大功率潛水電泵運用模式探討及應用

天津大學 管理學院 蔣 猛

河南礦山搶險救災中心

河南礦山搶險救災中心 李 瑋 陳 棟 李志豪 薛雅娟 吳莉娜

大功率潛水電泵運用模式探討及應用

天津大學 管理學院 蔣 猛

河南礦山搶險救災中心

河南礦山搶險救災中心 李 瑋 陳 棟 李志豪 薛雅娟 吳莉娜

一、研究背景

1976年我國向西德里茨（Ritz）公司采購一批功率為800～1 600 kW的大型礦井用潛水電泵，并采取技貿結合的方式部分引進大型礦用潛水電泵的制造技術。但是，引進后發(fā)現，這種大型礦用潛水電泵存在一個功能性缺點，即要求淹沒深度很深。水泵具有上吸入口和下吸入口，匯流后從最上端的吸入吐出體出水口排出。為了保證水泵的進水條件，最低吸入水位必須高于設置在水泵最上端的上吸入口0.8～1.0 m，因此要求大型礦用潛水電泵的淹沒深度H必須為：

式（1）中，h為大功率潛水電泵總長度，H0為吸入口安全高度。

常用潛水電泵的總高度為7～12 m，揚程越高，h越大，這一運行模式適用于井底水窩較深的大型煤礦，也適用于大江大湖的高揚程取水。但如果井底水窩不夠深時，該類潛水電泵只能將水排至距井底H高的位置。而殘留水位過高，將導致被淹泵房難以暴露，人和設備難以進入，泵房難以恢復，礦井難以恢復生產。其運行方式如圖1所示。

同時，引進的大功率潛水電泵在結構上只適合立式安裝，難以解決斜井開拓大涌水量礦井的排水復礦問題。此外，如果斜井開拓大涌水量礦井沒有軌道或者斜井巷道塌方嚴重，則該水電泵將會難以潛入水中而影響使用。因此，需要對潛水泵的結構進行改進，開發(fā)新的應用模式。本文，筆者對此進行了探討。

二、接力排水系統(tǒng)的開發(fā)與發(fā)展

1.軸流式接力泵及其接力排水系統(tǒng)。引進國外潛水電泵的最低淹沒深度在8.5～15.4 m，從式（1）可以看出，由于大型礦用潛水電泵要求如此大的淹沒深度，因此在很大程度上限制了自身的使用范圍和功能的發(fā)揮。為了復礦排水，要求最低殘留水位越低越好，以便排水終結時可以暴露出主坑道，而且，還要求要能夠進人、進設備，這一安全高度為0.8～1.2 m。為此，20世紀80年代，人們開出大型潛水電泵+密封吸罩+全貫流式潛水軸流泵的接力排水系統(tǒng)，系統(tǒng)運行模式如圖2所示。

接力排水系統(tǒng)推出后，在礦山搶險排水中發(fā)揮了重要作用。借助該系統(tǒng)，在多次搶險排水中，最低殘留水位降到了0.5 m，使多次礦山搶險排水中得以成功復礦。但是，這種接力排水系統(tǒng)在使用中也暴露出了一系列功能和技術上的缺陷。例如，系統(tǒng)接力泵采用軸流泵水力模型，與主潛水泵性能匹配性差，容易出現超功率和關死點現象，引起系統(tǒng)振動和電機過熱，使得系統(tǒng)可靠性降低，運行很不安全；電機繞組線在水壓作用下，絕緣迅速下降，系統(tǒng)一次潛沒水深度受到很大限制（廠家建議≤11 m），使得聯合排水系統(tǒng)不能一次安裝到位，需要多次安裝追排水，對于大涌水量礦井，安裝費用和運行電費耗資巨大，同時也貽誤了搶救遇險礦工的最佳時機。因此，迫切需要研制新型接力排水泵，提高其運行可靠性。

2.混流接力潛水電泵及其接力排水系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用新型充油式可深潛的混流接力潛水電泵，并與大功率潛水電泵組成接力排水系統(tǒng)，可以解決原接力排水系統(tǒng)可靠性低的問題。該接力潛水泵的優(yōu)點是適用于大淹沒深度下的安全運行，電機為內充油式、壓力自平衡。并且，在流量、揚程變化范圍大的情況下，接力泵不超功率，可以安全、高效地運行（吸水罩無需開天窗泄流）。這種混流接力泵性能穩(wěn)定可靠，設計無故障運行時間達6 000 h。河南礦山搶險救災中心應用該泵，在現場運行的最長時間為900 h。

三、超大功率潛水電泵的斜置排水技術

1.技術背景。對于淹沒的斜井開拓礦井，當其涌水量小于250 m3/h，可以采用臥泵跨步追排水進行復礦，也可以采用小潛水泵群泵追排水復礦。目前，國內200 kW以下多級潛水泵設計工況均是立式安裝運行。作為搶險救災可以將其臥式安裝運行，但運行的可靠性較低，易出故障。小涌水量被淹礦井采用多泵并聯的方法，來增加可靠性可以成功排水。對于涌水量大于250 m3/h的斜式礦井，采用以上方式排水復礦，不僅代價昂貴，成功概率也很降低。為此，河南礦山搶險救災中心開發(fā)出了臥式大功率潛水電泵并組成斜置排水系統(tǒng)。

2.斜置排水裝置的研制。針對目前我國僅有的550 m3/h、1450 m3/h兩種大功率高揚程排水模型，并考慮礦井一般開拓深度在300 m左右，筆者設計開發(fā)了HKQB-1600-1450/300臥式潛水泵。

HKQB-1600-1450/300潛水泵加接力泵、吸水罩，主機自重16 t，長達13 m。按斜角30°，管子斜長將達600 m，系統(tǒng)自重達130 t，水錘力可達114 t，系統(tǒng)最大載荷319 t。因此，必須重新驗算電機推力軸承、導軸承、定子、轉子在臥式運行時的剛度和強度，對薄弱構件重新選擇材質和設計結構，改善其結構性能，以滿足臥式運行工況要求。

3.現場運行實例。系統(tǒng)設計和改造完成后，在湖南某礦進行了工業(yè)性試驗。該礦正常涌水量為2 700～4 500 m3/h，二水平暗斜井排水，在排水中也曾經遇到過挫折，但是主井主泵HKQB-1600-1450/300安全運行13 000 h，標志著逆止閥臥式改造成功。

四、大功率潛水電泵的非潛水運行模式

1.問題的提出。筆者在排水復礦實踐中遇到了多起斜井軌道被拆除或被洪水沖毀的情況，同時礦井涌水量較大并伴隨煤泥淤積和掉渣現象。例如，河南某煤礦淹沒已達3年，淹沒時軌道被拆除，并有多處落渣現象，現在需要排水復礦，其涌水量達400 m3/h。礦井為斜井開拓，井筒斷面的限制決定了采用大功率臥泵追排水難以實現，較大的涌水量和較高的揚程（290 m）決定了小潛水泵群泵追排水的低可靠性和高復雜性，因而應當嘗試大功率潛水電泵的適應性運行模式。

2.系統(tǒng)的實現。針對礦井實際，筆者設計了一種大功率潛水電泵的非潛水運行模式，系統(tǒng)的運行模式如圖3所示。

吸水罩與接力泵之間采用Ф200軟管連接，接力泵為充油式混流接力泵，隨著其揚程增加而流量減少，變化較急，但功率變化較少，揚程可調范圍較大。浮子浮力為1.5 t，足以支撐接力泵運行時漂浮在水面上。

從圖3可以看出，大功率潛水電泵通過軟管與接力泵相連而分離布置，接力泵漂浮于水面上吸水運行，避免了沉積物吸入水泵而損壞潛水泵。體積大、重量重的主潛水泵處于非潛水運行狀態(tài)，便于吊裝維護移動，可以實現邊排水、邊鋪設軌道、邊維護巷道。同時，也避免了大功率潛水電泵下放或運行時，因發(fā)生掉道及遭遇障礙物等而造成的損失。