高地温千米深井排水一次承井关键技术

苏亦山

【摘 要】本文针对千米矿井具有“高地应力、高地温、高岩溶水压”等明显恶劣特征的情况下，中央泵房主排水泵运行过程中存在的叶轮气蚀及大功率电机启动问题进行理论分析，提出了解决相应解决办法和关键技术方案，实现了排水一次直接承井。

【关键词】千米；排水；技术

千米深井中央泵房排水泵作为矿井安全保障的主要排水设备，以离心式为主，由于深部岩体开挖岩溶突水具有瞬时突发性和不可预测性，在设计时一般采用运行可靠的直接承井排水方式，排水设备选型功率较大，达到2000千瓦以上。同时千米以上深度矿井一般都有“高地应力、高地温、高岩溶水压”等明显特征，千米矿井深部岩温一般在34℃～43℃，其排水泵排水温度也在30℃以上，对排水泵叶轮造成严重气蚀。因此，排水设备必须解决大功率设备启动和水泵汽蚀问题。

1 千米矿井排水关键问题分析

1.1 气蚀问题

目前，排水设备叶轮气蚀主要是当泵抽送水的绝对压力小于水的汽化压力时，水便开始汽化，产生蒸汽，形成气泡，这些气泡随液体向前流动至某高压处时，气泡周围的高压液体致使气泡急剧缩小以致破裂，形成水击造成的。水加热到一定程度就会变成水蒸汽，而水蒸汽冷却到一定温度又会凝结成水，在一个大气压的作用下，把水加热到100℃就开始沸腾，汽化产生大量汽泡，而温度和压力是它们互相转化的条件，当作用在水面上的压力较高时，使水汽化所需要的温度就高；当作用在水面上的压力较低时，使水汽化所需要的温度就低。在深部矿井排水温度高于正常温度的情况下，通过增大进入水泵内水的压力是避免气蚀的重要方法。

离心泵启动前传统做法是必须引水，即将泵体和吸水管充满水，否则水泵的叶轮只能搅动泵体内的空气。目前常用引水方式是真空泵、底阀或射流，但这些方式的共同缺点是通过负压使泵体和吸水管充满水，在较低（负压）压力作用下，当深井排水温度远高于20℃∽25℃正常温度时，汽化现象更加严重，气蚀问题更加突出。

1.2 大功率高压电动机启动问题

常用的大功率高压电动机电动机启动方式一般有直接启动、液态软启动、电抗器启动、高压固态软起动。通过综合比较，新开发的液态软起动器采用降压起动，性能参数可调、可控、可预测，允许连续起动3次以上，起动电流倍数可调至最小，电压等级10kv，功率等级10000kw，节能环保，价格和维护费用低，可实现智能控制与通讯等诸多优点。

综合对比，液态软起动是比较理想的启动方式。液阻是一种由电解液形成的电阻，它导电的本质是离子导电。其阻值正比于二块电极板的距离，反比于电解液的电导率，极板距离和电导率都便于控制，且液阻的热容量大，高压液态软起动装置工作原理是根据电机拖动理论，在电动机定子回路串入一特制液体电阻，该电阻在电机起动初始时刻自动投入，阻值在预定起动时间内均匀无级减小，并在阻值几近为零时刻切除，使主机电流及电机转速无级匀滑变化，实现了电机转速均匀上升、平稳起动。液体电阻一般选用水作为电解液，优点是成本低，在软起动过程中不产生高次谐波，能基本解决高压电机的软起动。缺点主要表现在：

1）高压电动反电势建立的速率和水电阻变化的速率很难吻合，造成起动电流的斜率很大，严重时顶跳上级开关；2）环境温度对起动性能的影响大。水电阻导电的实质是靠离子的移动，电阻大小由导电离子的多少决定，水电阻（含热变电阻）均是由Na2CO3和水配制而成，任何化学无机物的溶解度均受外界温度的影响，温度越高溶解得越多，电阻率越小，温度越低溶解越少，电阻率越高，这就是液态电阻为什么在夏天（温度可高达40℃）起动电流大（有时高达5倍额定电流，简直象直接启动），而冬天（温度最低为-20）起动困难，严重时需要重新配液方可解决，加上水的蒸发和补充及其它导电离子进入液阻箱，均会引起液体电阻的改变；3）对环境要求高，液阻软起动装置不适合于易结冰的现场；4）液阻箱容积大，原因为阻性限流，容积小会引起温升加大，一次性起动后电解液通常会有10℃～30℃的温升，使软起动的重复性差；5）控制功能低下，起动时间、停止时间、初始电压、限压范围等主要控制参数均不能方便的调节，移动极板需要有一套伺服机构，移动速度较慢，难以实现起动方式的多样化。保护功能不全，无自检、过载、电流不平衡、断相等保护：6）维护困难。须经常维护，须经常加液体以保持液位。在高压回路里加水作业有很大危险性。电极板长期浸泡于电解液中，表面会有一定的锈蚀，需要作表面处理；7）安全性差。这是该装置最大的隐患，一旦维护不及时，至液阻位过低，起动时有引起装置爆炸的危险，爆炸后引起高压接地，给人员设备带来灾难性的后果。在起动时有噪声及电动力致使震动，特别是在极板运行中易造成导电水飞测，安全性差。在高压起动回路中，用传动电机及传动机构控制极板运行，一旦控制失灵，后果比较严重。

2 实现千米矿井排水关键技术

2.1 解决气蚀问题的关键技术

针对常用负压引水方式造成的气蚀问题，采取正压供水方式，在离心泵吸水管底部串联潜水泵，其潜水泵供水水量大于并满足于离心泵排水量、扬程大于并满足于离心泵的吸水高度和泵体高度，使离心泵处于微正压状态下运转状态，从而提高水的汽化温度同时通过增大进入水泵内水的压力使水泡提前破裂，以避免泵的气蚀。主要技术为：

一是，在电气控制方面，潜水泵的启动控制与离心泵的控制系统必须相互闭锁，即离心泵开泵时，首先启动潜水泵，然后再开动离心泵；离心泵停泵时先停止离心泵，再停潜水泵。

二是，在潜水泵安全可靠运行方面，设计设置了各种状态显示、保护装置，对加工工艺也要严格要求，并具有如下特点：1）独特的电缆密封设计，有效的防止由于电缆破裂而造成的泄漏；2）接线腔内的漏水检测探头可以对接线腔内的泄漏发出报警信号，控制系统对泵实施保护；3）电机定子采用F级绝缘，每相均装有过热过载保护元件；4）电动机转轴采用不锈钢材质，转自进行动平衡检测，使泵运转更平稳；5）隔套自循环冷却系统对电机定子进行冷却，改善了电机的工作环境，使泵允许在露出液面或在干式状态下运行；6）设置二道密封监视，任一密封泄漏便可报警；7）材质为碳化硅的双端面机械密封，保障了泵的长期安全可靠运行；8）新型的副叶轮流体动力密封既可减小机械密封处的压力以延长机械密封的寿命，也可减小轴向力以延长轴承的寿命；9）流道式叶轮设计不仅使泵具有通过能力强、抗堵塞、效率高等特点，更使泵具有全扬程特性，使泵的流量调节和选型更方便。该水泵适用水温条件最高可达60℃，被抽送液体的PH值为6～9。

三是，在潜水泵安装方面为保证检修方便，通过悬挂装置固定在吸水井上部的横梁上，底部设置定位装置，并安装上下移动的导向轨，潜水泵与离心泵吸水管之间采用快速软连接方式，拆除和安装做到快速、简捷、方便。

2.2 解决液态软启动问题的关键技术

液态软启动装置由传动伺服装置、电气控制、PLC逻辑控制及电解液箱体四部分组成，针对液态软启动的缺点，解决的关键技术是：

一是，传动伺服机构的传动极板采用锰铜锌锡新型合金材料一次铸造而成，具有很好的耐高压和耐腐蚀性能，极板的工艺体现在极板形状上，当电机功率超过5000KW以上时，电机的额定电流就很大，而起动时电流就更大，因此极板要承受很大的电流冲击，同时会产生静电现象，极板形状就显得尤关重要。极板是环状结构，能很好的处理静电，避免电弧现象。

二是，电气控制必须有可靠地的连锁和保护作用装置：1）温度传感器采用铂电阻材料制作而成，安装在电解液箱内，与软起动运行时同步检测软起动的温度。信号传感器信号同时传输到显示装置和PLC系统，根据起动时的温度来对软起动装置进行保护，同时把温度信号输送到PLC系统，作为闭环控制的参数使用；2）液位开关传感器，通过液位开关传感器的作用对液态软起动装置的液位进行监控并传输到PLC系统，结合主机起动状态，判定液位是否工作正常，如果液位异常，就会有报警装置起到作用，并反馈到连锁起动信号内；3）各类中间继电器能更好的反馈传输各类信号，采用SHNEIDER公司的产品，起到稳定系统的作用；4）控制电源隔离变压器。电控的控制电源选用交流110电源，系统进线电源以下设置电流保护开关和交流110V输出的隔离变压器，系统内的控制继电器和PLC系统都选择使用交流110V电压的元件。采用110V隔离电源的优点是：交流110V电压满足井下用电要求；电源隔离降低了电源接地短路危险；滤除部分电网谐波和噪声干扰，保护PLC设备的使用电源；5）各类安全保护开关，液态软起动装置配置有基本的保护开关，包括像软起出现故障时采用的直起按钮等。

三是，PLC逻辑控制必须采用经过多年经现场实践检验的Matlab液态智能软起动计算机仿真技术，根据提供的电动机及拖动对象的参数、电网参数以及各项工艺控制指标，在WINDOWS2000环境下，用Matlab仿真软件模拟电机起动全过程，输出并打印模拟起动曲线，根据模拟起动曲线，随机调整液态软起动装置的初始值，取出满足控制要求的最佳曲线，从而减少了项目实施过程中起动水泵电机的盲目性，使电机的起动全过程可预测、可调整、可控制。系统硬件配置：整个PLC系统为本地I/O分站，电源模块采用冗余配置，一旦一个电源模块损坏，另一电源模块自投；一条同轴电缆损坏不会造成两站之间的通讯中断；同时，采用Modbus Plus网络总线使整个系统实现网络化管理（图1）。

从高压液态软起动装置的显示屏上可以调阅起动过程的历史数据追忆曲线和实时数据趋势曲线，可看出起动曲线平滑近似于一条直线，这在一定程度上讲液态智能软起动装置实现了真正意义上的高压电动机恒流软起动。

四是，电解液箱体，电解液采用特制电解液，使高压电动反电势建立的速率和水电阻变化的速率基本吻合。电液箱采用高聚合分子化合物一次成型而成，能满足耐高压，使用寿命在20年以上。材质是高聚合份子化学物，内部箱体采用固定模具一次塑形而成，具有耐高压耐腐蚀的作用，提高了液态软起动装置电解液箱体的使用寿命。电液箱设计有很大的散热容量，每次的起动时温升控制在7℃以内，24小时内可以连续起动3次以上，具有很好的起动特性。

高压电动机采用液态软启动装置与直接起动，传统的串电抗器降压起动的机械特性曲线之间的对比，如图2所示。

采用的技术方案和起动装置主要有以下几个显著特点：

1）可预测：运用具有国内领先水平的计算机专用仿真软件对电动机起动全过程模拟仿真，事先可对电动机起动性能进行分析，得出最佳起动曲线。

2）可调整：起动时间、液态电阻阴值等参数可根据现场工况随机调整。

3）可控制：液态电阻阻值可按被控电机最佳电磁转矩、最小起动电流改变，起动过程完全受控，同时电网压降也得到有效控制；带有液温检测及报警指示，每次起动时液体整体温升不超过10℃。

4）可重复性：初始阻值可根据环境温度、上次起动结束后液温进行自动检测、校正、保证起动性能的一致性和稳定性，能连续进行起动。

5）无谐波污染：该装置内没有晶闸管等非线性器件，不会产生谐波污染。

6）通讯功能：PLC人机界面友好，可对整个启动过程进行有效监控，实现故障报警和记忆功能，查询方便；具有RS485通讯接口，可实现泵房远程自动集控监控功能；具有软启和直启转换功能。

7）软起软停功能：可以依据现场工况选择直启方式和软起动二种起动方式，并具有软停车功能，停泵时能减少对设备负载的冲击。

8）电流闭环自动控制功能：在电动机起动过程中实时自动检测被控电动机定子电流，根据电流大小，自动调节控制装置，使电机起动过程最最佳化，起动电流基本恒定。

3 工业性应用效果

以肥矿集团陈蛮庄煤矿中央排水泵房工业性试验为例，测试结果如下：

陈蛮庄煤矿中央泵房共装备PJ200A×12型多级离心式水泵5台，额定流量420m3/h，扬程1140m，配套电机功率2400kW，电动机额定电流I=165A，正常启动时，启动电流Iq=165×7=1155A，若采用电抗器启动，Iq1=165×5=825A，现场采用高压液态软启动后，经现场实际观察，启动电流仅为410A，计算结果为2.48倍，启动时间为18s，而且可以连续启动6次设备不会出现过热现象。采用潜水泵串联排水方式后，经运行11个月后，打开水泵泵体，经检查发现，水泵叶轮叶面未出现麻坑等明显冲击现象，水泵效率仍然保持出厂时的78%左右。达到预期的试验目的，完全符合煤矿的要求，取得了较好的应用效果。

4 结论

采用离心泵正压供水及高压液压软启动技术后，能够解决千米深井中高温水、超大功率电动机启动等难题，可以为国内外同行业提供强力的技术支持，具有极高的推广价值。

【参考文献】

[1]杨德印.电动机的起动控制技术标准[M].

[责任编辑：程龙]