煤礦井下水泵房正壓排水方式的探索

劉天元 程相文

（1.開(kāi)灤錢(qián)家營(yíng)礦業(yè)分公司，河北 唐山 063301；2.河北聯(lián)合大學(xué)，河北 唐山 063009）

1 正壓排水方案的提出

錢(qián)家營(yíng)礦為上世紀(jì)八十年代投產(chǎn)的國(guó)有特大型礦井，生產(chǎn)能力為600萬(wàn)噸/年。井下目前分別在-450水平、-600水平和-850水平設(shè)有水倉(cāng)和泵房，其中-850水平的水先轉(zhuǎn)排到-600水平，-450水平和-600水平的水直接排到地面，各泵房排水方案均為水泵機(jī)組布置在泵房?jī)?nèi)，吸水管深入相對(duì)標(biāo)高低5米的吸水井中。

按照國(guó)家保安規(guī)程規(guī)定，井下排水泵電機(jī)必須安裝在水倉(cāng)上面，所以只能先抽真空使泵體內(nèi)充滿水再啟動(dòng)。水泵長(zhǎng)期處于負(fù)壓狀態(tài)，耗電量大，汽蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，排水效率低下。選用高效節(jié)能泵，采用正壓排水方案，將吸水口布置在水位以下或采用機(jī)械強(qiáng)制將水位提升到吸水口高度，使吸水負(fù)壓變?yōu)閺?qiáng)制灌入的正壓，可以有效的提高排水效率及系統(tǒng)可靠性，消除氣蝕現(xiàn)象，減少吸水阻力。

2 正壓排水組成及布置方案

通過(guò)考察研究，選擇高效節(jié)能泵是當(dāng)前形勢(shì)發(fā)展的需要，針對(duì)改造而非新建的-600泵房工作特點(diǎn)，提出喂水泵+三級(jí)排水泵的解決方案。

工作方式：喂水泵向主排水泵提供壓力約0.16MPa的正壓水，對(duì)主排水泵形成進(jìn)水口喂水，徹底杜絕了吸空。

因現(xiàn)吸水井空間小，將喂水泵布置在井內(nèi)將來(lái)檢修和清理小井都是問(wèn)題，設(shè)備無(wú)法布置，重做排水礦建工程施工將影響正常排水，威脅礦井安全，所以將方案改為射流泵排氣吸水，喂水泵選用臥式單級(jí)離心泵，布置在主排水泵旁邊，喂水泵與排水泵一一對(duì)應(yīng)布置，均采用3在用、3備用、2檢修方案。喂水泵向主排水泵提供壓力為0.16MPa的正壓水，對(duì)主排水泵形成正壓排水系統(tǒng)，徹底杜絕了氣蝕。

采用喂水泵方案，可以從根本上消除負(fù)壓排水的隱患，喂水泵是單級(jí)葉輪，放射流泵抽真空，使吸水管及喂水泵內(nèi)充滿水，無(wú)需其他關(guān)聯(lián)條件，灌水后只要通電即可投入運(yùn)行工作，為排水泵喂水，提供所需要的流量和壓頭。

喂水泵啟動(dòng)后，排水泵可以隨時(shí)啟動(dòng)，排出喂水泵所提供的流量。

3 主排水泵的選擇計(jì)算

-600水平泵房擔(dān)負(fù)本水平和-850水平兩個(gè)水平涌水量的排水任務(wù)，該水平正常涌水量是20.9×60=1254m3/h，按水泵600 m3/h排水量計(jì)算，

QB=1.2×該水平每小時(shí)正常涌水量=1.2×1254=1504.8m3/h

正常涌水時(shí)3臺(tái)泵工作，20小時(shí)的排水量600×3×20=36000 m3

2 4小時(shí)正常涌水量20.9×60×24=30096 m3

顯然3臺(tái)工作水泵20小時(shí)排水量36000 m3大于礦井24小時(shí)的正常涌水量30096 m3符合規(guī)程要求。

該水平最大涌水量是37.67m3/min，

QZ=1.2×該水平每小時(shí)的最大涌水量=1.2×37.67×60=2712.24m3/h

最大涌水時(shí)6臺(tái)工作，20小時(shí)的排量：20×600×6=72000m3

2 4小時(shí)的最大涌水量：37.67×60×24=54244.8m3。

顯然6臺(tái)水泵20小時(shí)的排量72000m3大于礦井24小時(shí)的最大涌水量54244.8m3，符合規(guī)程要求。

水泵揚(yáng)程估算：

H=1.2×（620+5）=750m.

選用大連鴻澤泵業(yè)生產(chǎn)的耐磨三級(jí)離心泵，型號(hào)為：HGB-250×3，流量為600m3/h，揚(yáng)程750m，配原有的1600kW電機(jī)，轉(zhuǎn)速2980r/min。由于水倉(cāng)容量限制，利用電網(wǎng)峰谷平電價(jià)政策，設(shè)計(jì)采用谷、平時(shí)段排水，具體如下： 谷時(shí)，采用三臺(tái)排水泵，排水流量為1800m3/h，5小時(shí)可排水9000m3；平時(shí)采用三臺(tái)排水泵，排水流量為1800m3/h，5時(shí)可排水9000m3，在整個(gè)谷平時(shí)間段可排水18000m3，因此，選用此水泵可以排干涌水。

此水泵采用三級(jí)泵結(jié)構(gòu)替代原七級(jí)泵結(jié)構(gòu)，增加了系統(tǒng)的可靠性。由于級(jí)數(shù)減少，所以軸承間距變小，按照振動(dòng)力學(xué)的原理，軸承間距減少，葉輪轉(zhuǎn)子的剛性增加，承間距減少一倍，第一階轉(zhuǎn)子固有頻率增加四倍，因此，葉輪的動(dòng)撓度會(huì)減少，很好地保證運(yùn)行平穩(wěn)和頻繁起停的要求。

此水泵采用設(shè)計(jì)合理的過(guò)流部件，用平衡鼓結(jié)構(gòu)代替平衡盤(pán)結(jié)構(gòu)，減少各種水力損失和泄漏量，排水效率可提高2%。采用了理想的水力流場(chǎng)設(shè)計(jì)，有效控制過(guò)流流速，減少鑄件表面的剝蝕。

4 喂水泵的選擇

按上節(jié)制定的設(shè)備布置方案，喂水泵選用由大連鴻澤泵業(yè)生產(chǎn)的HGK-200臥式耐磨單級(jí)離心泵，額定排水量為600m3/h，揚(yáng)程20m，配45kW電機(jī)，轉(zhuǎn)速980rpm，與HGB200×3三級(jí)耐磨離心泵完全配套，此喂水泵是引進(jìn)瑞士技術(shù)，具有大流量低揚(yáng)程的特點(diǎn)，非常適合輸送煤礦中含5%煤粉顆粒度≤20mm大顆粒的介質(zhì)，泵設(shè)計(jì)壓力為1.0MPa。HGK-200泵是作為流程泵來(lái)設(shè)計(jì)，它符合API610和ISO5199的要求，因此保證了流程維修環(huán)境的需要。積木式結(jié)構(gòu)使得軸承部件、軸封和葉輪可以快速的拆卸和安裝，因此只需短暫的停車(chē)（維修）時(shí)間。

葉輪為單吸、徑向、閉式葉輪，帶有葉輪口環(huán)和泵體口環(huán)。葉輪口環(huán)和泵體口環(huán)可以更換，節(jié)約了維修時(shí)的備件成本。

喂水泵通過(guò)抽真空灌水啟動(dòng)后，可為主水泵提供約1.5MPa左右的入口灌水壓力，杜絕了吸空損失和汽蝕現(xiàn)象。

5 驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率校核

水泵軸功率計(jì)算：

N’=QsHsρg/3600η×10-3=600×620×1020×9.81/3600/0.75×10-3=1378.63kW

電機(jī)功率計(jì)算：

N=1.1N’=1.1×1378.63=1516.49kW

按涌水量及水泵的排量，選擇合適的電動(dòng)機(jī)功率。按礦井原設(shè)計(jì)中央水泵房電機(jī)為1600kW的電機(jī)，錢(qián)家營(yíng)礦原為低瓦斯礦井，因礦井地質(zhì)構(gòu)造問(wèn)題，局部出現(xiàn)瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，為確保礦井安全，選用設(shè)備將選擇適合高瓦斯突出礦井的防爆型電氣設(shè)備。選擇YKY560-2型電動(dòng)機(jī)，額定容量為1600kW。

表1 2008年與2013年同月耗電量的比較

6 運(yùn)行調(diào)試

經(jīng)過(guò)在地面工廠的性能測(cè)試，完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。2011-2013年，我們對(duì)－600泵房進(jìn)行了技術(shù)改造：即拆除舊的8臺(tái)水泵，安裝由高效主排水泵和喂水泵組成的正壓排水系統(tǒng)。正式運(yùn)行以來(lái)，運(yùn)轉(zhuǎn)良好，溫差法多次測(cè)得的運(yùn)轉(zhuǎn)效率均在78%以上，達(dá)到了安全、節(jié)能、高效的研究目標(biāo)。

由于原水泵機(jī)組設(shè)計(jì)是兩極電機(jī)拖動(dòng)，高速3000轉(zhuǎn)，電機(jī)與泵均采用滑動(dòng)軸承配強(qiáng)制潤(rùn)滑油泵，此次選用的HGB200×3 三級(jí)水泵必須適用3000轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)采用SKF稀油潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承，每側(cè)軸承架都安裝了恒位油杯，它可以維持軸承架的油位并且起到自動(dòng)補(bǔ)油的作用，非驅(qū)動(dòng)端還設(shè)有冷卻風(fēng)扇，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)現(xiàn)軸承溫度偏高，有時(shí)高達(dá)100℃，并多次出現(xiàn)軸承過(guò)熱抱死現(xiàn)象。估計(jì)是現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度高、安裝精度不高、運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)大、潤(rùn)滑條件不好等因素影響下，軸承極限轉(zhuǎn)速下降，軸承實(shí)際轉(zhuǎn)速超過(guò)極限轉(zhuǎn)速，使摩擦面產(chǎn)生高溫，影響潤(rùn)滑劑性能，使油膜破壞，從而導(dǎo)致元件嚴(yán)重磨損或膠合。

既然油冷不能滿足要求，決定改造加強(qiáng)制水冷，我們對(duì)軸承位進(jìn)行了改造，在安裝位不變的情況下在軸承杯外增加腔體，接入水源形成水套進(jìn)行強(qiáng)制水冷。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，效果非常好，軸承溫度保持在70℃以下。

7 效益分析總結(jié)

8 套正壓排水水泵機(jī)組正式安裝完畢后，經(jīng)冀東礦業(yè)安全檢測(cè)檢驗(yàn)有限公司現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，其水泵機(jī)組運(yùn)行效率平均值為77.13，比改造前效率63.79提高13.34，可見(jiàn)本次正壓排水改造起到了高效排水的目的。

下面主要對(duì)錢(qián)家營(yíng)礦-600泵房HGB250×3高效水泵電耗和排水臺(tái)時(shí)方面做比較總結(jié)

由上表看出2013年較2008年共節(jié)電2178382度，平均每月節(jié)電181532度。按電價(jià)均0.9元/kwh計(jì)算，-600水泵房投入正壓排水機(jī)組后，每年可節(jié)省電費(fèi)支付196萬(wàn)元。

由上表可見(jiàn)原-600水泵房水泵（DS450-100×7）每天平均運(yùn)轉(zhuǎn)約38小時(shí)，改造后新泵平均每天運(yùn)轉(zhuǎn)約29小時(shí)。相比每月節(jié)省排水時(shí)間約279小時(shí)，對(duì)自動(dòng)化控制躲峰填谷提供了儲(chǔ)水保證。

原DS450-100×7水泵2號(hào)效率是58%，3號(hào) 54%，5號(hào) 57%，6號(hào) 51%，其它泵效率在62%左右，平均噸百米耗電量0.59；

改造后，原煤炭部節(jié)能監(jiān)測(cè)中心利用溫差法測(cè)試了七臺(tái)水泵的效率具體參數(shù)如下：2#泵效率73.98%，流量 539.7m3/h；4#泵 效 率 71.507%， 流量518.48m3/h；6#泵效率70.598%，流量 522.29m3/h；7#泵 效 率 72.97%， 流量 560.5m3/h；8#泵 效 率 71.764%， 流量520.5m3/h；9#泵效率71.482%，流量544.82m3/h；10#泵效率71.645%，流量528.39m3/h；平均噸百米耗電量在0.41。

通過(guò)對(duì)比分析，改造后平均效率高13.6%。新水泵機(jī)組噸百米耗電量比老泵降低0.18。

改造前每月消耗牛油盤(pán)根25公斤，改造后每2個(gè)月消耗牛油盤(pán)根約25公斤，基本持平；改造前老泵平衡盤(pán)平衡板6個(gè)月檢查更換一次，改造后新水泵機(jī)組使用平衡鼓，一年半還在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)。

可見(jiàn)，采用高效節(jié)能泵并使用正壓排水方式是提高排水可靠性和節(jié)能的有效途徑。

[1]羅鳳利，周廣林，李光煜等. 礦山機(jī)械 [M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2009.8.

[2]礦井排水設(shè)備選型設(shè)計(jì)參考資料[EB/OL]. 2012.