礦井主排水系統節能技術的應用

雷振偉+崔天亮

摘 要：本文對礦井主排水系統節能技術進行研究和分析，結合礦井的實際情況，通過經濟實用性比選，選擇適宜的節能技術方法，通過分析計算，制定節能改造方案，并對改造后運行情況和節能效果進行了驗證分析，總結出了適用于煤礦主排水系統的節能技術方法，提高了系統的安全性和可靠性，較大的降低了電能消耗，實現了安全生產和節約能源。

關鍵詞：主排水系統；節能；性能曲線；自動化

中圖分類號：TD82 文獻標識碼：A

礦井主排水系統是關系礦井安全生產的重要系統，而隨著煤炭開采深度的不斷增加，礦井涌水量及排水難度隨之加大，對礦井主排水系統的要求也越來越高，同時由于深度增加礦井主排水系統耗電量大幅增加，基本上要占到礦井總耗電量的20%-40%，企業生產成本壓力巨大。并且由于新設備、新工藝、新技術、新材料的不斷出現，現有的設備、系統也越來越不能滿足安全生產和節能環保的要求，因此對礦井主排水系統進行節能技術研究和改造能大幅降低能源消耗，提高系統安全性和可靠性，對安全生產和節能環保有著重要意義。

1某礦井主排水系統的現狀

礦井正常涌水量1500m3/h，最大涌水量2700m3/h，礦井水容重： γ0=1020kg/m3。配備9臺MD500-57×10型耐磨多級離心水泵，4臺工作，4臺備用，1臺檢修。每臺泵配套YB2型4極1120kW礦用防爆電動機。排水管路采用4趟Φ426mm無縫鋼管排水管。排水高度419m（水泵吸水和礦井水處理站附加揚程共取15 m）。兩泵單趟Φ426mm排水管并聯運行工況點參數：流量1108.6 m3/h，揚程501.2m，效率73%，單臺泵軸功率1036.4kw。排水泵電機由井下變電所一對一供電，在水泵房設就地操作按鈕。

由于水泵選用過大、原管路布置不合理、控制系統落后等原因，主排水系統自動化程度低、運行效率低、可靠性差，排水系統耗電量較大，達到0.511kW·h/（t·hm），大于0.5kW·h/（t·hm）不滿足MT/T1002-2006《煤礦在用主排水系統節能監測方法和判定規則》及《煤炭工業節能減排工作意見》等國家有關節能工程實施方案等相關政策法規要求，必須對主排水系統進行節能改造。

2礦井排水節能技術

2.1調整管路布置，減少管路阻力。

通過調整管路直徑及走向，更換低阻管件、閥門，減少管路阻力，改變管路特性曲線，使系統在最佳工況運行。

2.2切削水泵葉輪，改變水泵性能曲線。

葉輪切削對于過分保守的設計或者系統負荷發生了變化所導致的泵容量偏大的情況是個非常有用的改進措施。葉輪切削就是調整葉輪的直徑，降低葉輪的端速，并由此直接地降低了傳遞到系統流體介質上的能量，并且降低了泵所產生的流量和壓力。 離心泵相似性定律提供了在恒定的泵速度條件下葉輪尺寸及泵輸出之間的理論關系，如果改變葉輪的出口直徑，則離心泵的特性曲線平行移動，可以采用車削離心泵葉輪外徑的方法改變一臺泵的性能范圍，以使泵的性能更適合節能運行需要。

2.3使用新型涂層材料，提高葉輪泵殼光潔度。

采用超滑涂層材料對水泵進行涂覆改造，增加葉輪及泵殼的光潔度，改善泵內水流狀態，減少阻力，達到提高效率、降低能耗的效果。

2.4無底閥排水

采用無底閥排水，具有增加吸水高度、增大汽蝕余量、排水效率高等優點。無底閥排水方法很多，如采用真空泵、射流泵、水環泵、真空水箱等。

2.5基于PLC的自動化控制系統

采用PLC和傳感器自動檢測水位和其它參數，根據水位的高低、礦井用電信息等因素，建立數學模型，合理調度水泵運行，可以達到避峰填谷及節能的目的。

2.6優化水泵設置，更換高效水泵。

使用新型高效節能水泵替代落后的高耗能水泵，可以降低系統負荷，減少電能消耗，提高系統的可靠性。隨著水泵技術的發展，一些高效節能的水泵得到越來越多的應用，如雙吸泵、自平衡泵等。

2.7變頻調速節能

根據系統的工藝要求，通過實時檢測系統運行參數，調整電動機的電源輸入頻率，改變電機的轉速，控制電動機的輸入功率，實現“所供即所需”，實行最優運行調度方案，達到最佳節能效果。并且使用變頻裝置后，利用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始，最大值也不超過額定電流，減輕了對電網的沖擊和對供電容量的要求，延長了設備的使用壽命。

2.8功率因數補償節能

功率因數的降低導致有功功率的降低，大量的無功電能消耗在線路當中，增加線損和設備的發熱，設備使用效率低下，浪費嚴重。通過功率因數補償，功率因數提高，從而減少了無功損耗，增加了有功功率，可以提高電氣設備利用率，降低變壓器及母線因輸送無功功率造成的電能損耗。

3節能改造方案選定及運行效果分析

結合礦井排水系統現狀和礦井實際條件，通過經濟實用性比選，選擇從調整管路、切削葉輪、無底閥排水、使用新型涂料、自動化控制等方面進行節能改造。

3.1調整管路

合理布置主排水管路，將井底及泵房出口處的U形彎取直，盡量縮短管路長度，減少沿程損失；更換急驟彎曲和突然變徑管件和阻力大的閥門，最大限度減小主排水管路各種阻力損失，提高管路效率；對主排水管路進行除垢清洗，降低摩阻力。管路調整后管路總阻力下降了19%，管路特性曲線得到優化，配合水泵特性曲線的改變，排水系統的工況點位于高效區最高效率點附近，節能效果明顯。

3.2切削葉輪

由現狀運行工況點參數可知水泵和管道不相匹配，“大馬拉小車現象”嚴重，水泵處于“大流量、低效率、高功耗”的不利工況運行。可以采用切削離心泵葉輪外徑的方法改變泵的性能范圍，以使泵的性能更適合節能運行需要。MD500-57×10耐磨多級離心泵葉輪直徑為435mm，根據水泵葉輪切削定律：endprint

經計算切削后葉輪外徑為420mm。切削后水泵吸水高度增加，水泵性能曲線下移與優化后的管路特性曲線交點位于水泵的高效區，接近最高效率點，相應的兩泵單趟Φ426mm排水管并聯運行工況點參數為：流量1071.6 m3/h，揚程466.1m，單臺泵軸功率934.37kW，計算能耗降低了9%。

排水能力校核：正常涌水期為4臺MD500-57×10型耐磨多級離心水泵并聯工作于2趟Φ426mm排水管，排水能力2143.2m3/h，日排水時間為16.8h；最大涌水期為8臺MD500-57×10型耐磨多級離心水泵工作分別工作于4趟Φ426mm排水管，排水能力4286.4m3/h，日排水時間15.1h。均滿足《煤礦安全規程》第二百七十八條“工作水泵的能力，應當能在20h內排出礦井24h的正常涌水量（包括充填水及其他用水）。備用水泵的能力應當不小于工作水泵能力的70%。檢修水泵的能力，應當不小于工作水泵能力的25%。工作和備用水泵的總能力，應當能在20h內排出礦井24h的最大涌水量?！钡囊蟆?/p>

3.3無底閥排水

配備ZBS-G型高壓汽水兩用噴射裝置，采用無底閥排水，減少吸水損失，可節能3%左右。

3.4使用新型涂料

使用氟硅涂料對水泵泵殼和葉輪進行砂眼、氣孔修補和表面涂覆， 增加葉輪及泵殼的光潔度，改善水流狀況，減少摩阻力，可節能1-2%。

3.5自動化控制

對排水系統進行自動化控制改造，礦井自動化排水采用可防爆編程控制器（PLC）集中控制并留有帶控制器的通訊接口以實現礦井自動化監控及無人值守。在排水泵的出口管路安裝電動閘閥、壓力傳感器，抽真空管路上安裝真空度傳感器，總出水管路上安裝流量傳感器，水倉設液位計連續測量水倉水位，作為自動調節的參考反饋量，通過4～20mA模擬量信號接入PLC。排水系統可根據水倉水位的高低、井下用電負荷的高峰低谷和供電部門所規定的平段、谷段、峰段用電時間段（時間段可根據實際情況隨時進行調整和設置），建立數學模型合理調度水泵。水泵、電機、閘閥、管路等引起系統效率低的因素發生變化，超出系統優化指標時，系統能智能分析判斷、顯示并切換到優化運行狀態，從本質上解決了排水系統因動態變化引起的劣化運行問題，確保排水系統長期優化運行。使用智能優化排水控制系統后，排水能耗約下降3～5%，并且降低泵的損壞率，減少生產成本，減少用工人數，減輕工人勞動強度，改善工作環境。

經過節能改造后，主排水系統運行良好，運行效率有了很大提高，實測耗電量0.398kW·h/（t·hm）<0.5kW·h/（t·hm），滿足MT/T1002-2006《煤礦在用主排水系統節能監測方法和判定規則》及《煤炭工業節能減排工作意見》等國家有關節能工程實施方案等相關政策法規要求，達到DB41 572-2009《煤礦在用主排水工序能源消耗限額》劃定的A級等級（<0.401kW·h/t·hm），每年節約用電710.77萬度，節能效果明顯，達到了預期目的。

結語

通過技術研究和方案比選，采取的改造方案貼合實際，易于實現，以較少的投入取得了良好的效果，通過對主排水系統的改造，提高了系統的安全性和可靠性，較大的降低了電能消耗，實現了安全生產和節約能源，取得了顯著的經濟效益和社會效益。

參考文獻

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