礦井主排水泵采用變頻前置泵提高運行效率的研究

李連芳

（晉能控股煤業(yè)集團馬脊梁礦， 山西 大同 037000）

1 煤礦主排水泵存在問題

1）根據(jù)業(yè)界的有關(guān)規(guī)定，煤礦井下的主排水泵的排水能力必須能夠滿足設計要求，保證井下的涌水能夠及時排出。在進行主排水泵的選擇時，可以預留一些性能，可以避免因管道出現(xiàn)滲漏等導致排水能力不足，避免突發(fā)狀況。

2）在煤礦的正常生產(chǎn)環(huán)節(jié)會產(chǎn)生大量的煤灰，這些塵埃落入排水池中，經(jīng)年累月可能會在池底沉積導致排水泵排水不暢，此外較大的顆粒物混入水池中，進入排水設備中，可能引起磨損，加速設備的損壞，同時在輸送中會與管道摩擦，降低排水效率，增加能耗。

3）由于很多煤礦建立時間久遠，設備更新?lián)Q代不及時存在老化等問題，作業(yè)效率十分低下。而有些先進的煤礦，設備更新?lián)Q代及時，像雙吸自平衡多級離心泵不管是從工作性能，還是從能耗上都遠優(yōu)于那些老舊設備，但高昂的價格卻讓人望而卻步。

2 前置泵變頻調(diào)參及泵控技術(shù)原理

2.1 前置泵變頻調(diào)參原理

在設備中加裝變頻器可以實現(xiàn)前置泵的轉(zhuǎn)速的調(diào)整，進而可以改變泵的性能曲線。根據(jù)有關(guān)理論知識，前置泵的流量Q，排出水的壓力也就是揚程H，以及電機的輸出功率P，電機的效率η，在不同的轉(zhuǎn)速n下的關(guān)系是：

在式（1）中，其中n1和n2是電機的兩個轉(zhuǎn)速，對應的流量分別是Q1和Q2，對應的揚程分別是H1和H2，電機的輸出功率分別是Pa1和Pa2，電機的效率分別是η1和η2，通過加裝的變頻器可以對水泵的參數(shù)進行無級調(diào)節(jié)，可以精準地實現(xiàn)對排水作業(yè)的控制，進而可以避免不必要的能耗浪費。

2.2 泵控泵系統(tǒng)調(diào)壓調(diào)流原理

泵控泵（PCP）系統(tǒng)是廣泛應用于油氣田和采礦行業(yè)的一種將前置泵和離心泵串聯(lián)起來的技術(shù)手段，該技術(shù)通過變頻器調(diào)節(jié)前置泵的參數(shù)，然后由于串聯(lián)泵的關(guān)系，進而可以實現(xiàn)對主排水泵也就是離心泵的參數(shù)的調(diào)整，從而完成間接控制，將該技術(shù)應用到煤礦井下的主排水系統(tǒng)中，可以很好地解決離心泵的工作揚程較大以及工作一段時間之后出現(xiàn)磨損揚程又會隨之下降的問題[1]。

PCP 系統(tǒng)主要包括前置泵、變頻器以及離心泵，其中將前置泵和離心泵進行串聯(lián)，完成串聯(lián)后泵出口壓力應該是這兩個泵出口壓力的簡單累加，而流量Q則沒有變化，為通過任一泵的流量，且通過兩泵的流量相同，計算如下：

將式（1）的數(shù)據(jù)帶入式（2），處理后可得公式如下：

在式（3）中，n1和n2是兩個不同的轉(zhuǎn)速，它們對應的流量分別是Q1和Q2，對應的揚程分別是H1和H2，將式（2）和式（3）結(jié)合可以得出：

從式（4）中可以看出，可以通過調(diào)節(jié)離心泵的級數(shù)m 和前置泵的轉(zhuǎn)速n 來實現(xiàn)對整個主排水系統(tǒng)揚程的調(diào)整，可以通過調(diào)節(jié)前置泵的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)對整個系統(tǒng)總流量的調(diào)整，這一方案可以節(jié)省大量的電能，雖然加裝了變頻器，但瑕不掩瑜，總的計算下來還是能起到良好的節(jié)能效果。

在選擇前置泵時要注意該泵的流量調(diào)節(jié)量程，一般選擇前置泵的流量量程是離心泵的1.25 倍左右為宜。在變頻調(diào)節(jié)過程中，應該具有比較廣的調(diào)節(jié)區(qū)域，進而方便更多的用戶需求，能夠更好地適應工作要求。理論上講，前置泵可以選擇大流量小揚程的BQS潛水泵以及走流泵或者斜流泵等，也可以選擇大流量小揚程的離心泵，但根據(jù)實際的工作情況來看，BQS潛水泵不能夠長時間處于變頻工作狀態(tài)，只能適用于比較穩(wěn)定的作業(yè)環(huán)境，軸流泵以及斜流泵還沒有具體的應用實例，這里不做考慮，因此以離心泵為研究對象展開研究。

3 工程試驗及數(shù)據(jù)分析

以礦用多級離心泵作為主排水泵展開研究，然后前置泵與該泵串聯(lián)起來，加裝上變頻器組成實驗對象，對該系統(tǒng)開展實驗探究排水系統(tǒng)的效率問題，以及能耗問題。試驗設備具體型號為：主排水泵為MD280-65×8/9，前置泵為IS200-150-400，詳細的參數(shù)在表1 中列出。

表1 試驗樣機技術(shù)參數(shù)

從表1 中的數(shù)據(jù)可以看出，八級、九級主排水泵與前置泵串聯(lián)后在額定功率下工作時它們的功率相差無幾。

3.1 主排水泵負壓性能試驗

搭建了主排水泵的性能測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括了配電系統(tǒng)、壓力測量模塊、功率測量裝置、轉(zhuǎn)速測量功能等等模塊，具體的系統(tǒng)示意圖如圖1 所示，該裝置可以完成過主排水泵的有關(guān)性能測試工作。

圖1 主排水泵性能測試系統(tǒng)

現(xiàn)對九級離心泵進行模擬測試，首先要將進口閥門8 關(guān)掉，然后打開閥門13 和閥門14，這時的主排水泵的進水口位于水中，采集記錄有關(guān)數(shù)據(jù)，得出的離心泵的全流量的工作特性曲線如圖2 所示。

圖2 主排水泵負壓吸水特性曲線

根據(jù)國家的有關(guān)規(guī)定，符合測試流程，測得離心泵的出口流量為271.59 m3/h，揚程為579.27 m，工作效率是70.59%，能耗為0.38 kWh/（t·hm）。

3.2 加置前置泵試驗

后續(xù)試驗需要將前置泵和離心泵進行串聯(lián)，在串聯(lián)的時候需要將主排水泵也就是離心泵進行拆級，在測試的過程中，需要先將閥門13 關(guān)閉，然后打開8 和14 這兩個閥門，水流流經(jīng)前置泵1，這時前置泵以額定轉(zhuǎn)速工作，然后水流進入離心泵，最后經(jīng)過閥門5排出系統(tǒng)，完成整個的流程。在測試中要注意細節(jié)，要先啟動前置泵，待前置泵中充滿了水流，有了一定的壓力，再開啟離心泵，實驗記錄的有關(guān)數(shù)據(jù)見表2。表2 中的字母分別為進口壓力P1，出口壓力P2，輸入功率Pa0，輸出功率Pu以及泵組的效率ηu。

表2 泵組試驗數(shù)據(jù)

對試驗所得的數(shù)據(jù)進行處理分析，計算得出泵組的流量是272.18 m3/h，泵組的揚程達到了579.66 m，泵組的工作效率是73.5%。根據(jù)測得的數(shù)據(jù)繪制泵組的工作性能曲線見圖3，從圖3 中可以觀察看到前三條曲線是泵組的測試曲線，后三條曲線指的是九級主排水泵的負壓測試性能曲線。經(jīng)過分析，多級離心泵減掉一級之后與前置泵組成的泵組的工作效率提升了2.91%，與之前的九級離心泵相比延伸了可利用的作業(yè)區(qū)間。

圖3 前置泵變頻水系統(tǒng)性能曲線

3.3 前置泵變頻試驗

前置泵使用的變頻電機通過調(diào)整輸出電壓與輸出頻率之比（V/f）進行變頻調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速可以調(diào)節(jié)的范圍為0.8～1.1n（n 指的是額定轉(zhuǎn)速）。設計的實驗電機分別以0.8n、0.9n、n、1.04n 運行，記錄實驗數(shù)據(jù)，繪制測試結(jié)果，見圖3。

從圖3 中可以看出，在采用了V/f 變頻器之后，泵組的排水性能曲線與之前相比變化不是很明顯，而泵組的揚程則符合前文的公式。隨著使用時間的延長，多級泵逐漸產(chǎn)生損耗，排出水的出口壓力就會大幅下降，揚程變小，通過變頻器可以實現(xiàn)對泵組的智能調(diào)節(jié)，延長使用壽命。在具體的使用過程中，離心泵對前置泵具有吸附作用，可以減小前置泵的載荷，進而延長前置泵的使用年限。在泵組的使用中，由于前置泵位于進水端，水池中的雜質(zhì)會先進入前置泵，因此前置泵更容易損壞，但相較于離心泵來說，前置泵更為經(jīng)濟實用一些，而且更換更為便捷。

4 排水系統(tǒng)其他節(jié)能措施

1）優(yōu)化配套的管路，通常來說礦用排水系統(tǒng)的管路的經(jīng)濟流速是1.52 m3/min，為了盡可能地提升管路的工作效率，可以選用高質(zhì)量的PE 管材，降低液體流動過程中的阻力。在條件允許的情況下，盡量選擇鋪設直管，減少彎曲的數(shù)量，降低管路中的壓力損失，彎管處應該選擇大角度彎曲，避免小角度帶來的內(nèi)耗。

2）做好設備的維護保養(yǎng)工作，及時檢修，保證設備處于良好的工作狀態(tài)，對于老舊的設備要及時更換，提高工作效率。

3）定期清理水池的沉積物，防止過多的沉積物進入泵組，損壞泵組，延長泵組的使用年限，減少不必要的開支。