段海鵬，張林偉

(中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司國(guó)家安全生產(chǎn)唐山礦用泵檢測(cè)檢驗(yàn)中心，河北 唐山063012)

第二作者簡(jiǎn)介：張林偉(1989—)，男，河南漯河人，碩士(weiyu5945@163.com)，主要從事礦用泵性能檢測(cè)研究.

隨著我國(guó)煤礦礦井開采深度的延伸，煤礦井下配備大流量、高揚(yáng)程、大功率主排水泵已成為常態(tài)[1].主排水泵運(yùn)行中的實(shí)際工況點(diǎn)效率遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)的最高效率，不符合高效安全生產(chǎn)要求.目前主排水泵采用的負(fù)壓吸入式排水方式存在嚴(yán)重汽蝕及效率不高等問題，使用壽命下降明顯，而改善主排水泵的抗汽蝕能力多采用改變其吸入段結(jié)構(gòu)、抗汽蝕材質(zhì)、首級(jí)雙吸、加誘導(dǎo)輪等措施[2]，該類措施并不能從根本上避免產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象.離心泵的正壓補(bǔ)水可有效消除離心泵汽蝕，提高系統(tǒng)效率[3].前置泵廣泛應(yīng)用于電廠及石油開采領(lǐng)域，可提高主排水泵入口的壓力，防止發(fā)生汽蝕，提高機(jī)組效率等[4].

目前，國(guó)內(nèi)部分煤礦已采用加置前置泵方式以提高主排水泵的抗汽蝕能力.為達(dá)到節(jié)能降耗的目的，部分礦井采用變頻調(diào)速水泵構(gòu)建主排水系統(tǒng)[5].主排水泵功率較大，若均由變頻器控制調(diào)速，成本較高，采用前置泵變頻可在節(jié)能及動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)流量揚(yáng)程的基礎(chǔ)上消除主排水泵的汽蝕現(xiàn)象.文中通過結(jié)合變頻控制的優(yōu)點(diǎn)，研究一種將前置泵變頻控制與主排水泵定頻控制相結(jié)合的排水系統(tǒng)，開展相關(guān)理論研究及工程試驗(yàn)驗(yàn)證.

1 煤礦主排水泵的節(jié)能及存在問題

1.1 排水系統(tǒng)節(jié)能的要求

依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《煤礦主要工序能耗等級(jí)和限值 第2部分:主排水系統(tǒng)》(GB/T 29723.2—2013)，主排水系統(tǒng)工序能耗(統(tǒng)計(jì)期內(nèi)主排水系統(tǒng)將1 t礦井水提升100 m所消耗的電能Wt，100)應(yīng)不低于三級(jí)[(0.441～0.500)kW·h/(t·hm)]規(guī)定.

如何降低礦井排水設(shè)備能耗等級(jí)，從而提高設(shè)備的效率、降低能耗是中國(guó)煤礦節(jié)能減排的總要求.煤礦井下排水主要通過多級(jí)離心泵完成，排水設(shè)備由離心泵、管路系統(tǒng)、配用電動(dòng)機(jī)組成.設(shè)一臺(tái)排水設(shè)備的年耗電量為W，年排水量為M，水泵工況點(diǎn)揚(yáng)程為Hm，實(shí)際揚(yáng)程為Hsy，泵效率為ηm，配用電動(dòng)機(jī)效率為ηd，泵與電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)效率為ηc，電網(wǎng)效率ηw，管路效率ηg，則其噸水百米電耗為

(1)

上式中，ηd，ηc，ηw在運(yùn)行過程中變化較小，可近似為常數(shù)，因此排水系統(tǒng)噸百米電耗主要受泵效率ηm和管路效率ηg的影響.

為降低工序能耗，需提高主排水泵的效率以及配用管路系統(tǒng)效率.文中以提高煤礦主排水泵效率作為目標(biāo)，對(duì)采用變頻前置泵提高運(yùn)行效率進(jìn)行研究.

1.2 主排水泵存在的問題

1) 根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》相關(guān)規(guī)定，井下主排水泵的臺(tái)數(shù)及排水能力應(yīng)滿足礦井最大涌水量設(shè)計(jì)，選型的主排水泵富裕揚(yáng)程偏高，管路中沿程損失增大，實(shí)際工作點(diǎn)向右偏離主排水離心泵高效區(qū)，排水系統(tǒng)運(yùn)行效率偏低.

2) 煤礦井下生產(chǎn)運(yùn)行中，大量煤灰進(jìn)入主排水泵站的排水池中，主排水泵吸入口處負(fù)壓吸水，介質(zhì)中煤灰極易造成主排水泵汽蝕，加快吸入段、葉輪等泵件的磨損速度，泵效率降低，耗電量增大.

3) 煤礦井下用離心泵型號(hào)種類繁多，泵用材質(zhì)不同，包括耐磨、耐腐、清水離心泵等，部分材質(zhì)抗汽蝕性能較差，首級(jí)葉輪處易出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象，造成葉輪表面剝蝕，高效運(yùn)行時(shí)間縮短，能耗增大.

4) 煤礦仍有部分礦井采用效率偏低的老舊型號(hào)泵，需升級(jí)換代，已有不少企業(yè)生產(chǎn)的首級(jí)雙吸自平衡等多級(jí)離心泵應(yīng)用于新設(shè)計(jì)礦井，大流量、高揚(yáng)程多級(jí)泵其效率可達(dá)75%以上，受限于其井下排水管路系統(tǒng)效率，不能發(fā)揮出其高效率，需對(duì)其排水管路重新設(shè)計(jì).

基于以上情況，需要尋找一種在不改變煤礦使用現(xiàn)狀的條件下，提高煤礦主排水系統(tǒng)效率的方法，為達(dá)到此節(jié)能效果，文中提出了前置泵變頻調(diào)參概念和泵控技術(shù).

2 前置泵變頻調(diào)參及泵控技術(shù)原理

主排水泵運(yùn)行過程中常采用切割葉輪、拆掉葉輪級(jí)數(shù)、節(jié)流、變頻裝置變速調(diào)節(jié)等方式調(diào)節(jié)流量、揚(yáng)程，為保證煤礦最大排水量、降低因閥門節(jié)流造成的管路損失，可采用變速調(diào)節(jié)方法調(diào)節(jié)工況點(diǎn)、降低工序能耗[6].

2.1 前置泵變頻調(diào)參原理

通過變頻器實(shí)現(xiàn)前置泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，改變其性能曲線.根據(jù)離心泵相似定律，前置泵流量(Q)、壓力(揚(yáng)程H)、軸功率(Pa)、效率(η)在輸送同種密度液體時(shí)，不同轉(zhuǎn)速下其參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系式為

(2)

轉(zhuǎn)速n1和n2分別對(duì)應(yīng)流量Q1和Q2、揚(yáng)程H1和H2、軸功率Pa1和Pa2、效率η1和η2.可利用變頻器無(wú)級(jí)變速，線性調(diào)節(jié)前置泵流量，通過轉(zhuǎn)速控制前置泵所需輸出壓力，從而調(diào)節(jié)串聯(lián)主排水泵的進(jìn)口壓力，實(shí)現(xiàn)控制主排水泵出口壓力，減少或消除主排水泵出口因閥門節(jié)流造成的損失.

2.2 泵控泵系統(tǒng)調(diào)壓調(diào)流原理

泵控泵(PCP)系統(tǒng)主排水離心泵與前置泵串聯(lián)廣泛應(yīng)用于油田注水，通過變頻器控制前置泵流量及揚(yáng)程，根據(jù)串聯(lián)泵性能疊加原理控制主排水泵的流量及出口壓力，實(shí)現(xiàn)小泵控大泵[7].將PCP系統(tǒng)應(yīng)用于煤礦主排水系統(tǒng)，可解決主排水泵離心泵富裕揚(yáng)程偏大及使用一段時(shí)間后由于主排水泵葉輪磨損揚(yáng)程下降的問題.

泵控泵系統(tǒng)由前置泵、前置泵變頻裝置、主排水泵等組成，前置泵與主排水泵串聯(lián)，串聯(lián)后的出口壓力為兩泵揚(yáng)程之和，總流量與經(jīng)過兩泵流量相同，即

(3)

根據(jù)前置泵變頻調(diào)參原理式(2)可得

(4)

前置泵在轉(zhuǎn)速n1和n2下的流量Q1和Q2，揚(yáng)程H1和H2，由式(3)和(4)可得

(5)

由式(5)可知，調(diào)節(jié)主排水系統(tǒng)總揚(yáng)程只需調(diào)節(jié)主排水泵級(jí)數(shù)m與前置泵轉(zhuǎn)速n即可，調(diào)節(jié)前置泵轉(zhuǎn)速即可改變主排水系統(tǒng)總的流量.變頻前置泵加主排水泵方案中的主排水泵通過減級(jí)所節(jié)省下的電能用于加置前置泵變頻調(diào)節(jié)后仍有很大剩余，節(jié)能效果顯著.

所用前置泵在選用過程中需考慮流量調(diào)節(jié)范圍，因此其流量為主排水泵流量的1.25倍左右.變頻調(diào)節(jié)過程中具有較寬的調(diào)節(jié)范圍，從而擴(kuò)展了主排水泵的工作范圍.工程實(shí)際應(yīng)用中采用的前置泵可以是大流量低揚(yáng)程的BQS型潛水電泵、軸流泵、斜流泵，也可選取大流量、低揚(yáng)程的單級(jí)高效離心泵，但受限于煤礦井下使用現(xiàn)狀，BQS型潛水電泵用電動(dòng)機(jī)正常工況以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行不適用于長(zhǎng)期變頻運(yùn)行，軸流泵、斜流泵均未獲得煤礦井下使用許可(煤礦井下使用安全標(biāo)志證書)，因此文中主要將配置單級(jí)離心泵作為研究對(duì)象.

3 工程試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

以煤礦用耐磨多級(jí)離心泵為主排水泵的研究對(duì)象，前置泵(變頻調(diào)速)與其串聯(lián)安裝組成試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)加置前置泵的排水系統(tǒng)效率進(jìn)行分析.分別對(duì)主排水泵及帶前置泵的泵組進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)測(cè)試，對(duì)前置泵變頻調(diào)參及泵控效果進(jìn)行驗(yàn)證.已知主排水泵型號(hào)為MD280-65×8/9，前置泵型號(hào)為IS200-150-400，其具體參數(shù)如表1所示，表中Pe為配用功率，NPSHR為必需汽蝕余量.

表1 試驗(yàn)樣機(jī)技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical specifications of test prototype pump

由表1可知，8級(jí)主排水泵與前置泵串聯(lián)后組成的泵組在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，與9級(jí)主排水泵軸功率近似相等.

3.1 主排水泵負(fù)壓性能試驗(yàn)

主排水泵性能測(cè)試系統(tǒng)包括配電系統(tǒng)(開關(guān)柜與變頻裝置)、壓力測(cè)量(進(jìn)口壓力、出口壓力)、功率測(cè)量(主排水泵、前置泵輸入功率)、轉(zhuǎn)速測(cè)量、試驗(yàn)用電動(dòng)機(jī)(泵拖動(dòng)裝置)、管路系統(tǒng)(進(jìn)出口管路)、閥門、流量計(jì)等，系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示，可完成主排水泵的負(fù)壓性能測(cè)試與帶前置泵的正壓測(cè)試.

圖1 主排水泵性能測(cè)試系統(tǒng)Fig.1 Main drainage pump performance testing system

對(duì)MD280-65×9 型離心泵進(jìn)行測(cè)試.關(guān)閉進(jìn)口閥門8，打開閥門13和14，主排水泵進(jìn)口管路直接伸入水池，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集.主排水泵在全流量范圍內(nèi)的特性曲線如圖2所示.

圖2 主排水泵負(fù)壓吸水特性曲線Fig.2 Characteristic curves of main drainage pump under vacuum suction condition

根據(jù)GB/T 3216—2016水力性能試驗(yàn)2級(jí)要求，測(cè)得的主排水泵的流量Q為271.59 m3/h，揚(yáng)程H為579.27 m，主排水泵效率為70.59%，工序能耗為0.38 kW·h/(t·hm).

3.2 加置前置泵試驗(yàn)

主排水泵加置前置泵組成的泵組進(jìn)行相關(guān)性能試驗(yàn)時(shí)，需將主排水泵進(jìn)行拆級(jí).試驗(yàn)過程中，將測(cè)試系統(tǒng)中的閥門13關(guān)閉，打開閥門8和14，試驗(yàn)介質(zhì)首先通過前置泵1，前置泵以額定轉(zhuǎn)速1 450 r/min定頻運(yùn)行，升壓后將試驗(yàn)介質(zhì)送入主排水泵，通過出口閥門5完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)全流量范圍內(nèi)的水力性能測(cè)試.測(cè)試過程中應(yīng)注意先開啟前置泵，然后再開啟主排水泵完成整個(gè)系統(tǒng)相關(guān)測(cè)試，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示.表中,p1為進(jìn)口壓力，p2為出口壓力，泵組輸入功率P1、泵組軸功率Pa0、泵組有效功率Pu、泵組效率ηu均為換算額定轉(zhuǎn)速下的參量.

表2 泵組試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Experimental data of pump unit with booster pump

進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，測(cè)得泵組的流量為272.18 m3/h，揚(yáng)程為579.66 m，泵組效率為73.50%.泵組的性能曲線如圖3所示，其中1,2,3為泵組的試驗(yàn)測(cè)試曲線,4,5,6為9級(jí)主排水泵負(fù)壓吸水試驗(yàn)測(cè)的性能曲線.

圖3 性能曲線對(duì)比Fig.3 Performance curves comparison

由圖3可以看出，減級(jí)后的泵組效率提高了2.91%，擴(kuò)寬了其工業(yè)利用區(qū)(最高效率85% ～ 90%)的范圍.主排水泵在流量為200～360 m3/h時(shí)效率得到了提高，額定流量時(shí)電能消耗下降261.5 kW，工序能耗為0.37 kW·h/(t·hm).

3.3 前置泵變頻試驗(yàn)

前置泵配置變頻電動(dòng)機(jī)為V/F變頻調(diào)速模式，其轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍為80%～110%.根據(jù)單級(jí)泵給出的已知參數(shù)，采用變頻器對(duì)前置泵調(diào)速運(yùn)行，轉(zhuǎn)速按額定轉(zhuǎn)速的80%，90%，100%，104%運(yùn)行，其揚(yáng)程可調(diào)范圍為32.0～60.5 m.前置泵泵組測(cè)試結(jié)果如圖4所示.

圖4 前置泵變頻排水系統(tǒng)性能曲線Fig.4 Performance curves of booster pump at variable frequencies

由圖4可以看出，前置泵采用變頻器改變轉(zhuǎn)速后，其排水系統(tǒng)的性能曲線變化趨勢(shì)未發(fā)生明顯變化，揚(yáng)程變化滿足式(3)和(4)的要求.隨著多級(jí)泵使用時(shí)間延長(zhǎng)，葉輪發(fā)生磨損，揚(yáng)程降低，變頻裝置可利用泵控技術(shù)對(duì)系統(tǒng)壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)，延長(zhǎng)主排水泵的使用壽命.在實(shí)際應(yīng)用過程中，主排水泵對(duì)前置泵有吸負(fù)作用，因此主排水泵可降低前置泵的負(fù)荷，延長(zhǎng)前置泵使用壽命.由于系統(tǒng)在使用過程中前置泵處于負(fù)壓吸水工作狀態(tài)，易發(fā)生損壞，但也更容易更換.

4 排水系統(tǒng)其他節(jié)能措施

煤礦主排水系統(tǒng)除提高主排水離心泵的效率外，也應(yīng)在提高配用管路系統(tǒng)效率、高效電動(dòng)機(jī)、采用耐磨或耐腐蝕材質(zhì)配件等方面實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)的節(jié)能.

1) 配用管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，其經(jīng)濟(jì)流速一般為1.5～2.2 m/s.為提高管路系統(tǒng)效率，選用PE類管件，從而降低管網(wǎng)阻力，并采用管路并聯(lián)的方式.在設(shè)計(jì)時(shí)充分利用現(xiàn)場(chǎng)條件，并考慮使用一段時(shí)間后管路由于淤積結(jié)垢導(dǎo)致的可用內(nèi)徑減小且管阻增大因素.

2) 及時(shí)淘汰落后水泵，采用效率更高、材料更加耐磨、耐腐蝕的新型多級(jí)離心泵，采用高效電動(dòng)機(jī)，降低工序能耗.

3) 定期對(duì)主排水泵進(jìn)行檢查，及時(shí)更換易損泵件，定期清理水倉(cāng)、管路，防止由于淤積造成的效率下降.

5 結(jié) 論

對(duì)煤礦主排水泵加置前置泵以提高運(yùn)行效率進(jìn)行了研究，為提高主排水系統(tǒng)的效率及主排水泵的抗汽蝕能力提供了新的思路.提出了串聯(lián)前置泵對(duì)主排水泵進(jìn)行壓入式補(bǔ)水，通過理論分析，驗(yàn)證了前置泵串聯(lián)的可行性.通過試驗(yàn)對(duì)比，前置泵與減級(jí)后主排水泵組成的泵組效率得到了提高，同時(shí)也避免了主排水泵發(fā)生汽蝕.通過泵控泵技術(shù)對(duì)前置泵變頻調(diào)速改變主排水泵輸出壓力，保證了排水系統(tǒng)工作在高效區(qū)內(nèi)，為煤礦主排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及改造提供了一種新的方案，同時(shí)也為煤礦井下節(jié)能提供了一種新的思路.