溫濟(jì)霞

(潞安化工集團(tuán)公司 健康安全環(huán)保部，山西 長(zhǎng)治 046204)

1 研究背景及意義

與煤礦瓦斯抽取項(xiàng)目有關(guān)的文件明確表示，高瓦斯礦井以及煤炭開(kāi)采的礦井務(wù)必搭建起成熟的瓦斯抽采系統(tǒng)。瓦斯抽采系統(tǒng)包括：瓦斯抽采水環(huán)真空泵、瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)、閥門與相關(guān)安全設(shè)備等。

作為瓦斯抽采系統(tǒng)正常工作的驅(qū)動(dòng)器，水環(huán)真空泵的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格，然而實(shí)踐當(dāng)中，由于瓦斯抽采的環(huán)境十分惡劣，外部條件難以把控，抽采系統(tǒng)的工作效率低下，需要耗費(fèi)大量能源；瓦斯抽采泵實(shí)際運(yùn)行效率在15%～40%之間，泵站年耗電費(fèi)用高達(dá)上千萬(wàn)元，甚至上億元，約占煤礦總耗電量的1/4。該問(wèn)題與國(guó)家對(duì)煤礦節(jié)能減排要求及我國(guó)目前能源緊張的現(xiàn)狀極不適應(yīng)，進(jìn)一步增強(qiáng)瓦斯抽采水環(huán)真空泵的節(jié)能減排水平有著巨大的意義。水環(huán)式真空泵軸功率由有用功率、摩擦損耗、湍流損耗三部分組成，在吸入壓力為50～100 kPa時(shí)，供水流量降低，無(wú)用功率提升，湍流消耗量巨大，效率驟減。針對(duì)于此，對(duì)湍流減阻增強(qiáng)瓦斯抽采泵效率的節(jié)能技術(shù)展開(kāi)探討，具備一定的現(xiàn)實(shí)性意義。

2 湍流減阻機(jī)理

湍流減阻效應(yīng)的含義為將一定數(shù)量的鏈狀高分子聚合物放入至液體介質(zhì)當(dāng)中，后者所具有的摩擦阻力將會(huì)大幅度下降。

通過(guò)西南石油大學(xué)張兵強(qiáng)教授對(duì)平板壁面渦流形成的數(shù)值模擬可以看出：面對(duì)平板壁面周邊流向渦的巨大推動(dòng)力，處于反方向的旋轉(zhuǎn)流向渦間的低速條紋帶將會(huì)慢慢提升，產(chǎn)生馬蹄渦，過(guò)一段時(shí)間之后演變成發(fā)卡渦，此時(shí)發(fā)卡渦一旦破裂將會(huì)出現(xiàn)小范圍的湍流隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。之后距離平板壁面較遠(yuǎn)的外部流體將會(huì)靠近壁面，產(chǎn)生全新的條紋帶與反向旋轉(zhuǎn)渦。導(dǎo)致湍流形成，耗費(fèi)流體所擁有的能量，提升外部阻力。聚合物湍流降低阻力的原理為盡可能避免湍流迸發(fā)，也就是降低迸發(fā)的速度與力度。流動(dòng)漩渦唯有處于不對(duì)稱流動(dòng)的條件下才可令聚合物出現(xiàn)反方向的扭矩，如果存在壁面妨礙湍流漩渦有序運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，那么發(fā)卡型漩渦將會(huì)失去對(duì)稱性，使得聚合物出現(xiàn)反方向的扭矩，此時(shí)發(fā)卡型漩渦將會(huì)遠(yuǎn)離自己的中心對(duì)稱軸。在該環(huán)節(jié)中，高分子聚合物能夠通過(guò)自己所具備的反向扭矩阻礙湍流漩渦實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)翻騰，以此縮減湍流效率，導(dǎo)致流動(dòng)阻力大幅度下降。

由此可見(jiàn)，湍流減阻的工作原理為通過(guò)鏈狀聚合物反向扭矩來(lái)阻礙并抑制湍流發(fā)卡型漩渦的迸發(fā)與生成，以此達(dá)到降低阻力的目標(biāo)。

3 水環(huán)式真空泵工作原理

圖1為水環(huán)式真空泵截面圖。圖1(a)為水泵停止運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)，殼體內(nèi)葉輪下部填充有五分之一體積的水封。圖1(b)是徑向式葉輪在未被完全充滿水的殼體當(dāng)中旋轉(zhuǎn)，離心力導(dǎo)致葉輪當(dāng)中的水被甩到外部，產(chǎn)生同心水環(huán)，6片葉片則把水環(huán)均勻的劃分為6個(gè)水室，故此，水室里面的氣體無(wú)法出現(xiàn)擴(kuò)張與收縮的情況。但是如果葉輪被改裝為與圖1(c)相同的偏心位置之后，小室當(dāng)中的1～3室容積持續(xù)增大，形成抽氣效應(yīng)，因此從連接點(diǎn)C開(kāi)始，1～3室為抽氣環(huán)節(jié)；與之相反，4～6室在葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)作用下容積持續(xù)降低，產(chǎn)生排氣效應(yīng)，因此4～6室為排氣環(huán)節(jié)。葉輪在軸的帶動(dòng)下不停偏心旋轉(zhuǎn)，就循環(huán)造成水泵抽氣和排氣的動(dòng)作。

圖1 水環(huán)式真空泵工作原理

4 降阻劑聚氧化乙烯

聚氧化乙烯的英文名為PEO，是比較常見(jiàn)的有機(jī)化合物，沒(méi)有特殊的氣味，極易溶于水，為典型可結(jié)晶、可熱塑的聚合物，它具備線型齊整的螺旋結(jié)構(gòu)。在水溶性膠黏劑當(dāng)中，該物質(zhì)發(fā)揮增稠的作用，利用沸騰的水進(jìn)行溶解，部分條件下也可以將其溶解于非水溶劑當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)分散。在現(xiàn)實(shí)當(dāng)中，該物質(zhì)能夠被直接調(diào)配成水溶性膠黏劑，大約5%質(zhì)量的水溶液就具備十分強(qiáng)大的黏性。在國(guó)防當(dāng)中與硝酸酯類增塑劑搭配制成推進(jìn)劑。涂料工業(yè)當(dāng)中扮演著乳膠分散劑的角色。造紙產(chǎn)業(yè)當(dāng)中則被當(dāng)作為長(zhǎng)纖維分散劑。PEO的分子相對(duì)質(zhì)量處于1×105至1×106之間，在常溫下是白色可流動(dòng)粉末的狀態(tài)，其分子結(jié)構(gòu)是(CH2CH2O)。

表1 降阻提效劑性狀描述

圖2 聚氧化乙烯分子式和實(shí)物

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

由于地面永久瓦斯抽采泵站瓦斯泵型號(hào)大、能耗高、耗水量大及基礎(chǔ)建設(shè)復(fù)雜(包括高位水池、低位水池、循環(huán)水管路等)，造成減阻工作液消耗快、成本高、凈節(jié)能效益降低，因此采用“地面全封閉式瓦斯抽采泵節(jié)能系統(tǒng)”，主要包括：瓦斯抽采泵、熱交換系統(tǒng)、自動(dòng)補(bǔ)排液系統(tǒng)等，由原有的半開(kāi)式循環(huán)系統(tǒng)改進(jìn)為全封閉式循環(huán)系統(tǒng)，既實(shí)現(xiàn)了瓦斯抽采泵的節(jié)能降耗，又顯著降低了泵的耗水量，與此同時(shí)更是節(jié)省了大量的人力與物力，推動(dòng)瓦斯抽采系統(tǒng)的智能化水平大規(guī)模提升。

各系統(tǒng)具體功能如下：

1) 熱交換系統(tǒng)：作為該節(jié)能系統(tǒng)的核心裝置，實(shí)現(xiàn)了工作介質(zhì)的“循環(huán)水池自然冷卻—強(qiáng)制對(duì)流冷卻”的過(guò)程。結(jié)合煤礦現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)差、硬度高、煤粉含量高等惡劣工況，選用防堵能力強(qiáng)、易拆裝清洗、適用于高粘性介質(zhì)的換熱裝置，大幅度提升節(jié)能設(shè)備的安全性與穩(wěn)定性。

2) PLC監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)：通過(guò)自主開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)監(jiān)控程序，用于監(jiān)測(cè)減阻工作介質(zhì)和循環(huán)冷卻水的進(jìn)出口溫度和流量、熱交換系統(tǒng)的換熱效果及氣液分離裝置的液位水平等參數(shù)，切實(shí)保障瓦斯抽采泵處于持續(xù)、高效率的運(yùn)行狀態(tài)之下。

3) 自動(dòng)補(bǔ)排液系統(tǒng)：氣液分離器內(nèi)的液位高度合理且穩(wěn)定是瓦斯抽采泵可靠運(yùn)行的必要條件之一。根據(jù)PLC監(jiān)控系統(tǒng)所發(fā)指令，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工況的液位合理范圍，利用自動(dòng)補(bǔ)水和排水電動(dòng)球閥，達(dá)成分離器自動(dòng)補(bǔ)排液體介質(zhì)的目標(biāo)，節(jié)約人力成本。

4) 高效氣液分離裝置：在原有氣液分離器基礎(chǔ)上，通過(guò)加裝二次分離裝置，大大降低了水資源消耗，提高了本技術(shù)的凈節(jié)能效益。

5) 粉體分散溶解裝置：減阻劑的充分溶解能夠進(jìn)一步提升節(jié)能效率，達(dá)成節(jié)能減排的目標(biāo)，為此，自主開(kāi)發(fā)了循環(huán)式粉體分散溶解裝置，實(shí)現(xiàn)了粉體的充分且快速溶解。

余吾煤業(yè)南風(fēng)井瓦斯抽采泵站當(dāng)前擁有6臺(tái)水環(huán)真空泵，其型號(hào)為2BEC80，其中4臺(tái)正式使用，另外2臺(tái)備用，額定功率是800 kW，當(dāng)前3號(hào)瓦斯抽采泵是實(shí)驗(yàn)對(duì)象，被改造成運(yùn)用減阻工作液的全封閉式瓦斯抽采泵節(jié)能系統(tǒng)，具體如圖3所示。

圖3 全封閉式瓦斯抽采泵節(jié)能系統(tǒng)實(shí)物

圖4是地面全封閉式瓦斯抽采泵節(jié)能系統(tǒng)運(yùn)行，其運(yùn)行流程為由水環(huán)真空泵經(jīng)過(guò)氣液分離設(shè)備之后，到達(dá)煤粉過(guò)濾設(shè)備，在進(jìn)入流道式換熱設(shè)備，最后再次到達(dá)水環(huán)真空泵。

圖4 地面全封閉式瓦斯抽采泵節(jié)能系統(tǒng)運(yùn)行

試驗(yàn)在2號(hào)泵添加降阻劑并運(yùn)行穩(wěn)定后開(kāi)始測(cè)量相關(guān)參數(shù)并記錄為表2，由表2可以看出：試驗(yàn)后瓦斯抽采泵運(yùn)行功耗和耗水量均大幅下降，實(shí)現(xiàn)了顯著的節(jié)能、節(jié)水效果。在工況不變的情況下，運(yùn)行結(jié)果顯示：第1天，電流由42 A降至31 A，軸功率由588 kW降至455 kW，節(jié)能效果為25.0%；第2天，電流與功率維持不變，節(jié)能效果為25.0%；第3天、第4天，電流變?yōu)?3 A，軸功率為464 kW，節(jié)能效果為21%；第5～7天，電流變?yōu)?7 A，軸功率為498 W，節(jié)能效果為15.3%。因此可計(jì)算出，采用該技術(shù)后的7 d內(nèi)，平均節(jié)能效果可達(dá)到19.7%，期間平均節(jié)約電量為2 688 kW·h/d。

表2 采用本技術(shù)后現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行參數(shù)及節(jié)電量

由表3能夠發(fā)現(xiàn)，在確保井下抽采工況維持現(xiàn)狀的條件之下，利用經(jīng)過(guò)改造的封閉式節(jié)能系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)所用到的抽采泵的工作電流與地軸功率大幅度降低，前者由42 A下降到34 A，后者由588 kV降低到476 kV，節(jié)能效率為19.7%；以此為標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算得出每天能夠節(jié)省2 688 kW·h的電量，單臺(tái)達(dá)到98.1萬(wàn)kW·h。按照每度電0.6元運(yùn)算得出，單臺(tái)瓦斯抽采泵能夠節(jié)能成本為：2 688×0.6×365=58.8萬(wàn)元/a。除此之外，瓦斯泵耗水量由之前的每天15 t減少到4 t，節(jié)水率高達(dá)73.3%。因此，按照減阻劑最佳提效濃度3.5%、減阻液消耗量4 t/d計(jì)算，則減阻液成本為190元/d，即6.9萬(wàn)元/a?？芍瑔闻_(tái)泵年可實(shí)現(xiàn)凈節(jié)能效益為58.8-6.9=51.9萬(wàn)元/a。故此能夠發(fā)現(xiàn)，該抽采泵站每年的節(jié)能效益達(dá)到207.6萬(wàn)元。

表3 試驗(yàn)前后2號(hào)瓦斯抽采泵性能參數(shù)

圖5 節(jié)能試驗(yàn)前后2號(hào)瓦斯抽采泵能耗及耗水量及對(duì)比

6 結(jié) 語(yǔ)

水環(huán)式真空泵中添加PEO實(shí)現(xiàn)湍流減阻效應(yīng)達(dá)到節(jié)能提效的目的，該技術(shù)已在余吾煤礦穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行，效果顯著。據(jù)統(tǒng)計(jì)，集團(tuán)公司下屬所有高瓦斯礦井瓦斯抽采泵年耗電量為4億kW·h以上，若對(duì)集團(tuán)下屬所有礦井進(jìn)行整體節(jié)能改造，按20%的節(jié)能效率計(jì)算，則集團(tuán)瓦斯泵站年節(jié)電量在8 000萬(wàn)kW·h以上，節(jié)能效益將明顯提高。