溫濟(jì)霞

(潞安化工集團(tuán)公司 健康安全環(huán)保部，山西 長治 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)上千萬元，甚至上億元，約占煤礦總耗電量的1/4。該問題與國家對煤礦節(jié)能減排要求及我國目前能源緊張的現(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，無用功率提升，湍流消耗量巨大，效率驟減。針對于此，對湍流減阻增強(qiáng)瓦斯抽采泵效率的節(jié)能技術(shù)展開探討，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。

通過西南石油大學(xué)張兵強(qiáng)教授對平板壁面渦流形成的數(shù)值模擬可以看出：面對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)離自己的中心對稱軸。在該環(huán)節(jié)中，高分子聚合物能夠通過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，湍流減阻的工作原理為通過鏈狀聚合物反向扭矩來阻礙并抑制湍流發(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，是比較常見的有機(jī)化合物，沒有特殊的氣味，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)作為長纖維分散劑。PEO的分子相對質(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)場應(yīng)用效果

由于地面永久瓦斯抽采泵站瓦斯泵型號大、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)制對流冷卻”的過程。結(jié)合煤礦現(xiàn)場水質(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)測與控制系統(tǒng)：通過自主開發(fā)設(shè)計(jì)監(jiān)控程序，用于監(jiān)測減阻工作介質(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號瓦斯抽采泵是實(shí)驗(yàn)對象，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)過氣液分離設(shè)備之后，到達(dá)煤粉過濾設(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號泵添加降阻劑并運(yùn)行穩(wěn)定后開始測量相關(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6.9萬元/a。可知，單臺(tái)泵年可實(shí)現(xiàn)凈節(jié)能效益為58.8-6.9=51.9萬元/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207.6萬元。

表3 試驗(yàn)前后2號瓦斯抽采泵性能參數(shù)

圖5 節(jié)能試驗(yàn)前后2號瓦斯抽采泵能耗及耗水量及對比

6 結(jié) 語

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kW·h以上，節(jié)能效益將明顯提高。