煤礦井下水泵房正壓排水方式的探索

劉天元 程相文

（1.開灤錢家營礦業(yè)分公司，河北 唐山 063301；2.河北聯(lián)合大學，河北 唐山 063009）

1 正壓排水方案的提出

錢家營礦為上世紀八十年代投產的國有特大型礦井，生產能力為600萬噸/年。井下目前分別在-450水平、-600水平和-850水平設有水倉和泵房，其中-850水平的水先轉排到-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組布置在泵房內，吸水管深入相對標高低5米的吸水井中。

按照國家保安規(guī)程規(guī)定，井下排水泵電機必須安裝在水倉上面，所以只能先抽真空使泵體內充滿水再啟動。水泵長期處于負壓狀態(tài)，耗電量大，汽蝕現(xiàn)象嚴重，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械強制將水位提升到吸水口高度，使吸水負壓變?yōu)閺娭乒嗳氲恼龎?，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

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

工作方式：喂水泵向主排水泵提供壓力約0.16MPa的正壓水，對主排水泵形成進水口喂水，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將來檢修和清理小井都是問題，設備無法布置，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離心泵，布置在主排水泵旁邊，喂水泵與排水泵一一對應布置，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壓排水的隱患，喂水泵是單級葉輪，放射流泵抽真空，使吸水管及喂水泵內充滿水，無需其他關聯(lián)條件，灌水后只要通電即可投入運行工作，為排水泵喂水，提供所需要的流量和壓頭。

喂水泵啟動后，排水泵可以隨時啟動，排出喂水泵所提供的流量。

3 主排水泵的選擇計算

-600水平泵房擔負本水平和-850水平兩個水平涌水量的排水任務，該水平正常涌水量是20.9×60=1254m3/h，按水泵600 m3/h排水量計算，

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

正常涌水時3臺泵工作，20小時的排水量600×3×20=36000 m3

2 4小時正常涌水量20.9×60×24=30096 m3

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

該水平最大涌水量是37.67m3/min，

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

最大涌水時6臺工作，20小時的排量：20×600×6=72000m3

2 4小時的最大涌水量：37.67×60×24=54244.8m3。

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

水泵揚程估算：

H=1.2×（620+5）=750m.

選用大連鴻澤泵業(yè)生產的耐磨三級離心泵，型號為：HGB-250×3，流量為600m3/h，揚程750m，配原有的1600kW電機，轉速2980r/min。由于水倉容量限制，利用電網峰谷平電價政策，設計采用谷、平時段排水，具體如下： 谷時，采用三臺排水泵，排水流量為1800m3/h，5小時可排水9000m3；平時采用三臺排水泵，排水流量為1800m3/h，5時可排水9000m3，在整個谷平時間段可排水18000m3，因此，選用此水泵可以排干涌水。

此水泵采用三級泵結構替代原七級泵結構，增加了系統(tǒng)的可靠性。由于級數減少，所以軸承間距變小，按照振動力學的原理，軸承間距減少，葉輪轉子的剛性增加，承間距減少一倍，第一階轉子固有頻率增加四倍，因此，葉輪的動撓度會減少，很好地保證運行平穩(wěn)和頻繁起停的要求。

此水泵采用設計合理的過流部件，用平衡鼓結構代替平衡盤結構，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設計，有效控制過流流速，減少鑄件表面的剝蝕。

4 喂水泵的選擇

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

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)約了維修時的備件成本。

喂水泵通過抽真空灌水啟動后，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 驅動電機功率校核

水泵軸功率計算：

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

電機功率計算：

N=1.1N’=1.1×1378.63=1516.49kW

按涌水量及水泵的排量，選擇合適的電動機功率。按礦井原設計中央水泵房電機為1600kW的電機，錢家營礦原為低瓦斯礦井，因礦井地質構造問題，局部出現(xiàn)瓦斯動力現(xiàn)象，為確保礦井安全，選用設備將選擇適合高瓦斯突出礦井的防爆型電氣設備。選擇YKY560-2型電動機，額定容量為1600kW。

表1 2008年與2013年同月耗電量的比較

6 運行調試

經過在地面工廠的性能測試，完全達到設計要求。2011-2013年，我們對－600泵房進行了技術改造：即拆除舊的8臺水泵，安裝由高效主排水泵和喂水泵組成的正壓排水系統(tǒng)。正式運行以來，運轉良好，溫差法多次測得的運轉效率均在78%以上，達到了安全、節(jié)能、高效的研究目標。

由于原水泵機組設計是兩極電機拖動，高速3000轉，電機與泵均采用滑動軸承配強制潤滑油泵，此次選用的HGB200×3 三級水泵必須適用3000轉，設計采用SKF稀油潤滑滾動軸承，每側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補油的作用，非驅動端還設有冷卻風扇，經過一段時間的運轉，發(fā)現(xiàn)軸承溫度偏高，有時高達100℃，并多次出現(xiàn)軸承過熱抱死現(xiàn)象。估計是現(xiàn)場環(huán)境溫度高、安裝精度不高、運轉振動大、潤滑條件不好等因素影響下，軸承極限轉速下降，軸承實際轉速超過極限轉速，使摩擦面產生高溫，影響潤滑劑性能，使油膜破壞，從而導致元件嚴重磨損或膠合。

既然油冷不能滿足要求，決定改造加強制水冷，我們對軸承位進行了改造，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行強制水冷。經過試驗，效果非常好，軸承溫度保持在70℃以下。

7 效益分析總結

8 套正壓排水水泵機組正式安裝完畢后，經冀東礦業(yè)安全檢測檢驗有限公司現(xiàn)場實測，其水泵機組運行效率平均值為77.13，比改造前效率63.79提高13.34，可見本次正壓排水改造起到了高效排水的目的。

下面主要對錢家營礦-600泵房HGB250×3高效水泵電耗和排水臺時方面做比較總結

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。按電價均0.9元/kwh計算，-600水泵房投入正壓排水機組后，每年可節(jié)省電費支付196萬元。

由上表可見原-600水泵房水泵（DS450-100×7）每天平均運轉約38小時，改造后新泵平均每天運轉約29小時。相比每月節(jié)省排水時間約279小時，對自動化控制躲峰填谷提供了儲水保證。

原DS450-100×7水泵2號效率是58%，3號 54%，5號 57%，6號 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)測中心利用溫差法測試了七臺水泵的效率具體參數如下：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。

通過對比分析，改造后平均效率高13.6%。新水泵機組噸百米耗電量比老泵降低0.18。

改造前每月消耗牛油盤根25公斤，改造后每2個月消耗牛油盤根約25公斤，基本持平；改造前老泵平衡盤平衡板6個月檢查更換一次，改造后新水泵機組使用平衡鼓，一年半還在標準要求范圍內。

可見，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. 礦山機械 [M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2009.8.

[2]礦井排水設備選型設計參考資料[EB/OL]. 2012.