量子管通環在瓦斯抽采泵站的應用

張偉偉

（西山煤電（集團）有限責任公司通風處， 山西 太原 030025）

引言

長期以來，使用循環水系統的礦井瓦斯抽采泵站，由于循環水水質較硬，即使加入軟化水藥劑、使用軟化水裝置，水環式真空泵泵體、配套電機水冷裝置管網結垢及管路腐蝕現象仍然存在，影響泵的運行效率及安全。因此，如何有效除垢，改善循環水水質，同時兼顧安全、經濟、便利因素，成為馬蘭礦瓦斯抽采泵站管理的一項重點工作。

1 現場概況

馬蘭礦建有南一地面瓦斯抽采泵站一座，高濃系統于2005年年底建成并試運轉，安裝1臺2BEC-72和2臺2BEC-62型水環式真空泵，分別配套630 kW、400 kW電機；低濃系統于2013年10月底建成并試運行，安裝兩臺2BEC-100型水環式真空泵，配套1 120 kW電機。為節約用水，泵站建有循環水倉，對水環真空泵及配套電機進行供水和冷卻。

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

2 解決方案

2.1 結垢原因分析

水進入真空泵后，隨著葉輪轉動在泵體內形成水環做功、發熱，使溶解在水中的碳酸鹽分解，析出難溶于水的沉淀并結成水垢；循環水中原本溶解度較大的鹽類，在真空泵運行過程中和其他鹽類發生反應，形成難溶物質而結成水垢；受轉子離心力作用，水內雜質易在轉子、泵體上沉積，形成一種致密的垢層。隨著真空泵結垢開始，泵體內水的熱傳遞效率逐步下降，進一步加快結垢速度。同樣，被加熱的循環水析出的沉淀物在水冷管路內形成結垢，而電化學反應的存在導致金屬管壁出現銹蝕幾乎無法避免。

鑒于當前循環水倉用水不能實現不含雜質、水的總硬度為零，結垢、管道內壁銹蝕現象是客觀存在的。而使用軟化藥劑、人工清除結垢，更多的是緩解此種現象進一步加劇的措施，難以實現從源頭的治理。因此，實現較好的泵體、管路除垢與防垢效果，需引入新的工藝、手段。

圖1 水冷管路內銹蝕、結垢實況

圖2 水環式真空泵泵體結垢實況

2.2 量子管通環簡介

經過調研，市面上的量子管通環裝置具有除垢、防垢、防腐及水質改善功效。

量子管通環是德國IAB公司開發的以硅、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穩定儲存、記憶及釋放量子信息（超精微振動波，分子振動波，生物信號）的高科技材料，如下頁圖3所示。

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

圖3 量子管通環實物及基本原理示意圖

圖4 量子管通環釋放超精微振動波示意圖

在振動波的作用下，水中相關離子的振動特性發生改變，離子間的結合力減弱，不易結晶析出；水分子的活性得到極大加強，溶解力、滲透力和包含垢的能力增強；原有老垢和銹蝕物分子的振動能級及振動幅度不斷增強，容易擺脫晶體變軟脫落；激發水中的氧原子和金屬表面的鐵原子，使其產生特定結合，在金屬表面形成保護性氧化層，從根本上實現管路防腐。

2.3 方案選定

進一步調研發現，量子管通環在油田石化、冶金鋼鐵、啤酒飲料、食品制藥等領域應用廣泛，一定程度上從側面證明了其應用效果。對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），不影響抽采系統運行；不用電，符合泵站防爆等級要求；無化學藥品，不產生污染；自身無需維護、單次投入使用時間長等特點適合抽采泵站使用并選定試用。

圖5 量子管通環安裝示意圖

量子管通環為兩個半環，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。

3 應用效果

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

經過3個月的運行，在不使用軟化藥劑的情況下，倉內水質有明顯改變，水面漂浮菌藻微生物減少，出水口水量穩定，入水口無水垢和鐵銹流出[2]。使用半年后，拆開管路查看，管路內結垢體基本消失，管壁銹蝕程度得到了抑制，如圖7所示。

圖6 量子管通環現場安裝圖

圖7 量子管通環使用半年后管路內壁實況

此時抽采泵的工況流量達到了267 m3/min，在抽采系統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，泵的機械效率由半年前的71%左右提升到76%左右，同時真空泵進氣側抽采負壓增加了2～3 kPa。

從2013年下半年開始，馬蘭礦高濃瓦斯抽采泵循環水系統停止使用除垢裝置和軟化水藥劑，實現了量子管通環的替代，并且近6年來未拆泵進行清洗，大大節省了人工、成本。再考慮管路系統結垢導致的用水、耗電增加，應用量子管通環所帶來的經濟、環保效益更大。

根據2019年2月抽采報表，礦高濃系統2BEC62水環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，泵的機械效率仍能達到80%，遠超其他礦井同等條件下未使用量子管通環的真空泵的運行效率，充分證明了量子管通環除垢、防垢及改善水質解決方案在瓦斯抽采泵站應用的合理性、有效性。

4 結語

截至目前，雖然量子管通環應用時間未達到設計壽命（不低于15年），后續的防垢、改善水質效果是否會下降，或者徹底失效，暫無從考證。但從當前超過6年的運行情況來看，綜合人工、藥劑、維護、能耗、用水、延長管道壽命等因素，在應用有效的前提下，費用已低于一般除垢、清洗方法。下一步，馬蘭礦南九地面抽采泵站投用時將繼續應用該解決方案。