煤矿主排水泵采用变频前置泵提高运行效率试验研究

段海鹏，张林伟

(中煤科工集团唐山研究院有限公司国家安全生产唐山矿用泵检测检验中心，河北 唐山063012)

第二作者简介：张林伟(1989—)，男，河南漯河人，硕士(weiyu5945@163.com)，主要从事矿用泵性能检测研究.

随着我国煤矿矿井开采深度的延伸，煤矿井下配备大流量、高扬程、大功率主排水泵已成为常态[1].主排水泵运行中的实际工况点效率远低于设计的最高效率，不符合高效安全生产要求.目前主排水泵采用的负压吸入式排水方式存在严重汽蚀及效率不高等问题，使用寿命下降明显，而改善主排水泵的抗汽蚀能力多采用改变其吸入段结构、抗汽蚀材质、首级双吸、加诱导轮等措施[2]，该类措施并不能从根本上避免产生汽蚀现象.离心泵的正压补水可有效消除离心泵汽蚀，提高系统效率[3].前置泵广泛应用于电厂及石油开采领域，可提高主排水泵入口的压力，防止发生汽蚀，提高机组效率等[4].

目前，国内部分煤矿已采用加置前置泵方式以提高主排水泵的抗汽蚀能力.为达到节能降耗的目的，部分矿井采用变频调速水泵构建主排水系统[5].主排水泵功率较大，若均由变频器控制调速，成本较高，采用前置泵变频可在节能及动态调节流量扬程的基础上消除主排水泵的汽蚀现象.文中通过结合变频控制的优点，研究一种将前置泵变频控制与主排水泵定频控制相结合的排水系统，开展相关理论研究及工程试验验证.

1 煤矿主排水泵的节能及存在问题

1.1 排水系统节能的要求

依据国家标准《煤矿主要工序能耗等级和限值 第2部分:主排水系统》(GB/T 29723.2—2013)，主排水系统工序能耗(统计期内主排水系统将1 t矿井水提升100 m所消耗的电能Wt，100)应不低于三级[(0.441～0.500)kW·h/(t·hm)]规定.

如何降低矿井排水设备能耗等级，从而提高设备的效率、降低能耗是中国煤矿节能减排的总要求.煤矿井下排水主要通过多级离心泵完成，排水设备由离心泵、管路系统、配用电动机组成.设一台排水设备的年耗电量为W，年排水量为M，水泵工况点扬程为Hm，实际扬程为Hsy，泵效率为ηm，配用电动机效率为ηd，泵与电动机传动效率为ηc，电网效率ηw，管路效率ηg，则其吨水百米电耗为

(1)

上式中，ηd，ηc，ηw在运行过程中变化较小，可近似为常数，因此排水系统吨百米电耗主要受泵效率ηm和管路效率ηg的影响.

为降低工序能耗，需提高主排水泵的效率以及配用管路系统效率.文中以提高煤矿主排水泵效率作为目标，对采用变频前置泵提高运行效率进行研究.

1.2 主排水泵存在的问题

1) 根据《煤矿安全规程》相关规定，井下主排水泵的台数及排水能力应满足矿井最大涌水量设计，选型的主排水泵富裕扬程偏高，管路中沿程损失增大，实际工作点向右偏离主排水离心泵高效区，排水系统运行效率偏低.

2) 煤矿井下生产运行中，大量煤灰进入主排水泵站的排水池中，主排水泵吸入口处负压吸水，介质中煤灰极易造成主排水泵汽蚀，加快吸入段、叶轮等泵件的磨损速度，泵效率降低，耗电量增大.

3) 煤矿井下用离心泵型号种类繁多，泵用材质不同，包括耐磨、耐腐、清水离心泵等，部分材质抗汽蚀性能较差，首级叶轮处易出现汽蚀现象，造成叶轮表面剥蚀，高效运行时间缩短，能耗增大.

4) 煤矿仍有部分矿井采用效率偏低的老旧型号泵，需升级换代，已有不少企业生产的首级双吸自平衡等多级离心泵应用于新设计矿井，大流量、高扬程多级泵其效率可达75%以上，受限于其井下排水管路系统效率，不能发挥出其高效率，需对其排水管路重新设计.

基于以上情况，需要寻找一种在不改变煤矿使用现状的条件下，提高煤矿主排水系统效率的方法，为达到此节能效果，文中提出了前置泵变频调参概念和泵控技术.

2 前置泵变频调参及泵控技术原理

主排水泵运行过程中常采用切割叶轮、拆掉叶轮级数、节流、变频装置变速调节等方式调节流量、扬程，为保证煤矿最大排水量、降低因阀门节流造成的管路损失，可采用变速调节方法调节工况点、降低工序能耗[6].

2.1 前置泵变频调参原理

通过变频器实现前置泵转速调节，改变其性能曲线.根据离心泵相似定律，前置泵流量(Q)、压力(扬程H)、轴功率(Pa)、效率(η)在输送同种密度液体时，不同转速下其参数对应关系式为

(2)

转速n1和n2分别对应流量Q1和Q2、扬程H1和H2、轴功率Pa1和Pa2、效率η1和η2.可利用变频器无级变速，线性调节前置泵流量，通过转速控制前置泵所需输出压力，从而调节串联主排水泵的进口压力，实现控制主排水泵出口压力，减少或消除主排水泵出口因阀门节流造成的损失.

2.2 泵控泵系统调压调流原理

泵控泵(PCP)系统主排水离心泵与前置泵串联广泛应用于油田注水，通过变频器控制前置泵流量及扬程，根据串联泵性能叠加原理控制主排水泵的流量及出口压力，实现小泵控大泵[7].将PCP系统应用于煤矿主排水系统，可解决主排水泵离心泵富裕扬程偏大及使用一段时间后由于主排水泵叶轮磨损扬程下降的问题.

泵控泵系统由前置泵、前置泵变频装置、主排水泵等组成，前置泵与主排水泵串联，串联后的出口压力为两泵扬程之和，总流量与经过两泵流量相同，即

(3)

根据前置泵变频调参原理式(2)可得

(4)

前置泵在转速n1和n2下的流量Q1和Q2，扬程H1和H2，由式(3)和(4)可得

(5)

由式(5)可知，调节主排水系统总扬程只需调节主排水泵级数m与前置泵转速n即可，调节前置泵转速即可改变主排水系统总的流量.变频前置泵加主排水泵方案中的主排水泵通过减级所节省下的电能用于加置前置泵变频调节后仍有很大剩余，节能效果显著.

所用前置泵在选用过程中需考虑流量调节范围，因此其流量为主排水泵流量的1.25倍左右.变频调节过程中具有较宽的调节范围，从而扩展了主排水泵的工作范围.工程实际应用中采用的前置泵可以是大流量低扬程的BQS型潜水电泵、轴流泵、斜流泵，也可选取大流量、低扬程的单级高效离心泵，但受限于煤矿井下使用现状，BQS型潜水电泵用电动机正常工况以额定转速运行不适用于长期变频运行，轴流泵、斜流泵均未获得煤矿井下使用许可(煤矿井下使用安全标志证书)，因此文中主要将配置单级离心泵作为研究对象.

3 工程试验及数据分析

以煤矿用耐磨多级离心泵为主排水泵的研究对象，前置泵(变频调速)与其串联安装组成试验平台，对加置前置泵的排水系统效率进行分析.分别对主排水泵及带前置泵的泵组进行相关试验测试，对前置泵变频调参及泵控效果进行验证.已知主排水泵型号为MD280-65×8/9，前置泵型号为IS200-150-400，其具体参数如表1所示，表中Pe为配用功率，NPSHR为必需汽蚀余量.

表1 试验样机技术参数Tab.1 Technical specifications of test prototype pump

由表1可知，8级主排水泵与前置泵串联后组成的泵组在额定转速下运行时，与9级主排水泵轴功率近似相等.

3.1 主排水泵负压性能试验

主排水泵性能测试系统包括配电系统(开关柜与变频装置)、压力测量(进口压力、出口压力)、功率测量(主排水泵、前置泵输入功率)、转速测量、试验用电动机(泵拖动装置)、管路系统(进出口管路)、阀门、流量计等，系统简图如图1所示，可完成主排水泵的负压性能测试与带前置泵的正压测试.

图1 主排水泵性能测试系统Fig.1 Main drainage pump performance testing system

对MD280-65×9 型离心泵进行测试.关闭进口阀门8，打开阀门13和14，主排水泵进口管路直接伸入水池，对相关数据进行采集.主排水泵在全流量范围内的特性曲线如图2所示.

图2 主排水泵负压吸水特性曲线Fig.2 Characteristic curves of main drainage pump under vacuum suction condition

根据GB/T 3216—2016水力性能试验2级要求，测得的主排水泵的流量Q为271.59 m3/h，扬程H为579.27 m，主排水泵效率为70.59%，工序能耗为0.38 kW·h/(t·hm).

3.2 加置前置泵试验

主排水泵加置前置泵组成的泵组进行相关性能试验时，需将主排水泵进行拆级.试验过程中，将测试系统中的阀门13关闭，打开阀门8和14，试验介质首先通过前置泵1，前置泵以额定转速1 450 r/min定频运行，升压后将试验介质送入主排水泵，通过出口阀门5完成对整个系统全流量范围内的水力性能测试.测试过程中应注意先开启前置泵，然后再开启主排水泵完成整个系统相关测试，试验数据如表2所示.表中,p1为进口压力，p2为出口压力，泵组输入功率P1、泵组轴功率Pa0、泵组有效功率Pu、泵组效率ηu均为换算额定转速下的参量.

表2 泵组试验数据Tab.2 Experimental data of pump unit with booster pump

进行数据分析，测得泵组的流量为272.18 m3/h，扬程为579.66 m，泵组效率为73.50%.泵组的性能曲线如图3所示，其中1,2,3为泵组的试验测试曲线,4,5,6为9级主排水泵负压吸水试验测的性能曲线.

图3 性能曲线对比Fig.3 Performance curves comparison

由图3可以看出，减级后的泵组效率提高了2.91%，扩宽了其工业利用区(最高效率85% ～ 90%)的范围.主排水泵在流量为200～360 m3/h时效率得到了提高，额定流量时电能消耗下降261.5 kW，工序能耗为0.37 kW·h/(t·hm).

3.3 前置泵变频试验

前置泵配置变频电动机为V/F变频调速模式，其转速可调范围为80%～110%.根据单级泵给出的已知参数，采用变频器对前置泵调速运行，转速按额定转速的80%，90%，100%，104%运行，其扬程可调范围为32.0～60.5 m.前置泵泵组测试结果如图4所示.

图4 前置泵变频排水系统性能曲线Fig.4 Performance curves of booster pump at variable frequencies

由图4可以看出，前置泵采用变频器改变转速后，其排水系统的性能曲线变化趋势未发生明显变化，扬程变化满足式(3)和(4)的要求.随着多级泵使用时间延长，叶轮发生磨损，扬程降低，变频装置可利用泵控技术对系统压力自动调节，延长主排水泵的使用寿命.在实际应用过程中，主排水泵对前置泵有吸负作用，因此主排水泵可降低前置泵的负荷，延长前置泵使用寿命.由于系统在使用过程中前置泵处于负压吸水工作状态，易发生损坏，但也更容易更换.

4 排水系统其他节能措施

煤矿主排水系统除提高主排水离心泵的效率外，也应在提高配用管路系统效率、高效电动机、采用耐磨或耐腐蚀材质配件等方面实现排水系统的节能.

1) 配用管路系统设计时，其经济流速一般为1.5～2.2 m/s.为提高管路系统效率，选用PE类管件，从而降低管网阻力，并采用管路并联的方式.在设计时充分利用现场条件，并考虑使用一段时间后管路由于淤积结垢导致的可用内径减小且管阻增大因素.

2) 及时淘汰落后水泵，采用效率更高、材料更加耐磨、耐腐蚀的新型多级离心泵，采用高效电动机，降低工序能耗.

3) 定期对主排水泵进行检查，及时更换易损泵件，定期清理水仓、管路，防止由于淤积造成的效率下降.

5 结 论

对煤矿主排水泵加置前置泵以提高运行效率进行了研究，为提高主排水系统的效率及主排水泵的抗汽蚀能力提供了新的思路.提出了串联前置泵对主排水泵进行压入式补水，通过理论分析，验证了前置泵串联的可行性.通过试验对比，前置泵与减级后主排水泵组成的泵组效率得到了提高，同时也避免了主排水泵发生汽蚀.通过泵控泵技术对前置泵变频调速改变主排水泵输出压力，保证了排水系统工作在高效区内，为煤矿主排水系统的设计及改造提供了一种新的方案，同时也为煤矿井下节能提供了一种新的思路.