集團(tuán)總工程師
正高級(jí)工程師
礦井主排水設(shè)備是煤礦主要設(shè)備之一，也是煤礦的用電大戶，其耗電量約占全礦耗電量的30%，對(duì)于涌水量較大的礦井可達(dá)50%~60%，甚至更多，所以排水設(shè)備運(yùn)行的效率的高低，直接影響全礦的耗電量。在我國(guó)煤炭行業(yè)中,由于各方面因素的影響,排水設(shè)備的運(yùn)行效率很低。因此,分析影響排水設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行因素,研究節(jié)能有效途徑,對(duì)于提高排水設(shè)備運(yùn)行效率具有重要意義。
一、煤礦排水設(shè)備運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)
排水設(shè)備的能耗高低可用“噸百米電耗”來衡量，它是指排水設(shè)備把1t的水位提高100m的耗電量，簡(jiǎn)稱“噸百電耗”。在煤炭行業(yè)和其它生產(chǎn)部門都以“噸百電耗”作為衡量排水設(shè)備運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)，其計(jì)算公式為（1）
et.100=1/(3.673ηηgηdηc) （kw.h） （1）
式中η——水泵效率
ηg——管路效率
ηd——電動(dòng)機(jī)效率
ηc——傳動(dòng)效率
令ηz=ηηgηdηc （2）
et.100=1/(3.673ηz) （kw.h）
由（2）式可知，“噸百電耗”與排水設(shè)備效率成反比，即與水泵效率、傳動(dòng)效率、電動(dòng)機(jī)效率和管道效率的乘積成反比，它反映了排水設(shè)備各個(gè)環(huán)節(jié)的效率，是一種能夠比較科學(xué)和全面地比較排水設(shè)備運(yùn)行情況的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。
由于排水設(shè)備效率隨工況變化而變化，因此“噸百電耗子”也隨工況的變化而變化，“噸百電耗”隨工況而變的規(guī)律稱作“噸百電耗”特性。200D43×9型水泵“噸百電耗”特性。曲線和排水設(shè)備效率特性曲線與流量的變化關(guān)系如圖1所示。
圖1 排水設(shè)備效率特性曲線和“噸百電耗”特性曲線
與流量的關(guān)系
由圖1可知：
1、排水設(shè)備效率隨流量增加而增加，“噸百電耗”隨流量增加而降低，流量愈大，設(shè)備效率愈高，“噸百電耗”愈低（對(duì)其它類型礦用水泵也有相同的規(guī)律）。因此，無論在運(yùn)行和設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量使工況朝大流量方向移動(dòng)，以提高排水設(shè)備效率，降低能耗。
2、排水設(shè)備效率最高工況恰好是“噸百電耗”最低工況，因此可以說要降低“噸百電耗”，必須提高排水設(shè)備效率。值得提的是，泵效率最高工況不是排水設(shè)備效率最高工況，也不是“噸百電耗”最低工況，這是由于“噸百電耗”不僅考慮了水泵的效率，同時(shí)還考慮了管道效率的緣故。因此只有設(shè)備效率才能與電耗取得滿意的配合。建議在排水設(shè)備最高工況，即“噸百電耗”最低工況運(yùn)行作為排水設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的一條基本原則。
二、影響經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的因素
由（2）式可知，對(duì)于測(cè)量高度一定的排水系統(tǒng)，若認(rèn)為傳動(dòng)效率與電動(dòng)機(jī)效率為定值，則“噸百電耗”只與水泵效率與管道效率有關(guān)，即主要影響排水設(shè)備效率的因素是水泵和管路。煤礦排水設(shè)備運(yùn)行效率低和能耗高的主要原因如下。
1、設(shè)備更新緩慢，許多結(jié)構(gòu)落后、效率低和耗電量大的老舊設(shè)備仍在使用。
2、對(duì)排水設(shè)備沒有按要求定期進(jìn)行測(cè)定，沒有做到合理調(diào)整和配合，運(yùn)行狀況不佳甚至在低效區(qū)運(yùn)行。
3、水泵檢修不及時(shí)，造成其容積損失、水力損失和機(jī)械損失增大，性能降低。由于管路不嚴(yán)，檢修質(zhì)量不高，許多水泵檢修后不能恢復(fù)到原設(shè)計(jì)性能，也會(huì)使效率降低。
4、排水管路和管件的設(shè)計(jì)和安裝不合理，如管路過長(zhǎng)，彎曲多，管壁積垢厚，用閘閥控制流量，吸水高度大，未彩無底閥造成阻力增大，影響排水效率。
5、水倉(cāng)沒有定期清理，礦井水倉(cāng)內(nèi)大量污泥雜物排入管道，造成管路嚴(yán)重?fù)p壞。同樣污泥雜物涌入水泵吸水處造成水泵吸入阻力增加，設(shè)備效率下降，使“噸百電耗”增加。$Page_Split$
三、提高排水設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行途徑
要提高排水設(shè)備運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，必須從提高水泵效率和管道效率兩方面入手，使工況朝流量加大方向移動(dòng)，只有這樣才能減小“噸百電耗”，達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。
1、提高水泵效率
（1）盡快使用新型高效水泵以替換老舊雜的低效水泵，使水泵各工況點(diǎn)效率全面提高。目前國(guó)產(chǎn)適于礦山排水的高效水泵有200D43型、250D60C型，125D25型以及DQ280-100B型泵，其最高效率在71%~80%范圍內(nèi)。
（2）合理調(diào)節(jié)水泵運(yùn)行工況，使水泵在最佳工況點(diǎn)運(yùn)行。
水泵經(jīng)濟(jì)運(yùn)行必須滿足“穩(wěn)定工作重要條件，不產(chǎn)生汽蝕，工況點(diǎn)在工業(yè)利用區(qū)”這三點(diǎn)，而實(shí)際運(yùn)行時(shí)，水泵的效率往往偏低。原因之一是水泵流量過大，額定揚(yáng)程過高，運(yùn)行工況偏離了工業(yè)利用區(qū)，如圖2所示：
該圖表示了水泵揚(yáng)程H、功率N和效率η與流量的關(guān)系曲線。這就意味著水泵運(yùn)行效率降低，能耗增大。為了使泵能經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，在保證一定的備用揚(yáng)程條件下，高潮消除多余揚(yáng)程。當(dāng)水泵揚(yáng)程富裕量不足一級(jí)揚(yáng)程時(shí)，可采取車削葉輪外緣直徑的措施，使水泵揚(yáng)程特性按比例縮小，不僅可以滿足流量要求，而且在通常情況下改造以后的設(shè)備效率比改造前有所提高。當(dāng)泵的揚(yáng)程富裕量超過一級(jí)揚(yáng)程時(shí)，可采取減少水泵級(jí)浸透的辦法解決。對(duì)固定安裝的永久性水泵可減少中間段及相應(yīng)的葉輪。臨時(shí)安裝的水泵，可只減少葉輪而不減少間段，配上相應(yīng)的軸套。但要注意的是只能拆除中間或最后一級(jí)葉輪，不能拆除吸水側(cè)第一級(jí)葉輪，否則由于吸水阻力增加而過早發(fā)生汽蝕，使水泵性能惡化。同時(shí)應(yīng)及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)礦井排水泵系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)測(cè)定，獲得水泵運(yùn)行的各種數(shù)據(jù)，掌握其運(yùn)行狀態(tài)，分析效率低的原因，從而采取提高效率的對(duì)策，合理調(diào)整和匹配，使水泵在最佳工況區(qū)運(yùn)行。
2、提高管路效率
（1）降低管路損失系數(shù)
在已有管路的條件下，啟用備用管路與工作管路并聯(lián)應(yīng)用，排水管路和排水?dāng)嗝娣e加大，管路阻力系數(shù)降低，管路特性曲線變平緩，水泵的工況點(diǎn)在水泵特性曲線上向流量加大方向偏移，即由H1移到H2，水頭損失降低△H，流量增加△Q。由于△Q增加的幅度比△N大，因而排水設(shè)備的“噸百電耗”降低，效率增加，如圖3所示。
圖中H1為工況點(diǎn)1對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程，H2為工況點(diǎn)2對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程。△H為水頭損失降低量，△N為功率增加量，△Q為流量增加量。值得注意的是并聯(lián)排水管路并不是越多越好，要根據(jù)實(shí)際情況實(shí)測(cè)確定水泵與排水管路匹配的最佳運(yùn)行方式，只有這樣才能達(dá)到降低能耗的目的。
（2）提高吸水井水位，降低水井水位，降低水泵吸水高度
保持高水位排水，降低泵的吸水高度，不得避免了汽蝕發(fā)生，還減小了吸水阻力，提高了泵的效率，使工況點(diǎn)朝流量加大方向移動(dòng)。但是流量的增加量微乎其微，所以實(shí)行高水位排水對(duì)降低能耗作用不大。
（3）改斜排水管為立排水管
對(duì)于斜井開拓的礦井，在可能條件下，可采用鉆孔立管排水技術(shù)，這樣可大大縮短管路長(zhǎng)度，減少投資費(fèi)用，降低管道阻力可大大縮短管路長(zhǎng)度減少投資費(fèi)用。
（4）按能耗量最小原則配置管路
排水管徑的確定，傳統(tǒng)的方法是以經(jīng)濟(jì)流速或采用最有利管徑作為確定管徑的依據(jù)。以這種原則選型往往達(dá)不到最佳經(jīng)濟(jì)效果，建議以能耗最小原則直接按預(yù)定工況的要求配置管路。
3、加強(qiáng)排水設(shè)備的運(yùn)行管理
在排水設(shè)備運(yùn)行過程中，由于多種因素影響，可能使特性惡化，設(shè)備效率下降，噸百電耗上升。因此，維護(hù)設(shè)備的性能是保證其可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要方面。
（1）加強(qiáng)水泵的維修管理，改善其運(yùn)行性能
提高水泵的檢修和安裝質(zhì)量，降低其容積、水力和機(jī)械損失，保證各部軸承有良好的潤(rùn)滑及時(shí)更換磨損零部件，使各部間隙不超標(biāo)。調(diào)整好水泵平衡盤間隙和串水套間隙，減小水泵的氣水損失和容積損失。為了保證水封嚴(yán)密又不致于漏損過多，均勻壓緊填料蓋。保持流道光潔是減少額外水力損失的有效措施，因此無論新配制葉輪還是檢修安裝泵均應(yīng)清除葉輪和正反導(dǎo)葉流道內(nèi)的飛邊毛刺。在水泵正常運(yùn)行中，避免用閘閥控制流量，以免增加節(jié)流損失，避免不同型號(hào)的水泵并聯(lián)運(yùn)行，以免出現(xiàn)低效率工作點(diǎn)。
（2）維護(hù)和改善排水設(shè)備的吸性能
加大進(jìn)水管直徑,可以降低水頭損失,提高管路效率。采用無底閥排水，可減少吸水側(cè)的阻力損失，提高吸水井的水位，降低水泵工作的實(shí)際吸水高度，流量相對(duì)增加，能耗降低，同時(shí)避免了卡閥造成的汽蝕。適當(dāng)加大濾水器的過水孔面積，可以降低流速，減少吸水側(cè)阻力損失，從而提高排水設(shè)備效率。及時(shí)清理水倉(cāng)，如果水倉(cāng)中的大量煤泥、沙石、巖粉和木屑流入吸水井吸入泵內(nèi)，一方面加快葉輪、導(dǎo)葉和密封件泵體的磨損，導(dǎo)致泵的能量損失增加，同時(shí)也增大了吸排水管路的沿程和局部損失。另一方面會(huì)導(dǎo)致濾水器過水部分堵塞，加大吸水阻力，使泵內(nèi)發(fā)生汽蝕，同樣降低泵和管路效率，提高“噸百電耗”，縮短排水設(shè)備使用周期，影響經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。為了避免此種情況發(fā)生，要及時(shí)清理水倉(cāng)，阻止煤泥雜物流入吸入口，防止二次煤泥雜物進(jìn)入水泵。水倉(cāng)進(jìn)口要裝篦子，水倉(cāng)及吸水井的淤泥要定期清理，避免濾水器在堵塞情況下運(yùn)行。為了改善排水設(shè)備的吸水性能，還可以采用升壓泵和主水泵串聯(lián)方式，不僅可以免去汽蝕危險(xiǎn)，而且可以放心地在設(shè)備最大流量下運(yùn)行，取得可靠和經(jīng)濟(jì)兩方面的效果，是目前解決礦井排水設(shè)備吸水性能不足的有效措施。
（3）提高管路設(shè)計(jì)安裝質(zhì)量
提高管路設(shè)計(jì)安裝質(zhì)量力求避免用急驟彎曲或變徑的管件。對(duì)使用中的管路應(yīng)堅(jiān)持定期密封防腐處理防止外界空氣襲入進(jìn)水管和水泵進(jìn)水段，失去形成真空的條件。延長(zhǎng)管路使用壽命，減少漏水損失，去掉不必要的裝置，降低排水管路的壓力損失。將主排水管的直管接頭由法蘭連接改為焊接減少沿程損失，提高管路效率。
（4）及時(shí)清除管內(nèi)污垢，降低阻力損失
維護(hù)管路特性的關(guān)鍵是保持原有管路損失系數(shù)。礦水中含有大量雜質(zhì)，管路長(zhǎng)期使用后雜質(zhì)掛在內(nèi)壁上形成污垢層，管路有效直徑減小，致使損失系數(shù)增大，管路特性曲線變陡，工況朝流量減小方向移動(dòng)，設(shè)備效率下降，“噸百電耗”上升。為此必須定期清洗管路，生產(chǎn)礦井除應(yīng)定期清理管路外，還應(yīng)特別注意管道局部破裂和嚴(yán)重漏水，在此情況下，工況可能移動(dòng)超過設(shè)備最大流量，使電機(jī)超負(fù)荷損壞。
四、結(jié)論
1、要保證排水設(shè)備的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，必須從提高水泵效率，改善水泵的運(yùn)行性能，減小管路的水頭損失和加強(qiáng)排水設(shè)備的維護(hù)管理等方面入手，盡量使工況點(diǎn)在工業(yè)利用區(qū)內(nèi)向流量增大的方向移動(dòng)，以提高排水設(shè)備效率，降低“噸百電耗”。
2、根據(jù)保證排水設(shè)備安全可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的原則，排水設(shè)備的最大流量不得超過電動(dòng)機(jī)負(fù)載允許的最大流量。
3、對(duì)于已減少了級(jí)數(shù)或車削了葉輪的外徑的水泵，原配電動(dòng)機(jī)富裕量就會(huì)過大，在水泵使用中，由于多種原因，有些情況下會(huì)出現(xiàn)水尖工況點(diǎn)常年需要的功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于配套電動(dòng)機(jī)功率，為了降低能耗，應(yīng)當(dāng)考慮是否需要更換滴水成冰配套的電動(dòng)機(jī)，但水泵更換電動(dòng)機(jī)后要保證電動(dòng)機(jī)功率仍有一定的富裕系數(shù)。
參考文獻(xiàn)
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