高地溫千米深井排水一次承井關鍵技術

蘇亦山

【摘 要】本文針對千米礦井具有“高地應力、高地溫、高巖溶水壓”等明顯惡劣特征的情況下，中央泵房主排水泵運行過程中存在的葉輪氣蝕及大功率電機啟動問題進行理論分析，提出了解決相應解決辦法和關鍵技術方案，實現了排水一次直接承井。

【關鍵詞】千米；排水；技術

千米深井中央泵房排水泵作為礦井安全保障的主要排水設備，以離心式為主，由于深部巖體開挖巖溶突水具有瞬時突發性和不可預測性，在設計時一般采用運行可靠的直接承井排水方式，排水設備選型功率較大，達到2000千瓦以上。同時千米以上深度礦井一般都有“高地應力、高地溫、高巖溶水壓”等明顯特征，千米礦井深部巖溫一般在34℃～43℃，其排水泵排水溫度也在30℃以上，對排水泵葉輪造成嚴重氣蝕。因此，排水設備必須解決大功率設備啟動和水泵汽蝕問題。

1 千米礦井排水關鍵問題分析

1.1 氣蝕問題

目前，排水設備葉輪氣蝕主要是當泵抽送水的絕對壓力小于水的汽化壓力時，水便開始汽化，產生蒸汽，形成氣泡，這些氣泡隨液體向前流動至某高壓處時，氣泡周圍的高壓液體致使氣泡急劇縮小以致破裂，形成水擊造成的。水加熱到一定程度就會變成水蒸汽，而水蒸汽冷卻到一定溫度又會凝結成水，在一個大氣壓的作用下，把水加熱到100℃就開始沸騰，汽化產生大量汽泡，而溫度和壓力是它們互相轉化的條件，當作用在水面上的壓力較高時，使水汽化所需要的溫度就高；當作用在水面上的壓力較低時，使水汽化所需要的溫度就低。在深部礦井排水溫度高于正常溫度的情況下，通過增大進入水泵內水的壓力是避免氣蝕的重要方法。

離心泵啟動前傳統做法是必須引水，即將泵體和吸水管充滿水，否則水泵的葉輪只能攪動泵體內的空氣。目前常用引水方式是真空泵、底閥或射流，但這些方式的共同缺點是通過負壓使泵體和吸水管充滿水，在較低（負壓）壓力作用下，當深井排水溫度遠高于20℃∽25℃正常溫度時，汽化現象更加嚴重，氣蝕問題更加突出。

1.2 大功率高壓電動機啟動問題

常用的大功率高壓電動機電動機啟動方式一般有直接啟動、液態軟啟動、電抗器啟動、高壓固態軟起動。通過綜合比較，新開發的液態軟起動器采用降壓起動，性能參數可調、可控、可預測，允許連續起動3次以上，起動電流倍數可調至最小，電壓等級10kv，功率等級10000kw，節能環保，價格和維護費用低，可實現智能控制與通訊等諸多優點。

綜合對比，液態軟起動是比較理想的啟動方式。液阻是一種由電解液形成的電阻，它導電的本質是離子導電。其阻值正比于二塊電極板的距離，反比于電解液的電導率，極板距離和電導率都便于控制，且液阻的熱容量大，高壓液態軟起動裝置工作原理是根據電機拖動理論，在電動機定子回路串入一特制液體電阻，該電阻在電機起動初始時刻自動投入，阻值在預定起動時間內均勻無級減小，并在阻值幾近為零時刻切除，使主機電流及電機轉速無級勻滑變化，實現了電機轉速均勻上升、平穩起動。液體電阻一般選用水作為電解液，優點是成本低，在軟起動過程中不產生高次諧波，能基本解決高壓電機的軟起動。缺點主要表現在：

1）高壓電動反電勢建立的速率和水電阻變化的速率很難吻合，造成起動電流的斜率很大，嚴重時頂跳上級開關；2）環境溫度對起動性能的影響大。水電阻導電的實質是靠離子的移動，電阻大小由導電離子的多少決定，水電阻（含熱變電阻）均是由Na2CO3和水配制而成，任何化學無機物的溶解度均受外界溫度的影響，溫度越高溶解得越多，電阻率越小，溫度越低溶解越少，電阻率越高，這就是液態電阻為什么在夏天（溫度可高達40℃）起動電流大（有時高達5倍額定電流，簡直象直接啟動），而冬天（溫度最低為-20）起動困難，嚴重時需要重新配液方可解決，加上水的蒸發和補充及其它導電離子進入液阻箱，均會引起液體電阻的改變；3）對環境要求高，液阻軟起動裝置不適合于易結冰的現場；4）液阻箱容積大，原因為阻性限流，容積小會引起溫升加大，一次性起動后電解液通常會有10℃～30℃的溫升，使軟起動的重復性差；5）控制功能低下，起動時間、停止時間、初始電壓、限壓范圍等主要控制參數均不能方便的調節，移動極板需要有一套伺服機構，移動速度較慢，難以實現起動方式的多樣化。保護功能不全，無自檢、過載、電流不平衡、斷相等保護：6）維護困難。須經常維護，須經常加液體以保持液位。在高壓回路里加水作業有很大危險性。電極板長期浸泡于電解液中，表面會有一定的銹蝕，需要作表面處理；7）安全性差。這是該裝置最大的隱患，一旦維護不及時，至液阻位過低，起動時有引起裝置爆炸的危險，爆炸后引起高壓接地，給人員設備帶來災難性的后果。在起動時有噪聲及電動力致使震動，特別是在極板運行中易造成導電水飛測，安全性差。在高壓起動回路中，用傳動電機及傳動機構控制極板運行，一旦控制失靈，后果比較嚴重。

2 實現千米礦井排水關鍵技術

2.1 解決氣蝕問題的關鍵技術

針對常用負壓引水方式造成的氣蝕問題，采取正壓供水方式，在離心泵吸水管底部串聯潛水泵，其潛水泵供水水量大于并滿足于離心泵排水量、揚程大于并滿足于離心泵的吸水高度和泵體高度，使離心泵處于微正壓狀態下運轉狀態，從而提高水的汽化溫度同時通過增大進入水泵內水的壓力使水泡提前破裂，以避免泵的氣蝕。主要技術為：

一是，在電氣控制方面，潛水泵的啟動控制與離心泵的控制系統必須相互閉鎖，即離心泵開泵時，首先啟動潛水泵，然后再開動離心泵；離心泵停泵時先停止離心泵，再停潛水泵。

二是，在潛水泵安全可靠運行方面，設計設置了各種狀態顯示、保護裝置，對加工工藝也要嚴格要求，并具有如下特點：1）獨特的電纜密封設計，有效的防止由于電纜破裂而造成的泄漏；2）接線腔內的漏水檢測探頭可以對接線腔內的泄漏發出報警信號，控制系統對泵實施保護；3）電機定子采用F級絕緣，每相均裝有過熱過載保護元件；4）電動機轉軸采用不銹鋼材質，轉自進行動平衡檢測，使泵運轉更平穩；5）隔套自循環冷卻系統對電機定子進行冷卻，改善了電機的工作環境，使泵允許在露出液面或在干式狀態下運行；6）設置二道密封監視，任一密封泄漏便可報警；7）材質為碳化硅的雙端面機械密封，保障了泵的長期安全可靠運行；8）新型的副葉輪流體動力密封既可減小機械密封處的壓力以延長機械密封的壽命，也可減小軸向力以延長軸承的壽命；9）流道式葉輪設計不僅使泵具有通過能力強、抗堵塞、效率高等特點，更使泵具有全揚程特性，使泵的流量調節和選型更方便。該水泵適用水溫條件最高可達60℃，被抽送液體的PH值為6～9。

三是，在潛水泵安裝方面為保證檢修方便，通過懸掛裝置固定在吸水井上部的橫梁上，底部設置定位裝置，并安裝上下移動的導向軌，潛水泵與離心泵吸水管之間采用快速軟連接方式，拆除和安裝做到快速、簡捷、方便。

2.2 解決液態軟啟動問題的關鍵技術

液態軟啟動裝置由傳動伺服裝置、電氣控制、PLC邏輯控制及電解液箱體四部分組成，針對液態軟啟動的缺點，解決的關鍵技術是：

一是，傳動伺服機構的傳動極板采用錳銅鋅錫新型合金材料一次鑄造而成，具有很好的耐高壓和耐腐蝕性能，極板的工藝體現在極板形狀上，當電機功率超過5000KW以上時，電機的額定電流就很大，而起動時電流就更大，因此極板要承受很大的電流沖擊，同時會產生靜電現象，極板形狀就顯得尤關重要。極板是環狀結構，能很好的處理靜電，避免電弧現象。

二是，電氣控制必須有可靠地的連鎖和保護作用裝置：1）溫度傳感器采用鉑電阻材料制作而成，安裝在電解液箱內，與軟起動運行時同步檢測軟起動的溫度。信號傳感器信號同時傳輸到顯示裝置和PLC系統，根據起動時的溫度來對軟起動裝置進行保護，同時把溫度信號輸送到PLC系統，作為閉環控制的參數使用；2）液位開關傳感器，通過液位開關傳感器的作用對液態軟起動裝置的液位進行監控并傳輸到PLC系統，結合主機起動狀態，判定液位是否工作正常，如果液位異常，就會有報警裝置起到作用，并反饋到連鎖起動信號內；3）各類中間繼電器能更好的反饋傳輸各類信號，采用SHNEIDER公司的產品，起到穩定系統的作用；4）控制電源隔離變壓器。電控的控制電源選用交流110電源，系統進線電源以下設置電流保護開關和交流110V輸出的隔離變壓器，系統內的控制繼電器和PLC系統都選擇使用交流110V電壓的元件。采用110V隔離電源的優點是：交流110V電壓滿足井下用電要求；電源隔離降低了電源接地短路危險；濾除部分電網諧波和噪聲干擾，保護PLC設備的使用電源；5）各類安全保護開關，液態軟起動裝置配置有基本的保護開關，包括像軟起出現故障時采用的直起按鈕等。

三是，PLC邏輯控制必須采用經過多年經現場實踐檢驗的Matlab液態智能軟起動計算機仿真技術，根據提供的電動機及拖動對象的參數、電網參數以及各項工藝控制指標，在WINDOWS2000環境下，用Matlab仿真軟件模擬電機起動全過程，輸出并打印模擬起動曲線，根據模擬起動曲線，隨機調整液態軟起動裝置的初始值，取出滿足控制要求的最佳曲線，從而減少了項目實施過程中起動水泵電機的盲目性，使電機的起動全過程可預測、可調整、可控制。系統硬件配置：整個PLC系統為本地I/O分站，電源模塊采用冗余配置，一旦一個電源模塊損壞，另一電源模塊自投；一條同軸電纜損壞不會造成兩站之間的通訊中斷；同時，采用Modbus Plus網絡總線使整個系統實現網絡化管理（圖1）。

從高壓液態軟起動裝置的顯示屏上可以調閱起動過程的歷史數據追憶曲線和實時數據趨勢曲線，可看出起動曲線平滑近似于一條直線，這在一定程度上講液態智能軟起動裝置實現了真正意義上的高壓電動機恒流軟起動。

四是，電解液箱體，電解液采用特制電解液，使高壓電動反電勢建立的速率和水電阻變化的速率基本吻合。電液箱采用高聚合分子化合物一次成型而成，能滿足耐高壓，使用壽命在20年以上。材質是高聚合份子化學物，內部箱體采用固定模具一次塑形而成，具有耐高壓耐腐蝕的作用，提高了液態軟起動裝置電解液箱體的使用壽命。電液箱設計有很大的散熱容量，每次的起動時溫升控制在7℃以內，24小時內可以連續起動3次以上，具有很好的起動特性。

高壓電動機采用液態軟啟動裝置與直接起動，傳統的串電抗器降壓起動的機械特性曲線之間的對比，如圖2所示。

采用的技術方案和起動裝置主要有以下幾個顯著特點：

1）可預測：運用具有國內領先水平的計算機專用仿真軟件對電動機起動全過程模擬仿真，事先可對電動機起動性能進行分析，得出最佳起動曲線。

2）可調整：起動時間、液態電阻陰值等參數可根據現場工況隨機調整。

3）可控制：液態電阻阻值可按被控電機最佳電磁轉矩、最小起動電流改變，起動過程完全受控，同時電網壓降也得到有效控制；帶有液溫檢測及報警指示，每次起動時液體整體溫升不超過10℃。

4）可重復性：初始阻值可根據環境溫度、上次起動結束后液溫進行自動檢測、校正、保證起動性能的一致性和穩定性，能連續進行起動。

5）無諧波污染：該裝置內沒有晶閘管等非線性器件，不會產生諧波污染。

6）通訊功能：PLC人機界面友好，可對整個啟動過程進行有效監控，實現故障報警和記憶功能，查詢方便；具有RS485通訊接口，可實現泵房遠程自動集控監控功能；具有軟啟和直啟轉換功能。

7）軟起軟停功能：可以依據現場工況選擇直啟方式和軟起動二種起動方式，并具有軟停車功能，停泵時能減少對設備負載的沖擊。

8）電流閉環自動控制功能：在電動機起動過程中實時自動檢測被控電動機定子電流，根據電流大小，自動調節控制裝置，使電機起動過程最最佳化，起動電流基本恒定。

3 工業性應用效果

以肥礦集團陳蠻莊煤礦中央排水泵房工業性試驗為例，測試結果如下：

陳蠻莊煤礦中央泵房共裝備PJ200A×12型多級離心式水泵5臺，額定流量420m3/h，揚程1140m，配套電機功率2400kW，電動機額定電流I=165A，正常啟動時，啟動電流Iq=165×7=1155A，若采用電抗器啟動，Iq1=165×5=825A，現場采用高壓液態軟啟動后，經現場實際觀察，啟動電流僅為410A，計算結果為2.48倍，啟動時間為18s，而且可以連續啟動6次設備不會出現過熱現象。采用潛水泵串聯排水方式后，經運行11個月后，打開水泵泵體，經檢查發現，水泵葉輪葉面未出現麻坑等明顯沖擊現象，水泵效率仍然保持出廠時的78%左右。達到預期的試驗目的，完全符合煤礦的要求，取得了較好的應用效果。

4 結論

采用離心泵正壓供水及高壓液壓軟啟動技術后，能夠解決千米深井中高溫水、超大功率電動機啟動等難題，可以為國內外同行業提供強力的技術支持，具有極高的推廣價值。

【參考文獻】

[1]楊德印.電動機的起動控制技術標準[M].

[責任編輯：程龍]