李連芳

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)馬脊梁礦， 山西 大同 037000）

1 煤礦主排水泵存在問題

1）根據(jù)業(yè)界的有關(guān)規(guī)定，煤礦井下的主排水泵的排水能力必須能夠滿足設(shè)計(jì)要求，保證井下的涌水能夠及時(shí)排出。在進(jìn)行主排水泵的選擇時(shí)，可以預(yù)留一些性能，可以避免因管道出現(xiàn)滲漏等導(dǎo)致排水能力不足，避免突發(fā)狀況。

2）在煤礦的正常生產(chǎn)環(huán)節(jié)會(huì)產(chǎn)生大量的煤灰，這些塵埃落入排水池中，經(jīng)年累月可能會(huì)在池底沉積導(dǎo)致排水泵排水不暢，此外較大的顆粒物混入水池中，進(jìn)入排水設(shè)備中，可能引起磨損，加速設(shè)備的損壞，同時(shí)在輸送中會(huì)與管道摩擦，降低排水效率，增加能耗。

3）由于很多煤礦建立時(shí)間久遠(yuǎn)，設(shè)備更新?lián)Q代不及時(shí)存在老化等問題，作業(yè)效率十分低下。而有些先進(jìn)的煤礦，設(shè)備更新?lián)Q代及時(shí)，像雙吸自平衡多級(jí)離心泵不管是從工作性能，還是從能耗上都遠(yuǎn)優(yōu)于那些老舊設(shè)備，但高昂的價(jià)格卻讓人望而卻步。

2 前置泵變頻調(diào)參及泵控技術(shù)原理

2.1 前置泵變頻調(diào)參原理

在設(shè)備中加裝變頻器可以實(shí)現(xiàn)前置泵的轉(zhuǎn)速的調(diào)整，進(jìn)而可以改變泵的性能曲線。根據(jù)有關(guān)理論知識(shí)，前置泵的流量Q，排出水的壓力也就是揚(yáng)程H，以及電機(jī)的輸出功率P，電機(jī)的效率η，在不同的轉(zhuǎn)速n下的關(guān)系是：

在式（1）中，其中n1和n2是電機(jī)的兩個(gè)轉(zhuǎn)速，對(duì)應(yīng)的流量分別是Q1和Q2，對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程分別是H1和H2，電機(jī)的輸出功率分別是Pa1和Pa2，電機(jī)的效率分別是η1和η2，通過加裝的變頻器可以對(duì)水泵的參數(shù)進(jìn)行無級(jí)調(diào)節(jié)，可以精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)對(duì)排水作業(yè)的控制，進(jìn)而可以避免不必要的能耗浪費(fèi)。

2.2 泵控泵系統(tǒng)調(diào)壓調(diào)流原理

泵控泵（PCP）系統(tǒng)是廣泛應(yīng)用于油氣田和采礦行業(yè)的一種將前置泵和離心泵串聯(lián)起來的技術(shù)手段，該技術(shù)通過變頻器調(diào)節(jié)前置泵的參數(shù)，然后由于串聯(lián)泵的關(guān)系，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)主排水泵也就是離心泵的參數(shù)的調(diào)整，從而完成間接控制，將該技術(shù)應(yīng)用到煤礦井下的主排水系統(tǒng)中，可以很好地解決離心泵的工作揚(yáng)程較大以及工作一段時(shí)間之后出現(xiàn)磨損揚(yáng)程又會(huì)隨之下降的問題[1]。

PCP 系統(tǒng)主要包括前置泵、變頻器以及離心泵，其中將前置泵和離心泵進(jìn)行串聯(lián)，完成串聯(lián)后泵出口壓力應(yīng)該是這兩個(gè)泵出口壓力的簡(jiǎn)單累加，而流量Q則沒有變化，為通過任一泵的流量，且通過兩泵的流量相同，計(jì)算如下：

將式（1）的數(shù)據(jù)帶入式（2），處理后可得公式如下：

在式（3）中，n1和n2是兩個(gè)不同的轉(zhuǎn)速，它們對(duì)應(yīng)的流量分別是Q1和Q2，對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程分別是H1和H2，將式（2）和式（3）結(jié)合可以得出：

從式（4）中可以看出，可以通過調(diào)節(jié)離心泵的級(jí)數(shù)m 和前置泵的轉(zhuǎn)速n 來實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)主排水系統(tǒng)揚(yáng)程的調(diào)整，可以通過調(diào)節(jié)前置泵的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)總流量的調(diào)整，這一方案可以節(jié)省大量的電能，雖然加裝了變頻器，但瑕不掩瑜，總的計(jì)算下來還是能起到良好的節(jié)能效果。

在選擇前置泵時(shí)要注意該泵的流量調(diào)節(jié)量程，一般選擇前置泵的流量量程是離心泵的1.25 倍左右為宜。在變頻調(diào)節(jié)過程中，應(yīng)該具有比較廣的調(diào)節(jié)區(qū)域，進(jìn)而方便更多的用戶需求，能夠更好地適應(yīng)工作要求。理論上講，前置泵可以選擇大流量小揚(yáng)程的BQS潛水泵以及走流泵或者斜流泵等，也可以選擇大流量小揚(yáng)程的離心泵，但根據(jù)實(shí)際的工作情況來看，BQS潛水泵不能夠長(zhǎng)時(shí)間處于變頻工作狀態(tài)，只能適用于比較穩(wěn)定的作業(yè)環(huán)境，軸流泵以及斜流泵還沒有具體的應(yīng)用實(shí)例，這里不做考慮，因此以離心泵為研究對(duì)象展開研究。

3 工程試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

以礦用多級(jí)離心泵作為主排水泵展開研究，然后前置泵與該泵串聯(lián)起來，加裝上變頻器組成實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)該系統(tǒng)開展實(shí)驗(yàn)探究排水系統(tǒng)的效率問題，以及能耗問題。試驗(yàn)設(shè)備具體型號(hào)為：主排水泵為MD280-65×8/9，前置泵為IS200-150-400，詳細(xì)的參數(shù)在表1 中列出。

表1 試驗(yàn)樣機(jī)技術(shù)參數(shù)

從表1 中的數(shù)據(jù)可以看出，八級(jí)、九級(jí)主排水泵與前置泵串聯(lián)后在額定功率下工作時(shí)它們的功率相差無幾。

3.1 主排水泵負(fù)壓性能試驗(yàn)

搭建了主排水泵的性能測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括了配電系統(tǒng)、壓力測(cè)量模塊、功率測(cè)量裝置、轉(zhuǎn)速測(cè)量功能等等模塊，具體的系統(tǒng)示意圖如圖1 所示，該裝置可以完成過主排水泵的有關(guān)性能測(cè)試工作。

圖1 主排水泵性能測(cè)試系統(tǒng)

現(xiàn)對(duì)九級(jí)離心泵進(jìn)行模擬測(cè)試，首先要將進(jìn)口閥門8 關(guān)掉，然后打開閥門13 和閥門14，這時(shí)的主排水泵的進(jìn)水口位于水中，采集記錄有關(guān)數(shù)據(jù)，得出的離心泵的全流量的工作特性曲線如圖2 所示。

圖2 主排水泵負(fù)壓吸水特性曲線

根據(jù)國(guó)家的有關(guān)規(guī)定，符合測(cè)試流程，測(cè)得離心泵的出口流量為271.59 m3/h，揚(yáng)程為579.27 m，工作效率是70.59%，能耗為0.38 kWh/（t·hm）。

3.2 加置前置泵試驗(yàn)

后續(xù)試驗(yàn)需要將前置泵和離心泵進(jìn)行串聯(lián)，在串聯(lián)的時(shí)候需要將主排水泵也就是離心泵進(jìn)行拆級(jí)，在測(cè)試的過程中，需要先將閥門13 關(guān)閉，然后打開8 和14 這兩個(gè)閥門，水流流經(jīng)前置泵1，這時(shí)前置泵以額定轉(zhuǎn)速工作，然后水流進(jìn)入離心泵，最后經(jīng)過閥門5排出系統(tǒng)，完成整個(gè)的流程。在測(cè)試中要注意細(xì)節(jié)，要先啟動(dòng)前置泵，待前置泵中充滿了水流，有了一定的壓力，再開啟離心泵，實(shí)驗(yàn)記錄的有關(guān)數(shù)據(jù)見表2。表2 中的字母分別為進(jìn)口壓力P1，出口壓力P2，輸入功率Pa0，輸出功率Pu以及泵組的效率ηu。

表2 泵組試驗(yàn)數(shù)據(jù)

對(duì)試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，計(jì)算得出泵組的流量是272.18 m3/h，泵組的揚(yáng)程達(dá)到了579.66 m，泵組的工作效率是73.5%。根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)繪制泵組的工作性能曲線見圖3，從圖3 中可以觀察看到前三條曲線是泵組的測(cè)試曲線，后三條曲線指的是九級(jí)主排水泵的負(fù)壓測(cè)試性能曲線。經(jīng)過分析，多級(jí)離心泵減掉一級(jí)之后與前置泵組成的泵組的工作效率提升了2.91%，與之前的九級(jí)離心泵相比延伸了可利用的作業(yè)區(qū)間。

圖3 前置泵變頻水系統(tǒng)性能曲線

3.3 前置泵變頻試驗(yàn)

前置泵使用的變頻電機(jī)通過調(diào)整輸出電壓與輸出頻率之比（V/f）進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速可以調(diào)節(jié)的范圍為0.8～1.1n（n 指的是額定轉(zhuǎn)速）。設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)電機(jī)分別以0.8n、0.9n、n、1.04n 運(yùn)行，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制測(cè)試結(jié)果，見圖3。

從圖3 中可以看出，在采用了V/f 變頻器之后，泵組的排水性能曲線與之前相比變化不是很明顯，而泵組的揚(yáng)程則符合前文的公式。隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，多級(jí)泵逐漸產(chǎn)生損耗，排出水的出口壓力就會(huì)大幅下降，揚(yáng)程變小，通過變頻器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)泵組的智能調(diào)節(jié)，延長(zhǎng)使用壽命。在具體的使用過程中，離心泵對(duì)前置泵具有吸附作用，可以減小前置泵的載荷，進(jìn)而延長(zhǎng)前置泵的使用年限。在泵組的使用中，由于前置泵位于進(jìn)水端，水池中的雜質(zhì)會(huì)先進(jìn)入前置泵，因此前置泵更容易損壞，但相較于離心泵來說，前置泵更為經(jīng)濟(jì)實(shí)用一些，而且更換更為便捷。

4 排水系統(tǒng)其他節(jié)能措施

1）優(yōu)化配套的管路，通常來說礦用排水系統(tǒng)的管路的經(jīng)濟(jì)流速是1.52 m3/min，為了盡可能地提升管路的工作效率，可以選用高質(zhì)量的PE 管材，降低液體流動(dòng)過程中的阻力。在條件允許的情況下，盡量選擇鋪設(shè)直管，減少?gòu)澢臄?shù)量，降低管路中的壓力損失，彎管處應(yīng)該選擇大角度彎曲，避免小角度帶來的內(nèi)耗。

2）做好設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)工作，及時(shí)檢修，保證設(shè)備處于良好的工作狀態(tài)，對(duì)于老舊的設(shè)備要及時(shí)更換，提高工作效率。

3）定期清理水池的沉積物，防止過多的沉積物進(jìn)入泵組，損壞泵組，延長(zhǎng)泵組的使用年限，減少不必要的開支。