矿井主排水系统节能技术的应用

摘 要：本文对矿井主排水系统节能技术进行研究和分析，结合矿井的实际情况，通过经济实用性比选，选择适宜的节能技术方法，通过分析计算，制定节能改造方案，并对改造后运行情况和节能效果进行了验证分析，总结出了适用于煤矿主排水系统的节能技术方法，提高了系统的安全性和可靠性，较大的降低了电能消耗，实现了安全生产和节约能源。

关键词：主排水系统；节能；性能曲线；自动化

中图分类号：TD82 文献标识码：A

矿井主排水系统是关系矿井安全生产的重要系统，而随着煤炭开采深度的不断增加，矿井涌水量及排水难度随之加大，对矿井主排水系统的要求也越来越高，同时由于深度增加矿井主排水系统耗电量大幅增加，基本上要占到矿井总耗电量的20%-40%，企业生产成本压力巨大。并且由于新设备、新工艺、新技术、新材料的不断出现，现有的设备、系统也越来越不能满足安全生产和节能环保的要求，因此对矿井主排水系统进行节能技术研究和改造能大幅降低能源消耗，提高系统安全性和可靠性，对安全生产和节能环保有着重要意义。

1某矿井主排水系统的现状

矿井正常涌水量1500m3/h，最大涌水量2700m3/h，矿井水容重： γ0=1020kg/m3。配备9台MD500-57×10型耐磨多级离心水泵，4台工作，4台备用，1台检修。每台泵配套YB2型4极1120kW矿用防爆电动机。排水管路采用4趟Φ426mm无缝钢管排水管。排水高度419m（水泵吸水和矿井水处理站附加扬程共取15 m）。两泵单趟Φ426mm排水管并联运行工况点参数：流量1108.6 m3/h，扬程501.2m，效率73%，单台泵轴功率1036.4kw。排水泵电机由井下变电所一对一供电，在水泵房设就地操作按钮。

由于水泵选用过大、原管路布置不合理、控制系统落后等原因，主排水系统自动化程度低、运行效率低、可靠性差，排水系统耗电量较大，达到0.511kW・h/（t・hm），大于0.5kW・h/（t・hm）不满足MT/T1002-2006《煤矿在用主排水系统节能监测方法和判定规则》及《煤炭工业节能减排工作意见》等国家有关节能工程实施方案等相关政策法规要求，必须对主排水系统进行节能改造。

2矿井排水节能技术

2.1调整管路布置，减少管路阻力。

通过调整管路直径及走向，更换低阻管件、阀门，减少管路阻力，改变管路特性曲线，使系统在最佳工况运行。

2.2切削水泵叶轮，改变水泵性能曲线。

叶轮切削对于过分保守的设计或者系统负荷发生了变化所导致的泵容量偏大的情况是个非常有用的改进措施。叶轮切削就是调整叶轮的直径，降低叶轮的端速，并由此直接地降低了传递到系统流体介质上的能量，并且降低了泵所产生的流量和压力。 离心泵相似性定律提供了在恒定的泵速度条件下叶轮尺寸及泵输出之间的理论关系，如果改变叶轮的出口直径，则离心泵的特性曲线平行移动，可以采用车削离心泵叶轮外径的方法改变一台泵的性能范围，以使泵的性能更适合节能运行需要。

2.3使用新型涂层材料，提高叶轮泵壳光洁度。

采用超滑涂层材料对水泵进行涂覆改造，增加叶轮及泵壳的光洁度，改善泵内水流状态，减少阻力，达到提高效率、降低能耗的效果。

2.4无底阀排水

采用无底阀排水，具有增加吸水高度、增大汽蚀余量、排水效率高等优点。无底阀排水方法很多，如采用真空泵、射流泵、水环泵、真空水箱等。

2.5基于PLC的自动化控制系统

采用PLC和传感器自动检测水位和其它参数，根据水位的高低、矿井用电信息等因素，建立数学模型，合理调度水泵运行，可以达到避峰填谷及节能的目的。

2.6优化水泵设置，更换高效水泵。

使用新型高效节能水泵替代落后的高耗能水泵，可以降低系统负荷，减少电能消耗，提高系统的可靠性。随着水泵技术的发展，一些高效节能的水泵得到越来越多的应用，如双吸泵、自平衡泵等。

2.7变频调速节能

根据系统的工艺要求，通过实时检测系统运行参数，调整电动机的电源输入频率，改变电机的转速，控制电动机的输入功率，实现“所供即所需”，实行最优运行调度方案，达到最佳节能效果。并且使用变频装置后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备的使用寿命。

2.8功率因数补偿节能

功率因数的降低导致有功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路当中，增加线损和设备的发热，设备使用效率低下，浪费严重。通过功率因数补偿，功率因数提高，从而减少了无功损耗，增加了有功功率，可以提高电气设备利用率，降低变压器及母线因输送无功功率造成的电能损耗。

3节能改造方案选定及运行效果分析

结合矿井排水系统现状和矿井实际条件，通过经济实用性比选，选择从调整管路、切削叶轮、无底阀排水、使用新型涂料、自动化控制等方面进行节能改造。

3.1调整管路

合理布置主排水管路，将井底及泵房出口处的U形弯取直，尽量缩短管路长度，减少沿程损失；更换急骤弯曲和突然变径管件和阻力大的阀门，最大限度减小主排水管路各种阻力损失，提高管路效率；对主排水管路进行除垢清洗，降低摩阻力。管路调整后管路总阻力下降了19%，管路特性曲线得到优化，配合水泵特性曲线的改变，排水系统的工况点位于高效区最高效率点附近，节能效果明显。

3.2切削叶轮

由现状运行工况点参数可知水泵和管道不相匹配，“大马拉小车现象”严重，水泵处于“大流量、低效率、高功耗”的不利工况运行。可以采用切削离心泵叶轮外径的方法改变泵的性能范围，以使泵的性能更适合节能运行需要。MD500-57×10耐磨多级离心泵叶轮直径为435mm，根据水泵叶轮切削定律：

经计算切削后叶轮外径为420mm。切削后水泵吸水高度增加，水泵性能曲线下移与优化后的管路特性曲线交点位于水泵的高效区，接近最高效率点，相应的两泵单趟Φ426mm排水管并联运行工况点参数为：流量1071.6 m3/h，扬程466.1m，单台泵轴功率934.37kW，计算能耗降低了9%。

排水能力校核：正常涌水期为4台MD500-57×10型耐磨多级离心水泵并联工作于2趟Φ426mm排水管，排水能力2143.2m3/h，日排水时间为16.8h；最大涌水期为8台MD500-57×10型耐磨多级离心水泵工作分别工作于4趟Φ426mm排水管，排水能力4286.4m3/h，日排水时间15.1h。均满足《煤矿安全规程》第二百七十八条“工作水泵的能力，应当能在20h内排出矿井24h的正常涌水量（包括充填水及其他用水）。备用水泵的能力应当不小于工作水泵能力的70%。检修水泵的能力，应当不小于工作水泵能力的25%。工作和备用水泵的总能力，应当能在20h内排出矿井24h的最大涌水量。”的要求。

3.3无底阀排水

配备ZBS-G型高压汽水两用喷射装置，采用无底阀排水，减少吸水损失，可节能3%左右。

3.4使用新型涂料

使用氟硅涂料对水泵泵壳和叶轮进行砂眼、气孔修补和表面涂覆， 增加叶轮及泵壳的光洁度，改善水流状况，减少摩阻力，可节能1-2%。

3.5自动化控制

对排水系统进行自动化控制改造，矿井自动化排水采用可防爆编程控制器（PLC）集中控制并留有带控制器的通讯接口以实现矿井自动化监控及无人值守。在排水泵的出口管路安装电动闸阀、压力传感器，抽真空管路上安装真空度传感器，总出水管路上安装流量传感器，水仓设液位计连续测量水仓水位，作为自动调节的参考反馈量，通过4～20mA模拟量信号接入PLC。排水系统可根据水仓水位的高低、井下用电负荷的高峰低谷和供电部门所规定的平段、谷段、峰段用电时间段（时间段可根据实际情况随时进行调整和设置），建立数学模型合理调度水泵。水泵、电机、闸阀、管路等引起系统效率低的因素发生变化，超出系统优化指标时，系统能智能分析判断、显示并切换到优化运行状态，从本质上解决了排水系统因动态变化引起的劣化运行问题，确保排水系统长期优化运行。使用智能优化排水控制系统后，排水能耗约下降3～5%，并且降低泵的损坏率，减少生产成本，减少用工人数，减轻工人劳动强度，改善工作环境。

经过节能改造后，主排水系统运行良好，运行效率有了很大提高，实测耗电量0.398kW・h/（t・hm）

结语

通过技术研究和方案比选，采取的改造方案贴合实际，易于实现，以较少的投入取得了良好的效果，通过对主排水系统的改造，提高了系统的安全性和可靠性，较大的降低了电能消耗，实现了安全生产和节约能源，取得了显著的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]杨小薇. 叶片泵的非设计工况及其优化设计 [M]. 机械工业出版社，2006.

[2]陈乃祥，吴玉林. 离心泵[M] . 机械工业出版社，2003.

[3]关醒凡. 现代泵理论与设计[M] . 中国宇航出版社，2011.