煤礦主排水泵采用變頻前置泵提高運行效率試驗研究

段海鵬，張林偉

(中煤科工集團唐山研究院有限公司國家安全生產唐山礦用泵檢測檢驗中心，河北 唐山063012)

第二作者簡介：張林偉(1989—)，男，河南漯河人，碩士(weiyu5945@163.com)，主要從事礦用泵性能檢測研究.

隨著我國煤礦礦井開采深度的延伸，煤礦井下配備大流量、高揚程、大功率主排水泵已成為常態(tài)[1].主排水泵運行中的實際工況點效率遠低于設計的最高效率，不符合高效安全生產要求.目前主排水泵采用的負壓吸入式排水方式存在嚴重汽蝕及效率不高等問題，使用壽命下降明顯，而改善主排水泵的抗汽蝕能力多采用改變其吸入段結構、抗汽蝕材質、首級雙吸、加誘導輪等措施[2]，該類措施并不能從根本上避免產生汽蝕現(xiàn)象.離心泵的正壓補水可有效消除離心泵汽蝕，提高系統(tǒng)效率[3].前置泵廣泛應用于電廠及石油開采領域，可提高主排水泵入口的壓力，防止發(fā)生汽蝕，提高機組效率等[4].

目前，國內部分煤礦已采用加置前置泵方式以提高主排水泵的抗汽蝕能力.為達到節(jié)能降耗的目的，部分礦井采用變頻調速水泵構建主排水系統(tǒng)[5].主排水泵功率較大，若均由變頻器控制調速，成本較高，采用前置泵變頻可在節(jié)能及動態(tài)調節(jié)流量揚程的基礎上消除主排水泵的汽蝕現(xiàn)象.文中通過結合變頻控制的優(yōu)點，研究一種將前置泵變頻控制與主排水泵定頻控制相結合的排水系統(tǒng)，開展相關理論研究及工程試驗驗證.

1 煤礦主排水泵的節(jié)能及存在問題

1.1 排水系統(tǒng)節(jié)能的要求

依據國家標準《煤礦主要工序能耗等級和限值 第2部分:主排水系統(tǒng)》(GB/T 29723.2—2013)，主排水系統(tǒng)工序能耗(統(tǒng)計期內主排水系統(tǒng)將1 t礦井水提升100 m所消耗的電能Wt，100)應不低于三級[(0.441～0.500)kW·h/(t·hm)]規(guī)定.

如何降低礦井排水設備能耗等級，從而提高設備的效率、降低能耗是中國煤礦節(jié)能減排的總要求.煤礦井下排水主要通過多級離心泵完成，排水設備由離心泵、管路系統(tǒng)、配用電動機組成.設一臺排水設備的年耗電量為W，年排水量為M，水泵工況點揚程為Hm，實際揚程為Hsy，泵效率為ηm，配用電動機效率為ηd，泵與電動機傳動效率為ηc，電網效率ηw，管路效率ηg，則其噸水百米電耗為

(1)

上式中，ηd，ηc，ηw在運行過程中變化較小，可近似為常數(shù)，因此排水系統(tǒng)噸百米電耗主要受泵效率ηm和管路效率ηg的影響.

為降低工序能耗，需提高主排水泵的效率以及配用管路系統(tǒng)效率.文中以提高煤礦主排水泵效率作為目標，對采用變頻前置泵提高運行效率進行研究.

1.2 主排水泵存在的問題

1) 根據《煤礦安全規(guī)程》相關規(guī)定，井下主排水泵的臺數(shù)及排水能力應滿足礦井最大涌水量設計，選型的主排水泵富裕揚程偏高，管路中沿程損失增大，實際工作點向右偏離主排水離心泵高效區(qū)，排水系統(tǒng)運行效率偏低.

2) 煤礦井下生產運行中，大量煤灰進入主排水泵站的排水池中，主排水泵吸入口處負壓吸水，介質中煤灰極易造成主排水泵汽蝕，加快吸入段、葉輪等泵件的磨損速度，泵效率降低，耗電量增大.

3) 煤礦井下用離心泵型號種類繁多，泵用材質不同，包括耐磨、耐腐、清水離心泵等，部分材質抗汽蝕性能較差，首級葉輪處易出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象，造成葉輪表面剝蝕，高效運行時間縮短，能耗增大.

4) 煤礦仍有部分礦井采用效率偏低的老舊型號泵，需升級換代，已有不少企業(yè)生產的首級雙吸自平衡等多級離心泵應用于新設計礦井，大流量、高揚程多級泵其效率可達75%以上，受限于其井下排水管路系統(tǒng)效率，不能發(fā)揮出其高效率，需對其排水管路重新設計.

基于以上情況，需要尋找一種在不改變煤礦使用現(xiàn)狀的條件下，提高煤礦主排水系統(tǒng)效率的方法，為達到此節(jié)能效果，文中提出了前置泵變頻調參概念和泵控技術.

2 前置泵變頻調參及泵控技術原理

主排水泵運行過程中常采用切割葉輪、拆掉葉輪級數(shù)、節(jié)流、變頻裝置變速調節(jié)等方式調節(jié)流量、揚程，為保證煤礦最大排水量、降低因閥門節(jié)流造成的管路損失，可采用變速調節(jié)方法調節(jié)工況點、降低工序能耗[6].

2.1 前置泵變頻調參原理

通過變頻器實現(xiàn)前置泵轉速調節(jié)，改變其性能曲線.根據離心泵相似定律，前置泵流量(Q)、壓力(揚程H)、軸功率(Pa)、效率(η)在輸送同種密度液體時，不同轉速下其參數(shù)對應關系式為

(2)

轉速n1和n2分別對應流量Q1和Q2、揚程H1和H2、軸功率Pa1和Pa2、效率η1和η2.可利用變頻器無級變速，線性調節(jié)前置泵流量，通過轉速控制前置泵所需輸出壓力，從而調節(jié)串聯(lián)主排水泵的進口壓力，實現(xiàn)控制主排水泵出口壓力，減少或消除主排水泵出口因閥門節(jié)流造成的損失.

2.2 泵控泵系統(tǒng)調壓調流原理

泵控泵(PCP)系統(tǒng)主排水離心泵與前置泵串聯(lián)廣泛應用于油田注水，通過變頻器控制前置泵流量及揚程，根據串聯(lián)泵性能疊加原理控制主排水泵的流量及出口壓力，實現(xiàn)小泵控大泵[7].將PCP系統(tǒng)應用于煤礦主排水系統(tǒng)，可解決主排水泵離心泵富裕揚程偏大及使用一段時間后由于主排水泵葉輪磨損揚程下降的問題.

泵控泵系統(tǒng)由前置泵、前置泵變頻裝置、主排水泵等組成，前置泵與主排水泵串聯(lián)，串聯(lián)后的出口壓力為兩泵揚程之和，總流量與經過兩泵流量相同，即

(3)

根據前置泵變頻調參原理式(2)可得

(4)

前置泵在轉速n1和n2下的流量Q1和Q2，揚程H1和H2，由式(3)和(4)可得

(5)

由式(5)可知，調節(jié)主排水系統(tǒng)總揚程只需調節(jié)主排水泵級數(shù)m與前置泵轉速n即可，調節(jié)前置泵轉速即可改變主排水系統(tǒng)總的流量.變頻前置泵加主排水泵方案中的主排水泵通過減級所節(jié)省下的電能用于加置前置泵變頻調節(jié)后仍有很大剩余，節(jié)能效果顯著.

所用前置泵在選用過程中需考慮流量調節(jié)范圍，因此其流量為主排水泵流量的1.25倍左右.變頻調節(jié)過程中具有較寬的調節(jié)范圍，從而擴展了主排水泵的工作范圍.工程實際應用中采用的前置泵可以是大流量低揚程的BQS型潛水電泵、軸流泵、斜流泵，也可選取大流量、低揚程的單級高效離心泵，但受限于煤礦井下使用現(xiàn)狀，BQS型潛水電泵用電動機正常工況以額定轉速運行不適用于長期變頻運行，軸流泵、斜流泵均未獲得煤礦井下使用許可(煤礦井下使用安全標志證書)，因此文中主要將配置單級離心泵作為研究對象.

3 工程試驗及數(shù)據分析

以煤礦用耐磨多級離心泵為主排水泵的研究對象，前置泵(變頻調速)與其串聯(lián)安裝組成試驗平臺，對加置前置泵的排水系統(tǒng)效率進行分析.分別對主排水泵及帶前置泵的泵組進行相關試驗測試，對前置泵變頻調參及泵控效果進行驗證.已知主排水泵型號為MD280-65×8/9，前置泵型號為IS200-150-400，其具體參數(shù)如表1所示，表中Pe為配用功率，NPSHR為必需汽蝕余量.

表1 試驗樣機技術參數(shù)Tab.1 Technical specifications of test prototype pump

由表1可知，8級主排水泵與前置泵串聯(lián)后組成的泵組在額定轉速下運行時，與9級主排水泵軸功率近似相等.

3.1 主排水泵負壓性能試驗

主排水泵性能測試系統(tǒng)包括配電系統(tǒng)(開關柜與變頻裝置)、壓力測量(進口壓力、出口壓力)、功率測量(主排水泵、前置泵輸入功率)、轉速測量、試驗用電動機(泵拖動裝置)、管路系統(tǒng)(進出口管路)、閥門、流量計等，系統(tǒng)簡圖如圖1所示，可完成主排水泵的負壓性能測試與帶前置泵的正壓測試.

圖1 主排水泵性能測試系統(tǒng)Fig.1 Main drainage pump performance testing system

對MD280-65×9 型離心泵進行測試.關閉進口閥門8，打開閥門13和14，主排水泵進口管路直接伸入水池，對相關數(shù)據進行采集.主排水泵在全流量范圍內的特性曲線如圖2所示.

圖2 主排水泵負壓吸水特性曲線Fig.2 Characteristic curves of main drainage pump under vacuum suction condition

根據GB/T 3216—2016水力性能試驗2級要求，測得的主排水泵的流量Q為271.59 m3/h，揚程H為579.27 m，主排水泵效率為70.59%，工序能耗為0.38 kW·h/(t·hm).

3.2 加置前置泵試驗

主排水泵加置前置泵組成的泵組進行相關性能試驗時，需將主排水泵進行拆級.試驗過程中，將測試系統(tǒng)中的閥門13關閉，打開閥門8和14，試驗介質首先通過前置泵1，前置泵以額定轉速1 450 r/min定頻運行，升壓后將試驗介質送入主排水泵，通過出口閥門5完成對整個系統(tǒng)全流量范圍內的水力性能測試.測試過程中應注意先開啟前置泵，然后再開啟主排水泵完成整個系統(tǒng)相關測試，試驗數(shù)據如表2所示.表中,p1為進口壓力，p2為出口壓力，泵組輸入功率P1、泵組軸功率Pa0、泵組有效功率Pu、泵組效率ηu均為換算額定轉速下的參量.

表2 泵組試驗數(shù)據Tab.2 Experimental data of pump unit with booster pump

進行數(shù)據分析，測得泵組的流量為272.18 m3/h，揚程為579.66 m，泵組效率為73.50%.泵組的性能曲線如圖3所示，其中1,2,3為泵組的試驗測試曲線,4,5,6為9級主排水泵負壓吸水試驗測的性能曲線.

圖3 性能曲線對比Fig.3 Performance curves comparison

由圖3可以看出，減級后的泵組效率提高了2.91%，擴寬了其工業(yè)利用區(qū)(最高效率85% ～ 90%)的范圍.主排水泵在流量為200～360 m3/h時效率得到了提高，額定流量時電能消耗下降261.5 kW，工序能耗為0.37 kW·h/(t·hm).

3.3 前置泵變頻試驗

前置泵配置變頻電動機為V/F變頻調速模式，其轉速可調范圍為80%～110%.根據單級泵給出的已知參數(shù)，采用變頻器對前置泵調速運行，轉速按額定轉速的80%，90%，100%，104%運行，其揚程可調范圍為32.0～60.5 m.前置泵泵組測試結果如圖4所示.

圖4 前置泵變頻排水系統(tǒng)性能曲線Fig.4 Performance curves of booster pump at variable frequencies

由圖4可以看出，前置泵采用變頻器改變轉速后，其排水系統(tǒng)的性能曲線變化趨勢未發(fā)生明顯變化，揚程變化滿足式(3)和(4)的要求.隨著多級泵使用時間延長，葉輪發(fā)生磨損，揚程降低，變頻裝置可利用泵控技術對系統(tǒng)壓力自動調節(jié)，延長主排水泵的使用壽命.在實際應用過程中，主排水泵對前置泵有吸負作用，因此主排水泵可降低前置泵的負荷，延長前置泵使用壽命.由于系統(tǒng)在使用過程中前置泵處于負壓吸水工作狀態(tài)，易發(fā)生損壞，但也更容易更換.

4 排水系統(tǒng)其他節(jié)能措施

煤礦主排水系統(tǒng)除提高主排水離心泵的效率外，也應在提高配用管路系統(tǒng)效率、高效電動機、采用耐磨或耐腐蝕材質配件等方面實現(xiàn)排水系統(tǒng)的節(jié)能.

1) 配用管路系統(tǒng)設計時，其經濟流速一般為1.5～2.2 m/s.為提高管路系統(tǒng)效率，選用PE類管件，從而降低管網阻力，并采用管路并聯(lián)的方式.在設計時充分利用現(xiàn)場條件，并考慮使用一段時間后管路由于淤積結垢導致的可用內徑減小且管阻增大因素.

2) 及時淘汰落后水泵，采用效率更高、材料更加耐磨、耐腐蝕的新型多級離心泵，采用高效電動機，降低工序能耗.

3) 定期對主排水泵進行檢查，及時更換易損泵件，定期清理水倉、管路，防止由于淤積造成的效率下降.

5 結 論

對煤礦主排水泵加置前置泵以提高運行效率進行了研究，為提高主排水系統(tǒng)的效率及主排水泵的抗汽蝕能力提供了新的思路.提出了串聯(lián)前置泵對主排水泵進行壓入式補水，通過理論分析，驗證了前置泵串聯(lián)的可行性.通過試驗對比，前置泵與減級后主排水泵組成的泵組效率得到了提高，同時也避免了主排水泵發(fā)生汽蝕.通過泵控泵技術對前置泵變頻調速改變主排水泵輸出壓力，保證了排水系統(tǒng)工作在高效區(qū)內，為煤礦主排水系統(tǒng)的設計及改造提供了一種新的方案，同時也為煤礦井下節(jié)能提供了一種新的思路.