礦井排水噸水百米電耗測(cè)量及影響因素

徐草新，孫靖毅，李志鵬

(陜西煤礦安全裝備檢測(cè)中心有限公司，陜西 西安 710000)

0 引言

主排水系統(tǒng)作為煤礦四大機(jī)械之一，其運(yùn)行的可靠性對(duì)保障礦井正常生產(chǎn)和人員生命安全有著至關(guān)重要的意義。要保證主排水系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，除了系統(tǒng)的日常維護(hù)保養(yǎng)，檢查檢修外，對(duì)于排水系統(tǒng)的定期檢測(cè)檢驗(yàn)也是不可或缺的。而實(shí)際檢測(cè)檢驗(yàn)過(guò)程中，會(huì)分析計(jì)算與排水系統(tǒng)相關(guān)的多個(gè)參數(shù)，在這眾多參數(shù)中，有與安全和可靠性相關(guān)的參數(shù)，如水泵流量、電機(jī)電壓、電流、功率、振動(dòng)等；也有一些參數(shù)，主要分析設(shè)備和系統(tǒng)的能耗，作為獨(dú)立的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，如水泵效率和噸水百米電耗。檢測(cè)檢驗(yàn)報(bào)告中，經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)只是作為一個(gè)數(shù)據(jù)參考，不進(jìn)行結(jié)論判定。本文主要討論主排水泵檢測(cè)檢驗(yàn)中的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量接線和噸水百米電耗的數(shù)據(jù)計(jì)算以及對(duì)影響噸水百米電耗的因素進(jìn)行分析。

1 噸水百米電耗的概念

首先從噸水百米電耗的計(jì)算公式入手，噸水百米電耗可以簡(jiǎn)單理解為，將一噸水輸送到100 m高度所需要消耗的電能。從名詞定義出發(fā)逐層理解公式。根據(jù)能量守恒定律可知，不考慮損耗的理想情況下，噸水百米電耗等于將1噸水高度提升100 m后，重力勢(shì)能的增加值，即噸水百米電耗等于mgh，單位為(W·s)。于是有

(1)

式中，m為水的質(zhì)量，即1 000 kg；g為重力加速度，通常取值9.81 N/kg；h為提升高度，100 m。

需要注意的是，式(1)是理想無(wú)損耗情況下推導(dǎo)出的公式，實(shí)際測(cè)量計(jì)算中還需考慮整個(gè)排水系統(tǒng)的效率ηx，即最終的計(jì)算公式為

(2)

式中，Wt·100為噸水百米電耗，kW·h；ηx為排水系統(tǒng)效率。

排水系統(tǒng)效率ηx和電動(dòng)機(jī)效率ηd、水泵效率ηb以及管路效率ηg又有如下關(guān)系

ηx=ηd×ηb×ηg

(3)

電動(dòng)機(jī)效率ηd的確定下文會(huì)針對(duì)性展開(kāi)說(shuō)明，水泵效率ηb、管路效率ηg的計(jì)算公式如下

(4)

(5)

其中

(6)

式中，pgr為電動(dòng)機(jī)輸入功率，kW；pu為泵的有效輸出功率，kW；pa為泵軸功率，kW；ηc為傳動(dòng)效率；ρ為密度，kg/m3；Q為流量，m3/s；H為泵的計(jì)算揚(yáng)程，m；Hx為吸水高度(水倉(cāng)水位液面到泵軸中心的垂直高差)，m；Hp為水泵排水高度(泵軸中心至排水管出口的垂直高差)，m；z為表位差(壓力表與真空表的表位垂直高度差)，m；px為真空表讀數(shù)，MPa；py為壓力表讀數(shù)，MPa；dx為吸水管內(nèi)徑，m；dp為排水管內(nèi)徑，m。

通過(guò)以上計(jì)算可知，需要用到的儀器設(shè)備有：電機(jī)運(yùn)行測(cè)試儀、流量計(jì)、真空表、壓力表以及鋼卷尺。此處需要注意，下井用儀器應(yīng)該按規(guī)定取得礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志證書，使用前應(yīng)經(jīng)過(guò)具有資質(zhì)的計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢定或校準(zhǔn)，再由本單位相關(guān)設(shè)備管理人員對(duì)儀器的計(jì)量誤差精度與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)照，做好儀器使用確認(rèn)單。礦方相關(guān)負(fù)責(zé)人應(yīng)做好現(xiàn)場(chǎng)電氣接線的安全技術(shù)措施，并按規(guī)定履行好各項(xiàng)審批手續(xù)，電參數(shù)測(cè)量時(shí)要嚴(yán)格按照電氣作業(yè)操作規(guī)程進(jìn)行。

2 電參數(shù)的測(cè)量

電參數(shù)測(cè)量使用電機(jī)運(yùn)行測(cè)試儀，型號(hào)為CDZ4。現(xiàn)場(chǎng)需要測(cè)量的通用性參數(shù)主要有：輸入電壓、輸入電流、輸入功率等。另外，電機(jī)效率、輸出功率、負(fù)載率等參數(shù)也可以選擇在儀器中直接計(jì)算。

2.1 煤礦井下供電系統(tǒng)基本情況分析

《煤礦安全規(guī)程》(2016版)第440條規(guī)定，嚴(yán)禁井下配電變壓器中性點(diǎn)直接接地，嚴(yán)禁由地面中性點(diǎn)直接接地的變壓器或者發(fā)電機(jī)直接向井下供電。煤礦井下供電系統(tǒng)使用三相三線制，并且通常情況變壓器二次側(cè)也未設(shè)置有中性線引出端子，早期部分礦用變壓器二次側(cè)設(shè)置有中性點(diǎn)引出端子，但在井下，嚴(yán)禁接地。雖然未有文件明確規(guī)定煤礦井下必須使用三相三線制供電，同時(shí)煤礦井下電纜也能滿足四芯的數(shù)量要求，但實(shí)際三相四線制的使用還是存在諸多限制條件，因?yàn)闊o(wú)法保證零線絕對(duì)不會(huì)出現(xiàn)對(duì)地絕緣不良的情況，并且實(shí)際使用中電纜除3根相線外的第4根線也有其自身不可替代的作用。煤礦井下重要電氣設(shè)備，除自身要設(shè)置連接可靠的接地極外(即設(shè)備外殼可靠接地)，還必須與井下接地網(wǎng)可靠連接(內(nèi)部端子接地)，而擔(dān)負(fù)與井下接地網(wǎng)可靠連接使命的，正是第4根電纜。作為保護(hù)接地線，它是不可或缺的，連接礦井各接地裝置，形成一個(gè)大的接地網(wǎng)，可以避免設(shè)備出現(xiàn)對(duì)地電壓，保護(hù)人身和財(cái)產(chǎn)安全。

2.2 設(shè)備接線分析說(shuō)明

關(guān)于CDZ4電機(jī)運(yùn)行測(cè)試儀現(xiàn)場(chǎng)接線問(wèn)題，經(jīng)儀器廠家技術(shù)人員充分溝通后確認(rèn)，儀器可接線最大電壓等級(jí)為1 140 V，電流互感器量程0～500 A，非三相四線制接線時(shí)，儀器接地端子UGND并不參與單相電壓測(cè)試時(shí)的數(shù)據(jù)采集工作。同時(shí)，結(jié)合煤礦井下供電系統(tǒng)的實(shí)際情況，即三相三線制中性點(diǎn)未引出，所以功率測(cè)量方法選擇二瓦特法，二瓦特法可用于三相三線制電路功率的測(cè)量，其理論依據(jù)是基爾霍夫電流定律，與三相負(fù)載是否平衡無(wú)關(guān)。

2.3 電機(jī)效率

關(guān)于電機(jī)效率的確定，AQ 1012—2005標(biāo)準(zhǔn)中提到交流異步電動(dòng)機(jī)根據(jù)國(guó)標(biāo)GB 1032—85(最新版本為GB/T 1032—2012，AQ 1012—2005標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范性引用文件中提到，注明日期的引用文件，其最新版不適用本標(biāo)準(zhǔn))規(guī)定的方法測(cè)定。GB 1032—85標(biāo)準(zhǔn)中提到效率測(cè)定的方法有直接測(cè)定法和間接測(cè)定法。直接測(cè)定效率，需要測(cè)量電機(jī)的輸入功率和機(jī)械輸出功率，現(xiàn)場(chǎng)條件和常規(guī)使用儀器無(wú)法滿足要求；間接測(cè)定法更是牽扯一系列復(fù)雜參數(shù)，操作和技術(shù)難度都使得現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量無(wú)法實(shí)現(xiàn)。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法對(duì)電機(jī)效率進(jìn)行測(cè)量的實(shí)際情況，按照AQ 1012—2005標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，此時(shí)電機(jī)效率按銘牌效率選取。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，電機(jī)運(yùn)行測(cè)試儀如設(shè)置有電機(jī)資料數(shù)據(jù)庫(kù)，現(xiàn)場(chǎng)則可根據(jù)電機(jī)型號(hào)、額定功率、額定電機(jī)、電機(jī)級(jí)數(shù)等進(jìn)行檢索和匹配，電機(jī)效率由儀器根據(jù)內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)工作特性曲線進(jìn)行確定。關(guān)于儀器數(shù)據(jù)庫(kù)資料以及計(jì)算公式、計(jì)算邏輯等具體細(xì)節(jié)是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，暫不明確，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)也多有無(wú)法匹配型號(hào)電機(jī)的存在。所以，通常情況以電機(jī)銘牌效率為準(zhǔn)。

3 流量的測(cè)量

流量測(cè)定選擇超聲波流量計(jì)法，使用儀器型號(hào)為TUF-2000H。根據(jù)使用說(shuō)明書介紹，傳感器為外夾式，DN15 mm-200 mm管道優(yōu)先選用V法，安裝時(shí)兩傳感器水平對(duì)齊，中心線平行于管道軸線；DN200 mm-6 000 mm管道優(yōu)先選用Z法，安裝時(shí)兩傳感器之間沿管道軸向的垂直投影距離等于安裝距離，并且確保兩傳感器在同一個(gè)軸面上。傳感器在管道上的安裝位置應(yīng)處于管道水平中心線0°～45°夾角范圍內(nèi)，以防止上部氣泡或下部沉淀物等影響傳感器信號(hào)的因素對(duì)測(cè)量產(chǎn)生干擾。

3.1 傳感器安裝位置

為保證管道內(nèi)流體的穩(wěn)定性，傳感器安裝位置處上下游的直管段長(zhǎng)度有以下兩點(diǎn)要求：安裝位置距離泵出口、半開(kāi)閥門較近時(shí)，直管段距離不得小于30D(D為管道外直徑)；安裝位置遠(yuǎn)離泵出口、半開(kāi)閥門時(shí)，直管段要求上游不小于10D，下游不小于5D。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際無(wú)法滿足距離要求時(shí)，可以嘗試在相對(duì)接近要求距離的位置或者水泵入口附近測(cè)量，但精度可能會(huì)受到影響。外夾式傳感器分為上游和下游2個(gè)，具體安裝點(diǎn)處理時(shí)，一個(gè)安裝點(diǎn)處理面積和傳感器大小相近即可，另一個(gè)處理面積為傳感器面積的2倍左右，以方便信號(hào)調(diào)試。安裝點(diǎn)應(yīng)除銹除油污，最好露出金屬光澤。

3.2 傳感器信號(hào)問(wèn)題的處理

對(duì)于煤礦井下現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)出現(xiàn)的傳感器信號(hào)質(zhì)量差或者測(cè)不到信號(hào)的情況，可以嘗試采取下列措施進(jìn)行處理：①DN15 mm-200 mm管道，當(dāng)采用V法測(cè)量出現(xiàn)信號(hào)問(wèn)題時(shí)，可選用Z法測(cè)量。Z法是超聲波在介質(zhì)傳播中直接收發(fā)，相比較V法，無(wú)信號(hào)反射過(guò)程，所以信號(hào)衰減較小，信號(hào)強(qiáng)度較高。②在確定管道尺寸、傳感器安裝位置和儀器連接、設(shè)置等無(wú)誤的情況下，考慮管道內(nèi)壁結(jié)垢的影響。在管道內(nèi)壁大范圍結(jié)垢且無(wú)法避免時(shí)，可以采取措施消除或減小結(jié)垢對(duì)測(cè)量的影響：選用Z法測(cè)量，管道設(shè)置為有襯里，提高測(cè)量精度；用工具或錘子用力敲擊測(cè)量處的管道，直到信號(hào)有較為明顯的增大。③考慮到礦井井下水本身雜質(zhì)較多的實(shí)際情況，流量測(cè)量應(yīng)盡量錯(cuò)開(kāi)水倉(cāng)水位較低或泥沙含量明顯加大的時(shí)間段。當(dāng)傳感器完全無(wú)信號(hào)或有信號(hào)但流量基本為零時(shí)，可以單獨(dú)通過(guò)壓力表和真空表或配合電參數(shù)檢查水泵是否處于上水狀態(tài)。

4 吸水壓力和排水壓力的測(cè)量

吸水壓力和排水壓力分別通過(guò)真空表和壓力表進(jìn)行測(cè)量，真空表安裝在吸水管路上，壓力表安裝在排水管路上。通常情況下，壓力表和真空表各自的聯(lián)結(jié)導(dǎo)管上，都會(huì)設(shè)置有旋塞和360°的彎管與測(cè)量孔相連通，以方便儀表的檢修更換、導(dǎo)管的排污以及避免儀表受到?jīng)_擊壓力和起到穩(wěn)定讀數(shù)的作用。檢測(cè)中，水泵啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)先關(guān)閉儀表前的旋塞，待水泵正常啟動(dòng)后再慢慢開(kāi)啟，待上水穩(wěn)定后，觀察儀表讀數(shù)，同時(shí)結(jié)合實(shí)際測(cè)量的吸水高度Hx以及礦方提供的水泵排水高度Hp，檢查測(cè)量數(shù)據(jù)有無(wú)明顯偏差，確認(rèn)一切正常后，配合電參數(shù)和流量測(cè)量同步進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。

5 噸水百米電耗的計(jì)算和相關(guān)分析

下面以某礦的實(shí)際情況為例：該礦在用水泵為耐磨多級(jí)離心泵，型號(hào)MD155-30×6，額定流量155 m3/h，揚(yáng)程180 m，水泵額定效率80%；電機(jī)名稱為煤礦用隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)，型號(hào)YBKE3-315M-4，額定功率132 kW，額定電壓660 V，額定電流137.6 A，電機(jī)效率95.6%。

實(shí)測(cè)電機(jī)輸入功率118.38 kW，水泵流量136.28 m3/h，壓力表讀數(shù)1.60 MPa，真空表讀數(shù)0.040 MPa，吸水高度2.7 m，表位差0.1 m。水泵排水高度Hp為109 m，礦井水密度ρ取1 050 kg/m3，電機(jī)效率取銘牌額定效率95.6%，傳動(dòng)效率取98%。

所有數(shù)據(jù)采集完畢后，下一步就是數(shù)據(jù)計(jì)算。泵的計(jì)算揚(yáng)程H為159.32 m，泵軸功率pa為110.91 kW，水泵有效功率pu為62.12 kW，水泵效率ηb為56.01%，管路效率ηg為70.11%，排水系統(tǒng)效率ηx為37.54%，噸水百米電耗Wt·100為0.73 kW·h。AQ 1012—2005標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)Wt·100的要求是小于0.5 kW·h。下面通過(guò)一些數(shù)據(jù)比較分析噸水百米電耗偏大的原因，同時(shí)討論Wt·100測(cè)量的意義。

根據(jù)前文公式可知，影響Wt·100大小的因素主要是排水系統(tǒng)效率ηx，分解開(kāi)就是電動(dòng)機(jī)效率ηd、水泵效率ηb以及管路效率ηg。ηd取值95.6%，ηb額定值為80%，ηg此處暫且取值90%，算是高效率運(yùn)行。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，ηb≥0.85倍的額定效率，即認(rèn)為運(yùn)行在工業(yè)利用區(qū)，可以認(rèn)為是經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，結(jié)合實(shí)際檢測(cè)中多數(shù)水泵效率ηb都無(wú)法達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的實(shí)際情況，更進(jìn)一步，將ηb取值為0.85×80%，即68%。由此可得出排水系統(tǒng)效率ηx=ηd×ηb×ηg=95.6%×68%×90%=58.5%，噸水百米電耗Wt·100計(jì)算結(jié)果為0.47 kW·h。可以看到，在主要影響參數(shù)都接近最優(yōu)配置的情況下，Wt·100計(jì)算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)要求十分接近。所以，關(guān)于Wt·100<0.5 kW·h這一要求本身，就顯得相當(dāng)嚴(yán)苛，實(shí)際使用中，很多新建排水系統(tǒng)都很難滿足這一要求。因此，噸水百米電耗更多的是作為一個(gè)參考指標(biāo)，用于評(píng)價(jià)系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，并不參與可排水系統(tǒng)合格與否的結(jié)論判定。

至于噸水百米電耗偏大的原因，結(jié)合上文，從水泵效率ηb和管路效率ηg著手分析，關(guān)于測(cè)量、參數(shù)取值或者其他系統(tǒng)誤差等在此不多做考慮。實(shí)際檢測(cè)中，水泵效率偏低的原因可能是水泵和電機(jī)本身性能的缺陷(年久老化、部件磨損、密封不良)，設(shè)備選型的不匹配，出現(xiàn)大馬拉小車的情況，吸水高度太低使得吸程不夠；另外，由于現(xiàn)場(chǎng)是單工況測(cè)試，水泵的運(yùn)行工況可能未處于最佳效率區(qū)間，同時(shí)水泵效率也受到管路實(shí)際狀況的影響。關(guān)于管路效率偏低的原因，常見(jiàn)的有：管道系統(tǒng)等效水平線路過(guò)長(zhǎng)，轉(zhuǎn)角彎曲段較多，管道內(nèi)部結(jié)垢嚴(yán)重，管道閥門生銹開(kāi)度出現(xiàn)問(wèn)題等。最后，管道的選型以及系統(tǒng)的匹配也會(huì)對(duì)效率產(chǎn)生影響。

6 結(jié)語(yǔ)

噸水百米電耗作為一個(gè)能耗指標(biāo)，可以直觀地反映出礦井排水系統(tǒng)耗能的大小，通過(guò)具體的測(cè)量、計(jì)算以及分析過(guò)程，可以較為清楚地了解到噸水百米電耗的相關(guān)影響因素，雖然噸水百米電耗更多的是作為一個(gè)參考指標(biāo)，但也不應(yīng)忽略其存在的指導(dǎo)意義。系統(tǒng)選型應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)文件，出現(xiàn)變化時(shí)可以及時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)變更，對(duì)相關(guān)參數(shù)和指標(biāo)進(jìn)行核算確認(rèn)，設(shè)計(jì)階段做好系統(tǒng)的選型優(yōu)化工作，運(yùn)行階段做好排水系統(tǒng)的定期維護(hù)保養(yǎng)和檢查檢修工作，對(duì)嚴(yán)重老化的系統(tǒng)部件，應(yīng)及時(shí)予以更新。對(duì)比斜井排水而言，立井排水系統(tǒng)少了等效水平段的管路損耗，整體效率會(huì)更高一些。隨著礦井智能化水平的不斷提高，使得排水系統(tǒng)運(yùn)行工況的實(shí)時(shí)控制有了實(shí)現(xiàn)的可能，相關(guān)參數(shù)都可以實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)和計(jì)算，水泵和管路的特性曲線也可以定期通過(guò)測(cè)試由控制系統(tǒng)制作，實(shí)際運(yùn)行中可由系統(tǒng)選擇最佳能耗運(yùn)行點(diǎn)或者最大流量點(diǎn)，保證安全和可靠性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。最后，希望相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布能夠更有針對(duì)性，從而對(duì)實(shí)際工作起到更好地指導(dǎo)作用。