瓦斯抽采水環真空泵減阻節能新方法與應用

2023-10-18 12:49:38張一帆周福寶李金石康建宏李點尚

煤炭學報 2023年9期

張一帆，周福寶, ，李金石，康建宏，李點尚，高波

(1.中國礦業大學煤礦瓦斯與火災防治教育部重點實驗室,江蘇徐州 221116；2.中國安全生產科學研究院,北京 100012；3.淮河能源控股集團煤業公司張集煤礦,安徽淮南 232171)

水環真空泵是礦井瓦斯抽采系統的主要動力設備，具有結構簡單、易燃易爆氣體抽吸安全、惡劣環境適應性強等優點，但一直面臨著高能耗、低效率的工程問題。據統計，我國大中型高瓦斯礦井的瓦斯抽采泵站年耗電量普遍高達上千萬甚至上億千瓦時，但泵效率僅15%～50%[1]。以山西潞安集團為例，下屬煤礦20 座，均建有瓦斯抽采泵站，連續運行超百臺大型水環真空泵，年耗電量達4 億度以上，能源浪費嚴重。

節能提效是實現“碳達峰、碳中和”目標最重要、最經濟、最有效的途徑[2]。為降低水環真空泵能耗，國內外學者在理論模型、數值計算和性能試驗等方面進行了大量研究。張人會等[3-4]采用VOF 兩相流模型對水環泵內流場和外特性進行了數值模擬，優化設計了葉輪、排氣口等過流部件，有效提高了泵效率；陳旭東等[5]對水環泵的能耗特性進行了試驗和數值計算，提出了預抽真空、最佳補水量等方案來優化泵的運行性能；阮紹剛[6]基于瓦斯抽采系統工況條件，提出采用泵轉速智能調控方法以實現抽采系統節能目的。但隨著設計理論的完善和成熟，單從結構設計和過程工藝改進入手，節能效果嚴重受限。

為此，筆者提出了基于湍流減阻原理的水環真空泵減阻節能技術[7-8]，即將工作液由常規的水改性為高分子減阻液，通過調控泵內液環流態以大幅降低流動中的摩擦損失和湍流損耗。湍流減阻現象被廣泛應用于各領域，如水力壓裂、磨料水射流、水下航行體流動、城市集中供熱/冷系統、生物醫藥等。鮑晉等[9]針對頁巖氣開發中壓裂要求，研制了疏水締合聚合物壓裂液，并通過管路摩阻測試系統進行了減阻特性實驗；張友誼等[10]研究了高分子減阻劑對后混合磨料射流切割特性的影響，發現其可顯著改善射流結構特征，提高切割能力；王力等[11]研究了成品油管道輸送過程中的減阻效果評價方法，并將其應用于現場輸送系統得出了減阻率和增輸率；姜晨醒[12]研究了活性減阻劑對水下航行體超空泡形狀和動力學特性的影響規律，提出了超空泡減阻流動控制新方法；李冠頡[13]研究了減阻劑類型、濃度、管路結構等參數對血液流變學的影響；李鳳臣等[14]首次在集中供熱系統中進行了減阻劑對管路內節能增輸效果的影響，最大節能率達28.4%。

盡管已開展了大量實驗，但現有成果主要集中于輸送管路內單相減阻流動，流態簡單、湍流強度低、雷諾數小，尚缺乏在高湍流強度、高剪切環境下的水環真空泵內減阻節能特性研究；同時，減阻劑種類繁多，不同減阻劑具有不同的分子結構和流變特性，適用條件也不盡相同，無法直接應用于煤礦水環真空泵的節能增效領域。針對上述問題，基于水環真空泵運行特性，結合減阻劑分子構象的差異，筆者分別對具有柔性分子鏈、半剛性鏈及剛性鏈的3 種減阻劑進行了優選；在此基礎上，探究了減阻液節能性能隨濃度、吸氣壓力和轉速的變化規律，發明了一套適用于煤礦瓦斯抽采泵站運行工況下的水環泵節能提效工藝及系統，并進行了工程驗證。

1 水環真空泵減阻節能原理

1.1 水環真空泵能效分析

水環真空泵屬于容積式真空泵，主要包括葉輪、葉片、泵體以及進排氣口等過流部件，如圖1 所示。

圖1 水環真空泵工作原理Fig.1 Operation principle of the WRV pump

在偏心安裝于泵體內的葉輪高速旋轉條件下，工作液受離心力作用在泵體內形成封閉水環，此時葉輪內腔與水環之間形成一個月牙形空間(青、藍和紅色區域組成)，該空間又被葉片分成若干個小腔。隨葉輪逆時針旋轉，工作液從葉輪中流出，葉輪機械能轉化為工作液動能，吸氣區內的小腔體積變大，形成真空，氣體被吸入；葉輪進一步旋轉，進入壓縮區，工作液再次流入葉輪內，其動能轉化為壓力能，對氣體進行壓縮做功，氣體壓力升高，當與排氣區相通時，氣體排出泵外。由此看出，水環真空泵內流場是一個具有自由分界面的偏心氣液兩相流場，相分界面上的流體質點受離心力、科里奧利力及表面張力等綜合作用下呈非穩定性，導致泵內流動紊亂，能量損失嚴重。

水環泵有用功率為壓縮氣體所消耗的功率，可看作等溫壓縮過程，表示為

式中，Pe為水環真空泵有用功率，kW；p1為吸氣壓力，kPa；p2為排氣壓力，kPa，此處為101.3 kPa；Q為吸氣流量，m3/min。

無用功率為摩擦損失和湍流損失之和，可表示為

式中，Pd為水環真空泵無用功率，kW；P為泵軸功率，kW；φ為泵效率。

泵內液環高速旋轉條件下的雷諾數可表示為

式中，ρ為工作液密度，kg/m3；ω為葉輪角速度，rad/s；μ為液體動力黏度，Pa·s；r為葉輪葉片半徑，m。

現選取煤礦瓦斯抽采系統廣泛應用的2BEC80大型水環真空泵(轉速270 r/min)進行能效分析，定性評價其能耗損失過程。

由表1 可知，該泵所耗功率在610～850 kW，效率僅19.5%～50.4%，效率極低。進一步地，根據葉輪旋轉速度22.6 m/s、葉片半徑0.80 m 及水黏度數據，由式(3)可得雷諾數約2.64×107，遠大于管內流動雷諾數(～104)[15]，水環真空泵內湍流強度極高，渦流損失大；同時水環與泵過流部件的相對速度大，超20%的軸功率以摩擦損失形式被耗散掉[16]。然而，傳統的過流部件優化設計以降低泵內湍流損耗為主，未著重考慮摩擦損失而導致節能效果受限[17]。

表1 2BEC80 型水環真空泵性能參數分析Table 1 2BEC80 pump performance analysis

1.2 水環真空泵減阻節能機理分析

基于上述分析，提出了高分子減阻液降低水環真空泵無用功耗的方法，減阻節能機理如下[8]。

1.2.1泵內邊界層區摩擦阻力的降低

以湍流減阻黏性理論為基礎，在高剪切流場環境下，減阻液中的分子鏈會由靜止狀態下的纏結結構演化為拉伸結構，進而引起有效黏度的增加[18]，即

式中，ve和v0分別為高分子溶液的有效黏度和溶劑黏度，m2/s；c[η]本質上為相對黏度c/c*，其中，c為溶液濃度，c*為溶液疊加濃度，[η]為高分子溶液的特性黏度；ε為分子鏈長度的增長率。

有效黏度增加，邊界層厚度增大[19]，速度梯度和黏性應力減小，邊界層湍流場內相干結構猝發事件的強度得到抑制，從而表現為水環真空泵近壁區內摩擦阻力的降低。

1.2.2湍流核心區內湍動能損耗的降低

基于湍流減阻彈性理論，分子鏈的拉伸可等效為將本要隨小尺度渦耗散的湍動能kt通過Pe,t項轉換為分子的彈性能量ke(類似于彈簧拉伸可轉化為彈性勢能)[20]，并在低剪切速率區域內分子鏈由拉伸狀態重新變至蜷曲態從而釋放出彈性能，減小了湍動能的損耗。

其中，kt為湍動能；ke為分子彈性能；上橫線“-”為變量的平均值；ui為速度分量，τij和τii為減阻液應力分量；xj為慣性坐標系中的分量；β為溶劑黏度和減阻液黏度比值。由式(5)可知，β越小，即減阻液黏度越大，雷諾數越低，則分子鏈可儲存的彈性能量越高，抑制渦形成和傳播的能力越強，湍流損耗越小。

1.2.3氣-液間界面阻力的降低

式中，fi為界面摩擦因數；ρg為氣體密度，kg/m3；Ug為氣體流速，m/s。

結合管道內減阻液對氣液兩相流型的影響規律[22]，減阻液的黏彈性特性可有效衰減大振幅的分界面波，抑制界面波的非穩定性，使分界面更平滑，表面摩擦因數降低，界面阻力減小，泵的無用功耗隨之降低。

2 實驗

2.1 實驗材料

減阻劑分子鏈的剛柔性對其減阻性能和剪切穩定性影響極大[23]。為此，筆者選取的材料主要為具有柔性分子鏈的聚丙烯酰胺PAM、半剛性分子鏈的黃原膠BG 以及剛性分子鏈的三贊膠SG。其中，PAM為人工合成的陰離子型水溶性高分子聚合物，由丙烯酰胺水溶液聚合而成；黃原膠BG 為天然的陰離子型多糖類高分子物質，主鏈結構為β-(1-4)-D-葡萄糖聚糖，同時含有1 個三糖結構的側鏈D-葡萄糖，抗溫抗鹽能力優異；三贊膠SG 是一種天然型的高分子增稠劑，由葡萄糖、甘露糖等糖類、十六碳及十八碳脂肪酸脂等脂類和多肽組成，在石油鉆采和食品行業等廣泛應用。進一步，采用電子天平稱取一定量的3 種減阻劑樣品，緩慢加入到不斷攪拌的自來水中，在室溫下以200～300 r/min 的轉速恒速攪拌不低于2 h，分別制成所需濃度的減阻液。

2.2 實驗系統與方法

水環真空泵性能測試系統主要包括水環真空泵運行系統、泵性能參數測量系統以及數據處理與控制系統等，如圖2 所示。水環真空泵運行系統由2BEA203型水環真空泵(淄博水環真空泵廠有限公司，最大抽氣流量：14.6～22.0 m3/min；極限真空度33 hPa)、變頻電機(南京恒速電機有限公司，工作電壓：380 V；額定扭矩：286.5 N·m；恒轉矩調速范圍：5～50 Hz)、變頻器、進排氣管路、換熱器等組成；泵性能參數測量系統包括扭矩轉速傳感器、壓力傳感器、孔板流量計和電磁流量計等；數據處理與控制系統用于調節變頻電機的轉速、負壓電動調節閥開度等參數，并實時采集電機轉速、軸功率、吸氣流量、吸氣壓力、進液流量等參數至工控機，通過已嵌入的數據處理程序輸出計算結果。本系統可實現煤礦瓦斯抽采系統不同抽采負壓下的動態模擬和實時監測。

圖2 水環真空泵性能測試系統Fig.2 WRV pump performance test system

高分子減阻液在水環泵內節能率ESR和氣量增加率FRI可表示為

式中，pw和ps分別為純水和減阻液條件下水環真空泵運行的吸氣壓力，kPa，且pw=ps；Pw和Ps分別為純水和減阻液條件下測得的軸功率，kW；Qw和Qs分別為純水和減阻液條件下測得的氣體流量，m3/min。

3 結果與討論

3.1 高分子減阻劑的優選

為獲得一種節能率高、穩定性強的減阻劑，以60 kPa的吸氣壓力為評價工況(瓦斯抽采的通常壓力范圍)，研究了3 種減阻劑在不同質量濃度條件下水環真空泵軸功率和節能率隨運行時間的變化趨勢，結果如圖3所示。

圖3 不同減阻劑下水環真空泵軸功率和節能率隨時間變化的影響Fig.3 Variation of shaft power and ESR of different drag reducers with time

3 種減阻劑均可有效降低水環真空泵軸功率，且質量濃度越高，降幅越明顯。以減阻劑BG 為例，當質量濃度C由0 依次增至1.0、2.0、3.0、4.0 和4.5 g/L時，穩定后的軸功率由22.35 kW 分別降至21.5、20.85、20.07、19.31 和18.90 kW，對應的節能率分別為3.8%、6.73%、10.19%、13.62%和15.44%。當1.0 g/L ＜C＜ 4.0 g/L 時，由于減阻劑分子數量增加，邊界層內的摩擦阻力和湍流核心區的湍流阻力大幅降低，無用功損耗減小；隨濃度進一步增加，即C＞ 4.0 g/L 時，剪切黏度的增加導致黏性損失增大而抵消部分節能效果，因此軸功率僅小幅下降[24]。

同時，隨運行時間延長，軸功率均呈先快速增加后逐漸穩定的趨勢，相應地節能率先降低后趨于穩定。這是因為在流場高剪切力及泵葉輪的機械剪切作用下，減阻液會發生剪切降解現象[23]，高分子鏈斷裂，分子量降低，水動力學半徑減小，湍流抑制作用隨之降低，節能率下降，但3 種減阻劑的降幅顯著不同。以質量濃度4.5 g/L 為例，BG 減阻液對應的節能率由初始的17.4%降至15.4%，相對降幅為11.5%；PAM 減阻液由15.7%降至10.2%，相對降幅高達35%；SG 減阻液由12.4%降至11.7%，相對降幅僅5.6%。這是因為基于減阻劑的分子鏈結構特性，可分為柔性鏈、半剛性鏈和剛性鏈3 類，且分子鏈柔性越強，湍流猝發抑制程度越高，節能效果越好，但剪切穩定性越差[23]，這也與本文實驗結論基本一致。需要注意的是，半剛性鏈減阻劑BG 兼具了優異的節能率和較強的節能穩定性，且以4.5 g/L 質量濃度最優，因此更適合于水環真空泵的高強度剪切、長周期運行的抽采工況。

進一步地，采用安東帕MCR102 高級旋轉流變儀對不同質量濃度BG 減阻液進行流變性測試。由圖4發現，在整個剪切速率范圍內，隨BG 質量濃度增加，減阻液的剪切黏度大幅增加。在剪切速率為0.1 s-1下，水的黏度僅0.89 mPa·s，而加入3.0 和4.5 g/L 質量濃度的BG 減阻劑時，黏度分別增至5 976.2 mPa·s和33 337 mPa·s，漲幅最高超37 000 倍。一方面，減阻劑BG 的加入使水中的高分子密度和總質量增大，黏度提高；另一方面，溶液中形成一種物理作用力交聯的三維網狀結構，使其流體力學體積增大，黏度大幅提高。但隨剪切速率增加，減阻液的黏度降低，表現出非牛頓流體剪切稀化現象。這主要是由于剪切速率增大，大分子鏈在剪切方向上的取向度增加，分子鏈間出現了分離和解纏效應，溶液中的網狀結構遭到破壞，使流動阻力降低，黏度下降。但在低濃度(C≤0.2 g/L)下，分子鏈間纏結效應較弱，因此剪切稀化性不明顯。

圖4 BG 減阻液的剪切黏度特性Fig.4 Shear viscosity of BG drag-reducing fluids

對于中高質量濃度(C≥0.5 g/L)減阻液，采用多參數Carreau-Yasuda(C-Y)模型對其剪切稀化性進行了擬合：

式中，μ為對應于剪切速率的黏度，mPa·s；μ0和μ∞分別為零剪切黏度和無窮剪切黏度，mPa·s；n為無量綱冪率指數；λ1為松弛時間常數；α為Carreau 常數。

由表2 可知，隨質量濃度增加，零剪切黏度快速增大，無窮剪切黏度緩慢增加，減阻液的分子開始由分散且不接觸的稀溶液轉變為分子接觸并相互纏結的亞濃溶液[25]，且濃度越高，纏結強度越大，即內部結構越穩定，在泵內高強度的剪切環境下節能穩定性越強。但當質量濃度進一步增大時，纏結強度過大，所產生的內部阻力越大，從而會抵消部分的節能性能。

表2 各質量濃度BG 減阻液C-Y 模型擬合參數Table 2 Fitting parameters of C-Y model for BG drag-reducing fluids

圖5 為不同質量濃度BG 減阻液的儲能模量G′和損耗模量G″隨剪切應變的變化關系。儲能模量是對溶液彈性特性和變形后其恢復能力的數學表征，而損耗模量反映了溶液抵抗流動的性能，即黏性耗散損失。由圖5 可知，隨減阻液質量濃度增加，儲能模量和損耗模量均逐漸增加，黏彈性特征越明顯。當減阻液質量濃度為0.5 g/L 時，在整個剪切應變區間內，G′始終低于G″，此時減阻液為黏性流體；當質量濃度為1.0 g/L 時，低剪切應變下G′ ＜G″，以黏性為主，而高剪切應變下G′ ＞G″，以彈性為主，此時減阻液為黏彈性流體；當質量濃度大于2.0 g/L 時，G′始終高于G″，彈性特性顯著，此時為彈性流體，具備了湍流減阻性能的關鍵指標特征[26-27]。

圖5 BG 減阻液黏彈性特性Fig.5 Viscoelastic property of BG drag-reducing fluids

3.2 減阻液對泵性能參數的影響

圖6 為質量濃度為4.5 g/L 的BG 減阻液在不同吸氣壓力下對水環真空泵性能參數(軸功率、吸氣流量)的影響。由圖6 可知，在整個吸氣壓力范圍內，減阻液均可大幅降低水環泵軸功率，同時提高泵的吸氣流量[28]。一方面，減阻液質量濃度升高，湍流損耗和摩擦損失減小，用于抽氣的有用功增加，氣量隨之增加。另一方面，根據溶液的依數性理論[29]，向溶劑內加入非揮發性物質，則溶液的物性特性將發生改變，如飽和蒸氣壓下降、凝固點降低等。粉體型BG 為非揮發性的陰離子聚電解質，其所形成的減阻液飽和蒸氣壓與水相比降低。基于水環真空泵的運行特性，飽和蒸氣壓越低，水分蒸發量越少，水蒸氣在泵內所占用的吸氣空間越小，則吸氣量越大[30]。

圖6 水環真空泵性能參數隨吸氣壓力的變化Fig.6 Effect of inlet pressures on the performance of the WRV pump

隨吸氣壓力增加，軸功率先緩慢增加后快速降低(均以30 kPa 為分界點)，吸氣流量呈一直增加趨勢，也就是減阻液的添加并未改變水環泵性能曲線的變化趨勢，因此該技術不會影響瓦斯泵站人員的操作習慣和相關規程。

圖7 為當減阻液質量濃度為4.5 g/L 時，節能率和氣量增加率隨吸氣壓力的變化。由圖7 可知，隨吸氣壓力的增大，節能率呈二次函數關系大幅增加，但氣量增加率快速降低。當吸氣壓力由20 kPa 升至40、60 和80 kPa 時，節能率由13.6%分別增至13.9%、15.4%和17.8%，對應的氣量增加率則由7%分別降至4%、1.7%和1.1%。在低吸氣壓力下，工作液更易蒸發，因此若降低工作液的飽和蒸氣壓，高真空下的氣量提升也越明顯。氣量增加率大意味著需消耗更多的等溫壓縮功率來對氣體進行做功，因此表觀上節能率較低。

圖7 節能率和氣量增加率隨吸氣壓力的變化Fig.7 Effect of inlet pressures on ESR and FRI

3.3 泵轉速對減阻液節能性能的影響

不同煤礦瓦斯抽采工況下，所選型的水環真空泵轉速也不相同。圖8 為水環真空泵性能參數隨泵轉速的變化趨勢。

圖8 水環真空泵性能參數隨葉輪轉速的變化Fig.8 Effect of impeller speed on the performance of the WRV pump

由圖8(a)可知，泵軸功率與轉速呈冪指數增長關系，但減阻液作為工作液時軸功率的增長速率較水低，因此節能率隨轉速增加而增大，最大達到16.7%。葉輪轉速升高，泵內液環流動雷諾數增加，流場湍流強度增大，減阻液中的大分子鏈拉伸程度增加，使流場內本要耗散的渦動能更多地轉化為分子鏈彈性能，湍流脈動強度得到進一步抑制，節能率增加；隨著轉速繼續升高，分子鏈趨于充分拉伸狀態，湍流脈動抑制程度接近最高值，節能率增幅逐漸變緩[31]。由圖8(b)可知，吸氣流量與泵轉速成線性增長關系，但氣量增加率變化很小，基本在1.66%左右。因此，現場水環真空泵的轉速越高，電能消耗越大，吸氣量越大，節能技術應用效果也越明顯。

4 水環真空泵節能提效系統

為適應煤礦瓦斯抽采泵站的工況環境及均勻制備高分子減阻液體系，筆者所在團隊研發了一套水環真空泵節能提效系統，該系統主要包括減阻液配補一體化裝置、泵內定量供水裝置、水環真空泵節能運行監控系統等部分，如圖9 所示。該系統的工藝流程為：首先采用減阻液配補一體化裝置將減阻劑定量溶解于循環水池中，經進液管路進入水環真空泵，利用其特有的黏彈性特性來降低泵內流場的湍流阻力和摩擦阻力，實現水環真空泵能耗的顯著降低。同時，采用離心泵將清水由定量補水管路經電動閥和流量計補至泵內，以維持減阻液濃度。之后，隨瓦斯排出的減阻液經氣液分離器通過排液管路排至溶液池，形成減阻液的閉式循環。當監控系統監測液位到下限值時，自動開啟減阻液配補一體化裝置對溶液池補至液位上限值，從而保證節能系統的穩定運行。

圖9 水環真空泵節能系統工藝流程Fig.9 Schematic diagram of energy saving system for the WRV pump

為實現減阻劑的精確添加，采用變頻螺旋輸送機和水流量計對減阻液濃度進行調控，通過攪拌箱內的高速旋轉葉片進行充分混合與溶解，得到具有最優節能效果的減阻液。同時，由于水環真泵所用循環水溫度較高，大量水分蒸發(大型瓦斯抽采泵站的水分蒸發量在60～100 t)，導致減阻液黏度變化劇烈。因此，采用調節閥和渦輪流量計在水環真空泵進氣側進行定量供水措施，以維持減阻液的最優黏度。最后，開發了水環真空泵遠程節能監控系統軟件[32]，采用礦用隔爆型控制柜和工控機對瓦斯抽采參數(負壓、抽采流量等)、減阻液參數(溫度、液位、黏度等)以及水環泵能耗及節能效果等進行采集與計算分析，保障瓦斯抽采系統的安全高效運行。

5 工程驗證

淮南礦業集團張集煤礦位于安徽省淮南市鳳臺縣境內，核定生產能力為7.5 Mt/a，為煤與瓦斯突出礦井。該礦井建有中央區、北風井、東風井及西風井4座地面瓦斯抽采泵站，共安裝水環真空泵22 臺，其中13 臺運行9 臺備用，累計運行功率為6 175 kW，年耗電量為5 400 萬kW·h 以上，且運行效率普遍偏低。本次在東風井瓦斯抽采泵站1 號和2 號水環真空泵(1 用1 備；泵型號：2BEY72；最大抽氣量560 m3/min，電機額定功率800 kW，額定轉速300 r/min)上進行了節能改造，如圖10 所示。

圖10 水環真空泵節能系統現場照片Fig.10 Picture of energy saving system of WRV pump

在水環真空泵運行過程中，部分減阻液會被高速氣流攜帶出去而產生少量損耗，因此有必要對該技術進行成本-效益分析以計算凈節能率[30]：

其中，ξ為凈節能率；ke為度電價格，0.63 元/(kW·h)；kp為單位質量減阻劑的價格，35 元/kg；Mp為減阻液的損耗量，kg/h，以現場實測數據為準。1 號水環真空泵的抽采數據和耗電量見表3。

表3 節能技術應用前后抽采工況和耗電對比Table 3 Drainage condition and electricity consumption comparation before and after energy saving technology application

在加入質量濃度為4.5 g/L 的BG 減阻劑后，維持抽采負壓為-33 kPa，發現瓦斯抽采流量不變，但運行功率由710 kW 降至560 kW，節能率為21.1%，耗電量由17 040 kW·h/d 降至13 440 kW·h/d，節電量為3 600 kW·h/d，如圖11 所示。進一步地，根據溶液池內液位變化，可知1 號水環真空泵的平均耗液量為83.3 kg/h，結合式(10)，計算出泵的凈節能率為18.2%，單泵年凈節能效益超70 萬元/a。若將該技術推廣至全礦，預計年凈節能效益近610 萬元/a，節能效益巨大。同時，節能系統運行期間，水環泵的運行功率穩定，即該技術的節能效果穩定可靠。