水源相通时，对矿井安全生产的影响较大。

2）断层水。

断层带及断层附近岩石破碎，裂隙发育，常形成构造赋水带。

特别是当导水断层与强含水层或积水体相通时，如发生断层突水，就会形成水灾。

3）老空积水。

井下采空区或煤层露头附近的古井、小窖常有积水，如果开采时与之相通，就会发生突水事故。

另外，还有生产用水。

煤矿生产过程中，如水采、除尘、煤体注水、防火注浆、水砂充填等，都要大量用水，如管理不善、排水不畅也可能引起水灾事故。

2.矿井涌水通道

矿井涌水通道可分为人为形成的通道和天然形成的通道两种。

（1）人为形成的通道有：

1）顶板冒落裂隙带——顶板冒落形成导水裂隙。

2）地表岩溶塌陷带——矿区开采后地表下沉，地表水和大气降水通过塌陷坑直接进入井下。

3）封孔质量差的钻孔——打孔后封孔不严，钻孔成为各类含水层的涌水通道。

（2）天然形成的涌水通道有：

1）孔隙、裂隙——各种岩层中的节理、层理成为涌水通道。

2）岩溶——岩石中的溶洞、孔洞成为涌水通道。

3）断层破碎带——通过断层与含水层相连，断层破碎带成为涌水通道。

井下排水系统的任务就是把通过各种途径流入矿井的积水排送到地表。

在煤矿地下开采过程中，由于地层中含水的涌出，雨水和江河水的渗透，水砂充填和水利采煤矿井的井下供水，将更有大量的水昼夜不停地汇集于井下。

如果不能及时地将这些积水排送到井上，井下的生产可能受到阻碍，井下的安全得不到保障，严重者会造成重大事故。

煤矿大量的井下水在会对工作人员和设备的安全造成很大的威胁，如不采取及时有效地治理措施，会造成严重后果，轻者淹井停产，重者矿毁人亡。

因此矿井主排水系统是保证矿井安全的关键设备之一，在煤矿安全生产中有着举足轻重的作用。

1.2国内外研究现状及主要问题

1.2.1课题研究现状

目前国内外学者已经在煤矿井下排水系统控制的研究中取得了很多成就。

就国内的研究工作来看，大多是从煤矿井下排水系统的安全可靠性、节能的角度进行研究。

首先是煤矿对中央泵房水泵自动控制系统的成功改造，为我国井下排水系统自动控制开辟了一条新的途径。

这也验证了以计算机进行单台水泵的“水泵控制系统”改造和以矿井监控为主的“矿井监控系统”组成的“矿井排水自动控制系统”是一种可行的方法。

随后几年，根据煤矿井下排水系统消耗电能大的特点，国内研究人员分别从离心式水泵，排水管路，电动机三个方面提出了对井下排水系统的节能改造。

由于各类矿井情况差别大，能源消耗尤其是电能消耗大，所以在节能技术方面的研究对煤矿效益，以致可持续发展有着很大的意义。

国外的研究大多从管道的长期的维护和清理，井水质量对排水设备的影响等更加细微更加长远的方面来研究。

酸性矿井排水及有害元素的影响对井下排水系统也是一项严峻的考验。

它不仅关乎到整个排水系统的正常运行，更影响井下设备和工作人员的安全。

1.2.2主要问题

矿井中央泵房是矿山企业的机电要害场所，直接影响到矿山企业的安全生产，现在国内的矿山企业矿井中央泵房的自动化水平还不是很高，这影响了生产的安全生和高效性，矿井中央泵房无人值守自动化系统可以有效解决这些问题。

井下的水泵电压高、功率大、启动复杂，水泵启动前吸水管路的充水，通常采用抽真空吸水的方法来完成。

现泵房内设备的运行与管理以及水仓水位的观察，普遍采用人工操作方式，操作过程繁琐、劳动强度大、水泵启动时间长、自动化程度低、不适应现代化矿井管理。

随着我国颁布分时缴纳电费的办法后，煤矿排水的经济效益也尤为突出。

根据统计，每开采1吨煤就要排出2--7吨矿井水，有时甚至要排出30--40吨矿井水。

井下排水设备所配备电机的功率，小的几千瓦到几十千瓦，大的几百千瓦到上千千瓦、在我国煤炭行业中，井下排水用电量占原煤生产总耗电量的18%--41%，一般为20%左右。

1.3本课题研究的主要内容

1.水泵的启停控制机制

煤矿井下排水自动控制系统是以单个水泵的自动运作为基础的,每个水泵在启动前,PLC模块先启动抽真空系统,检测真空度。

如果没有达到所需的真空度则继续等待并适时检测,当达到所需的真空度,则启动水泵。

然后检测水泵出水口压力,如果压力参数没有达到要求,则继续等待,并适时检测,当压力参数满足要求,则打开水泵出水口电动闸阀同时停止抽真空系统。

水泵运行过程中,PLC模块又适时检测水仓液位,当水位低于液位下限值时则关闭水泵电动闸阀。

确保闸阀关闭到位,水泵关闭完毕。

2.水泵自动转换工作

每台水泵有两个数据寄存器,分别存放运行时间和运行次数。

每次启动水泵,自动启动运行时间最短的无故障水泵。

当两台水泵的运行时间相近且最少时,则启动运行次数较少的水泵。

自动累加水泵的排水时间和排水次数。

3.“避峰填谷”机制

设定3个水位限值：

H1（水位下限）,H2（报警水位）,H3（超限水位）,当前水位设为H。

当H达到H2时,首先对电网的负荷进行监测,若处于用电谷段,即启动水泵；若处于用电峰段,则暂缓启动水泵；当水位继续上升至H3时,则不论电网负荷如何,必须立即启动水泵；不论投入几台水泵,水位必须下降到H1时方可停泵。

1.4本章小结

本章简述了煤矿井下水的形成和排水的重要性，目前该领域存在的问题，并介绍了国内外研究现状，最后对本课题所要做的主要内容进行了简单的概括。

2煤矿井下排水系统组成概况

2.1离心式水泵工作原理

井下排水系统一般采用离心式水泵，一些小型煤矿或浅水井临时排水系统也采用潜水泵。

离心式水泵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。

如图2-1所示。

1.起动设备2.电动机3.水泵4.抽水管5.滤水器6.负压表7.压力表

8.闸阀9.逆止阀10.射流泵11.排水阀12.静压水管13.射流泵电磁阀

图2-1离心式水泵工作系统

1.滤水器和底阀

滤水器安装在吸水管的下端，插入吸水井下面，不得低于0.5m。

其作用是防止井底沉积的煤泥和杂物吸入泵内，导致水泵被堵塞或被磨损。

在滤水器内装有舌型底阀，其作用是使灌入水泵和吸水管中的引水，以及停泵后的存水不致漏掉。

但是现在的排水系统中，为了提高排水效率，减小水泵腐蚀，一般不用底阀，而用射流泵或真空泵为水泵和吸水管注水。

2.闸阀（如图2-2）是指启闭体（阀板）由阀杆带动阀座密封面作升降运动的阀门，可接通或截断流体的通道。

当阀门部分开启时，在闸板背面产生涡流，易引起闸板的侵蚀和震动，也易损坏阀座密封面，修理困难。

闸阀通常适用于不需要经常启闭，而且保持闸板全开或全闭的工况。

不适用于作为调节或节流使用。

图2-2闸阀结构图

调节闸阀安装在靠近水泵排水管上方的排水管路上，位于逆止阀的下方。

其功用为:

（1）调节水泵的流量和扬程；

（2）起动时将它完全关闭，以降低起动电流。

调节闸阀的优点是流动阻力和关闭压力较小，安装时无方向性，能够方便地来调节水泵的流量和扬程等。

其缺点是密封面容易擦伤，检修较为困难，高度尺寸较大，在安装位置受到限制时，安装不便，结构较复杂，价格较高。

放水闸阀安装在调节闸阀上方的排水管路的放水管上，其作用为检修排水管路时放水用。

3.逆止阀

逆止阀安装在调节闸阀的上方，其作用是当水泵突然停止运转（如突然停电）时，或者在未关闭调节闸阀的情况下停泵时，能自动关闭，切断水流，使水泵不致受到水力冲击而遭到损坏。

4.灌引水漏斗、放气栓和旁通管

灌引水漏斗是在水泵初次起动时，向水泵和吸水管中灌引水用。

在向水泵和吸水管中灌引水时，要通过放气栓（又叫气嘴）将水泵和吸水管中的空气放掉。

当排水管中有存水时，也可通过旁通管向水泵和吸水管中灌引水，此时要将旁通管上的阀门打开。

此外，还可通过旁通管，利用排水管中的压力水的反冲作用，冲掉积存于水泵流通部分和附着于滤水器上的杂物，但此时须通过连接在底阀上的铁丝或链条将底阀提起。

5.压力表

压力表安装在水泵的排水接管上，为检测排水管中水压大小用。

常用的压力表为普通弹簧管压力表，根据其结构特征可分为径向无边、径向带边和轴向带边三种。

表壳的公称直径有60,100,150,200和250mm五种。

压力表所测出的压力叫做表压力或相对压力，它比绝对压力小1个大气压。

6.真空表

真空表安装在水泵的吸水接管上，为检测吸水管的真空度用。

根据其结构特征也可分为径向无边、径向带边和轴向带边三种。

表壳的公称直径和压力表一样，也分为60,100,150，200和250mm五种。

真空表测量范围为0--0.1MPa（一个大气压）。

2.2射流泵和真空泵的介绍

离心式水泵在起动前必须将吸水管和泵腔内注满水才能进入运行状态，否则水泵转动时将无法吸水，形成“干烧”，严重影响水泵的使用寿命。

在无底阀的排水系统中，水泵每次起动都要灌水，这一工作由抽真空设备完成，一般使用射流泵或真空泵。

它们的工作原理不同，但都能在系统中使水泵工作腔达到一定的真空度，保证系统正常工作。

水泵房排水设备一般安置在水井液面以上，所以水泵启动前的灌水一般采用吸入式。

为了减小井水吸入阻力，提高泵站运行效率，吸水管路不宜设置底阀。

无底阀吸入式灌水，要采用撞门的引水设备，对水泵排水腔和吸水管路进行抽真空，使水泵运行前充满水。

引水设备一般为真空泵或射流泵。

真空泵和射流泵中所用到的阀门都是球阀。

球阀（如图2-3）是由旋塞阀演变而来。

它具有相同的启闭动作，不同的是阀芯旋转体不是塞子而是球体。

当球旋转90度时，在进、出口处应全部呈现球面，从而截断流动。

球阀在管路中主要用来做切断、分配和改变介质的流动方向。

图2-3球阀结构图

2.2.1真空泵工作原理

真空泵是用各种方法在某一封闭空间中产生、改善和维持真空的装置。

真空泵可以定义为：

利用机械、物理、化学或物理化学的方法对被抽容器进行抽气而获得真空的器件或设备。

随着真空应用的发展，真空泵的种类已发展了很多种，其抽速从每秒零点几升到每秒几十万、数百万升。

极限压力（极限真空）从粗真空到10-12Pa以上的超高真空范围。

由于真空应用部门所涉及的工作压力的范围很宽，因此任何一种类型的真空泵都不可能完全适用于所有的工作压力范围，只能根据不同的工作压力范围和不同的工作要求，使用不同类型的真空泵。

为了使用方便和各种真空工艺过程的需要，有时将各种真空泵按其性能要求组合起来，以机组型式应用。

凡是利用机械运动（转动或滑动）以获得真空的泵，称为机械真空泵。

机械真空泵按其工作原理及结构特点分述如下：

1.变容真空泵

它是利用泵腔容积的周期变化来完成吸气和排气以达到抽气目的的真空泵。

气体在排出泵腔前被压缩。

这种泵分为往复式及旋转式两种。

（1）往复式真空泵

利用泵腔内活塞往复运动，将气体吸入、压缩并排出。

又称为活塞式空泵。

（2）旋转式真空泵

利用泵腔内转子部件的旋转运动将气体吸入、压缩并排出。

它大致有如下几种分类：

1）油封式真空泵它是利用真空泵油密封泵内各运动部件之间的间隙，减少泵内有害空间的一种旋转变容真空泵。

这种泵通常带有气镇装置。

它主要包括旋片式真空泵、定片式真空泵、滑阀式真空泵、余摆线真空泵等。

2）液环真空泵将带有多叶片的转子偏心装在泵壳内。

当它旋转时，把工作液体抛向泵壳形成与泵壳同心的液环，液环同转子叶片形成了容积周期变化的几个小的旋转变容吸排气腔。

工作液体通常为水或油，所以亦称为水环式真空泵或油环式真空泵。

3）干式真空泵它是一种泵内不用油类（或液体）密封的变容真空泵。

由于干式真空泵泵腔内不需要工作液体，因此，适用于半导体行业、化学工业、制药工业及食品行业等需要无油清洁真空环境的工艺场合。

4）罗茨真空泵泵内装有两个相反方向同步旋转的双叶形或多叶形的转子。

转子间、转子同泵壳内壁之间均保持一定的间隙。

5）动量传输泵

它依靠高速旋转的叶片或高速射流，把动量传输给气体或气体分子，使气体连续不断地从泵的入口传输到出口。

2.分子真空泵

它是利用高速旋转的转子把动量传输给气体分子，使之获得定向速度，从而被压缩、被驱向排气口后为前级抽走的一种真空泵。

这种泵具体可分为：

（1）牵引分子泵气体分子与高速运动的转子相碰撞而获得动量，被驱送到泵的出口。

（2）涡轮分子泵靠高速旋转的动叶片和静止的定叶片相互配合来实现抽气的。

这种泵通常在分子流状态下工作。

（3）复合分子泵它是由涡轮式和牵引式两种分子泵串联组合起来的一种复合型的分子真空泵。

真空泵运行效率高，水泵启动快，但需要提供专门的驱动设备。

射流泵结构简单，操作方便，根据矿井的地下环境和条件，射流泵的应用更为普遍。

2.2.2射流泵工作原理

射流泵的工作原理是水射流时的“虹吸现象”。

水力射流泵装置的泵送是通过两种运动流体的能量转换来达到的。

地面泵提供的高压动力流体通过喷嘴把其位能（压力）转换成高速流体的动能喷射流体将其周围的井液从汇集室吸入喉道而充分混合,同时动力液把动量传给井液而增大井液能量,在喉道末端,两种完全混合的流体仍具有很高的流速（动能）,此时,它们进人一扩散管通过流速降低而把部分动能转换成压能,流体获得的这一压力足以把自己从井下返出地面,其结构原理如图2-4。

1.进水口2.喷嘴；3.扩散管；4.混合管；

图2-4射流泵系统结构图

2.3离心式水泵的启停过程

2.3.1离心式水泵的启动过程

首先监测水仓水位，当水仓水位到达设定的高水位时，接通控制射流泵的电磁阀的线圈，开启射流泵，为离心式水泵进行注水。

在射流泵的作用下，水泵入口处的真空度会增加，配水井中的水会在大气压的作用下注入离心泵的腔体直至注满，当水泵入口处的真空度达到要求后（水泵入口处的真空度增加到一定的数值时不在会继续增加），接通水泵机组中的电动机触点来开启水泵。

在电动机启动过程中，水泵出口处的压力会逐渐增加。

最后会达到某一数值（通常为该离心式水泵的堵转水头）而