蘇亦山

【摘 要】本文針對(duì)千米礦井具有“高地應(yīng)力、高地溫、高巖溶水壓”等明顯惡劣特征的情況下，中央泵房主排水泵運(yùn)行過程中存在的葉輪氣蝕及大功率電機(jī)啟動(dòng)問題進(jìn)行理論分析，提出了解決相應(yīng)解決辦法和關(guān)鍵技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)了排水一次直接承井。

【關(guān)鍵詞】千米；排水；技術(shù)

千米深井中央泵房排水泵作為礦井安全保障的主要排水設(shè)備，以離心式為主，由于深部巖體開挖巖溶突水具有瞬時(shí)突發(fā)性和不可預(yù)測(cè)性，在設(shè)計(jì)時(shí)一般采用運(yùn)行可靠的直接承井排水方式，排水設(shè)備選型功率較大，達(dá)到2000千瓦以上。同時(shí)千米以上深度礦井一般都有“高地應(yīng)力、高地溫、高巖溶水壓”等明顯特征，千米礦井深部巖溫一般在34℃～43℃，其排水泵排水溫度也在30℃以上，對(duì)排水泵葉輪造成嚴(yán)重氣蝕。因此，排水設(shè)備必須解決大功率設(shè)備啟動(dòng)和水泵汽蝕問題。

1 千米礦井排水關(guān)鍵問題分析

1.1 氣蝕問題

目前，排水設(shè)備葉輪氣蝕主要是當(dāng)泵抽送水的絕對(duì)壓力小于水的汽化壓力時(shí)，水便開始汽化，產(chǎn)生蒸汽，形成氣泡，這些氣泡隨液體向前流動(dòng)至某高壓處時(shí)，氣泡周圍的高壓液體致使氣泡急劇縮小以致破裂，形成水擊造成的。水加熱到一定程度就會(huì)變成水蒸汽，而水蒸汽冷卻到一定溫度又會(huì)凝結(jié)成水，在一個(gè)大氣壓的作用下，把水加熱到100℃就開始沸騰，汽化產(chǎn)生大量汽泡，而溫度和壓力是它們互相轉(zhuǎn)化的條件，當(dāng)作用在水面上的壓力較高時(shí)，使水汽化所需要的溫度就高；當(dāng)作用在水面上的壓力較低時(shí)，使水汽化所需要的溫度就低。在深部礦井排水溫度高于正常溫度的情況下，通過增大進(jìn)入水泵內(nèi)水的壓力是避免氣蝕的重要方法。

離心泵啟動(dòng)前傳統(tǒng)做法是必須引水，即將泵體和吸水管充滿水，否則水泵的葉輪只能攪動(dòng)泵體內(nèi)的空氣。目前常用引水方式是真空泵、底閥或射流，但這些方式的共同缺點(diǎn)是通過負(fù)壓使泵體和吸水管充滿水，在較低（負(fù)壓）壓力作用下，當(dāng)深井排水溫度遠(yuǎn)高于20℃∽25℃正常溫度時(shí)，汽化現(xiàn)象更加嚴(yán)重，氣蝕問題更加突出。

1.2 大功率高壓電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)問題

常用的大功率高壓電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式一般有直接啟動(dòng)、液態(tài)軟啟動(dòng)、電抗器啟動(dòng)、高壓固態(tài)軟起動(dòng)。通過綜合比較，新開發(fā)的液態(tài)軟起動(dòng)器采用降壓起動(dòng)，性能參數(shù)可調(diào)、可控、可預(yù)測(cè)，允許連續(xù)起動(dòng)3次以上，起動(dòng)電流倍數(shù)可調(diào)至最小，電壓等級(jí)10kv，功率等級(jí)10000kw，節(jié)能環(huán)保，價(jià)格和維護(hù)費(fèi)用低，可實(shí)現(xiàn)智能控制與通訊等諸多優(yōu)點(diǎn)。

綜合對(duì)比，液態(tài)軟起動(dòng)是比較理想的啟動(dòng)方式。液阻是一種由電解液形成的電阻，它導(dǎo)電的本質(zhì)是離子導(dǎo)電。其阻值正比于二塊電極板的距離，反比于電解液的電導(dǎo)率，極板距離和電導(dǎo)率都便于控制，且液阻的熱容量大，高壓液態(tài)軟起動(dòng)裝置工作原理是根據(jù)電機(jī)拖動(dòng)理論，在電動(dòng)機(jī)定子回路串入一特制液體電阻，該電阻在電機(jī)起動(dòng)初始時(shí)刻自動(dòng)投入，阻值在預(yù)定起動(dòng)時(shí)間內(nèi)均勻無級(jí)減小，并在阻值幾近為零時(shí)刻切除，使主機(jī)電流及電機(jī)轉(zhuǎn)速無級(jí)勻滑變化，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)轉(zhuǎn)速均勻上升、平穩(wěn)起動(dòng)。液體電阻一般選用水作為電解液，優(yōu)點(diǎn)是成本低，在軟起動(dòng)過程中不產(chǎn)生高次諧波，能基本解決高壓電機(jī)的軟起動(dòng)。缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在：

1）高壓電動(dòng)反電勢(shì)建立的速率和水電阻變化的速率很難吻合，造成起動(dòng)電流的斜率很大，嚴(yán)重時(shí)頂跳上級(jí)開關(guān)；2）環(huán)境溫度對(duì)起動(dòng)性能的影響大。水電阻導(dǎo)電的實(shí)質(zhì)是靠離子的移動(dòng)，電阻大小由導(dǎo)電離子的多少?zèng)Q定，水電阻（含熱變電阻）均是由Na2CO3和水配制而成，任何化學(xué)無機(jī)物的溶解度均受外界溫度的影響，溫度越高溶解得越多，電阻率越小，溫度越低溶解越少，電阻率越高，這就是液態(tài)電阻為什么在夏天（溫度可高達(dá)40℃）起動(dòng)電流大（有時(shí)高達(dá)5倍額定電流，簡(jiǎn)直象直接啟動(dòng)），而冬天（溫度最低為-20）起動(dòng)困難，嚴(yán)重時(shí)需要重新配液方可解決，加上水的蒸發(fā)和補(bǔ)充及其它導(dǎo)電離子進(jìn)入液阻箱，均會(huì)引起液體電阻的改變；3）對(duì)環(huán)境要求高，液阻軟起動(dòng)裝置不適合于易結(jié)冰的現(xiàn)場(chǎng)；4）液阻箱容積大，原因?yàn)樽栊韵蘖?，容積小會(huì)引起溫升加大，一次性起動(dòng)后電解液通常會(huì)有10℃～30℃的溫升，使軟起動(dòng)的重復(fù)性差；5）控制功能低下，起動(dòng)時(shí)間、停止時(shí)間、初始電壓、限壓范圍等主要控制參數(shù)均不能方便的調(diào)節(jié)，移動(dòng)極板需要有一套伺服機(jī)構(gòu)，移動(dòng)速度較慢，難以實(shí)現(xiàn)起動(dòng)方式的多樣化。保護(hù)功能不全，無自檢、過載、電流不平衡、斷相等保護(hù)：6）維護(hù)困難。須經(jīng)常維護(hù)，須經(jīng)常加液體以保持液位。在高壓回路里加水作業(yè)有很大危險(xiǎn)性。電極板長(zhǎng)期浸泡于電解液中，表面會(huì)有一定的銹蝕，需要作表面處理；7）安全性差。這是該裝置最大的隱患，一旦維護(hù)不及時(shí)，至液阻位過低，起動(dòng)時(shí)有引起裝置爆炸的危險(xiǎn)，爆炸后引起高壓接地，給人員設(shè)備帶來災(zāi)難性的后果。在起動(dòng)時(shí)有噪聲及電動(dòng)力致使震動(dòng)，特別是在極板運(yùn)行中易造成導(dǎo)電水飛測(cè)，安全性差。在高壓起動(dòng)回路中，用傳動(dòng)電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制極板運(yùn)行，一旦控制失靈，后果比較嚴(yán)重。

2 實(shí)現(xiàn)千米礦井排水關(guān)鍵技術(shù)

2.1 解決氣蝕問題的關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)常用負(fù)壓引水方式造成的氣蝕問題，采取正壓供水方式，在離心泵吸水管底部串聯(lián)潛水泵，其潛水泵供水水量大于并滿足于離心泵排水量、揚(yáng)程大于并滿足于離心泵的吸水高度和泵體高度，使離心泵處于微正壓狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，從而提高水的汽化溫度同時(shí)通過增大進(jìn)入水泵內(nèi)水的壓力使水泡提前破裂，以避免泵的氣蝕。主要技術(shù)為：

一是，在電氣控制方面，潛水泵的啟動(dòng)控制與離心泵的控制系統(tǒng)必須相互閉鎖，即離心泵開泵時(shí)，首先啟動(dòng)潛水泵，然后再開動(dòng)離心泵；離心泵停泵時(shí)先停止離心泵，再停潛水泵。

二是，在潛水泵安全可靠運(yùn)行方面，設(shè)計(jì)設(shè)置了各種狀態(tài)顯示、保護(hù)裝置，對(duì)加工工藝也要嚴(yán)格要求，并具有如下特點(diǎn)：1）獨(dú)特的電纜密封設(shè)計(jì)，有效的防止由于電纜破裂而造成的泄漏；2）接線腔內(nèi)的漏水檢測(cè)探頭可以對(duì)接線腔內(nèi)的泄漏發(fā)出報(bào)警信號(hào)，控制系統(tǒng)對(duì)泵實(shí)施保護(hù)；3）電機(jī)定子采用F級(jí)絕緣，每相均裝有過熱過載保護(hù)元件；4）電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸采用不銹鋼材質(zhì)，轉(zhuǎn)自進(jìn)行動(dòng)平衡檢測(cè)，使泵運(yùn)轉(zhuǎn)更平穩(wěn)；5）隔套自循環(huán)冷卻系統(tǒng)對(duì)電機(jī)定子進(jìn)行冷卻，改善了電機(jī)的工作環(huán)境，使泵允許在露出液面或在干式狀態(tài)下運(yùn)行；6）設(shè)置二道密封監(jiān)視，任一密封泄漏便可報(bào)警；7）材質(zhì)為碳化硅的雙端面機(jī)械密封，保障了泵的長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行；8）新型的副葉輪流體動(dòng)力密封既可減小機(jī)械密封處的壓力以延長(zhǎng)機(jī)械密封的壽命，也可減小軸向力以延長(zhǎng)軸承的壽命；9）流道式葉輪設(shè)計(jì)不僅使泵具有通過能力強(qiáng)、抗堵塞、效率高等特點(diǎn)，更使泵具有全揚(yáng)程特性，使泵的流量調(diào)節(jié)和選型更方便。該水泵適用水溫條件最高可達(dá)60℃，被抽送液體的PH值為6～9。

三是，在潛水泵安裝方面為保證檢修方便，通過懸掛裝置固定在吸水井上部的橫梁上，底部設(shè)置定位裝置，并安裝上下移動(dòng)的導(dǎo)向軌，潛水泵與離心泵吸水管之間采用快速軟連接方式，拆除和安裝做到快速、簡(jiǎn)捷、方便。

2.2 解決液態(tài)軟啟動(dòng)問題的關(guān)鍵技術(shù)

液態(tài)軟啟動(dòng)裝置由傳動(dòng)伺服裝置、電氣控制、PLC邏輯控制及電解液箱體四部分組成，針對(duì)液態(tài)軟啟動(dòng)的缺點(diǎn)，解決的關(guān)鍵技術(shù)是：

一是，傳動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)極板采用錳銅鋅錫新型合金材料一次鑄造而成，具有很好的耐高壓和耐腐蝕性能，極板的工藝體現(xiàn)在極板形狀上，當(dāng)電機(jī)功率超過5000KW以上時(shí)，電機(jī)的額定電流就很大，而起動(dòng)時(shí)電流就更大，因此極板要承受很大的電流沖擊，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生靜電現(xiàn)象，極板形狀就顯得尤關(guān)重要。極板是環(huán)狀結(jié)構(gòu)，能很好的處理靜電，避免電弧現(xiàn)象。

二是，電氣控制必須有可靠地的連鎖和保護(hù)作用裝置：1）溫度傳感器采用鉑電阻材料制作而成，安裝在電解液箱內(nèi)，與軟起動(dòng)運(yùn)行時(shí)同步檢測(cè)軟起動(dòng)的溫度。信號(hào)傳感器信號(hào)同時(shí)傳輸?shù)斤@示裝置和PLC系統(tǒng)，根據(jù)起動(dòng)時(shí)的溫度來對(duì)軟起動(dòng)裝置進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)把溫度信號(hào)輸送到PLC系統(tǒng)，作為閉環(huán)控制的參數(shù)使用；2）液位開關(guān)傳感器，通過液位開關(guān)傳感器的作用對(duì)液態(tài)軟起動(dòng)裝置的液位進(jìn)行監(jiān)控并傳輸?shù)絇LC系統(tǒng)，結(jié)合主機(jī)起動(dòng)狀態(tài)，判定液位是否工作正常，如果液位異常，就會(huì)有報(bào)警裝置起到作用，并反饋到連鎖起動(dòng)信號(hào)內(nèi)；3）各類中間繼電器能更好的反饋傳輸各類信號(hào)，采用SHNEIDER公司的產(chǎn)品，起到穩(wěn)定系統(tǒng)的作用；4）控制電源隔離變壓器。電控的控制電源選用交流110電源，系統(tǒng)進(jìn)線電源以下設(shè)置電流保護(hù)開關(guān)和交流110V輸出的隔離變壓器，系統(tǒng)內(nèi)的控制繼電器和PLC系統(tǒng)都選擇使用交流110V電壓的元件。采用110V隔離電源的優(yōu)點(diǎn)是：交流110V電壓滿足井下用電要求；電源隔離降低了電源接地短路危險(xiǎn)；濾除部分電網(wǎng)諧波和噪聲干擾，保護(hù)PLC設(shè)備的使用電源；5）各類安全保護(hù)開關(guān)，液態(tài)軟起動(dòng)裝置配置有基本的保護(hù)開關(guān)，包括像軟起出現(xiàn)故障時(shí)采用的直起按鈕等。

三是，PLC邏輯控制必須采用經(jīng)過多年經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐檢驗(yàn)的Matlab液態(tài)智能軟起動(dòng)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，根據(jù)提供的電動(dòng)機(jī)及拖動(dòng)對(duì)象的參數(shù)、電網(wǎng)參數(shù)以及各項(xiàng)工藝控制指標(biāo)，在WINDOWS2000環(huán)境下，用Matlab仿真軟件模擬電機(jī)起動(dòng)全過程，輸出并打印模擬起動(dòng)曲線，根據(jù)模擬起動(dòng)曲線，隨機(jī)調(diào)整液態(tài)軟起動(dòng)裝置的初始值，取出滿足控制要求的最佳曲線，從而減少了項(xiàng)目實(shí)施過程中起動(dòng)水泵電機(jī)的盲目性，使電機(jī)的起動(dòng)全過程可預(yù)測(cè)、可調(diào)整、可控制。系統(tǒng)硬件配置：整個(gè)PLC系統(tǒng)為本地I/O分站，電源模塊采用冗余配置，一旦一個(gè)電源模塊損壞，另一電源模塊自投；一條同軸電纜損壞不會(huì)造成兩站之間的通訊中斷；同時(shí)，采用Modbus Plus網(wǎng)絡(luò)總線使整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理（圖1）。

從高壓液態(tài)軟起動(dòng)裝置的顯示屏上可以調(diào)閱起動(dòng)過程的歷史數(shù)據(jù)追憶曲線和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)趨勢(shì)曲線，可看出起動(dòng)曲線平滑近似于一條直線，這在一定程度上講液態(tài)智能軟起動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)了真正意義上的高壓電動(dòng)機(jī)恒流軟起動(dòng)。

四是，電解液箱體，電解液采用特制電解液，使高壓電動(dòng)反電勢(shì)建立的速率和水電阻變化的速率基本吻合。電液箱采用高聚合分子化合物一次成型而成，能滿足耐高壓，使用壽命在20年以上。材質(zhì)是高聚合份子化學(xué)物，內(nèi)部箱體采用固定模具一次塑形而成，具有耐高壓耐腐蝕的作用，提高了液態(tài)軟起動(dòng)裝置電解液箱體的使用壽命。電液箱設(shè)計(jì)有很大的散熱容量，每次的起動(dòng)時(shí)溫升控制在7℃以內(nèi)，24小時(shí)內(nèi)可以連續(xù)起動(dòng)3次以上，具有很好的起動(dòng)特性。

高壓電動(dòng)機(jī)采用液態(tài)軟啟動(dòng)裝置與直接起動(dòng)，傳統(tǒng)的串電抗器降壓起動(dòng)的機(jī)械特性曲線之間的對(duì)比，如圖2所示。

采用的技術(shù)方案和起動(dòng)裝置主要有以下幾個(gè)顯著特點(diǎn)：

1）可預(yù)測(cè)：運(yùn)用具有國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平的計(jì)算機(jī)專用仿真軟件對(duì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)全過程模擬仿真，事先可對(duì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能進(jìn)行分析，得出最佳起動(dòng)曲線。

2）可調(diào)整：起動(dòng)時(shí)間、液態(tài)電阻陰值等參數(shù)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況隨機(jī)調(diào)整。

3）可控制：液態(tài)電阻阻值可按被控電機(jī)最佳電磁轉(zhuǎn)矩、最小起動(dòng)電流改變，起動(dòng)過程完全受控，同時(shí)電網(wǎng)壓降也得到有效控制；帶有液溫檢測(cè)及報(bào)警指示，每次起動(dòng)時(shí)液體整體溫升不超過10℃。

4）可重復(fù)性：初始阻值可根據(jù)環(huán)境溫度、上次起動(dòng)結(jié)束后液溫進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、校正、保證起動(dòng)性能的一致性和穩(wěn)定性，能連續(xù)進(jìn)行起動(dòng)。

5）無諧波污染：該裝置內(nèi)沒有晶閘管等非線性器件，不會(huì)產(chǎn)生諧波污染。

6）通訊功能：PLC人機(jī)界面友好，可對(duì)整個(gè)啟動(dòng)過程進(jìn)行有效監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警和記憶功能，查詢方便；具有RS485通訊接口，可實(shí)現(xiàn)泵房遠(yuǎn)程自動(dòng)集控監(jiān)控功能；具有軟啟和直啟轉(zhuǎn)換功能。

7）軟起軟停功能：可以依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況選擇直啟方式和軟起動(dòng)二種起動(dòng)方式，并具有軟停車功能，停泵時(shí)能減少對(duì)設(shè)備負(fù)載的沖擊。

8）電流閉環(huán)自動(dòng)控制功能：在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測(cè)被控電動(dòng)機(jī)定子電流，根據(jù)電流大小，自動(dòng)調(diào)節(jié)控制裝置，使電機(jī)起動(dòng)過程最最佳化，起動(dòng)電流基本恒定。

3 工業(yè)性應(yīng)用效果

以肥礦集團(tuán)陳蠻莊煤礦中央排水泵房工業(yè)性試驗(yàn)為例，測(cè)試結(jié)果如下：

陳蠻莊煤礦中央泵房共裝備PJ200A×12型多級(jí)離心式水泵5臺(tái)，額定流量420m3/h，揚(yáng)程1140m，配套電機(jī)功率2400kW，電動(dòng)機(jī)額定電流I=165A，正常啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流Iq=165×7=1155A，若采用電抗器啟動(dòng)，Iq1=165×5=825A，現(xiàn)場(chǎng)采用高壓液態(tài)軟啟動(dòng)后，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀察，啟動(dòng)電流僅為410A，計(jì)算結(jié)果為2.48倍，啟動(dòng)時(shí)間為18s，而且可以連續(xù)啟動(dòng)6次設(shè)備不會(huì)出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。采用潛水泵串聯(lián)排水方式后，經(jīng)運(yùn)行11個(gè)月后，打開水泵泵體，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，水泵葉輪葉面未出現(xiàn)麻坑等明顯沖擊現(xiàn)象，水泵效率仍然保持出廠時(shí)的78%左右。達(dá)到預(yù)期的試驗(yàn)?zāi)康?，完全符合煤礦的要求，取得了較好的應(yīng)用效果。

4 結(jié)論

采用離心泵正壓供水及高壓液壓軟啟動(dòng)技術(shù)后，能夠解決千米深井中高溫水、超大功率電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)等難題，可以為國(guó)內(nèi)外同行業(yè)提供強(qiáng)力的技術(shù)支持，具有極高的推廣價(jià)值。

【參考文獻(xiàn)】

[1]楊德印.電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)控制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[M].

[責(zé)任編輯：程龍]