韓彩紅，薛勝雄，操松林，陳正文

(合肥通用機(jī)械研究院，安徽合肥 230031)

煤礦主排水泵站系統(tǒng)節(jié)能的試驗(yàn)研究

韓彩紅，薛勝雄，操松林，陳正文

(合肥通用機(jī)械研究院，安徽合肥 230031)

煤礦主排水泵站為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)配置，即多臺(tái)套大型多級(jí)離心泵機(jī)組與之相適應(yīng)的管系、電器裝置等。這種“標(biāo)配”是礦山耗能大戶，占總耗能約40%左右，系統(tǒng)節(jié)能勢(shì)在必行。然而，“系統(tǒng)”是“標(biāo)配”的，無法改變，筆者在與研發(fā)高效泵機(jī)組同步，對(duì)“系統(tǒng)”附加動(dòng)態(tài)能效監(jiān)測(cè)和節(jié)能調(diào)控裝置，經(jīng)安徽省質(zhì)監(jiān)局的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)表明，單泵機(jī)組系統(tǒng)節(jié)能提高15%，噸水百米電耗下降至0.39kW·h。試驗(yàn)結(jié)果表明：高效泵機(jī)組增效空間有限，但將其用于現(xiàn)有系統(tǒng)，并對(duì)其實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)能效監(jiān)測(cè)和流量調(diào)控，就能得到大幅度的節(jié)能效果。在此基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)比和優(yōu)化運(yùn)行(即考慮多泵運(yùn)行、多工況運(yùn)行等)軟件模擬運(yùn)行預(yù)測(cè)，指導(dǎo)泵站運(yùn)行，泵站系統(tǒng)節(jié)能就有更大空間。

泵站；系統(tǒng)節(jié)能；產(chǎn)品化；試驗(yàn)研究

1 前言

煤礦井下主排水系統(tǒng)是煤礦生產(chǎn)的關(guān)鍵安全保障，其耗電量占煤礦機(jī)電用電量的40%左右。其設(shè)計(jì)是按照GB/T 50265-2010《泵站設(shè)計(jì)規(guī)程》和《煤礦安全規(guī)程》進(jìn)行，為保證煤礦日程基本排水和突發(fā)排水要求，設(shè)計(jì)時(shí)的安全余量較大；同時(shí)，主排水系統(tǒng)采用繼電器控制，水泵的開停及選擇切換均由人工完成，不能根據(jù)實(shí)際需求自動(dòng)開停水泵，造成很大的浪費(fèi)。為此，在對(duì)淮南潘集區(qū)潘一礦-530 m主排水泵房排水系統(tǒng)能耗檢測(cè)和分析的基礎(chǔ)上，提出有效的系統(tǒng)節(jié)能措施，將泵站系統(tǒng)節(jié)能產(chǎn)品化[1]。

2 礦山主排水泵站的“標(biāo)配”系統(tǒng)

-530m主排水泵房是20世紀(jì)70年代設(shè)計(jì)的煤礦，主排水泵房的控制室在地下，實(shí)行一級(jí)防暴要求。其現(xiàn)有主排水泵機(jī)組5套，參數(shù)為MD450-60×10，主電動(dòng)機(jī)為YB630M2-4型電動(dòng)機(jī)，功率1120kW，5臺(tái)BGP-6K型高壓開關(guān)柜，電壓6kV，電流200A。排水泵抽真空采用真空泵方式，每臺(tái)泵配置2臺(tái)液壓閘閥，采用液壓站集中供液。泵房設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)煤礦涌水量2×105～6×105kg/h，最大涌水量是7.2×105kg/h，根據(jù)涌水量設(shè)定泵的開啟臺(tái)數(shù)，模式一般是使用兩套，單套運(yùn)行，備用兩套，一套檢修。

圖1 -530m主排水泵站系統(tǒng)示意

3 系統(tǒng)能效檢測(cè)和節(jié)能控制裝置的基本技術(shù)理論依據(jù)

基于網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)的電泵系統(tǒng)動(dòng)態(tài)能效監(jiān)測(cè)和節(jié)能調(diào)控裝置(見圖1)已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際工程中，該系統(tǒng)采用軟硬件結(jié)合的方法，通過對(duì)供水系統(tǒng)的工藝要求和設(shè)備參數(shù)的自尋優(yōu)，給出排水系統(tǒng)的噸水百米電耗最小值，通過電動(dòng)液壓閘閥的控制，減小富裕揚(yáng)程，以及相應(yīng)的水泵運(yùn)行搭配策略和調(diào)速方法，以致泵站系統(tǒng)整體運(yùn)行效率最高，在既滿足運(yùn)行工況的同時(shí)，排水系統(tǒng)的噸水百米電耗處于最小狀態(tài)從而達(dá)到系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行[2]。

3.1 泵站的噸水電耗計(jì)算

泵站噸水電耗：

(1)

其中

ΔH(Q,t)=H(Q,t)-H0(Q,t)

Δη(Q,H)=ηmax(Q,H)-η(Q,H)

η(Q,H)=ηD(Q,H)ηS(Q,H)ηC(Q,H) ×ηT(Q,H)ηG(Q,H)

式中W——噸水電耗值，kW·h/m3H(Q，t)——泵站提供的總揚(yáng)程，mη(Q，H)——流量Q與揚(yáng)程H的函數(shù)H0(Q，t)——工藝要求泵站的總揚(yáng)程，mηmax(Q，H)——泵站設(shè)備整體運(yùn)行的最大效率，%，ηmax(Q,H)不是所有設(shè)備最高效率的乘積，它是指在對(duì)應(yīng)工況(Q,H)，在所有可能的調(diào)節(jié)手段中能達(dá)到的最高效率

Δη(Q,H)——泵站實(shí)際整體運(yùn)行效率η(Q,H)與最大效率ηmax(Q,H)之間的差值，即效率偏差

ΔH(Q,t)——泵站浪費(fèi)的寬裕揚(yáng)程，m

ηD(Q，H)——電機(jī)運(yùn)行效率

ηS(Q，H)——水泵運(yùn)行效率

ηC(Q，H)——傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行效率

ηT(Q，H)——調(diào)速裝置運(yùn)行效率

ηG(Q，H)——管網(wǎng)運(yùn)行效率

式(1)中右邊第一部分代表泵所能實(shí)現(xiàn)的最小噸水電耗，第二部分代表當(dāng)前工況下，泵站存在的節(jié)電能力[3]。

3.2 調(diào)速裝置效率計(jì)算

電源輸入調(diào)速裝置視在功率S：

(2)

式中S——調(diào)速裝置視在功率，WUr——電源輸入線電壓,VIr——電源輸入線電流,A

調(diào)速裝置的輸入功率PT1：

PT1=Scosφ

(3)

式中cosφ——供電電源的功率因數(shù)

調(diào)速裝置的輸出功率PT2：

PT2=PT1ηT

(4)

式中ηT——輸入功率對(duì)應(yīng)的調(diào)速裝置效率

PT2也可根據(jù)調(diào)速設(shè)備上自動(dòng)顯示的電流、電壓進(jìn)行計(jì)算：

(5)

3.3 電機(jī)效率計(jì)算

電機(jī)輸入功率PD1等于調(diào)速裝置輸出功率PT2：

PD1=PT2

(6)

將不同頻率負(fù)載下輸入功率與效率曲線導(dǎo)入引用后,根據(jù)輸入功率和效率計(jì)算電機(jī)輸出功率PD2：

PD2=PD1ηD

(7)

其中ηD=[(PD1-∑PD)/PD1]×100 %

式中PD1——電機(jī)輸入功率，WηD——輸入功率對(duì)應(yīng)的電機(jī)效率 ∑PD——電機(jī)總損耗,W

電機(jī)總損耗：

∑PD=PFe+PCu1+PCu2+PFw+Ps

(8)

電機(jī)總損耗可分為兩部分：一部分為與電流I二次方有關(guān)的定轉(zhuǎn)子銅耗(PCu1+PCu2)，另一部分(PFe+PFw+Ps)是一個(gè)常量，由此總損耗可表示為：∑PD=AI2+B。電機(jī)供貨時(shí)一般都提供一份電機(jī)試驗(yàn)報(bào)告，其中包含電機(jī)空載電流、空載損耗、額定功率時(shí)電機(jī)電流及總損耗，故此方程式∑PD=AI2+B可變?yōu)橐粋€(gè)二元一次方程[4]：

(9)

解方程求得：

(10)

根據(jù)A，B即可計(jì)算出不同負(fù)載率時(shí)的電機(jī)損耗進(jìn)而同時(shí)得出電機(jī)效率及輸出功率。電機(jī)實(shí)時(shí)工況點(diǎn)電流和輸入功率由功率表測(cè)得。

當(dāng)設(shè)備中沒有安裝調(diào)速裝置時(shí)，電機(jī)輸入功率PD1為：

PD1=Scosφ

(11)

3.4 水泵效率計(jì)算

水泵效率：

ηS=PS2/PS1

(12)

式中ηS——水泵效率PS2——水泵的輸出功率，WPS1——水泵的輸入功率，W

水泵輸入功率(軸功率)PS1等于電機(jī)輸出功率PD2:

PS1=PD2

(13)

水泵的有效功率即輸出功率PS2為:

PS2=ρgQH×10-3

(14)

式中H——水泵的總揚(yáng)程，mp2,p1——水泵出口、進(jìn)口壓力，Paρ——液體密度，kg/m3g——重力加速度，kg/s2Q——泵的實(shí)際流量，m3/sZ2，Z1——水泵出口、進(jìn)口壓力表高度差，m

V1,V2——水泵進(jìn)口、出口處液體流速，m/s

水泵與電機(jī)通常采用聯(lián)軸器傳動(dòng)或同軸直連，本課題傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用聯(lián)軸器連接，聯(lián)軸器傳動(dòng)效率ηC取99.7%。

3.5 管網(wǎng)效率計(jì)算

管網(wǎng)效率：

(15)

式中ηG——管網(wǎng)效率Hx——吸水高度，mHp——水泵的排水高度，mHa——水泵的實(shí)際排水高度，m

ηG也可用如下公式計(jì)算：

ηG=[1-(H1/H)]×100%

(16)

式中H1——調(diào)節(jié)閥引起的揚(yáng)程損失，mP3——調(diào)節(jié)閥后出口壓力，PaZ3——調(diào)節(jié)閥后出口壓力表高度，mV3——調(diào)節(jié)閥后處液體流速，m/s

3.6 系統(tǒng)效率計(jì)算

系統(tǒng)效率：

ηX=ηDηSηCηG×100%

(17)

式中去除管網(wǎng)效率即為機(jī)組效率。

4 主排水泵站電泵系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)能效監(jiān)測(cè)與節(jié)能調(diào)控裝置

系統(tǒng)節(jié)能調(diào)控裝置為主排水管路上安裝的電動(dòng)液壓閘閥，系統(tǒng)性能監(jiān)測(cè)在電泵啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)采集數(shù)據(jù)參與能效計(jì)算，根據(jù)結(jié)果數(shù)據(jù)再經(jīng)節(jié)能評(píng)價(jià)判別系統(tǒng)是否到達(dá)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，若不滿足要求，通過調(diào)節(jié)閘閥開度調(diào)節(jié)水泵流量，在保證電機(jī)不過載的情況下，調(diào)節(jié)流量，使電泵全速運(yùn)轉(zhuǎn)無富裕揚(yáng)程，此時(shí)電泵機(jī)組運(yùn)行效率最高，系統(tǒng)最節(jié)能[5]。

具體實(shí)施方法是通過在主排水泵機(jī)組和管路上，安裝電量、排水量的檢測(cè)控制裝置，用以時(shí)時(shí)檢測(cè)主排水泵機(jī)組中電機(jī)效率、泵效率和管路效率，通過實(shí)際數(shù)據(jù)來分析當(dāng)前系統(tǒng)的能耗分布。

筆者研制出主排水泵電機(jī)系統(tǒng)的能效檢測(cè)裝置，原理如圖2所示。能效監(jiān)測(cè)裝置需要直接檢測(cè)到的數(shù)據(jù)：系統(tǒng)輸入三相電壓、輸入三相電流、系統(tǒng)管網(wǎng)入口壓力、泵出口壓力、泵出口流量、管網(wǎng)出口壓力；根據(jù)軟件系統(tǒng)運(yùn)行得到的數(shù)據(jù)：電動(dòng)機(jī)效率、機(jī)械傳動(dòng)效率、泵效率、機(jī)組效率、管網(wǎng)效率和系統(tǒng)效率。

圖2 泵站系統(tǒng)能效計(jì)算模型

由于煤礦是重點(diǎn)防爆區(qū)域，尤其是電控單元，實(shí)行嚴(yán)格的防爆要求，筆者在進(jìn)行監(jiān)測(cè)裝置和系統(tǒng)控制設(shè)備的布置和安裝時(shí)，將上位機(jī)放置到地面，在地下設(shè)置一個(gè)防爆的PLC控制柜，將地下采集到數(shù)據(jù)通過控制柜的儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)化，通過光纖傳輸?shù)降孛娴纳衔粰C(jī)；上位機(jī)對(duì)地下排水泵的閘閥的控制信號(hào)，通過光纖再傳輸?shù)絇LC控制柜，以達(dá)到對(duì)泵機(jī)組的控制。

在第1號(hào)臺(tái)位泵機(jī)組的進(jìn)水口安裝進(jìn)水負(fù)壓傳感器測(cè)量進(jìn)口壓力；在泵出水口安裝壓力傳感器測(cè)量出口壓力；在主排水管路安裝流量傳感器測(cè)流量；從1號(hào)泵機(jī)組控制柜引出電壓和電流的測(cè)量線；把原液壓閘閥更換成無極調(diào)速的電動(dòng)液壓閘閥，并設(shè)置調(diào)控開關(guān)；以上幾個(gè)測(cè)量線和控制信號(hào)線都接入PLC防爆控制柜中，通過PCI光隔高速多串口卡和鋪設(shè)的200m輕型軟電纜將信號(hào)經(jīng)井下光纖信號(hào)站傳輸?shù)骄系纳衔粰C(jī)內(nèi)；在井上排水管路出口處安裝出水管正壓力傳感器測(cè)量管網(wǎng)末端出水壓力，此壓力傳感器采用無線傳輸方式，解決現(xiàn)場(chǎng)管網(wǎng)出口末端遠(yuǎn)離電源，無電源可用的問題；上位機(jī)將以上測(cè)量信號(hào)通過軟件計(jì)算，并調(diào)節(jié)主排水管路電動(dòng)液壓閘閥的開度來調(diào)節(jié)泵的流量，使泵機(jī)組的運(yùn)行形成流量-效率曲線圖。

實(shí)際檢測(cè)裝置如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)能效監(jiān)測(cè)組成示意

經(jīng)過系統(tǒng)能效檢測(cè)和節(jié)能控制裝置的調(diào)節(jié)，此套泵機(jī)組的最優(yōu)工作狀況如表1所示。

從檢測(cè)數(shù)據(jù)上可以看到，該套主排水泵電機(jī)系統(tǒng)效率為53.03%，噸水百米電耗0.54kW·h，AQ1012-2005《煤礦在用主排水系統(tǒng)安全檢測(cè)檢驗(yàn)規(guī)范》要求噸水百米電耗在0.5 kW·h以下，此套泵機(jī)組不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 高效泵機(jī)組的更換及對(duì)比試驗(yàn)

筆者根據(jù)泵站多年平均凈揚(yáng)程復(fù)核原有泵選型，并用泵站最高與最低凈揚(yáng)程進(jìn)行校核后認(rèn)為現(xiàn)有泵的選型是合適的。對(duì)于電機(jī)的節(jié)能改造，應(yīng)盡量使與主泵配套的電動(dòng)機(jī)經(jīng)常處于滿負(fù)荷運(yùn)行，一般負(fù)荷率B>0.7，也就是電機(jī)的負(fù)荷P應(yīng)等于或大于主泵在多年平均凈揚(yáng)程情況下運(yùn)行的軸功率P2乘以備用系數(shù)K(1.05-1.25)，經(jīng)過復(fù)核，現(xiàn)有電機(jī)的選型也是合適的[7]。

通過對(duì)現(xiàn)有電機(jī)和泵進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和精密制造，使新設(shè)計(jì)和制造的電機(jī)效率達(dá)到96%,泵效率達(dá)到81%。將第1號(hào)臺(tái)位的泵機(jī)組更換為優(yōu)化設(shè)計(jì)后的電機(jī)和泵，用之前安裝好的系統(tǒng)節(jié)能檢測(cè)和控制裝置對(duì)新泵機(jī)組進(jìn)行檢測(cè)和流量調(diào)節(jié)，測(cè)的新泵機(jī)組在原有排水管路系統(tǒng)下的系統(tǒng)效率最高時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù)，結(jié)果見表2。

表2 更改系統(tǒng)后現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)

從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看到，在只更換了泵機(jī)組的情況下，系統(tǒng)效率就提高了15%，噸水百米電耗下降到0.39kW·h，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖4所示為根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)繪制的前后系統(tǒng)的流量-效率曲線。

圖4 系統(tǒng)效率與流量曲線

6 結(jié)語

筆者在現(xiàn)有排水系統(tǒng)基礎(chǔ)上更換高效電機(jī)、泵機(jī)組，使排水系統(tǒng)的核心部件效率明顯高于現(xiàn)役產(chǎn)品；增加系統(tǒng)動(dòng)態(tài)能效監(jiān)測(cè)與節(jié)能調(diào)控裝置，證實(shí)單泵機(jī)組運(yùn)行系統(tǒng)電耗降低15%。礦山用主排水泵站系統(tǒng)動(dòng)態(tài)能效監(jiān)測(cè)和節(jié)能調(diào)控系統(tǒng)在煤礦應(yīng)用業(yè)已產(chǎn)品化，它同樣適合其他礦山應(yīng)用，并且可以將這一系統(tǒng)節(jié)能產(chǎn)品化的方法應(yīng)對(duì)其他大型流體機(jī)械的系統(tǒng)節(jié)能問題，如水利排灌泵站、油田注水泵站、電廠除灰泵站、壓縮空氣站等等。

[1] 薛勝雄，韓彩紅，操松林，等.礦山用大型主排水泵站節(jié)能目標(biāo)與對(duì)策[J].流體機(jī)械，2015,43(11):43-46.

[2] 鄭龍平，李光耀.淺析礦山用電泵節(jié)能控制[J].防爆電機(jī),2015(3):12-15.

[3] 王鴻浩，余曉松，鄭龍平.高壓電動(dòng)機(jī)離心風(fēng)扇改進(jìn)研究[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2015(7):17-20.

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Experimental Research for System Energy Conservation of the Drainage Pumping Station

HAN Cai-hong,XUE Sheng-xiong,CAO Song-lin,CHEN Zheng-wen

(Hefei General Machinery Research Institute,Hefei 230031,China)

Drainage pumping station is standard design for the coal-master,as more large multiple-stage centrifugal pumps and electric machines,and go with the piping system.These pumping stations are the energy-consuming equipments,account for 40% of all energy.So,the systemic energy conservation is imperative.In order to make sure the system is energy-saving,we developed the high efficient pump unit,at the same time,increase dynamic monitoring of energy consumption and the energy saving control device to the system.The test results explain: high efficient pump unit for the energy-saving is limited,single pump unit system energy saving increase 15%.So,for more pumping units,the electricity consumption per ton water & 100 meters reaches 0.39kWh.

pump station;systemic energy conservation;product nation;experimental research

1005-0329(2017)02-0001-05

2016-06-21

2017-01-24

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAF01B01)

TH3

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.02.001

韓彩紅(1981-)，女，工程師，主要從事流體機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)與研究，通訊地址：230088 安徽合肥市天湖路29號(hào)合肥通用機(jī)械研究院，E-mail:hanchong2006@163.com。

試驗(yàn)研究