雷振偉+崔天亮

摘 要：本文對(duì)礦井主排水系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)進(jìn)行研究和分析，結(jié)合礦井的實(shí)際情況，通過經(jīng)濟(jì)實(shí)用性比選，選擇適宜的節(jié)能技術(shù)方法，通過分析計(jì)算，制定節(jié)能改造方案，并對(duì)改造后運(yùn)行情況和節(jié)能效果進(jìn)行了驗(yàn)證分析，總結(jié)出了適用于煤礦主排水系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)方法，提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性，較大的降低了電能消耗，實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn)和節(jié)約能源。

關(guān)鍵詞：主排水系統(tǒng)；節(jié)能；性能曲線；自動(dòng)化

中圖分類號(hào)：TD82 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

礦井主排水系統(tǒng)是關(guān)系礦井安全生產(chǎn)的重要系統(tǒng)，而隨著煤炭開采深度的不斷增加，礦井涌水量及排水難度隨之加大，對(duì)礦井主排水系統(tǒng)的要求也越來越高，同時(shí)由于深度增加礦井主排水系統(tǒng)耗電量大幅增加，基本上要占到礦井總耗電量的20%-40%，企業(yè)生產(chǎn)成本壓力巨大。并且由于新設(shè)備、新工藝、新技術(shù)、新材料的不斷出現(xiàn)，現(xiàn)有的設(shè)備、系統(tǒng)也越來越不能滿足安全生產(chǎn)和節(jié)能環(huán)保的要求，因此對(duì)礦井主排水系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能技術(shù)研究和改造能大幅降低能源消耗，提高系統(tǒng)安全性和可靠性，對(duì)安全生產(chǎn)和節(jié)能環(huán)保有著重要意義。

1某礦井主排水系統(tǒng)的現(xiàn)狀

礦井正常涌水量1500m3/h，最大涌水量2700m3/h，礦井水容重： γ0=1020kg/m3。配備9臺(tái)MD500-57×10型耐磨多級(jí)離心水泵，4臺(tái)工作，4臺(tái)備用，1臺(tái)檢修。每臺(tái)泵配套YB2型4極1120kW礦用防爆電動(dòng)機(jī)。排水管路采用4趟Φ426mm無縫鋼管排水管。排水高度419m（水泵吸水和礦井水處理站附加揚(yáng)程共取15 m）。兩泵單趟Φ426mm排水管并聯(lián)運(yùn)行工況點(diǎn)參數(shù)：流量1108.6 m3/h，揚(yáng)程501.2m，效率73%，單臺(tái)泵軸功率1036.4kw。排水泵電機(jī)由井下變電所一對(duì)一供電，在水泵房設(shè)就地操作按鈕。

由于水泵選用過大、原管路布置不合理、控制系統(tǒng)落后等原因，主排水系統(tǒng)自動(dòng)化程度低、運(yùn)行效率低、可靠性差，排水系統(tǒng)耗電量較大，達(dá)到0.511kW·h/（t·hm），大于0.5kW·h/（t·hm）不滿足MT/T1002-2006《煤礦在用主排水系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測(cè)方法和判定規(guī)則》及《煤炭工業(yè)節(jié)能減排工作意見》等國(guó)家有關(guān)節(jié)能工程實(shí)施方案等相關(guān)政策法規(guī)要求，必須對(duì)主排水系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造。

2礦井排水節(jié)能技術(shù)

2.1調(diào)整管路布置，減少管路阻力。

通過調(diào)整管路直徑及走向，更換低阻管件、閥門，減少管路阻力，改變管路特性曲線，使系統(tǒng)在最佳工況運(yùn)行。

2.2切削水泵葉輪，改變水泵性能曲線。

葉輪切削對(duì)于過分保守的設(shè)計(jì)或者系統(tǒng)負(fù)荷發(fā)生了變化所導(dǎo)致的泵容量偏大的情況是個(gè)非常有用的改進(jìn)措施。葉輪切削就是調(diào)整葉輪的直徑，降低葉輪的端速，并由此直接地降低了傳遞到系統(tǒng)流體介質(zhì)上的能量，并且降低了泵所產(chǎn)生的流量和壓力。 離心泵相似性定律提供了在恒定的泵速度條件下葉輪尺寸及泵輸出之間的理論關(guān)系，如果改變?nèi)~輪的出口直徑，則離心泵的特性曲線平行移動(dòng)，可以采用車削離心泵葉輪外徑的方法改變一臺(tái)泵的性能范圍，以使泵的性能更適合節(jié)能運(yùn)行需要。

2.3使用新型涂層材料，提高葉輪泵殼光潔度。

采用超滑涂層材料對(duì)水泵進(jìn)行涂覆改造，增加葉輪及泵殼的光潔度，改善泵內(nèi)水流狀態(tài)，減少阻力，達(dá)到提高效率、降低能耗的效果。

2.4無底閥排水

采用無底閥排水，具有增加吸水高度、增大汽蝕余量、排水效率高等優(yōu)點(diǎn)。無底閥排水方法很多，如采用真空泵、射流泵、水環(huán)泵、真空水箱等。

2.5基于PLC的自動(dòng)化控制系統(tǒng)

采用PLC和傳感器自動(dòng)檢測(cè)水位和其它參數(shù)，根據(jù)水位的高低、礦井用電信息等因素，建立數(shù)學(xué)模型，合理調(diào)度水泵運(yùn)行，可以達(dá)到避峰填谷及節(jié)能的目的。

2.6優(yōu)化水泵設(shè)置，更換高效水泵。

使用新型高效節(jié)能水泵替代落后的高耗能水泵，可以降低系統(tǒng)負(fù)荷，減少電能消耗，提高系統(tǒng)的可靠性。隨著水泵技術(shù)的發(fā)展，一些高效節(jié)能的水泵得到越來越多的應(yīng)用，如雙吸泵、自平衡泵等。

2.7變頻調(diào)速節(jié)能

根據(jù)系統(tǒng)的工藝要求，通過實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，調(diào)整電動(dòng)機(jī)的電源輸入頻率，改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制電動(dòng)機(jī)的輸入功率，實(shí)現(xiàn)“所供即所需”，實(shí)行最優(yōu)運(yùn)行調(diào)度方案，達(dá)到最佳節(jié)能效果。并且使用變頻裝置后，利用變頻器的軟啟動(dòng)功能將使啟動(dòng)電流從零開始，最大值也不超過額定電流，減輕了對(duì)電網(wǎng)的沖擊和對(duì)供電容量的要求，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。

2.8功率因數(shù)補(bǔ)償節(jié)能

功率因數(shù)的降低導(dǎo)致有功功率的降低，大量的無功電能消耗在線路當(dāng)中，增加線損和設(shè)備的發(fā)熱，設(shè)備使用效率低下，浪費(fèi)嚴(yán)重。通過功率因數(shù)補(bǔ)償，功率因數(shù)提高，從而減少了無功損耗，增加了有功功率，可以提高電氣設(shè)備利用率，降低變壓器及母線因輸送無功功率造成的電能損耗。

3節(jié)能改造方案選定及運(yùn)行效果分析

結(jié)合礦井排水系統(tǒng)現(xiàn)狀和礦井實(shí)際條件，通過經(jīng)濟(jì)實(shí)用性比選，選擇從調(diào)整管路、切削葉輪、無底閥排水、使用新型涂料、自動(dòng)化控制等方面進(jìn)行節(jié)能改造。

3.1調(diào)整管路

合理布置主排水管路，將井底及泵房出口處的U形彎取直，盡量縮短管路長(zhǎng)度，減少沿程損失；更換急驟彎曲和突然變徑管件和阻力大的閥門，最大限度減小主排水管路各種阻力損失，提高管路效率；對(duì)主排水管路進(jìn)行除垢清洗，降低摩阻力。管路調(diào)整后管路總阻力下降了19%，管路特性曲線得到優(yōu)化，配合水泵特性曲線的改變，排水系統(tǒng)的工況點(diǎn)位于高效區(qū)最高效率點(diǎn)附近，節(jié)能效果明顯。

3.2切削葉輪

由現(xiàn)狀運(yùn)行工況點(diǎn)參數(shù)可知水泵和管道不相匹配，“大馬拉小車現(xiàn)象”嚴(yán)重，水泵處于“大流量、低效率、高功耗”的不利工況運(yùn)行。可以采用切削離心泵葉輪外徑的方法改變泵的性能范圍，以使泵的性能更適合節(jié)能運(yùn)行需要。MD500-57×10耐磨多級(jí)離心泵葉輪直徑為435mm，根據(jù)水泵葉輪切削定律：endprint

經(jīng)計(jì)算切削后葉輪外徑為420mm。切削后水泵吸水高度增加，水泵性能曲線下移與優(yōu)化后的管路特性曲線交點(diǎn)位于水泵的高效區(qū)，接近最高效率點(diǎn)，相應(yīng)的兩泵單趟Φ426mm排水管并聯(lián)運(yùn)行工況點(diǎn)參數(shù)為：流量1071.6 m3/h，揚(yáng)程466.1m，單臺(tái)泵軸功率934.37kW，計(jì)算能耗降低了9%。

排水能力校核：正常涌水期為4臺(tái)MD500-57×10型耐磨多級(jí)離心水泵并聯(lián)工作于2趟Φ426mm排水管，排水能力2143.2m3/h，日排水時(shí)間為16.8h；最大涌水期為8臺(tái)MD500-57×10型耐磨多級(jí)離心水泵工作分別工作于4趟Φ426mm排水管，排水能力4286.4m3/h，日排水時(shí)間15.1h。均滿足《煤礦安全規(guī)程》第二百七十八條“工作水泵的能力，應(yīng)當(dāng)能在20h內(nèi)排出礦井24h的正常涌水量（包括充填水及其他用水）。備用水泵的能力應(yīng)當(dāng)不小于工作水泵能力的70%。檢修水泵的能力，應(yīng)當(dāng)不小于工作水泵能力的25%。工作和備用水泵的總能力，應(yīng)當(dāng)能在20h內(nèi)排出礦井24h的最大涌水量?！钡囊?。

3.3無底閥排水

配備ZBS-G型高壓汽水兩用噴射裝置，采用無底閥排水，減少吸水損失，可節(jié)能3%左右。

3.4使用新型涂料

使用氟硅涂料對(duì)水泵泵殼和葉輪進(jìn)行砂眼、氣孔修補(bǔ)和表面涂覆， 增加葉輪及泵殼的光潔度，改善水流狀況，減少摩阻力，可節(jié)能1-2%。

3.5自動(dòng)化控制

對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化控制改造，礦井自動(dòng)化排水采用可防爆編程控制器（PLC）集中控制并留有帶控制器的通訊接口以實(shí)現(xiàn)礦井自動(dòng)化監(jiān)控及無人值守。在排水泵的出口管路安裝電動(dòng)閘閥、壓力傳感器，抽真空管路上安裝真空度傳感器，總出水管路上安裝流量傳感器，水倉(cāng)設(shè)液位計(jì)連續(xù)測(cè)量水倉(cāng)水位，作為自動(dòng)調(diào)節(jié)的參考反饋量，通過4～20mA模擬量信號(hào)接入PLC。排水系統(tǒng)可根據(jù)水倉(cāng)水位的高低、井下用電負(fù)荷的高峰低谷和供電部門所規(guī)定的平段、谷段、峰段用電時(shí)間段（時(shí)間段可根據(jù)實(shí)際情況隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整和設(shè)置），建立數(shù)學(xué)模型合理調(diào)度水泵。水泵、電機(jī)、閘閥、管路等引起系統(tǒng)效率低的因素發(fā)生變化，超出系統(tǒng)優(yōu)化指標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)能智能分析判斷、顯示并切換到優(yōu)化運(yùn)行狀態(tài)，從本質(zhì)上解決了排水系統(tǒng)因動(dòng)態(tài)變化引起的劣化運(yùn)行問題，確保排水系統(tǒng)長(zhǎng)期優(yōu)化運(yùn)行。使用智能優(yōu)化排水控制系統(tǒng)后，排水能耗約下降3～5%，并且降低泵的損壞率，減少生產(chǎn)成本，減少用工人數(shù)，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，改善工作環(huán)境。

經(jīng)過節(jié)能改造后，主排水系統(tǒng)運(yùn)行良好，運(yùn)行效率有了很大提高，實(shí)測(cè)耗電量0.398kW·h/（t·hm）<0.5kW·h/（t·hm），滿足MT/T1002-2006《煤礦在用主排水系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測(cè)方法和判定規(guī)則》及《煤炭工業(yè)節(jié)能減排工作意見》等國(guó)家有關(guān)節(jié)能工程實(shí)施方案等相關(guān)政策法規(guī)要求，達(dá)到DB41 572-2009《煤礦在用主排水工序能源消耗限額》劃定的A級(jí)等級(jí)（<0.401kW·h/t·hm），每年節(jié)約用電710.77萬度，節(jié)能效果明顯，達(dá)到了預(yù)期目的。

結(jié)語

通過技術(shù)研究和方案比選，采取的改造方案貼合實(shí)際，易于實(shí)現(xiàn)，以較少的投入取得了良好的效果，通過對(duì)主排水系統(tǒng)的改造，提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性，較大的降低了電能消耗，實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn)和節(jié)約能源，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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