煤矿主排水泵站系统节能的试验研究

韩彩红，薛胜雄，操松林，陈正文

(合肥通用机械研究院，安徽合肥 230031)

煤矿主排水泵站系统节能的试验研究

韩彩红，薛胜雄，操松林，陈正文

(合肥通用机械研究院，安徽合肥 230031)

煤矿主排水泵站为标准设计配置，即多台套大型多级离心泵机组与之相适应的管系、电器装置等。这种“标配”是矿山耗能大户，占总耗能约40%左右，系统节能势在必行。然而，“系统”是“标配”的，无法改变，笔者在与研发高效泵机组同步，对“系统”附加动态能效监测和节能调控装置，经安徽省质监局的现场检测表明，单泵机组系统节能提高15%，吨水百米电耗下降至0.39kW·h。试验结果表明：高效泵机组增效空间有限，但将其用于现有系统，并对其实现动态能效监测和流量调控，就能得到大幅度的节能效果。在此基础上对系统实现对比和优化运行(即考虑多泵运行、多工况运行等)软件模拟运行预测，指导泵站运行，泵站系统节能就有更大空间。

泵站；系统节能；产品化；试验研究

1 前言

煤矿井下主排水系统是煤矿生产的关键安全保障，其耗电量占煤矿机电用电量的40%左右。其设计是按照GB/T 50265-2010《泵站设计规程》和《煤矿安全规程》进行，为保证煤矿日程基本排水和突发排水要求，设计时的安全余量较大；同时，主排水系统采用继电器控制，水泵的开停及选择切换均由人工完成，不能根据实际需求自动开停水泵，造成很大的浪费。为此，在对淮南潘集区潘一矿-530 m主排水泵房排水系统能耗检测和分析的基础上，提出有效的系统节能措施，将泵站系统节能产品化[1]。

2 矿山主排水泵站的“标配”系统

-530m主排水泵房是20世纪70年代设计的煤矿，主排水泵房的控制室在地下，实行一级防暴要求。其现有主排水泵机组5套，参数为MD450-60×10，主电动机为YB630M2-4型电动机，功率1120kW，5台BGP-6K型高压开关柜，电压6kV，电流200A。排水泵抽真空采用真空泵方式，每台泵配置2台液压闸阀，采用液压站集中供液。泵房设计应对煤矿涌水量2×105～6×105kg/h，最大涌水量是7.2×105kg/h，根据涌水量设定泵的开启台数，模式一般是使用两套，单套运行，备用两套，一套检修。

图1 -530m主排水泵站系统示意

3 系统能效检测和节能控制装置的基本技术理论依据

基于网络集成技术的电泵系统动态能效监测和节能调控装置(见图1)已经应用于实际工程中，该系统采用软硬件结合的方法，通过对供水系统的工艺要求和设备参数的自寻优，给出排水系统的吨水百米电耗最小值，通过电动液压闸阀的控制，减小富裕扬程，以及相应的水泵运行搭配策略和调速方法，以致泵站系统整体运行效率最高，在既满足运行工况的同时，排水系统的吨水百米电耗处于最小状态从而达到系统节能运行[2]。

3.1 泵站的吨水电耗计算

泵站吨水电耗：

(1)

其中

ΔH(Q,t)=H(Q,t)-H0(Q,t)

Δη(Q,H)=ηmax(Q,H)-η(Q,H)

η(Q,H)=ηD(Q,H)ηS(Q,H)ηC(Q,H) ×ηT(Q,H)ηG(Q,H)

式中W——吨水电耗值，kW·h/m3H(Q，t)——泵站提供的总扬程，mη(Q，H)——流量Q与扬程H的函数H0(Q，t)——工艺要求泵站的总扬程，mηmax(Q，H)——泵站设备整体运行的最大效率，%，ηmax(Q,H)不是所有设备最高效率的乘积，它是指在对应工况(Q,H)，在所有可能的调节手段中能达到的最高效率

Δη(Q,H)——泵站实际整体运行效率η(Q,H)与最大效率ηmax(Q,H)之间的差值，即效率偏差

ΔH(Q,t)——泵站浪费的宽裕扬程，m

ηD(Q，H)——电机运行效率

ηS(Q，H)——水泵运行效率

ηC(Q，H)——传动机构运行效率

ηT(Q，H)——调速装置运行效率

ηG(Q，H)——管网运行效率

式(1)中右边第一部分代表泵所能实现的最小吨水电耗，第二部分代表当前工况下，泵站存在的节电能力[3]。

3.2 调速装置效率计算

电源输入调速装置视在功率S：

(2)

式中S——调速装置视在功率，WUr——电源输入线电压,VIr——电源输入线电流,A

调速装置的输入功率PT1：

PT1=Scosφ

(3)

式中cosφ——供电电源的功率因数

调速装置的输出功率PT2：

PT2=PT1ηT

(4)

式中ηT——输入功率对应的调速装置效率

PT2也可根据调速设备上自动显示的电流、电压进行计算：

(5)

3.3 电机效率计算

电机输入功率PD1等于调速装置输出功率PT2：

PD1=PT2

(6)

将不同频率负载下输入功率与效率曲线导入引用后,根据输入功率和效率计算电机输出功率PD2：

PD2=PD1ηD

(7)

其中ηD=[(PD1-∑PD)/PD1]×100 %

式中PD1——电机输入功率，WηD——输入功率对应的电机效率 ∑PD——电机总损耗,W

电机总损耗：

∑PD=PFe+PCu1+PCu2+PFw+Ps

(8)

电机总损耗可分为两部分：一部分为与电流I二次方有关的定转子铜耗(PCu1+PCu2)，另一部分(PFe+PFw+Ps)是一个常量，由此总损耗可表示为：∑PD=AI2+B。电机供货时一般都提供一份电机试验报告，其中包含电机空载电流、空载损耗、额定功率时电机电流及总损耗，故此方程式∑PD=AI2+B可变为一个二元一次方程[4]：

(9)

解方程求得：

(10)

根据A，B即可计算出不同负载率时的电机损耗进而同时得出电机效率及输出功率。电机实时工况点电流和输入功率由功率表测得。

当设备中没有安装调速装置时，电机输入功率PD1为：

PD1=Scosφ

(11)

3.4 水泵效率计算

水泵效率：

ηS=PS2/PS1

(12)

式中ηS——水泵效率PS2——水泵的输出功率，WPS1——水泵的输入功率，W

水泵输入功率(轴功率)PS1等于电机输出功率PD2:

PS1=PD2

(13)

水泵的有效功率即输出功率PS2为:

PS2=ρgQH×10-3

(14)

式中H——水泵的总扬程，mp2,p1——水泵出口、进口压力，Paρ——液体密度，kg/m3g——重力加速度，kg/s2Q——泵的实际流量，m3/sZ2，Z1——水泵出口、进口压力表高度差，m

V1,V2——水泵进口、出口处液体流速，m/s

水泵与电机通常采用联轴器传动或同轴直连，本课题传动机构采用联轴器连接，联轴器传动效率ηC取99.7%。

3.5 管网效率计算

管网效率：

(15)

式中ηG——管网效率Hx——吸水高度，mHp——水泵的排水高度，mHa——水泵的实际排水高度，m

ηG也可用如下公式计算：

ηG=[1-(H1/H)]×100%

(16)

式中H1——调节阀引起的扬程损失，mP3——调节阀后出口压力，PaZ3——调节阀后出口压力表高度，mV3——调节阀后处液体流速，m/s

3.6 系统效率计算

系统效率：

ηX=ηDηSηCηG×100%

(17)

式中去除管网效率即为机组效率。

4 主排水泵站电泵系统的动态能效监测与节能调控装置

系统节能调控装置为主排水管路上安装的电动液压闸阀，系统性能监测在电泵启动运行时采集数据参与能效计算，根据结果数据再经节能评价判别系统是否到达经济运行，若不满足要求，通过调节闸阀开度调节水泵流量，在保证电机不过载的情况下，调节流量，使电泵全速运转无富裕扬程，此时电泵机组运行效率最高，系统最节能[5]。

具体实施方法是通过在主排水泵机组和管路上，安装电量、排水量的检测控制装置，用以时时检测主排水泵机组中电机效率、泵效率和管路效率，通过实际数据来分析当前系统的能耗分布。

笔者研制出主排水泵电机系统的能效检测装置，原理如图2所示。能效监测装置需要直接检测到的数据：系统输入三相电压、输入三相电流、系统管网入口压力、泵出口压力、泵出口流量、管网出口压力；根据软件系统运行得到的数据：电动机效率、机械传动效率、泵效率、机组效率、管网效率和系统效率。

图2 泵站系统能效计算模型

由于煤矿是重点防爆区域，尤其是电控单元，实行严格的防爆要求，笔者在进行监测装置和系统控制设备的布置和安装时，将上位机放置到地面，在地下设置一个防爆的PLC控制柜，将地下采集到数据通过控制柜的储存和转化，通过光纤传输到地面的上位机；上位机对地下排水泵的闸阀的控制信号，通过光纤再传输到PLC控制柜，以达到对泵机组的控制。

在第1号台位泵机组的进水口安装进水负压传感器测量进口压力；在泵出水口安装压力传感器测量出口压力；在主排水管路安装流量传感器测流量；从1号泵机组控制柜引出电压和电流的测量线；把原液压闸阀更换成无极调速的电动液压闸阀，并设置调控开关；以上几个测量线和控制信号线都接入PLC防爆控制柜中，通过PCI光隔高速多串口卡和铺设的200m轻型软电缆将信号经井下光纤信号站传输到井上的上位机内；在井上排水管路出口处安装出水管正压力传感器测量管网末端出水压力，此压力传感器采用无线传输方式，解决现场管网出口末端远离电源，无电源可用的问题；上位机将以上测量信号通过软件计算，并调节主排水管路电动液压闸阀的开度来调节泵的流量，使泵机组的运行形成流量-效率曲线图。

实际检测装置如图3所示。

图3 系统能效监测组成示意

经过系统能效检测和节能控制装置的调节，此套泵机组的最优工作状况如表1所示。

从检测数据上可以看到，该套主排水泵电机系统效率为53.03%，吨水百米电耗0.54kW·h，AQ1012-2005《煤矿在用主排水系统安全检测检验规范》要求吨水百米电耗在0.5 kW·h以下，此套泵机组不能达到标准要求。

5 高效泵机组的更换及对比试验

笔者根据泵站多年平均净扬程复核原有泵选型，并用泵站最高与最低净扬程进行校核后认为现有泵的选型是合适的。对于电机的节能改造，应尽量使与主泵配套的电动机经常处于满负荷运行，一般负荷率B>0.7，也就是电机的负荷P应等于或大于主泵在多年平均净扬程情况下运行的轴功率P2乘以备用系数K(1.05-1.25)，经过复核，现有电机的选型也是合适的[7]。

通过对现有电机和泵进行优化设计和精密制造，使新设计和制造的电机效率达到96%,泵效率达到81%。将第1号台位的泵机组更换为优化设计后的电机和泵，用之前安装好的系统节能检测和控制装置对新泵机组进行检测和流量调节，测的新泵机组在原有排水管路系统下的系统效率最高时的各项参数数据，结果见表2。

表2 更改系统后现场检测数据

从测试数据可以看到，在只更换了泵机组的情况下，系统效率就提高了15%，吨水百米电耗下降到0.39kW·h，满足标准要求。

图4所示为根据测试数据绘制的前后系统的流量-效率曲线。

图4 系统效率与流量曲线

6 结语

笔者在现有排水系统基础上更换高效电机、泵机组，使排水系统的核心部件效率明显高于现役产品；增加系统动态能效监测与节能调控装置，证实单泵机组运行系统电耗降低15%。矿山用主排水泵站系统动态能效监测和节能调控系统在煤矿应用业已产品化，它同样适合其他矿山应用，并且可以将这一系统节能产品化的方法应对其他大型流体机械的系统节能问题，如水利排灌泵站、油田注水泵站、电厂除灰泵站、压缩空气站等等。

[1] 薛胜雄，韩彩红，操松林，等.矿山用大型主排水泵站节能目标与对策[J].流体机械，2015,43(11):43-46.

[2] 郑龙平，李光耀.浅析矿山用电泵节能控制[J].防爆电机,2015(3):12-15.

[3] 王鸿浩，余晓松，郑龙平.高压电动机离心风扇改进研究[J].电机与控制应用，2015(7):17-20.

[4] 金雷，韩彩红.多台矿用潜水电泵并列布置吸入条件数值模拟分析[J].流体机械，2015,44(7):37-41.

[5] 周邵萍，胡良波，张浩.多级离心泵级间导叶的性能优化[J].农业机械学报 2015,46(4):33-39.

[6] 李长龙，范竟存，彭岩，等.基于遗传算法的矿山用泵机组优化运行[J].华东理工大学学报,2016，42(2)：266-270.

[7] 胡良波，周邵萍，张浩，等.湍流模型对多级离心泵性能预测的适用性[J].流体机械2014,42(10):27-30.

Experimental Research for System Energy Conservation of the Drainage Pumping Station

HAN Cai-hong,XUE Sheng-xiong,CAO Song-lin,CHEN Zheng-wen

(Hefei General Machinery Research Institute,Hefei 230031,China)

Drainage pumping station is standard design for the coal-master,as more large multiple-stage centrifugal pumps and electric machines,and go with the piping system.These pumping stations are the energy-consuming equipments,account for 40% of all energy.So,the systemic energy conservation is imperative.In order to make sure the system is energy-saving,we developed the high efficient pump unit,at the same time,increase dynamic monitoring of energy consumption and the energy saving control device to the system.The test results explain: high efficient pump unit for the energy-saving is limited,single pump unit system energy saving increase 15%.So,for more pumping units,the electricity consumption per ton water & 100 meters reaches 0.39kWh.

pump station;systemic energy conservation;product nation;experimental research

1005-0329(2017)02-0001-05

2016-06-21

2017-01-24

国家科技支撑计划项目(2013BAF01B01)

TH3

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.02.001

韩彩红(1981-)，女，工程师，主要从事流体机械设备的设计与研究，通讯地址：230088 安徽合肥市天湖路29号合肥通用机械研究院，E-mail:hanchong2006@163.com。

试验研究