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）根據業界的有關規定，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滲漏等導致排水能力不足，避免突發狀況。

2）在煤礦的正常生產環節會產生大量的煤灰，這些塵埃落入排水池中，經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，設備更新換代不及時存在老化等問題，作業效率十分低下。而有些先進的煤礦，設備更新換代及時，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 前置泵變頻調參及泵控技術原理

2.1 前置泵變頻調參原理

在設備中加裝變頻器可以實現前置泵的轉速的調整，進而可以改變泵的性能曲線。根據有關理論知識，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，在不同的轉速n下的關系是：

在式（1）中，其中n1和n2是電機的兩個轉速，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進行無級調節，可以精準地實現對排水作業的控制，進而可以避免不必要的能耗浪費。

2.2 泵控泵系統調壓調流原理

泵控泵（PCP）系統是廣泛應用于油氣田和采礦行業的一種將前置泵和離心泵串聯起來的技術手段，該技術通過變頻器調節前置泵的參數，然后由于串聯泵的關系，進而可以實現對主排水泵也就是離心泵的參數的調整，從而完成間接控制，將該技術應用到煤礦井下的主排水系統中，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磨損揚程又會隨之下降的問題[1]。

PCP 系統主要包括前置泵、變頻器以及離心泵，其中將前置泵和離心泵進行串聯，完成串聯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）的數據帶入式（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）結合可以得出：

從式（4）中可以看出，可以通過調節離心泵的級數m 和前置泵的轉速n 來實現對整個主排水系統揚程的調整，可以通過調節前置泵的轉速來實現對整個系統總流量的調整，這一方案可以節省大量的電能，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能效果。

在選擇前置泵時要注意該泵的流量調節量程，一般選擇前置泵的流量量程是離心泵的1.25 倍左右為宜。在變頻調節過程中，應該具有比較廣的調節區域，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，只能適用于比較穩定的作業環境，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 工程試驗及數據分析

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起來，加裝上變頻器組成實驗對象，對該系統開展實驗探究排水系統的效率問題，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，詳細的參數在表1 中列出。

表1 試驗樣機技術參數

從表1 中的數據可以看出，八級、九級主排水泵與前置泵串聯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，該系統主要包括了配電系統、壓力測量模塊、功率測量裝置、轉速測量功能等等模塊，具體的系統示意圖如圖1 所示，該裝置可以完成過主排水泵的有關性能測試工作。

圖1 主排水泵性能測試系統

現對九級離心泵進行模擬測試，首先要將進口閥門8 關掉，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，采集記錄有關數據，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

根據國家的有關規定，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

后續試驗需要將前置泵和離心泵進行串聯，在串聯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 關閉，然后打開8 和14 這兩個閥門，水流流經前置泵1，這時前置泵以額定轉速工作，然后水流進入離心泵，最后經過閥門5排出系統，完成整個的流程。在測試中要注意細節，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，實驗記錄的有關數據見表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 泵組試驗數據

對試驗所得的數據進行處理分析，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%。根據測得的數據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區間。

圖3 前置泵變頻水系統性能曲線

3.3 前置泵變頻試驗

前置泵使用的變頻電機通過調整輸出電壓與輸出頻率之比（V/f）進行變頻調節，轉速可以調節的范圍為0.8～1.1n（n 指的是額定轉速）。設計的實驗電機分別以0.8n、0.9n、n、1.04n 運行，記錄實驗數據，繪制測試結果，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對泵組的智能調節，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，前置泵更為經濟實用一些，而且更換更為便捷。

4 排水系統其他節能措施

1）優化配套的管路，通常來說礦用排水系統的管路的經濟流速是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耗。

2）做好設備的維護保養工作，及時檢修，保證設備處于良好的工作狀態，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。