煤礦井下排水系統(tǒng)效率分析及節(jié)能途徑研究

張 鵬

（山西焦煤霍州煤電集團團柏煤礦，山西 霍州 031400）

煤礦生產(chǎn)過程中需要大量排水，排水系統(tǒng)對于煤礦開采效率影響重大，是煤礦必不可少的主要系統(tǒng)之一[1]。根據(jù)煤礦歷史數(shù)據(jù)，原煤開采時所需排水量是開采煤量的3～9倍，降雨量大或濕度大的地區(qū)更是能達到30倍。為保證煤礦生產(chǎn)過程中的水量排出，煤礦井下排水系統(tǒng)需要多臺水泵同時工作，水泵工作耗電量巨大，峰值可達幾百千瓦。除此之外，煤礦排水系統(tǒng)所用的控制系統(tǒng)也要大量耗電，用于井下排水的電量對煤礦開采總成本有直接影響[2]。因此，提高煤礦井下排水系統(tǒng)的用電效率，在保證安全基礎(chǔ)上實現(xiàn)節(jié)能運行，降低總體耗電量能夠減少開采成本，提高煤礦生產(chǎn)效率。本文以團柏煤礦443m水平中央泵房為研究對象，對其排水效率進行研究分析，結(jié)合團柏煤礦實際情況提出443m水平中央泵房排水節(jié)能途徑，為團柏煤礦溝底泵房、400m水平一泵房、400m水平二泵房提供理論基礎(chǔ)和實踐依據(jù)。

1 工程概況

團柏煤礦位于山西省霍州市白龍鎮(zhèn)陳村，地跨霍州、汾西、洪洞三個市、縣。1973年12月1日建井，1980年12月投產(chǎn)，年設(shè)計能力60萬t，通過提高科技水平使其年生產(chǎn)能力達到了270萬t。井下現(xiàn)有443m和400m兩個主要水平，共四個主排水泵房，分別為443m水平中央泵房、溝底泵房、400m水平一泵房、400m水平二泵房。其中443m水平中央泵房主排443m水平涌水，為一級排水系統(tǒng)；400m水平二泵房主排400m水平涌水，為一級排水系統(tǒng)；400m水平一泵房、溝底泵房是400m水平排水的備用泵房，為二級排水系統(tǒng)。四個主排水泵房均有完善的雙回路供電系統(tǒng)。其中443m水平中央泵房：水倉容量4800m3（主水倉3300m3，副水倉1500m3），安裝4臺D450-60×3型水泵，流量450m3/h，揚程180m，電機功率均為355kW，兩趟Φ325mm管路沿付斜井敷設(shè)至地面，主排443m水平涌水，為443m水平一級排水系統(tǒng)。

2 排水系統(tǒng)效率分析

井下排水系統(tǒng)的耗電量取決于井下總排水量以及每臺排水裝置的用電效率。設(shè)備用電效率是其耗電水平的評價指標(biāo)，包括水泵效率、傳動效率、電機效率等[3-4]。電路功率因數(shù)可以利用無功補償電容器來提高，其中電動機自身性能可以決定電機效率，因此，水泵效率和管路傳動效率對排水系統(tǒng)工作效率更重要。

井下排水系統(tǒng)效率是各個環(huán)節(jié)效率乘積，包括電機效率、管路效率及水泵效率，其計算公式為：

式中：

η-系統(tǒng)效率，%；

ηd-電動機效率，%；

ηg-管路效率，%；

ηs-水泵效率，%。

根據(jù)以上分析，水泵和管路的各自效率制約著排水系統(tǒng)的工作效率。此外，工業(yè)用電峰谷的劃分也會影響排水系統(tǒng)的消費，谷段電價較峰段電價的費用較低[5]。

2.1 水泵效率分析

離心泵工作過程中其效率受到流量Q（m3/h）、轉(zhuǎn)速R（rad/min）、效率ηs（%）、功率N（kW）、揚程H（m）及吸水高度Ht（m）影響，研究其中兩者關(guān)系時可將其他參數(shù)取為常數(shù)，得出H-Q、N-Q、η-Q關(guān)系曲線[6]，此關(guān)系曲線即為水泵特性曲線，如圖1所示。

圖1 水泵特性曲線

水泵的液流功率表達式：

式中：

ρ-水密度，1000kg/m3。

由此表達式可知當(dāng)水倉水位越高時水泵的液流

由此表達式可知當(dāng)水倉水位越高時水泵工作效率越高，即能效越高，節(jié)能越好。水泵泵水過程中存在一些動力損失，此損失來自于水管對流經(jīng)管路水流有摩擦阻力，其摩擦損失最終將導(dǎo)致水泵實際揚程降低，造成能耗增加，由于摩擦阻力導(dǎo)致?lián)P程損失為：

式中：

Q-實際流量，m3/h；

kmq-摩擦擴散系數(shù)，m/m3，此處取0.04。

水輪葉片對水流存在一部分阻力，其原因是液體流動方向與葉片方向誤差使得水流動力損失，其損失揚程為：

式中：

Qe-理論流量，m3/h；

kg-沖擊損失系數(shù)，m/m3，此處取0.02。

經(jīng)過分析推導(dǎo)得出水泵揚程與流量關(guān)系為：

式中：

Hl-水泵理論揚程，根據(jù)水泵參數(shù)取180m。

2.2 管路效率分析

管網(wǎng)對流經(jīng)其中的水流有力的作用，管路阻力影響最終計算公式為：

式中：

R-管網(wǎng)阻力系數(shù)。

由公式可知，流量平方值越大，受到管路阻力也越大，因此在對443m水平中央泵房節(jié)能分析中，可知調(diào)節(jié)流量能夠顯著改變其管路阻力，除此之外還可以通過減少排水主管路的彎角數(shù)量及彎角弧度，進而減小其管網(wǎng)阻力系數(shù)以減小能耗損失。

3 排水系統(tǒng)節(jié)能途徑研究

排水系統(tǒng)選擇安裝水泵時，水泵基本參數(shù)是固定值，水泵控制是通過控制其閥門開度的方式，需要消耗額外電能。因此通過研究分析可以通過以下幾個方面來使排水系統(tǒng)工作更加高效。

（1）提高排水水位

根據(jù)公式（2）分析可知，水泵排水過程中揚程和排水流量影響著消耗電能的大小，當(dāng)水泵排放流量不變時，揚程數(shù)值越大，則單位時間內(nèi)水泵耗電量越高，所以應(yīng)在滿足工作要求的情況下盡可能降低揚程。改變水泵揚程可以通過改變其水泵揚程和壓頭揚程兩部分來實現(xiàn)，第一種方案是更改水泵參數(shù)，因為水泵參數(shù)選擇時已確定，所以改變參數(shù)不容易實施；第二種方案是提高水倉水位，此方法能夠利用高位的水倉來使吸水揚程縮短，因此水泵的總揚程被減小，耗電量下降。

（2）優(yōu)化組合排水管路

根據(jù)管路阻力計算公式（7）可知，管路流量越大，其管路阻力越大。所以煤礦井下排水量和排水系統(tǒng)的耗電量密切相關(guān)。對此可以增加管路組合，同時間多管路并行工作，增大管路通過能力，來使運行阻力減小。

圖2 管路并聯(lián)特性曲線

管路并行特性曲線如圖2所示，圖中曲線3為前兩條管路并聯(lián)運行得出的特性曲線。由圖2可以看出，水泵由1和2并聯(lián)運行時，流量增大，在不改變揚程的情況下能夠使管路實現(xiàn)更高效的運行，相對管路阻力消耗的電能降低。

因此，通過分析可以得出，通過增加排水管路使管路并聯(lián)運行能夠使單泵工作時的管路阻力減小，提升系統(tǒng)效率。

（3）錯峰用電

以往煤礦企業(yè)優(yōu)化排水系統(tǒng)時通常針對系統(tǒng)運行效率，對影響系統(tǒng)工作效率的各個環(huán)節(jié)都采取了相應(yīng)的措施，優(yōu)化組合了多種排水解決方案，使得系統(tǒng)效率盡可能的提升?，F(xiàn)階段，電力部門針對一部分區(qū)域的用電情況，實施了峰谷階梯電價調(diào)整，峰值用電電價和低谷用電電價差距明顯，使得一些大型用電企業(yè)開始優(yōu)化用電時間。由此，團柏煤礦443m水平中央泵房在排水時盡量躲開峰段，充分利用谷段來排水，在2018年6月至2018年12月其間，月均節(jié)省電費1萬余元。

4 結(jié)語

對團柏煤礦443m水平中央泵房排水系統(tǒng)進行研究，分析水泵效率和排水管路效率對排水系統(tǒng)能耗影響，確定了提高排水水位、優(yōu)化組合排水管路和錯峰用電的節(jié)能途徑，并在2018年6月至12月使用該節(jié)能策略進行排水控制，在滿足井下排水要求的情況下月均節(jié)省電費1萬余元，為團柏煤礦其他泵房排水系統(tǒng)節(jié)能控制提供理論基礎(chǔ)和實踐依據(jù)。