量子管通環(huán)在瓦斯抽采泵站的應(yīng)用

張偉偉

（西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司通風(fēng)處， 山西 太原 030025）

引言

長(zhǎng)期以來，使用循環(huán)水系統(tǒng)的礦井瓦斯抽采泵站，由于循環(huán)水水質(zhì)較硬，即使加入軟化水藥劑、使用軟化水裝置，水環(huán)式真空泵泵體、配套電機(jī)水冷裝置管網(wǎng)結(jié)垢及管路腐蝕現(xiàn)象仍然存在，影響泵的運(yùn)行效率及安全。因此，如何有效除垢，改善循環(huán)水水質(zhì)，同時(shí)兼顧安全、經(jīng)濟(jì)、便利因素，成為馬蘭礦瓦斯抽采泵站管理的一項(xiàng)重點(diǎn)工作。

1 現(xiàn)場(chǎng)概況

馬蘭礦建有南一地面瓦斯抽采泵站一座，高濃系統(tǒng)于2005年年底建成并試運(yùn)轉(zhuǎn)，安裝1臺(tái)2BEC-72和2臺(tái)2BEC-62型水環(huán)式真空泵，分別配套630 kW、400 kW電機(jī)；低濃系統(tǒng)于2013年10月底建成并試運(yùn)行，安裝兩臺(tái)2BEC-100型水環(huán)式真空泵，配套1 120 kW電機(jī)。為節(jié)約用水，泵站建有循環(huán)水倉，對(duì)水環(huán)真空泵及配套電機(jī)進(jìn)行供水和冷卻。

隨著水環(huán)式真空泵的運(yùn)行，為降低水溫、水質(zhì)、相互反應(yīng)等導(dǎo)致的結(jié)垢，馬蘭礦采用注入藥劑、更換水倉用水、定期拆泵進(jìn)行清洗等措施，但仍不可避免地出現(xiàn)氣水分離器出水口結(jié)垢明顯，循環(huán)水倉入水口有垢體、鐵銹流出，電機(jī)水冷管路內(nèi)壁有鐵銹層、管壁變薄（如圖1所示），水環(huán)式真空泵使用一段時(shí)間后吸氣量下降、真空度降低，甚至?xí)r間稍長(zhǎng)，循環(huán)水倉水體渾濁、表面漂浮菌藻微生物等現(xiàn)象。措施的效果有限，難以維持長(zhǎng)久，同時(shí)頻繁注入藥劑、拆開泵體清洗（結(jié)垢現(xiàn)象如圖2所示）成本較高，尤其是拆泵清洗耗工耗時(shí)，且敲打葉輪等易導(dǎo)致泵的使用壽命下降[1]。

2 解決方案

2.1 結(jié)垢原因分析

水進(jìn)入真空泵后，隨著葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)在泵體內(nèi)形成水環(huán)做功、發(fā)熱，使溶解在水中的碳酸鹽分解，析出難溶于水的沉淀并結(jié)成水垢；循環(huán)水中原本溶解度較大的鹽類，在真空泵運(yùn)行過程中和其他鹽類發(fā)生反應(yīng)，形成難溶物質(zhì)而結(jié)成水垢；受轉(zhuǎn)子離心力作用，水內(nèi)雜質(zhì)易在轉(zhuǎn)子、泵體上沉積，形成一種致密的垢層。隨著真空泵結(jié)垢開始，泵體內(nèi)水的熱傳遞效率逐步下降，進(jìn)一步加快結(jié)垢速度。同樣，被加熱的循環(huán)水析出的沉淀物在水冷管路內(nèi)形成結(jié)垢，而電化學(xué)反應(yīng)的存在導(dǎo)致金屬管壁出現(xiàn)銹蝕幾乎無法避免。

鑒于當(dāng)前循環(huán)水倉用水不能實(shí)現(xiàn)不含雜質(zhì)、水的總硬度為零，結(jié)垢、管道內(nèi)壁銹蝕現(xiàn)象是客觀存在的。而使用軟化藥劑、人工清除結(jié)垢，更多的是緩解此種現(xiàn)象進(jìn)一步加劇的措施，難以實(shí)現(xiàn)從源頭的治理。因此，實(shí)現(xiàn)較好的泵體、管路除垢與防垢效果，需引入新的工藝、手段。

圖1 水冷管路內(nèi)銹蝕、結(jié)垢實(shí)況

圖2 水環(huán)式真空泵泵體結(jié)垢實(shí)況

2.2 量子管通環(huán)簡(jiǎn)介

經(jīng)過調(diào)研，市面上的量子管通環(huán)裝置具有除垢、防垢、防腐及水質(zhì)改善功效。

量子管通環(huán)是德國(guó)IAB公司開發(fā)的以硅、鋁為主要成分的生物活性功能材料，是一種能夠在亞原子級(jí)穩(wěn)定儲(chǔ)存、記憶及釋放量子信息（超精微振動(dòng)波，分子振動(dòng)波，生物信號(hào)）的高科技材料，如下頁圖3所示。

它通過特定設(shè)備測(cè)定和儲(chǔ)存水中水垢和鐵銹等相關(guān)物質(zhì)的分子振動(dòng)波形，并針對(duì)性地開發(fā)改變其物理特征的超精微振動(dòng)波，然后利用激光技術(shù)將這種波儲(chǔ)存于量子管通環(huán)。在量子管通環(huán)安裝于管道上的瞬間，超精微振動(dòng)波即被持續(xù)恒定地釋放出來，透過管壁傳入水中，并用水作為傳輸和儲(chǔ)存這種振動(dòng)波的介質(zhì)。水接納這種振動(dòng)波后按水流方向傳播開去，使管網(wǎng)中每個(gè)角落的水都能載上振動(dòng)波能量，如圖4所示。

圖3 量子管通環(huán)實(shí)物及基本原理示意圖

圖4 量子管通環(huán)釋放超精微振動(dòng)波示意圖

在振動(dòng)波的作用下，水中相關(guān)離子的振動(dòng)特性發(fā)生改變，離子間的結(jié)合力減弱，不易結(jié)晶析出；水分子的活性得到極大加強(qiáng)，溶解力、滲透力和包含垢的能力增強(qiáng)；原有老垢和銹蝕物分子的振動(dòng)能級(jí)及振動(dòng)幅度不斷增強(qiáng)，容易擺脫晶體變軟脫落；激發(fā)水中的氧原子和金屬表面的鐵原子，使其產(chǎn)生特定結(jié)合，在金屬表面形成保護(hù)性氧化層，從根本上實(shí)現(xiàn)管路防腐。

2.3 方案選定

進(jìn)一步調(diào)研發(fā)現(xiàn)，量子管通環(huán)在油田石化、冶金鋼鐵、啤酒飲料、食品制藥等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，一定程度上從側(cè)面證明了其應(yīng)用效果。對(duì)于礦井瓦斯抽采泵站而言，由于其安裝、使用便捷，無需停泵或拆開管路（安裝如圖5所示），不影響抽采系統(tǒng)運(yùn)行；不用電，符合泵站防爆等級(jí)要求；無化學(xué)藥品，不產(chǎn)生污染；自身無需維護(hù)、單次投入使用時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)適合抽采泵站使用并選定試用。

圖5 量子管通環(huán)安裝示意圖

量子管通環(huán)為兩個(gè)半環(huán)，用螺栓連接，被直接安裝于管道外壁，無需切割或打孔，不停系統(tǒng)。

3 應(yīng)用效果

確定方案后，馬蘭礦于2013年2月在高濃瓦斯抽采泵循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行試用，將WELLAN2000型量子管通環(huán)安裝到循環(huán)水倉出水管上，如圖6所示。

經(jīng)過3個(gè)月的運(yùn)行，在不使用軟化藥劑的情況下，倉內(nèi)水質(zhì)有明顯改變，水面漂浮菌藻微生物減少，出水口水量穩(wěn)定，入水口無水垢和鐵銹流出[2]。使用半年后，拆開管路查看，管路內(nèi)結(jié)垢體基本消失，管壁銹蝕程度得到了抑制，如圖7所示。

圖6 量子管通環(huán)現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

圖7 量子管通環(huán)使用半年后管路內(nèi)壁實(shí)況

此時(shí)抽采泵的工況流量達(dá)到了267 m3/min，在抽采系統(tǒng)無大的變化的條件下（最大影響為回采工作面抽采距離縮短），抽采量較半年的250 m3/min左右增加了17 m3/min，泵的機(jī)械效率由半年前的71%左右提升到76%左右，同時(shí)真空泵進(jìn)氣側(cè)抽采負(fù)壓增加了2～3 kPa。

從2013年下半年開始，馬蘭礦高濃瓦斯抽采泵循環(huán)水系統(tǒng)停止使用除垢裝置和軟化水藥劑，實(shí)現(xiàn)了量子管通環(huán)的替代，并且近6年來未拆泵進(jìn)行清洗，大大節(jié)省了人工、成本。再考慮管路系統(tǒng)結(jié)垢導(dǎo)致的用水、耗電增加，應(yīng)用量子管通環(huán)所帶來的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保效益更大。

根據(jù)2019年2月抽采報(bào)表，礦高濃系統(tǒng)2BEC62水環(huán)真空泵的工況流量在281 m3/min左右，即抽采泵投用超過13年、未拆開清洗超過6年的條件下，泵的機(jī)械效率仍能達(dá)到80%，遠(yuǎn)超其他礦井同等條件下未使用量子管通環(huán)的真空泵的運(yùn)行效率，充分證明了量子管通環(huán)除垢、防垢及改善水質(zhì)解決方案在瓦斯抽采泵站應(yīng)用的合理性、有效性。

4 結(jié)語

截至目前，雖然量子管通環(huán)應(yīng)用時(shí)間未達(dá)到設(shè)計(jì)壽命（不低于15年），后續(xù)的防垢、改善水質(zhì)效果是否會(huì)下降，或者徹底失效，暫無從考證。但從當(dāng)前超過6年的運(yùn)行情況來看，綜合人工、藥劑、維護(hù)、能耗、用水、延長(zhǎng)管道壽命等因素，在應(yīng)用有效的前提下，費(fèi)用已低于一般除垢、清洗方法。下一步，馬蘭礦南九地面抽采泵站投用時(shí)將繼續(xù)應(yīng)用該解決方案。