天津大學(xué) 管理學(xué)院 蔣 猛
河南礦山搶險(xiǎn)救災(zāi)中心
河南礦山搶險(xiǎn)救災(zāi)中心 李 瑋 陳 棟 李志豪 薛雅娟 吳莉娜
大功率潛水電泵運(yùn)用模式探討及應(yīng)用
天津大學(xué) 管理學(xué)院 蔣 猛
河南礦山搶險(xiǎn)救災(zāi)中心
河南礦山搶險(xiǎn)救災(zāi)中心 李 瑋 陳 棟 李志豪 薛雅娟 吳莉娜
1976年我國(guó)向西德里茨(Ritz)公司采購(gòu)一批功率為800~1 600 kW的大型礦井用潛水電泵,并采取技貿(mào)結(jié)合的方式部分引進(jìn)大型礦用潛水電泵的制造技術(shù)。但是,引進(jìn)后發(fā)現(xiàn),這種大型礦用潛水電泵存在一個(gè)功能性缺點(diǎn),即要求淹沒深度很深。水泵具有上吸入口和下吸入口,匯流后從最上端的吸入吐出體出水口排出。為了保證水泵的進(jìn)水條件,最低吸入水位必須高于設(shè)置在水泵最上端的上吸入口0.8~1.0 m,因此要求大型礦用潛水電泵的淹沒深度H必須為:
式(1)中,h為大功率潛水電泵總長(zhǎng)度,H0為吸入口安全高度。
常用潛水電泵的總高度為7~12 m,揚(yáng)程越高,h越大,這一運(yùn)行模式適用于井底水窩較深的大型煤礦,也適用于大江大湖的高揚(yáng)程取水。但如果井底水窩不夠深時(shí),該類潛水電泵只能將水排至距井底H高的位置。而殘留水位過(guò)高,將導(dǎo)致被淹泵房難以暴露,人和設(shè)備難以進(jìn)入,泵房難以恢復(fù),礦井難以恢復(fù)生產(chǎn)。其運(yùn)行方式如圖1所示。
同時(shí),引進(jìn)的大功率潛水電泵在結(jié)構(gòu)上只適合立式安裝,難以解決斜井開拓大涌水量礦井的排水復(fù)礦問(wèn)題。此外,如果斜井開拓大涌水量礦井沒有軌道或者斜井巷道塌方嚴(yán)重,則該水電泵將會(huì)難以潛入水中而影響使用。因此,需要對(duì)潛水泵的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),開發(fā)新的應(yīng)用模式。本文,筆者對(duì)此進(jìn)行了探討。
1.軸流式接力泵及其接力排水系統(tǒng)。引進(jìn)國(guó)外潛水電泵的最低淹沒深度在8.5~15.4 m,從式(1)可以看出,由于大型礦用潛水電泵要求如此大的淹沒深度,因此在很大程度上限制了自身的使用范圍和功能的發(fā)揮。為了復(fù)礦排水,要求最低殘留水位越低越好,以便排水終結(jié)時(shí)可以暴露出主坑道,而且,還要求要能夠進(jìn)人、進(jìn)設(shè)備,這一安全高度為0.8~1.2 m。為此,20世紀(jì)80年代,人們開出大型潛水電泵+密封吸罩+全貫流式潛水軸流泵的接力排水系統(tǒng),系統(tǒng)運(yùn)行模式如圖2所示。
接力排水系統(tǒng)推出后,在礦山搶險(xiǎn)排水中發(fā)揮了重要作用。借助該系統(tǒng),在多次搶險(xiǎn)排水中,最低殘留水位降到了0.5 m,使多次礦山搶險(xiǎn)排水中得以成功復(fù)礦。但是,這種接力排水系統(tǒng)在使用中也暴露出了一系列功能和技術(shù)上的缺陷。例如,系統(tǒng)接力泵采用軸流泵水力模型,與主潛水泵性能匹配性差,容易出現(xiàn)超功率和關(guān)死點(diǎn)現(xiàn)象,引起系統(tǒng)振動(dòng)和電機(jī)過(guò)熱,使得系統(tǒng)可靠性降低,運(yùn)行很不安全;電機(jī)繞組線在水壓作用下,絕緣迅速下降,系統(tǒng)一次潛沒水深度受到很大限制(廠家建議≤11 m),使得聯(lián)合排水系統(tǒng)不能一次安裝到位,需要多次安裝追排水,對(duì)于大涌水量礦井,安裝費(fèi)用和運(yùn)行電費(fèi)耗資巨大,同時(shí)也貽誤了搶救遇險(xiǎn)礦工的最佳時(shí)機(jī)。因此,迫切需要研制新型接力排水泵,提高其運(yùn)行可靠性。
2.混流接力潛水電泵及其接力排水系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用新型充油式可深潛的混流接力潛水電泵,并與大功率潛水電泵組成接力排水系統(tǒng),可以解決原接力排水系統(tǒng)可靠性低的問(wèn)題。該接力潛水泵的優(yōu)點(diǎn)是適用于大淹沒深度下的安全運(yùn)行,電機(jī)為內(nèi)充油式、壓力自平衡。并且,在流量、揚(yáng)程變化范圍大的情況下,接力泵不超功率,可以安全、高效地運(yùn)行(吸水罩無(wú)需開天窗泄流)。這種混流接力泵性能穩(wěn)定可靠,設(shè)計(jì)無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間達(dá)6 000 h。河南礦山搶險(xiǎn)救災(zāi)中心應(yīng)用該泵,在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的最長(zhǎng)時(shí)間為900 h。
1.技術(shù)背景。對(duì)于淹沒的斜井開拓礦井,當(dāng)其涌水量小于250 m3/h,可以采用臥泵跨步追排水進(jìn)行復(fù)礦,也可以采用小潛水泵群泵追排水復(fù)礦。目前,國(guó)內(nèi)200 kW以下多級(jí)潛水泵設(shè)計(jì)工況均是立式安裝運(yùn)行。作為搶險(xiǎn)救災(zāi)可以將其臥式安裝運(yùn)行,但運(yùn)行的可靠性較低,易出故障。小涌水量被淹礦井采用多泵并聯(lián)的方法,來(lái)增加可靠性可以成功排水。對(duì)于涌水量大于250 m3/h的斜式礦井,采用以上方式排水復(fù)礦,不僅代價(jià)昂貴,成功概率也很降低。為此,河南礦山搶險(xiǎn)救災(zāi)中心開發(fā)出了臥式大功率潛水電泵并組成斜置排水系統(tǒng)。
2.斜置排水裝置的研制。針對(duì)目前我國(guó)僅有的550 m3/h、1450 m3/h兩種大功率高揚(yáng)程排水模型,并考慮礦井一般開拓深度在300 m左右,筆者設(shè)計(jì)開發(fā)了HKQB-1600-1450/300臥式潛水泵。
HKQB-1600-1450/300潛水泵加接力泵、吸水罩,主機(jī)自重16 t,長(zhǎng)達(dá)13 m。按斜角30°,管子斜長(zhǎng)將達(dá)600 m,系統(tǒng)自重達(dá)130 t,水錘力可達(dá)114 t,系統(tǒng)最大載荷319 t。因此,必須重新驗(yàn)算電機(jī)推力軸承、導(dǎo)軸承、定子、轉(zhuǎn)子在臥式運(yùn)行時(shí)的剛度和強(qiáng)度,對(duì)薄弱構(gòu)件重新選擇材質(zhì)和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),改善其結(jié)構(gòu)性能,以滿足臥式運(yùn)行工況要求。
3.現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行實(shí)例。系統(tǒng)設(shè)計(jì)和改造完成后,在湖南某礦進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)。該礦正常涌水量為2 700~4 500 m3/h,二水平暗斜井排水,在排水中也曾經(jīng)遇到過(guò)挫折,但是主井主泵HKQB-1600-1450/300安全運(yùn)行13 000 h,標(biāo)志著逆止閥臥式改造成功。
1.問(wèn)題的提出。筆者在排水復(fù)礦實(shí)踐中遇到了多起斜井軌道被拆除或被洪水沖毀的情況,同時(shí)礦井涌水量較大并伴隨煤泥淤積和掉渣現(xiàn)象。例如,河南某煤礦淹沒已達(dá)3年,淹沒時(shí)軌道被拆除,并有多處落渣現(xiàn)象,現(xiàn)在需要排水復(fù)礦,其涌水量達(dá)400 m3/h。礦井為斜井開拓,井筒斷面的限制決定了采用大功率臥泵追排水難以實(shí)現(xiàn),較大的涌水量和較高的揚(yáng)程(290 m)決定了小潛水泵群泵追排水的低可靠性和高復(fù)雜性,因而應(yīng)當(dāng)嘗試大功率潛水電泵的適應(yīng)性運(yùn)行模式。
2.系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。針對(duì)礦井實(shí)際,筆者設(shè)計(jì)了一種大功率潛水電泵的非潛水運(yùn)行模式,系統(tǒng)的運(yùn)行模式如圖3所示。
吸水罩與接力泵之間采用Ф200軟管連接,接力泵為充油式混流接力泵,隨著其揚(yáng)程增加而流量減少,變化較急,但功率變化較少,揚(yáng)程可調(diào)范圍較大。浮子浮力為1.5 t,足以支撐接力泵運(yùn)行時(shí)漂浮在水面上。
從圖3可以看出,大功率潛水電泵通過(guò)軟管與接力泵相連而分離布置,接力泵漂浮于水面上吸水運(yùn)行,避免了沉積物吸入水泵而損壞潛水泵。體積大、重量重的主潛水泵處于非潛水運(yùn)行狀態(tài),便于吊裝維護(hù)移動(dòng),可以實(shí)現(xiàn)邊排水、邊鋪設(shè)軌道、邊維護(hù)巷道。同時(shí),也避免了大功率潛水電泵下放或運(yùn)行時(shí),因發(fā)生掉道及遭遇障礙物等而造成的損失。