矿井排水吨水百米电耗测量及影响因素

徐草新，孙靖毅，李志鹏

(陕西煤矿安全装备检测中心有限公司，陕西 西安 710000)

0 引言

主排水系统作为煤矿四大机械之一，其运行的可靠性对保障矿井正常生产和人员生命安全有着至关重要的意义。要保证主排水系统运行的可靠性，除了系统的日常维护保养，检查检修外，对于排水系统的定期检测检验也是不可或缺的。而实际检测检验过程中，会分析计算与排水系统相关的多个参数，在这众多参数中，有与安全和可靠性相关的参数，如水泵流量、电机电压、电流、功率、振动等；也有一些参数，主要分析设备和系统的能耗，作为独立的经济性指标，如水泵效率和吨水百米电耗。检测检验报告中，经济性指标只是作为一个数据参考，不进行结论判定。本文主要讨论主排水泵检测检验中的现场测量接线和吨水百米电耗的数据计算以及对影响吨水百米电耗的因素进行分析。

1 吨水百米电耗的概念

首先从吨水百米电耗的计算公式入手，吨水百米电耗可以简单理解为，将一吨水输送到100 m高度所需要消耗的电能。从名词定义出发逐层理解公式。根据能量守恒定律可知，不考虑损耗的理想情况下，吨水百米电耗等于将1吨水高度提升100 m后，重力势能的增加值，即吨水百米电耗等于mgh，单位为(W·s)。于是有

(1)

式中，m为水的质量，即1 000 kg；g为重力加速度，通常取值9.81 N/kg；h为提升高度，100 m。

需要注意的是，式(1)是理想无损耗情况下推导出的公式，实际测量计算中还需考虑整个排水系统的效率ηx，即最终的计算公式为

(2)

式中，Wt·100为吨水百米电耗，kW·h；ηx为排水系统效率。

排水系统效率ηx和电动机效率ηd、水泵效率ηb以及管路效率ηg又有如下关系

ηx=ηd×ηb×ηg

(3)

电动机效率ηd的确定下文会针对性展开说明，水泵效率ηb、管路效率ηg的计算公式如下

(4)

(5)

其中

(6)

式中，pgr为电动机输入功率，kW；pu为泵的有效输出功率，kW；pa为泵轴功率，kW；ηc为传动效率；ρ为密度，kg/m3；Q为流量，m3/s；H为泵的计算扬程，m；Hx为吸水高度(水仓水位液面到泵轴中心的垂直高差)，m；Hp为水泵排水高度(泵轴中心至排水管出口的垂直高差)，m；z为表位差(压力表与真空表的表位垂直高度差)，m；px为真空表读数，MPa；py为压力表读数，MPa；dx为吸水管内径，m；dp为排水管内径，m。

通过以上计算可知，需要用到的仪器设备有：电机运行测试仪、流量计、真空表、压力表以及钢卷尺。此处需要注意，下井用仪器应该按规定取得矿用产品安全标志证书，使用前应经过具有资质的计量检定机构进行检定或校准，再由本单位相关设备管理人员对仪器的计量误差精度与技术标准进行对照，做好仪器使用确认单。矿方相关负责人应做好现场电气接线的安全技术措施，并按规定履行好各项审批手续，电参数测量时要严格按照电气作业操作规程进行。

2 电参数的测量

电参数测量使用电机运行测试仪，型号为CDZ4。现场需要测量的通用性参数主要有：输入电压、输入电流、输入功率等。另外，电机效率、输出功率、负载率等参数也可以选择在仪器中直接计算。

2.1 煤矿井下供电系统基本情况分析

《煤矿安全规程》(2016版)第440条规定，严禁井下配电变压器中性点直接接地，严禁由地面中性点直接接地的变压器或者发电机直接向井下供电。煤矿井下供电系统使用三相三线制，并且通常情况变压器二次侧也未设置有中性线引出端子，早期部分矿用变压器二次侧设置有中性点引出端子，但在井下，严禁接地。虽然未有文件明确规定煤矿井下必须使用三相三线制供电，同时煤矿井下电缆也能满足四芯的数量要求，但实际三相四线制的使用还是存在诸多限制条件，因为无法保证零线绝对不会出现对地绝缘不良的情况，并且实际使用中电缆除3根相线外的第4根线也有其自身不可替代的作用。煤矿井下重要电气设备，除自身要设置连接可靠的接地极外(即设备外壳可靠接地)，还必须与井下接地网可靠连接(内部端子接地)，而担负与井下接地网可靠连接使命的，正是第4根电缆。作为保护接地线，它是不可或缺的，连接矿井各接地装置，形成一个大的接地网，可以避免设备出现对地电压，保护人身和财产安全。

2.2 设备接线分析说明

关于CDZ4电机运行测试仪现场接线问题，经仪器厂家技术人员充分沟通后确认，仪器可接线最大电压等级为1 140 V，电流互感器量程0～500 A，非三相四线制接线时，仪器接地端子UGND并不参与单相电压测试时的数据采集工作。同时，结合煤矿井下供电系统的实际情况，即三相三线制中性点未引出，所以功率测量方法选择二瓦特法，二瓦特法可用于三相三线制电路功率的测量，其理论依据是基尔霍夫电流定律，与三相负载是否平衡无关。

2.3 电机效率

关于电机效率的确定，AQ 1012—2005标准中提到交流异步电动机根据国标GB 1032—85(最新版本为GB/T 1032—2012，AQ 1012—2005标准规范性引用文件中提到，注明日期的引用文件，其最新版不适用本标准)规定的方法测定。GB 1032—85标准中提到效率测定的方法有直接测定法和间接测定法。直接测定效率，需要测量电机的输入功率和机械输出功率，现场条件和常规使用仪器无法满足要求；间接测定法更是牵扯一系列复杂参数，操作和技术难度都使得现场测量无法实现。针对现场无法对电机效率进行测量的实际情况，按照AQ 1012—2005标准的规定，此时电机效率按铭牌效率选取。

现场实际测量过程中，电机运行测试仪如设置有电机资料数据库，现场则可根据电机型号、额定功率、额定电机、电机级数等进行检索和匹配，电机效率由仪器根据内部数据库工作特性曲线进行确定。关于仪器数据库资料以及计算公式、计算逻辑等具体细节是否符合相关标准要求，暂不明确，测试现场也多有无法匹配型号电机的存在。所以，通常情况以电机铭牌效率为准。

3 流量的测量

流量测定选择超声波流量计法，使用仪器型号为TUF-2000H。根据使用说明书介绍，传感器为外夹式，DN15 mm-200 mm管道优先选用V法，安装时两传感器水平对齐，中心线平行于管道轴线；DN200 mm-6 000 mm管道优先选用Z法，安装时两传感器之间沿管道轴向的垂直投影距离等于安装距离，并且确保两传感器在同一个轴面上。传感器在管道上的安装位置应处于管道水平中心线0°～45°夹角范围内，以防止上部气泡或下部沉淀物等影响传感器信号的因素对测量产生干扰。

3.1 传感器安装位置

为保证管道内流体的稳定性，传感器安装位置处上下游的直管段长度有以下两点要求：安装位置距离泵出口、半开阀门较近时，直管段距离不得小于30D(D为管道外直径)；安装位置远离泵出口、半开阀门时，直管段要求上游不小于10D，下游不小于5D。当现场实际无法满足距离要求时，可以尝试在相对接近要求距离的位置或者水泵入口附近测量，但精度可能会受到影响。外夹式传感器分为上游和下游2个，具体安装点处理时，一个安装点处理面积和传感器大小相近即可，另一个处理面积为传感器面积的2倍左右，以方便信号调试。安装点应除锈除油污，最好露出金属光泽。

3.2 传感器信号问题的处理

对于煤矿井下现场测量时出现的传感器信号质量差或者测不到信号的情况，可以尝试采取下列措施进行处理：①DN15 mm-200 mm管道，当采用V法测量出现信号问题时，可选用Z法测量。Z法是超声波在介质传播中直接收发，相比较V法，无信号反射过程，所以信号衰减较小，信号强度较高。②在确定管道尺寸、传感器安装位置和仪器连接、设置等无误的情况下，考虑管道内壁结垢的影响。在管道内壁大范围结垢且无法避免时，可以采取措施消除或减小结垢对测量的影响：选用Z法测量，管道设置为有衬里，提高测量精度；用工具或锤子用力敲击测量处的管道，直到信号有较为明显的增大。③考虑到矿井井下水本身杂质较多的实际情况，流量测量应尽量错开水仓水位较低或泥沙含量明显加大的时间段。当传感器完全无信号或有信号但流量基本为零时，可以单独通过压力表和真空表或配合电参数检查水泵是否处于上水状态。

4 吸水压力和排水压力的测量

吸水压力和排水压力分别通过真空表和压力表进行测量，真空表安装在吸水管路上，压力表安装在排水管路上。通常情况下，压力表和真空表各自的联结导管上，都会设置有旋塞和360°的弯管与测量孔相连通，以方便仪表的检修更换、导管的排污以及避免仪表受到冲击压力和起到稳定读数的作用。检测中，水泵启动时，应先关闭仪表前的旋塞，待水泵正常启动后再慢慢开启，待上水稳定后，观察仪表读数，同时结合实际测量的吸水高度Hx以及矿方提供的水泵排水高度Hp，检查测量数据有无明显偏差，确认一切正常后，配合电参数和流量测量同步进行数据记录。

5 吨水百米电耗的计算和相关分析

下面以某矿的实际情况为例：该矿在用水泵为耐磨多级离心泵，型号MD155-30×6，额定流量155 m3/h，扬程180 m，水泵额定效率80%；电机名称为煤矿用隔爆型三相异步电动机，型号YBKE3-315M-4，额定功率132 kW，额定电压660 V，额定电流137.6 A，电机效率95.6%。

实测电机输入功率118.38 kW，水泵流量136.28 m3/h，压力表读数1.60 MPa，真空表读数0.040 MPa，吸水高度2.7 m，表位差0.1 m。水泵排水高度Hp为109 m，矿井水密度ρ取1 050 kg/m3，电机效率取铭牌额定效率95.6%，传动效率取98%。

所有数据采集完毕后，下一步就是数据计算。泵的计算扬程H为159.32 m，泵轴功率pa为110.91 kW，水泵有效功率pu为62.12 kW，水泵效率ηb为56.01%，管路效率ηg为70.11%，排水系统效率ηx为37.54%，吨水百米电耗Wt·100为0.73 kW·h。AQ 1012—2005标准中对Wt·100的要求是小于0.5 kW·h。下面通过一些数据比较分析吨水百米电耗偏大的原因，同时讨论Wt·100测量的意义。

根据前文公式可知，影响Wt·100大小的因素主要是排水系统效率ηx，分解开就是电动机效率ηd、水泵效率ηb以及管路效率ηg。ηd取值95.6%，ηb额定值为80%，ηg此处暂且取值90%，算是高效率运行。根据标准规定，ηb≥0.85倍的额定效率，即认为运行在工业利用区，可以认为是经济运行，结合实际检测中多数水泵效率ηb都无法达到经济运行的实际情况，更进一步，将ηb取值为0.85×80%，即68%。由此可得出排水系统效率ηx=ηd×ηb×ηg=95.6%×68%×90%=58.5%，吨水百米电耗Wt·100计算结果为0.47 kW·h。可以看到，在主要影响参数都接近最优配置的情况下，Wt·100计算结果与标准要求十分接近。所以，关于Wt·100<0.5 kW·h这一要求本身，就显得相当严苛，实际使用中，很多新建排水系统都很难满足这一要求。因此，吨水百米电耗更多的是作为一个参考指标，用于评价系统运行的经济性，并不参与可排水系统合格与否的结论判定。

至于吨水百米电耗偏大的原因，结合上文，从水泵效率ηb和管路效率ηg着手分析，关于测量、参数取值或者其他系统误差等在此不多做考虑。实际检测中，水泵效率偏低的原因可能是水泵和电机本身性能的缺陷(年久老化、部件磨损、密封不良)，设备选型的不匹配，出现大马拉小车的情况，吸水高度太低使得吸程不够；另外，由于现场是单工况测试，水泵的运行工况可能未处于最佳效率区间，同时水泵效率也受到管路实际状况的影响。关于管路效率偏低的原因，常见的有：管道系统等效水平线路过长，转角弯曲段较多，管道内部结垢严重，管道阀门生锈开度出现问题等。最后，管道的选型以及系统的匹配也会对效率产生影响。

6 结语

吨水百米电耗作为一个能耗指标，可以直观地反映出矿井排水系统耗能的大小，通过具体的测量、计算以及分析过程，可以较为清楚地了解到吨水百米电耗的相关影响因素，虽然吨水百米电耗更多的是作为一个参考指标，但也不应忽略其存在的指导意义。系统选型应严格按照设计文件，出现变化时可以及时进行设计变更，对相关参数和指标进行核算确认，设计阶段做好系统的选型优化工作，运行阶段做好排水系统的定期维护保养和检查检修工作，对严重老化的系统部件，应及时予以更新。对比斜井排水而言，立井排水系统少了等效水平段的管路损耗，整体效率会更高一些。随着矿井智能化水平的不断提高，使得排水系统运行工况的实时控制有了实现的可能，相关参数都可以实现在线监测和计算，水泵和管路的特性曲线也可以定期通过测试由控制系统制作，实际运行中可由系统选择最佳能耗运行点或者最大流量点，保证安全和可靠性的同时实现排水系统的经济运行。最后，希望相关标准的发布能够更有针对性，从而对实际工作起到更好地指导作用。