变频调速水泵在平硐开拓矿井主排水系统中的应用.pdf

2 0 1 3年第 8期 煤炭工程 d o i ： 1 0 ．1 1 7 99 ／c e 2 O1 3 08 02 5 变频调速水泵在平硐 开拓矿 井主排水 系统 中的应 用 于功江 ( 中国煤炭科工集团 北京华宇工程有限公司，北京1 0 0 1 2 0 ) 摘要 ：针对平硐开拓矿 井中水泵选型存在工况点向右偏 离高效 区、效率低造成吨水百米电 耗 高、允许汽蚀余量较大、吸水高度很低、水仓施工 困难等 问题 ，通过采用变频排水的方式有效 地解决了这一难题 ，水泵降速运行 可以调节工况点至合理位置，使水泵在高效区运行 ，起到节能 降耗 的作用，同时还可以提 高吸程 ，减小泵产生汽蚀 的危险。 关键词 ：平硐主排 水；变频技术 ；水泵选型；排水 系统 中图分类号 ：T D 6 3 6 文献标识码：B 文章编号：1 6 7 1— 0 9 5 9 ( 2 0 1 3 ) 0 8 - ( ) 0 6 9 - ( ) 3 在平硐开拓的矿井中，由于排水高度很低 ，主排水泵 的选型比较困难。即使选择满足流量要求的最低扬程水泵， 水泵工况点依然向右偏离高效区，水泵运行效率较低。同 时由于流量过大 ，水泵必须汽蚀余量也非常大 ，吸水高度 很低 ，造成了水泵极易汽蚀、水仓施工困难等问题。一些 矿井遇到这样情况往往选用潜水泵进行排水，这样设计可 以解决水泵汽蚀的问题 ，但造成了设备投资高 ，水泵房设 计复杂，水泵安装、检修、维护困难，水泵效率偏低 ，电 耗高等一系列 问题。基于以上原因，论文提出了变频排水 技术 。 1 平硐主排水系统设计 陕煤集团张家峁矿井排水采用集中排水系统，井下涌 水全部汇集到下部煤层大巷后集中排出。井底水仓、主排 水泵房及变电所布置在回风斜井井底附近，排水管路沿 5— 2煤回风大巷敷设，排至副平硐排水沟，再 自流到地面井下 水处理站。处理后作为生产补充用水及井下消防洒水。 平硐主排水设计依据：副平硐井底标高为 +1 0 7 8 m；排 水泵房标高为 +1 0 6 6 m；水泵入水 口至吸水平面高差为5 m； 附加高差 为 2 m；正常涌水量为 1 7 0 m ／ h ；最大涌水量为 2 2 0 m ／ h ；排水距离为 1 8 0 0 m；排水高度为 1 9 m。 根据 《 煤炭安全规程》要求，工作泵的排水能力应满 足 ： q≥ 1 ． 2q 正 =2 0 4 m ／ h q ⋯ ≥ 1 ． 2q ★ =2 6 4 m ／ h 水泵扬程 为吸水高度 、排水高度及 管道阻力 损失之 和 ， 计算如下 ： 新 管( 前期 ) ： H = +R Q =1 9+3 ． 3 81 0 Q 旧管 ( 后期 ) ： H = +R 2 Q =1 9+5 ． 7 41 0 Q 式中R 、R ——管道阻力系数，新管时 R 。 = 3 ． 3 81 0 ～， 旧管时 R ， =5 ． 7 41 0～： q ——矿井正常涌水量，取 1 7 0 m ／ h ； Q ——矿井最大涌水量，取 2 2 0 m ／ h ； Q ——水泵正 常排水量 ，m ／ h ； q ⋯—— 水泵最大排水量 ，m ／ h ； —— 吸水面至排水口几何高差，取 1 9 m。 由设计依据可以看 出，矿井的排水高度只有 1 9 m，根 据现有的拥有 M A标志的水泵，很难找到有合适工况点的 水泵 ，在满足流量 的情 况下 ，可 选用 的最小 扬程 的水泵 为 MD 2 8 0— 4 3 2型。设计选用 M D 2 8 0— 4 32型矿用多级离 心泵 3台，正常涌水时，1台工作，1台备用 ，1台检修。 最大涌水时，2台同时工作 ，1台备用及检修。排水系统示 意图如图 1所示 。 图 1 排水系统示意图 2水泵运行存在问题及解决方案 2 ． 1 存在 问题 收稿 日期 ：2 0 1 2—1 2— 2 1 作者简介：于功江( 1 9 8 0一) ，男 ，辽宁普兰店人，工程师、硕士，2 0 0 6年毕业于中国矿业大学( 北京) ，现在中国煤炭 科工集团北京华宇工程有限公司从事机电设计工作。 6 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 3年第 8期 MD 2 8 0— 4 3 2型矿用多级离心泵在全速运行 的性 能 曲 线如图2所示。运行工况点为：①新管 ：流量为 3 8 8 ． 9 m ／ h 、扬程为7 0 ． 1 m、效率为6 9 ． 4 ％、轴功率为 1 1 0 ． 2 k W、必 需汽蚀余量为 7 ． 5 、计算水泵允许安装高度为 0 ． 9 m，计算 年电耗为4 9 ． 3 61 0 k wh ；②旧管：流量为 3 2 5 ． 8 m ／ h 、扬 程为8 0 ． 0 m、效率为7 6 ． 6 ％、轴功率为 9 5 ． 4 k W、必需允许 汽蚀余量为5 ． 5 。水泵允许安装高度为2 ． 8 5 m。计算年电耗 为5 0 ． 9 9 X1 0 k Wh 。由上述工况点可以看 出，平硐排水选 用的水泵存在的问题： 1 )水泵工况点偏右严重，效率低 ，电耗高。 2 )必需汽蚀余量较大，水泵允许安装高度很低 ，水仓 施工 困难 。 流量 ( m h 一 ) 图 2 MD 2 8 0— 4 3 2型离心泵在 全速运行的性能 曲线 2 ． 2 解 决方 案 设计曾考虑采用以下方式调节水泵工况点至合理数值： 1 )采用切割叶轮方式。切割后的叶轮在几何形状上与 原叶轮并不相似，如果切割不大时，可近似地认为叶片出 口安装 角不 变 ，流动状 态基本 相似 。但 此方法 需要 水泵 厂 家配合设计 ，成本较高，并且切削较大，效率会受到影响。 2 )拆掉叶轮级数方式。这种也很难满足运行要求 ，且 同方案 一有着 同样 的缺点 。 3 )节流方 式。这种方式 是通过改变水 泵出 口阀门的开 启程度或缩小管路直径来实现的。节流方式可以满足要求， 但此方案吨水百米电耗和年电耗均较高，其 中有很大一部 分电耗都是用来克服 阀门和管路阻力损失，考虑到主排水 为矿井主要耗能产品，这样设 计非常不经济，故弃用此 方案 。 由于上述方法存在着需要单独设计加工、成本较高、 效率低等缺点，经研究认为主排水水泵采用变频调速的方 式改善平硐排水是可行的。 3变频调速技术 3 ． 1 工作原 理 70 随着井下防爆变频 器技术 的发 展 ，采用变 频调 速的方 式调节水泵流量和扬程成为可能。变频调节排水技术就是 利用变频调速的方式调节水泵的转速，从而调节水泵的流 量和扬程。当泵的转速发生变化时，泵的流量 Q、扬程 H、 轴功率 Ⅳ和泵的转速 按下列方式变化。 Q l ／ Q 2=h I ／ n 2 ( 1 ) ／ =( n ／ n ： ) ( 2 ) P l ／ P 2： ( n l ／ n 2 ) ( 3 ) 式中n ， 、n ， ——对应两种不同转速； Q 、Q ——在 n 、n ： 两种转速下对应的水泵流量； 、 —— 在 n 。 、n ： 两种转速下对应的水泵扬程 ； P 、P ——在 n 、n ： 两种转速下对应的电机功率。 3 ． 2 变频调速后水泵工况分析 根据变频调速排水技术调节水泵的转速，水泵特性曲 线将依据式( 1 )～式( 3 ) 变化。通过调节水泵转速，使水泵 的特性曲线和管路特性曲线交至一个合理的点。变频调速 后，水泵前后期运行特性曲线如图3 、图4所示。从曲线可 以看 出，变频运行后工况点为 ： 1 )前期( 新管) ：流量为 2 0 9 ． 5 m ／ h 、扬程为 3 3 ． 8 m、 电机转速为9 8 0 ~mi n ，效率为 7 6 ． 8 ％、轴功率为2 5 ． 8 6 k W、 必需汽蚀余量为 3 ． 3 m。水泵允许安装高度为 5 ． 4 m，年电 耗为 2 1 ． 7 41 0 4 k Wh 。 2 )后期( 旧管) ：流量为 2 1 2 ． 9 m ／ h 、扬程为4 5 ． 0 、电 机转速为 1 0 8 0 ~m i n ，效率为 7 8 ． 0 ％、轴功率 为 3 4 ． 5 k W、 必需汽蚀余量为 3 ． 1 m。水泵允许安装高度为 5 ． 6 m，年电 耗为 2 8 ． 5 1 1 0 4 k Wh 。 由变频后的工况点可以看出，水泵的效率提高，水泵 允许安装高度明显增加，且年电耗显著降低，各个参数都 较为合适 。 流量 Q ／ ( m3 ． h 。 ) 图 3 前期变频水泵运行 曲线 3 ． 3 经济 比较 在水泵不加变 频器 的情况 下 ，新 旧管的年 电耗分 别 为 4 9 ． 3 61 0 k Wh和 5 O ． 9 91 0 k Wh 。每度电按 0 ． 6元计算， 新 旧管的年 运行 费用 分别 为 2 9 ． 6 2万 元和 3 0 ． 5 9万元 。在 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 8期 煤炭工程 流量Q／ ( m3 ．h ) 图 4 后期变频水 泵运行 曲线 水泵加变频器的情况下，新旧管的年电耗分别为 2 1 ． 7 4 1 0 k wh和 2 8 ． 5 11 0 k wh 。每度电按 0 ． 6元计算，新 旧管 的年运行费用分别为 l 3 ． o 4万元和 1 7 ． 1 1万元。新 旧管每 年节省运行费用为 1 6 ． 5 8万元和 1 3 ． 4 8万元。变频器按每 台 1 5万计算，3台变频器约 4 5万，不到 3年就可以收回投 资，经济效益明显。 3 ． 4变频排 水注 意 问题 1 )在大多数主排水系统中，通常采用排水管内的水和 消防洒水作为射流泵的动力来源，互为备用。但平硐排水 管内水压较小，不能满足射流泵动力要求 ，设计采用消防 洒水和压风系统中的压缩空气作为动力来源。 2 )水泵在变频后轴功率降低，在设计中不能按照降变 频后的轴功率进行电机选取，设计可根据电机在额定转速 以下运行时为恒转矩负载这一特性，换算 出应选用 电机 功率 。 ( 上接第6 8页) 6结论 新型制浆工艺技术克服了传统制浆工艺的许多弊端 ， 更进一步贯彻了 “ 多破少磨”的原则，降低了制浆成本， 满足客户对水煤浆的品质要求，为以后制备水煤浆提供了 新的工艺流程，使得水煤浆制备工艺更加多样化 ，促进了 水煤浆工艺技术的深入发展 ，创造了巨大的经济效益和社 会效益 。 参考文献 ： [ 2 ] [ 3 ] 郝临 山，彭建喜．水煤浆制备与应用技术 [ M] ．北京 ：煤 炭工业 出版社 ，2 0 o 3 ． 张鹏铭 ，孙 国飞．高压 射流 式水煤 浆 的制 备与应 用 [ J ] ． 煤炭科学技术 ，2 0 1 2，4 0 ( 6 ) ：1 2 5～1 2 8 ． 吴坤 泰．高浓度 水煤 浆 ( C WM) 制 备技 术的探 讨 [ J ] ．煤 4 结语 在平硐开拓煤矿中，矿井主排水系统设计水泵的选型 是一件困难的事，采用变频技术可以很好的解决这一难题， 可以实现使水泵长期运行在高效区，起到节能降耗的作用。 同时还可以提高吸程，减小泵产生汽蚀的危险，延长水泵 的使用寿命。有的矿井设计中需要利用采区水泵将涌水排 至主排水泵房水仓，当采区泵房和主排水泵房之间高差不 是很大的情况下 ，同样可考虑采用变频排水。 参考文献： [ 1 ] 吴 自强．水泵变频运 行 的图解分 析方 法 [ J ] ．争 鸣 园地 ， 2 0 0 5，( 7 ) ：1 3 0～1 3 4 ． [ 2 ] 郭凤文．变频调速装置在给排水工程 应用 中的设计选型探 讨 [ J ] ．南京市政 ，2 0 0 2，( 1 ) ：4 9～ 5 2 ． [ 3 ] 张 书 征．矿 井 主 排 水泵 工 况 设 计 与排 水 系 统 效 率 研究 [ J ] ．煤矿机械 ，2 0 1 0，( 5 ) ． [ 4] 温建军．变频器在矿井排水设备 中的应用研究 [ N] ．科技 创新导报 ，2 o o 8 ，( 8 )：9 2～9 3 ． [ 5 ] 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