張一帆，周福寶, ，李金石，康建宏，李點(diǎn)尚，高 波

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)研究院,北京 100012；3.淮河能源控股集團(tuán)煤業(yè)公司 張集煤礦,安徽 淮南 232171)

水環(huán)真空泵是礦井瓦斯抽采系統(tǒng)的主要?jiǎng)恿υO(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易燃易爆氣體抽吸安全、惡劣環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但一直面臨著高能耗、低效率的工程問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)大中型高瓦斯礦井的瓦斯抽采泵站年耗電量普遍高達(dá)上千萬(wàn)甚至上億千瓦時(shí)，但泵效率僅15%～50%[1]。以山西潞安集團(tuán)為例，下屬煤礦20 座，均建有瓦斯抽采泵站，連續(xù)運(yùn)行超百臺(tái)大型水環(huán)真空泵，年耗電量達(dá)4 億度以上，能源浪費(fèi)嚴(yán)重。

節(jié)能提效是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)最重要、最經(jīng)濟(jì)、最有效的途徑[2]。為降低水環(huán)真空泵能耗，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在理論模型、數(shù)值計(jì)算和性能試驗(yàn)等方面進(jìn)行了大量研究。張人會(huì)等[3-4]采用VOF 兩相流模型對(duì)水環(huán)泵內(nèi)流場(chǎng)和外特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，優(yōu)化設(shè)計(jì)了葉輪、排氣口等過流部件，有效提高了泵效率；陳旭東等[5]對(duì)水環(huán)泵的能耗特性進(jìn)行了試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算，提出了預(yù)抽真空、最佳補(bǔ)水量等方案來優(yōu)化泵的運(yùn)行性能；阮紹剛[6]基于瓦斯抽采系統(tǒng)工況條件，提出采用泵轉(zhuǎn)速智能調(diào)控方法以實(shí)現(xiàn)抽采系統(tǒng)節(jié)能目的。但隨著設(shè)計(jì)理論的完善和成熟，單從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和過程工藝改進(jìn)入手，節(jié)能效果嚴(yán)重受限。

為此，筆者提出了基于湍流減阻原理的水環(huán)真空泵減阻節(jié)能技術(shù)[7-8]，即將工作液由常規(guī)的水改性為高分子減阻液，通過調(diào)控泵內(nèi)液環(huán)流態(tài)以大幅降低流動(dòng)中的摩擦損失和湍流損耗。湍流減阻現(xiàn)象被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，如水力壓裂、磨料水射流、水下航行體流動(dòng)、城市集中供熱/冷系統(tǒng)、生物醫(yī)藥等。鮑晉等[9]針對(duì)頁(yè)巖氣開發(fā)中壓裂要求，研制了疏水締合聚合物壓裂液，并通過管路摩阻測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了減阻特性實(shí)驗(yàn)；張友誼等[10]研究了高分子減阻劑對(duì)后混合磨料射流切割特性的影響，發(fā)現(xiàn)其可顯著改善射流結(jié)構(gòu)特征，提高切割能力；王力等[11]研究了成品油管道輸送過程中的減阻效果評(píng)價(jià)方法，并將其應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)輸送系統(tǒng)得出了減阻率和增輸率；姜晨醒[12]研究了活性減阻劑對(duì)水下航行體超空泡形狀和動(dòng)力學(xué)特性的影響規(guī)律，提出了超空泡減阻流動(dòng)控制新方法；李冠頡[13]研究了減阻劑類型、濃度、管路結(jié)構(gòu)等參數(shù)對(duì)血液流變學(xué)的影響；李鳳臣等[14]首次在集中供熱系統(tǒng)中進(jìn)行了減阻劑對(duì)管路內(nèi)節(jié)能增輸效果的影響，最大節(jié)能率達(dá)28.4%。

盡管已開展了大量實(shí)驗(yàn)，但現(xiàn)有成果主要集中于輸送管路內(nèi)單相減阻流動(dòng)，流態(tài)簡(jiǎn)單、湍流強(qiáng)度低、雷諾數(shù)小，尚缺乏在高湍流強(qiáng)度、高剪切環(huán)境下的水環(huán)真空泵內(nèi)減阻節(jié)能特性研究；同時(shí)，減阻劑種類繁多，不同減阻劑具有不同的分子結(jié)構(gòu)和流變特性，適用條件也不盡相同，無法直接應(yīng)用于煤礦水環(huán)真空泵的節(jié)能增效領(lǐng)域。針對(duì)上述問題，基于水環(huán)真空泵運(yùn)行特性，結(jié)合減阻劑分子構(gòu)象的差異，筆者分別對(duì)具有柔性分子鏈、半剛性鏈及剛性鏈的3 種減阻劑進(jìn)行了優(yōu)選；在此基礎(chǔ)上，探究了減阻液節(jié)能性能隨濃度、吸氣壓力和轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，發(fā)明了一套適用于煤礦瓦斯抽采泵站運(yùn)行工況下的水環(huán)泵節(jié)能提效工藝及系統(tǒng)，并進(jìn)行了工程驗(yàn)證。

1 水環(huán)真空泵減阻節(jié)能原理

1.1 水環(huán)真空泵能效分析

水環(huán)真空泵屬于容積式真空泵，主要包括葉輪、葉片、泵體以及進(jìn)排氣口等過流部件，如圖1 所示。

圖1 水環(huán)真空泵工作原理Fig.1 Operation principle of the WRV pump

在偏心安裝于泵體內(nèi)的葉輪高速旋轉(zhuǎn)條件下，工作液受離心力作用在泵體內(nèi)形成封閉水環(huán)，此時(shí)葉輪內(nèi)腔與水環(huán)之間形成一個(gè)月牙形空間(青、藍(lán)和紅色區(qū)域組成)，該空間又被葉片分成若干個(gè)小腔。隨葉輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，工作液從葉輪中流出，葉輪機(jī)械能轉(zhuǎn)化為工作液動(dòng)能，吸氣區(qū)內(nèi)的小腔體積變大，形成真空，氣體被吸入；葉輪進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)，進(jìn)入壓縮區(qū)，工作液再次流入葉輪內(nèi)，其動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能，對(duì)氣體進(jìn)行壓縮做功，氣體壓力升高，當(dāng)與排氣區(qū)相通時(shí)，氣體排出泵外。由此看出，水環(huán)真空泵內(nèi)流場(chǎng)是一個(gè)具有自由分界面的偏心氣液兩相流場(chǎng)，相分界面上的流體質(zhì)點(diǎn)受離心力、科里奧利力及表面張力等綜合作用下呈非穩(wěn)定性，導(dǎo)致泵內(nèi)流動(dòng)紊亂，能量損失嚴(yán)重。

水環(huán)泵有用功率為壓縮氣體所消耗的功率，可看作等溫壓縮過程，表示為

式中，Pe為水環(huán)真空泵有用功率，kW；p1為吸氣壓力，kPa；p2為排氣壓力，kPa，此處為101.3 kPa；Q為吸氣流量，m3/min。

無用功率為摩擦損失和湍流損失之和，可表示為

式中，Pd為水環(huán)真空泵無用功率，kW；P為泵軸功率，kW；φ為泵效率。

泵內(nèi)液環(huán)高速旋轉(zhuǎn)條件下的雷諾數(shù)可表示為

式中，ρ為工作液密度，kg/m3；ω為葉輪角速度，rad/s；μ為液體動(dòng)力黏度，Pa·s；r為葉輪葉片半徑，m。

現(xiàn)選取煤礦瓦斯抽采系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的2BEC80大型水環(huán)真空泵(轉(zhuǎn)速270 r/min)進(jìn)行能效分析，定性評(píng)價(jià)其能耗損失過程。

由表1 可知，該泵所耗功率在610～850 kW，效率僅19.5%～50.4%，效率極低。進(jìn)一步地，根據(jù)葉輪旋轉(zhuǎn)速度22.6 m/s、葉片半徑0.80 m 及水黏度數(shù)據(jù)，由式(3)可得雷諾數(shù)約2.64×107，遠(yuǎn)大于管內(nèi)流動(dòng)雷諾數(shù)(～104)[15]，水環(huán)真空泵內(nèi)湍流強(qiáng)度極高，渦流損失大；同時(shí)水環(huán)與泵過流部件的相對(duì)速度大，超20%的軸功率以摩擦損失形式被耗散掉[16]。然而，傳統(tǒng)的過流部件優(yōu)化設(shè)計(jì)以降低泵內(nèi)湍流損耗為主，未著重考慮摩擦損失而導(dǎo)致節(jié)能效果受限[17]。

表1 2BEC80 型水環(huán)真空泵性能參數(shù)分析Table 1 2BEC80 pump performance analysis

1.2 水環(huán)真空泵減阻節(jié)能機(jī)理分析

基于上述分析，提出了高分子減阻液降低水環(huán)真空泵無用功耗的方法，減阻節(jié)能機(jī)理如下[8]。

1.2.1泵內(nèi)邊界層區(qū)摩擦阻力的降低

以湍流減阻黏性理論為基礎(chǔ)，在高剪切流場(chǎng)環(huán)境下，減阻液中的分子鏈會(huì)由靜止?fàn)顟B(tài)下的纏結(jié)結(jié)構(gòu)演化為拉伸結(jié)構(gòu)，進(jìn)而引起有效黏度的增加[18]，即

式中，ve和v0分別為高分子溶液的有效黏度和溶劑黏度，m2/s；c[η]本質(zhì)上為相對(duì)黏度c/c*，其中，c為溶液濃度，c*為溶液疊加濃度，[η]為高分子溶液的特性黏度；ε為分子鏈長(zhǎng)度的增長(zhǎng)率。

有效黏度增加，邊界層厚度增大[19]，速度梯度和黏性應(yīng)力減小，邊界層湍流場(chǎng)內(nèi)相干結(jié)構(gòu)猝發(fā)事件的強(qiáng)度得到抑制，從而表現(xiàn)為水環(huán)真空泵近壁區(qū)內(nèi)摩擦阻力的降低。

1.2.2湍流核心區(qū)內(nèi)湍動(dòng)能損耗的降低

基于湍流減阻彈性理論，分子鏈的拉伸可等效為將本要隨小尺度渦耗散的湍動(dòng)能kt通過Pe,t項(xiàng)轉(zhuǎn)換為分子的彈性能量ke(類似于彈簧拉伸可轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能)[20]，并在低剪切速率區(qū)域內(nèi)分子鏈由拉伸狀態(tài)重新變至蜷曲態(tài)從而釋放出彈性能，減小了湍動(dòng)能的損耗。

其中，kt為湍動(dòng)能；ke為分子彈性能；上橫線“-”為變量的平均值；ui為速度分量，τij和τii為減阻液應(yīng)力分量；xj為慣性坐標(biāo)系中的分量；β為溶劑黏度和減阻液黏度比值。由式(5)可知，β越小，即減阻液黏度越大，雷諾數(shù)越低，則分子鏈可儲(chǔ)存的彈性能量越高，抑制渦形成和傳播的能力越強(qiáng)，湍流損耗越小。

1.2.3氣-液間界面阻力的降低

式中，fi為界面摩擦因數(shù)；ρg為氣體密度，kg/m3；Ug為氣體流速，m/s。

結(jié)合管道內(nèi)減阻液對(duì)氣液兩相流型的影響規(guī)律[22]，減阻液的黏彈性特性可有效衰減大振幅的分界面波，抑制界面波的非穩(wěn)定性，使分界面更平滑，表面摩擦因數(shù)降低，界面阻力減小，泵的無用功耗隨之降低。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

減阻劑分子鏈的剛?cè)嵝詫?duì)其減阻性能和剪切穩(wěn)定性影響極大[23]。為此，筆者選取的材料主要為具有柔性分子鏈的聚丙烯酰胺PAM、半剛性分子鏈的黃原膠BG 以及剛性分子鏈的三贊膠SG。其中，PAM為人工合成的陰離子型水溶性高分子聚合物，由丙烯酰胺水溶液聚合而成；黃原膠BG 為天然的陰離子型多糖類高分子物質(zhì)，主鏈結(jié)構(gòu)為β-(1-4)-D-葡萄糖聚糖，同時(shí)含有1 個(gè)三糖結(jié)構(gòu)的側(cè)鏈D-葡萄糖，抗溫抗鹽能力優(yōu)異；三贊膠SG 是一種天然型的高分子增稠劑，由葡萄糖、甘露糖等糖類、十六碳及十八碳脂肪酸脂等脂類和多肽組成，在石油鉆采和食品行業(yè)等廣泛應(yīng)用。進(jìn)一步，采用電子天平稱取一定量的3 種減阻劑樣品，緩慢加入到不斷攪拌的自來水中，在室溫下以200～300 r/min 的轉(zhuǎn)速恒速攪拌不低于2 h，分別制成所需濃度的減阻液。

2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與方法

水環(huán)真空泵性能測(cè)試系統(tǒng)主要包括水環(huán)真空泵運(yùn)行系統(tǒng)、泵性能參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)等，如圖2 所示。水環(huán)真空泵運(yùn)行系統(tǒng)由2BEA203型水環(huán)真空泵(淄博水環(huán)真空泵廠有限公司，最大抽氣流量：14.6～22.0 m3/min；極限真空度33 hPa)、變頻電機(jī)(南京恒速電機(jī)有限公司，工作電壓：380 V；額定扭矩：286.5 N·m；恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍：5～50 Hz)、變頻器、進(jìn)排氣管路、換熱器等組成；泵性能參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)包括扭矩轉(zhuǎn)速傳感器、壓力傳感器、孔板流量計(jì)和電磁流量計(jì)等；數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)用于調(diào)節(jié)變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)壓電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度等參數(shù)，并實(shí)時(shí)采集電機(jī)轉(zhuǎn)速、軸功率、吸氣流量、吸氣壓力、進(jìn)液流量等參數(shù)至工控機(jī)，通過已嵌入的數(shù)據(jù)處理程序輸出計(jì)算結(jié)果。本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)煤礦瓦斯抽采系統(tǒng)不同抽采負(fù)壓下的動(dòng)態(tài)模擬和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖2 水環(huán)真空泵性能測(cè)試系統(tǒng)Fig.2 WRV pump performance test system

高分子減阻液在水環(huán)泵內(nèi)節(jié)能率ESR和氣量增加率FRI可表示為

式中，pw和ps分別為純水和減阻液條件下水環(huán)真空泵運(yùn)行的吸氣壓力，kPa，且pw=ps；Pw和Ps分別為純水和減阻液條件下測(cè)得的軸功率，kW；Qw和Qs分別為純水和減阻液條件下測(cè)得的氣體流量，m3/min。

3 結(jié)果與討論

3.1 高分子減阻劑的優(yōu)選

為獲得一種節(jié)能率高、穩(wěn)定性強(qiáng)的減阻劑，以60 kPa的吸氣壓力為評(píng)價(jià)工況(瓦斯抽采的通常壓力范圍)，研究了3 種減阻劑在不同質(zhì)量濃度條件下水環(huán)真空泵軸功率和節(jié)能率隨運(yùn)行時(shí)間的變化趨勢(shì)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同減阻劑下水環(huán)真空泵軸功率和節(jié)能率隨時(shí)間變化的影響Fig.3 Variation of shaft power and ESR of different drag reducers with time

3 種減阻劑均可有效降低水環(huán)真空泵軸功率，且質(zhì)量濃度越高，降幅越明顯。以減阻劑BG 為例，當(dāng)質(zhì)量濃度C由0 依次增至1.0、2.0、3.0、4.0 和4.5 g/L時(shí)，穩(wěn)定后的軸功率由22.35 kW 分別降至21.5、20.85、20.07、19.31 和18.90 kW，對(duì)應(yīng)的節(jié)能率分別為3.8%、6.73%、10.19%、13.62%和15.44%。當(dāng)1.0 g/L ＜C＜ 4.0 g/L 時(shí)，由于減阻劑分子數(shù)量增加，邊界層內(nèi)的摩擦阻力和湍流核心區(qū)的湍流阻力大幅降低，無用功損耗減?。浑S濃度進(jìn)一步增加，即C＞ 4.0 g/L 時(shí)，剪切黏度的增加導(dǎo)致黏性損失增大而抵消部分節(jié)能效果，因此軸功率僅小幅下降[24]。

同時(shí)，隨運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，軸功率均呈先快速增加后逐漸穩(wěn)定的趨勢(shì)，相應(yīng)地節(jié)能率先降低后趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)樵诹鲌?chǎng)高剪切力及泵葉輪的機(jī)械剪切作用下，減阻液會(huì)發(fā)生剪切降解現(xiàn)象[23]，高分子鏈斷裂，分子量降低，水動(dòng)力學(xué)半徑減小，湍流抑制作用隨之降低，節(jié)能率下降，但3 種減阻劑的降幅顯著不同。以質(zhì)量濃度4.5 g/L 為例，BG 減阻液對(duì)應(yīng)的節(jié)能率由初始的17.4%降至15.4%，相對(duì)降幅為11.5%；PAM 減阻液由15.7%降至10.2%，相對(duì)降幅高達(dá)35%；SG 減阻液由12.4%降至11.7%，相對(duì)降幅僅5.6%。這是因?yàn)榛跍p阻劑的分子鏈結(jié)構(gòu)特性，可分為柔性鏈、半剛性鏈和剛性鏈3 類，且分子鏈柔性越強(qiáng)，湍流猝發(fā)抑制程度越高，節(jié)能效果越好，但剪切穩(wěn)定性越差[23]，這也與本文實(shí)驗(yàn)結(jié)論基本一致。需要注意的是，半剛性鏈減阻劑BG 兼具了優(yōu)異的節(jié)能率和較強(qiáng)的節(jié)能穩(wěn)定性，且以4.5 g/L 質(zhì)量濃度最優(yōu)，因此更適合于水環(huán)真空泵的高強(qiáng)度剪切、長(zhǎng)周期運(yùn)行的抽采工況。

進(jìn)一步地，采用安東帕MCR102 高級(jí)旋轉(zhuǎn)流變儀對(duì)不同質(zhì)量濃度BG 減阻液進(jìn)行流變性測(cè)試。由圖4發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)剪切速率范圍內(nèi)，隨BG 質(zhì)量濃度增加，減阻液的剪切黏度大幅增加。在剪切速率為0.1 s-1下，水的黏度僅0.89 mPa·s，而加入3.0 和4.5 g/L 質(zhì)量濃度的BG 減阻劑時(shí)，黏度分別增至5 976.2 mPa·s和33 337 mPa·s，漲幅最高超37 000 倍。一方面，減阻劑BG 的加入使水中的高分子密度和總質(zhì)量增大，黏度提高；另一方面，溶液中形成一種物理作用力交聯(lián)的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使其流體力學(xué)體積增大，黏度大幅提高。但隨剪切速率增加，減阻液的黏度降低，表現(xiàn)出非牛頓流體剪切稀化現(xiàn)象。這主要是由于剪切速率增大，大分子鏈在剪切方向上的取向度增加，分子鏈間出現(xiàn)了分離和解纏效應(yīng)，溶液中的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)遭到破壞，使流動(dòng)阻力降低，黏度下降。但在低濃度(C≤0.2 g/L)下，分子鏈間纏結(jié)效應(yīng)較弱，因此剪切稀化性不明顯。

圖4 BG 減阻液的剪切黏度特性Fig.4 Shear viscosity of BG drag-reducing fluids

對(duì)于中高質(zhì)量濃度(C≥0.5 g/L)減阻液，采用多參數(shù)Carreau-Yasuda(C-Y)模型對(duì)其剪切稀化性進(jìn)行了擬合：

式中，μ為對(duì)應(yīng)于剪切速率的黏度，mPa·s；μ0和μ∞分別為零剪切黏度和無窮剪切黏度，mPa·s；n為無量綱冪率指數(shù)；λ1為松弛時(shí)間常數(shù)；α為Carreau 常數(shù)。

由表2 可知，隨質(zhì)量濃度增加，零剪切黏度快速增大，無窮剪切黏度緩慢增加，減阻液的分子開始由分散且不接觸的稀溶液轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿咏佑|并相互纏結(jié)的亞濃溶液[25]，且濃度越高，纏結(jié)強(qiáng)度越大，即內(nèi)部結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，在泵內(nèi)高強(qiáng)度的剪切環(huán)境下節(jié)能穩(wěn)定性越強(qiáng)。但當(dāng)質(zhì)量濃度進(jìn)一步增大時(shí)，纏結(jié)強(qiáng)度過大，所產(chǎn)生的內(nèi)部阻力越大，從而會(huì)抵消部分的節(jié)能性能。

表2 各質(zhì)量濃度BG 減阻液C-Y 模型擬合參數(shù)Table 2 Fitting parameters of C-Y model for BG drag-reducing fluids

圖5 為不同質(zhì)量濃度BG 減阻液的儲(chǔ)能模量G′和損耗模量G″隨剪切應(yīng)變的變化關(guān)系。儲(chǔ)能模量是對(duì)溶液彈性特性和變形后其恢復(fù)能力的數(shù)學(xué)表征，而損耗模量反映了溶液抵抗流動(dòng)的性能，即黏性耗散損失。由圖5 可知，隨減阻液質(zhì)量濃度增加，儲(chǔ)能模量和損耗模量均逐漸增加，黏彈性特征越明顯。當(dāng)減阻液質(zhì)量濃度為0.5 g/L 時(shí)，在整個(gè)剪切應(yīng)變區(qū)間內(nèi)，G′始終低于G″，此時(shí)減阻液為黏性流體；當(dāng)質(zhì)量濃度為1.0 g/L 時(shí)，低剪切應(yīng)變下G′ ＜G″，以黏性為主，而高剪切應(yīng)變下G′ ＞G″，以彈性為主，此時(shí)減阻液為黏彈性流體；當(dāng)質(zhì)量濃度大于2.0 g/L 時(shí)，G′始終高于G″，彈性特性顯著，此時(shí)為彈性流體，具備了湍流減阻性能的關(guān)鍵指標(biāo)特征[26-27]。

圖5 BG 減阻液黏彈性特性Fig.5 Viscoelastic property of BG drag-reducing fluids

3.2 減阻液對(duì)泵性能參數(shù)的影響

圖6 為質(zhì)量濃度為4.5 g/L 的BG 減阻液在不同吸氣壓力下對(duì)水環(huán)真空泵性能參數(shù)(軸功率、吸氣流量)的影響。由圖6 可知，在整個(gè)吸氣壓力范圍內(nèi)，減阻液均可大幅降低水環(huán)泵軸功率，同時(shí)提高泵的吸氣流量[28]。一方面，減阻液質(zhì)量濃度升高，湍流損耗和摩擦損失減小，用于抽氣的有用功增加，氣量隨之增加。另一方面，根據(jù)溶液的依數(shù)性理論[29]，向溶劑內(nèi)加入非揮發(fā)性物質(zhì)，則溶液的物性特性將發(fā)生改變，如飽和蒸氣壓下降、凝固點(diǎn)降低等。粉體型BG 為非揮發(fā)性的陰離子聚電解質(zhì)，其所形成的減阻液飽和蒸氣壓與水相比降低?；谒h(huán)真空泵的運(yùn)行特性，飽和蒸氣壓越低，水分蒸發(fā)量越少，水蒸氣在泵內(nèi)所占用的吸氣空間越小，則吸氣量越大[30]。

圖6 水環(huán)真空泵性能參數(shù)隨吸氣壓力的變化Fig.6 Effect of inlet pressures on the performance of the WRV pump

隨吸氣壓力增加，軸功率先緩慢增加后快速降低(均以30 kPa 為分界點(diǎn))，吸氣流量呈一直增加趨勢(shì)，也就是減阻液的添加并未改變水環(huán)泵性能曲線的變化趨勢(shì)，因此該技術(shù)不會(huì)影響瓦斯泵站人員的操作習(xí)慣和相關(guān)規(guī)程。

圖7 為當(dāng)減阻液質(zhì)量濃度為4.5 g/L 時(shí)，節(jié)能率和氣量增加率隨吸氣壓力的變化。由圖7 可知，隨吸氣壓力的增大，節(jié)能率呈二次函數(shù)關(guān)系大幅增加，但氣量增加率快速降低。當(dāng)吸氣壓力由20 kPa 升至40、60 和80 kPa 時(shí)，節(jié)能率由13.6%分別增至13.9%、15.4%和17.8%，對(duì)應(yīng)的氣量增加率則由7%分別降至4%、1.7%和1.1%。在低吸氣壓力下，工作液更易蒸發(fā)，因此若降低工作液的飽和蒸氣壓，高真空下的氣量提升也越明顯。氣量增加率大意味著需消耗更多的等溫壓縮功率來對(duì)氣體進(jìn)行做功，因此表觀上節(jié)能率較低。

圖7 節(jié)能率和氣量增加率隨吸氣壓力的變化Fig.7 Effect of inlet pressures on ESR and FRI

3.3 泵轉(zhuǎn)速對(duì)減阻液節(jié)能性能的影響

不同煤礦瓦斯抽采工況下，所選型的水環(huán)真空泵轉(zhuǎn)速也不相同。圖8 為水環(huán)真空泵性能參數(shù)隨泵轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)。

圖8 水環(huán)真空泵性能參數(shù)隨葉輪轉(zhuǎn)速的變化Fig.8 Effect of impeller speed on the performance of the WRV pump

由圖8(a)可知，泵軸功率與轉(zhuǎn)速呈冪指數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系，但減阻液作為工作液時(shí)軸功率的增長(zhǎng)速率較水低，因此節(jié)能率隨轉(zhuǎn)速增加而增大，最大達(dá)到16.7%。葉輪轉(zhuǎn)速升高，泵內(nèi)液環(huán)流動(dòng)雷諾數(shù)增加，流場(chǎng)湍流強(qiáng)度增大，減阻液中的大分子鏈拉伸程度增加，使流場(chǎng)內(nèi)本要耗散的渦動(dòng)能更多地轉(zhuǎn)化為分子鏈彈性能，湍流脈動(dòng)強(qiáng)度得到進(jìn)一步抑制，節(jié)能率增加；隨著轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，分子鏈趨于充分拉伸狀態(tài)，湍流脈動(dòng)抑制程度接近最高值，節(jié)能率增幅逐漸變緩[31]。由圖8(b)可知，吸氣流量與泵轉(zhuǎn)速成線性增長(zhǎng)關(guān)系，但氣量增加率變化很小，基本在1.66%左右。因此，現(xiàn)場(chǎng)水環(huán)真空泵的轉(zhuǎn)速越高，電能消耗越大，吸氣量越大，節(jié)能技術(shù)應(yīng)用效果也越明顯。

4 水環(huán)真空泵節(jié)能提效系統(tǒng)

為適應(yīng)煤礦瓦斯抽采泵站的工況環(huán)境及均勻制備高分子減阻液體系，筆者所在團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一套水環(huán)真空泵節(jié)能提效系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括減阻液配補(bǔ)一體化裝置、泵內(nèi)定量供水裝置、水環(huán)真空泵節(jié)能運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)等部分，如圖9 所示。該系統(tǒng)的工藝流程為：首先采用減阻液配補(bǔ)一體化裝置將減阻劑定量溶解于循環(huán)水池中，經(jīng)進(jìn)液管路進(jìn)入水環(huán)真空泵，利用其特有的黏彈性特性來降低泵內(nèi)流場(chǎng)的湍流阻力和摩擦阻力，實(shí)現(xiàn)水環(huán)真空泵能耗的顯著降低。同時(shí)，采用離心泵將清水由定量補(bǔ)水管路經(jīng)電動(dòng)閥和流量計(jì)補(bǔ)至泵內(nèi)，以維持減阻液濃度。之后，隨瓦斯排出的減阻液經(jīng)氣液分離器通過排液管路排至溶液池，形成減阻液的閉式循環(huán)。當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)液位到下限值時(shí)，自動(dòng)開啟減阻液配補(bǔ)一體化裝置對(duì)溶液池補(bǔ)至液位上限值，從而保證節(jié)能系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖9 水環(huán)真空泵節(jié)能系統(tǒng)工藝流程Fig.9 Schematic diagram of energy saving system for the WRV pump

為實(shí)現(xiàn)減阻劑的精確添加，采用變頻螺旋輸送機(jī)和水流量計(jì)對(duì)減阻液濃度進(jìn)行調(diào)控，通過攪拌箱內(nèi)的高速旋轉(zhuǎn)葉片進(jìn)行充分混合與溶解，得到具有最優(yōu)節(jié)能效果的減阻液。同時(shí)，由于水環(huán)真泵所用循環(huán)水溫度較高，大量水分蒸發(fā)(大型瓦斯抽采泵站的水分蒸發(fā)量在60～100 t)，導(dǎo)致減阻液黏度變化劇烈。因此，采用調(diào)節(jié)閥和渦輪流量計(jì)在水環(huán)真空泵進(jìn)氣側(cè)進(jìn)行定量供水措施，以維持減阻液的最優(yōu)黏度。最后，開發(fā)了水環(huán)真空泵遠(yuǎn)程節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)軟件[32]，采用礦用隔爆型控制柜和工控機(jī)對(duì)瓦斯抽采參數(shù)(負(fù)壓、抽采流量等)、減阻液參數(shù)(溫度、液位、黏度等)以及水環(huán)泵能耗及節(jié)能效果等進(jìn)行采集與計(jì)算分析，保障瓦斯抽采系統(tǒng)的安全高效運(yùn)行。

5 工程驗(yàn)證

淮南礦業(yè)集團(tuán)張集煤礦位于安徽省淮南市鳳臺(tái)縣境內(nèi)，核定生產(chǎn)能力為7.5 Mt/a，為煤與瓦斯突出礦井。該礦井建有中央?yún)^(qū)、北風(fēng)井、東風(fēng)井及西風(fēng)井4座地面瓦斯抽采泵站，共安裝水環(huán)真空泵22 臺(tái)，其中13 臺(tái)運(yùn)行9 臺(tái)備用，累計(jì)運(yùn)行功率為6 175 kW，年耗電量為5 400 萬(wàn)kW·h 以上，且運(yùn)行效率普遍偏低。本次在東風(fēng)井瓦斯抽采泵站1 號(hào)和2 號(hào)水環(huán)真空泵(1 用1 備；泵型號(hào)：2BEY72；最大抽氣量560 m3/min，電機(jī)額定功率800 kW，額定轉(zhuǎn)速300 r/min)上進(jìn)行了節(jié)能改造，如圖10 所示。

圖10 水環(huán)真空泵節(jié)能系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.10 Picture of energy saving system of WRV pump

在水環(huán)真空泵運(yùn)行過程中，部分減阻液會(huì)被高速氣流攜帶出去而產(chǎn)生少量損耗，因此有必要對(duì)該技術(shù)進(jìn)行成本-效益分析以計(jì)算凈節(jié)能率[30]：

其中，ξ為凈節(jié)能率；ke為度電價(jià)格，0.63 元/(kW·h)；kp為單位質(zhì)量減阻劑的價(jià)格，35 元/kg；Mp為減阻液的損耗量，kg/h，以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。1 號(hào)水環(huán)真空泵的抽采數(shù)據(jù)和耗電量見表3。

表3 節(jié)能技術(shù)應(yīng)用前后抽采工況和耗電對(duì)比Table 3 Drainage condition and electricity consumption comparation before and after energy saving technology application

在加入質(zhì)量濃度為4.5 g/L 的BG 減阻劑后，維持抽采負(fù)壓為-33 kPa，發(fā)現(xiàn)瓦斯抽采流量不變，但運(yùn)行功率由710 kW 降至560 kW，節(jié)能率為21.1%，耗電量由17 040 kW·h/d 降至13 440 kW·h/d，節(jié)電量為3 600 kW·h/d，如圖11 所示。進(jìn)一步地，根據(jù)溶液池內(nèi)液位變化，可知1 號(hào)水環(huán)真空泵的平均耗液量為83.3 kg/h，結(jié)合式(10)，計(jì)算出泵的凈節(jié)能率為18.2%，單泵年凈節(jié)能效益超70 萬(wàn)元/a。若將該技術(shù)推廣至全礦，預(yù)計(jì)年凈節(jié)能效益近610 萬(wàn)元/a，節(jié)能效益巨大。同時(shí)，節(jié)能系統(tǒng)運(yùn)行期間，水環(huán)泵的運(yùn)行功率穩(wěn)定，即該技術(shù)的節(jié)能效果穩(wěn)定可靠。

圖11 節(jié)能技術(shù)應(yīng)用1 號(hào)水環(huán)真空泵能耗對(duì)比Fig.11 Variation curves of energy consumption of No.1 WRV pump

6 結(jié)論

(1)優(yōu)選出適用于水環(huán)真空泵高湍流、強(qiáng)旋轉(zhuǎn)剪切環(huán)境的高分子減阻劑，具有顯著的剪切稀化和黏彈性流變特性，大幅度降低泵內(nèi)摩擦阻力和湍流阻力，在最佳質(zhì)量濃度4.5 g/L 的工況時(shí)具有優(yōu)異的節(jié)能效果和節(jié)能穩(wěn)定性。

(2)研究表明水環(huán)真空泵軸功率與轉(zhuǎn)速呈冪指數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系，在減阻液介質(zhì)工況時(shí)軸功率的增長(zhǎng)速率比水介質(zhì)低，節(jié)能率隨轉(zhuǎn)速增加而增大，節(jié)能效益越顯著。

(3)研發(fā)了適于煤礦瓦斯抽采泵站運(yùn)行工況的水環(huán)真空泵節(jié)能提效系統(tǒng)及工藝，在張集煤礦東風(fēng)井瓦斯抽采泵站1 號(hào)水環(huán)真空泵上應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)泵節(jié)能率達(dá)21.1%，凈節(jié)能率為18.2%，節(jié)能效益顯著，有效緩解了瓦斯抽采系統(tǒng)能耗大的問題。