大功率潜水电泵运用模式探讨及应用

天津大学 管理学院 蒋 猛

河南矿山抢险救灾中心

河南矿山抢险救灾中心 李 玮 陈 栋 李志豪 薛雅娟 吴莉娜

大功率潜水电泵运用模式探讨及应用

天津大学 管理学院 蒋 猛

河南矿山抢险救灾中心

河南矿山抢险救灾中心 李 玮 陈 栋 李志豪 薛雅娟 吴莉娜

一、研究背景

1976年我国向西德里茨（Ritz）公司采购一批功率为800～1 600 kW的大型矿井用潜水电泵，并采取技贸结合的方式部分引进大型矿用潜水电泵的制造技术。但是，引进后发现，这种大型矿用潜水电泵存在一个功能性缺点，即要求淹没深度很深。水泵具有上吸入口和下吸入口，汇流后从最上端的吸入吐出体出水口排出。为了保证水泵的进水条件，最低吸入水位必须高于设置在水泵最上端的上吸入口0.8～1.0 m，因此要求大型矿用潜水电泵的淹没深度H必须为：

式（1）中，h为大功率潜水电泵总长度，H0为吸入口安全高度。

常用潜水电泵的总高度为7～12 m，扬程越高，h越大，这一运行模式适用于井底水窝较深的大型煤矿，也适用于大江大湖的高扬程取水。但如果井底水窝不够深时，该类潜水电泵只能将水排至距井底H高的位置。而残留水位过高，将导致被淹泵房难以暴露，人和设备难以进入，泵房难以恢复，矿井难以恢复生产。其运行方式如图1所示。

同时，引进的大功率潜水电泵在结构上只适合立式安装，难以解决斜井开拓大涌水量矿井的排水复矿问题。此外，如果斜井开拓大涌水量矿井没有轨道或者斜井巷道塌方严重，则该水电泵将会难以潜入水中而影响使用。因此，需要对潜水泵的结构进行改进，开发新的应用模式。本文，笔者对此进行了探讨。

二、接力排水系统的开发与发展

1.轴流式接力泵及其接力排水系统。引进国外潜水电泵的最低淹没深度在8.5～15.4 m，从式（1）可以看出，由于大型矿用潜水电泵要求如此大的淹没深度，因此在很大程度上限制了自身的使用范围和功能的发挥。为了复矿排水，要求最低残留水位越低越好，以便排水终结时可以暴露出主坑道，而且，还要求要能够进人、进设备，这一安全高度为0.8～1.2 m。为此，20世纪80年代，人们开出大型潜水电泵+密封吸罩+全贯流式潜水轴流泵的接力排水系统，系统运行模式如图2所示。

接力排水系统推出后，在矿山抢险排水中发挥了重要作用。借助该系统，在多次抢险排水中，最低残留水位降到了0.5 m，使多次矿山抢险排水中得以成功复矿。但是，这种接力排水系统在使用中也暴露出了一系列功能和技术上的缺陷。例如，系统接力泵采用轴流泵水力模型，与主潜水泵性能匹配性差，容易出现超功率和关死点现象，引起系统振动和电机过热，使得系统可靠性降低，运行很不安全；电机绕组线在水压作用下，绝缘迅速下降，系统一次潜没水深度受到很大限制（厂家建议≤11 m），使得联合排水系统不能一次安装到位，需要多次安装追排水，对于大涌水量矿井，安装费用和运行电费耗资巨大，同时也贻误了抢救遇险矿工的最佳时机。因此，迫切需要研制新型接力排水泵，提高其运行可靠性。

2.混流接力潜水电泵及其接力排水系统。该系统采用新型充油式可深潜的混流接力潜水电泵，并与大功率潜水电泵组成接力排水系统，可以解决原接力排水系统可靠性低的问题。该接力潜水泵的优点是适用于大淹没深度下的安全运行，电机为内充油式、压力自平衡。并且，在流量、扬程变化范围大的情况下，接力泵不超功率，可以安全、高效地运行（吸水罩无需开天窗泄流）。这种混流接力泵性能稳定可靠，设计无故障运行时间达6 000 h。河南矿山抢险救灾中心应用该泵，在现场运行的最长时间为900 h。

三、超大功率潜水电泵的斜置排水技术

1.技术背景。对于淹没的斜井开拓矿井，当其涌水量小于250 m3/h，可以采用卧泵跨步追排水进行复矿，也可以采用小潜水泵群泵追排水复矿。目前，国内200 kW以下多级潜水泵设计工况均是立式安装运行。作为抢险救灾可以将其卧式安装运行，但运行的可靠性较低，易出故障。小涌水量被淹矿井采用多泵并联的方法，来增加可靠性可以成功排水。对于涌水量大于250 m3/h的斜式矿井，采用以上方式排水复矿，不仅代价昂贵，成功概率也很降低。为此，河南矿山抢险救灾中心开发出了卧式大功率潜水电泵并组成斜置排水系统。

2.斜置排水装置的研制。针对目前我国仅有的550 m3/h、1450 m3/h两种大功率高扬程排水模型，并考虑矿井一般开拓深度在300 m左右，笔者设计开发了HKQB-1600-1450/300卧式潜水泵。

HKQB-1600-1450/300潜水泵加接力泵、吸水罩，主机自重16 t，长达13 m。按斜角30°，管子斜长将达600 m，系统自重达130 t，水锤力可达114 t，系统最大载荷319 t。因此，必须重新验算电机推力轴承、导轴承、定子、转子在卧式运行时的刚度和强度，对薄弱构件重新选择材质和设计结构，改善其结构性能，以满足卧式运行工况要求。

3.现场运行实例。系统设计和改造完成后，在湖南某矿进行了工业性试验。该矿正常涌水量为2 700～4 500 m3/h，二水平暗斜井排水，在排水中也曾经遇到过挫折，但是主井主泵HKQB-1600-1450/300安全运行13 000 h，标志着逆止阀卧式改造成功。

四、大功率潜水电泵的非潜水运行模式

1.问题的提出。笔者在排水复矿实践中遇到了多起斜井轨道被拆除或被洪水冲毁的情况，同时矿井涌水量较大并伴随煤泥淤积和掉渣现象。例如，河南某煤矿淹没已达3年，淹没时轨道被拆除，并有多处落渣现象，现在需要排水复矿，其涌水量达400 m3/h。矿井为斜井开拓，井筒断面的限制决定了采用大功率卧泵追排水难以实现，较大的涌水量和较高的扬程（290 m）决定了小潜水泵群泵追排水的低可靠性和高复杂性，因而应当尝试大功率潜水电泵的适应性运行模式。

2.系统的实现。针对矿井实际，笔者设计了一种大功率潜水电泵的非潜水运行模式，系统的运行模式如图3所示。

吸水罩与接力泵之间采用Ф200软管连接，接力泵为充油式混流接力泵，随着其扬程增加而流量减少，变化较急，但功率变化较少，扬程可调范围较大。浮子浮力为1.5 t，足以支撑接力泵运行时漂浮在水面上。

从图3可以看出，大功率潜水电泵通过软管与接力泵相连而分离布置，接力泵漂浮于水面上吸水运行，避免了沉积物吸入水泵而损坏潜水泵。体积大、重量重的主潜水泵处于非潜水运行状态，便于吊装维护移动，可以实现边排水、边铺设轨道、边维护巷道。同时，也避免了大功率潜水电泵下放或运行时，因发生掉道及遭遇障碍物等而造成的损失。