水環式真空抽采泵湍流減阻節能提效在余吾礦的應用

溫濟霞

(潞安化工集團公司 健康安全環保部，山西 長治 046204)

1 研究背景及意義

與煤礦瓦斯抽取項目有關的文件明確表示，高瓦斯礦井以及煤炭開采的礦井務必搭建起成熟的瓦斯抽采系統。瓦斯抽采系統包括：瓦斯抽采水環真空泵、瓦斯抽采監控系統、閥門與相關安全設備等。

作為瓦斯抽采系統正常工作的驅動器，水環真空泵的質量標準更為嚴格，然而實踐當中，由于瓦斯抽采的環境十分惡劣，外部條件難以把控，抽采系統的工作效率低下，需要耗費大量能源；瓦斯抽采泵實際運行效率在15%～40%之間，泵站年耗電費用高達上千萬元，甚至上億元，約占煤礦總耗電量的1/4。該問題與國家對煤礦節能減排要求及我國目前能源緊張的現狀極不適應，進一步增強瓦斯抽采水環真空泵的節能減排水平有著巨大的意義。水環式真空泵軸功率由有用功率、摩擦損耗、湍流損耗三部分組成，在吸入壓力為50～100 kPa時，供水流量降低，無用功率提升，湍流消耗量巨大，效率驟減。針對于此，對湍流減阻增強瓦斯抽采泵效率的節能技術展開探討，具備一定的現實性意義。

2 湍流減阻機理

湍流減阻效應的含義為將一定數量的鏈狀高分子聚合物放入至液體介質當中，后者所具有的摩擦阻力將會大幅度下降。

通過西南石油大學張兵強教授對平板壁面渦流形成的數值模擬可以看出：面對平板壁面周邊流向渦的巨大推動力，處于反方向的旋轉流向渦間的低速條紋帶將會慢慢提升，產生馬蹄渦，過一段時間之后演變成發卡渦，此時發卡渦一旦破裂將會出現小范圍的湍流隨機運動。之后距離平板壁面較遠的外部流體將會靠近壁面，產生全新的條紋帶與反向旋轉渦。導致湍流形成，耗費流體所擁有的能量，提升外部阻力。聚合物湍流降低阻力的原理為盡可能避免湍流迸發，也就是降低迸發的速度與力度。流動漩渦唯有處于不對稱流動的條件下才可令聚合物出現反方向的扭矩，如果存在壁面妨礙湍流漩渦有序運動的現象，那么發卡型漩渦將會失去對稱性，使得聚合物出現反方向的扭矩，此時發卡型漩渦將會遠離自己的中心對稱軸。在該環節中，高分子聚合物能夠通過自己所具備的反向扭矩阻礙湍流漩渦實現旋轉翻騰，以此縮減湍流效率，導致流動阻力大幅度下降。

由此可見，湍流減阻的工作原理為通過鏈狀聚合物反向扭矩來阻礙并抑制湍流發卡型漩渦的迸發與生成，以此達到降低阻力的目標。

3 水環式真空泵工作原理

圖1為水環式真空泵截面圖。圖1(a)為水泵停止運行時的狀態，殼體內葉輪下部填充有五分之一體積的水封。圖1(b)是徑向式葉輪在未被完全充滿水的殼體當中旋轉，離心力導致葉輪當中的水被甩到外部，產生同心水環，6片葉片則把水環均勻的劃分為6個水室，故此，水室里面的氣體無法出現擴張與收縮的情況。但是如果葉輪被改裝為與圖1(c)相同的偏心位置之后，小室當中的1～3室容積持續增大，形成抽氣效應，因此從連接點C開始，1～3室為抽氣環節；與之相反，4～6室在葉輪的轉動作用下容積持續降低，產生排氣效應，因此4～6室為排氣環節。葉輪在軸的帶動下不停偏心旋轉，就循環造成水泵抽氣和排氣的動作。

圖1 水環式真空泵工作原理

4 降阻劑聚氧化乙烯

聚氧化乙烯的英文名為PEO，是比較常見的有機化合物，沒有特殊的氣味，極易溶于水，為典型可結晶、可熱塑的聚合物，它具備線型齊整的螺旋結構。在水溶性膠黏劑當中，該物質發揮增稠的作用，利用沸騰的水進行溶解，部分條件下也可以將其溶解于非水溶劑當中，實現分散。在現實當中，該物質能夠被直接調配成水溶性膠黏劑，大約5%質量的水溶液就具備十分強大的黏性。在國防當中與硝酸酯類增塑劑搭配制成推進劑。涂料工業當中扮演著乳膠分散劑的角色。造紙產業當中則被當作為長纖維分散劑。PEO的分子相對質量處于1×105至1×106之間，在常溫下是白色可流動粉末的狀態，其分子結構是(CH2CH2O)。

表1 降阻提效劑性狀描述

圖2 聚氧化乙烯分子式和實物

5 現場應用效果

由于地面永久瓦斯抽采泵站瓦斯泵型號大、能耗高、耗水量大及基礎建設復雜(包括高位水池、低位水池、循環水管路等)，造成減阻工作液消耗快、成本高、凈節能效益降低，因此采用“地面全封閉式瓦斯抽采泵節能系統”，主要包括：瓦斯抽采泵、熱交換系統、自動補排液系統等，由原有的半開式循環系統改進為全封閉式循環系統，既實現了瓦斯抽采泵的節能降耗，又顯著降低了泵的耗水量，與此同時更是節省了大量的人力與物力，推動瓦斯抽采系統的智能化水平大規模提升。

各系統具體功能如下：

1) 熱交換系統：作為該節能系統的核心裝置，實現了工作介質的“循環水池自然冷卻—強制對流冷卻”的過程。結合煤礦現場水質差、硬度高、煤粉含量高等惡劣工況，選用防堵能力強、易拆裝清洗、適用于高粘性介質的換熱裝置，大幅度提升節能設備的安全性與穩定性。

2) PLC監測與控制系統：通過自主開發設計監控程序，用于監測減阻工作介質和循環冷卻水的進出口溫度和流量、熱交換系統的換熱效果及氣液分離裝置的液位水平等參數，切實保障瓦斯抽采泵處于持續、高效率的運行狀態之下。

3) 自動補排液系統：氣液分離器內的液位高度合理且穩定是瓦斯抽采泵可靠運行的必要條件之一。根據PLC監控系統所發指令，結合現場工況的液位合理范圍，利用自動補水和排水電動球閥，達成分離器自動補排液體介質的目標，節約人力成本。

4) 高效氣液分離裝置：在原有氣液分離器基礎上，通過加裝二次分離裝置，大大降低了水資源消耗，提高了本技術的凈節能效益。

5) 粉體分散溶解裝置：減阻劑的充分溶解能夠進一步提升節能效率，達成節能減排的目標，為此，自主開發了循環式粉體分散溶解裝置，實現了粉體的充分且快速溶解。

余吾煤業南風井瓦斯抽采泵站當前擁有6臺水環真空泵，其型號為2BEC80，其中4臺正式使用，另外2臺備用，額定功率是800 kW，當前3號瓦斯抽采泵是實驗對象，被改造成運用減阻工作液的全封閉式瓦斯抽采泵節能系統，具體如圖3所示。

圖3 全封閉式瓦斯抽采泵節能系統實物

圖4是地面全封閉式瓦斯抽采泵節能系統運行，其運行流程為由水環真空泵經過氣液分離設備之后，到達煤粉過濾設備，在進入流道式換熱設備，最后再次到達水環真空泵。

圖4 地面全封閉式瓦斯抽采泵節能系統運行

試驗在2號泵添加降阻劑并運行穩定后開始測量相關參數并記錄為表2，由表2可以看出：試驗后瓦斯抽采泵運行功耗和耗水量均大幅下降，實現了顯著的節能、節水效果。在工況不變的情況下，運行結果顯示：第1天，電流由42 A降至31 A，軸功率由588 kW降至455 kW，節能效果為25.0%；第2天，電流與功率維持不變，節能效果為25.0%；第3天、第4天，電流變為33 A，軸功率為464 kW，節能效果為21%；第5～7天，電流變為37 A，軸功率為498 W，節能效果為15.3%。因此可計算出，采用該技術后的7 d內，平均節能效果可達到19.7%，期間平均節約電量為2 688 kW·h/d。

表2 采用本技術后現場運行參數及節電量

由表3能夠發現，在確保井下抽采工況維持現狀的條件之下，利用經過改造的封閉式節能系統，實驗所用到的抽采泵的工作電流與地軸功率大幅度降低，前者由42 A下降到34 A，后者由588 kV降低到476 kV，節能效率為19.7%；以此為標準運算得出每天能夠節省2 688 kW·h的電量，單臺達到98.1萬kW·h。按照每度電0.6元運算得出，單臺瓦斯抽采泵能夠節能成本為：2 688×0.6×365=58.8萬元/a。除此之外，瓦斯泵耗水量由之前的每天15 t減少到4 t，節水率高達73.3%。因此，按照減阻劑最佳提效濃度3.5%、減阻液消耗量4 t/d計算，則減阻液成本為190元/d，即6.9萬元/a?？芍?，單臺泵年可實現凈節能效益為58.8-6.9=51.9萬元/a。故此能夠發現，該抽采泵站每年的節能效益達到207.6萬元。

表3 試驗前后2號瓦斯抽采泵性能參數

圖5 節能試驗前后2號瓦斯抽采泵能耗及耗水量及對比

6 結 語

水環式真空泵中添加PEO實現湍流減阻效應達到節能提效的目的，該技術已在余吾煤礦穩定連續運行，效果顯著。據統計，集團公司下屬所有高瓦斯礦井瓦斯抽采泵年耗電量為4億kW·h以上，若對集團下屬所有礦井進行整體節能改造，按20%的節能效率計算，則集團瓦斯泵站年節電量在8 000萬kW·h以上，節能效益將明顯提高。