矿井主排水泵采用变频前置泵提高运行效率的研究

李连芳

（晋能控股煤业集团马脊梁矿， 山西 大同 037000）

1 煤矿主排水泵存在问题

1）根据业界的有关规定，煤矿井下的主排水泵的排水能力必须能够满足设计要求，保证井下的涌水能够及时排出。在进行主排水泵的选择时，可以预留一些性能，可以避免因管道出现渗漏等导致排水能力不足，避免突发状况。

2）在煤矿的正常生产环节会产生大量的煤灰，这些尘埃落入排水池中，经年累月可能会在池底沉积导致排水泵排水不畅，此外较大的颗粒物混入水池中，进入排水设备中，可能引起磨损，加速设备的损坏，同时在输送中会与管道摩擦，降低排水效率，增加能耗。

3）由于很多煤矿建立时间久远，设备更新换代不及时存在老化等问题，作业效率十分低下。而有些先进的煤矿，设备更新换代及时，像双吸自平衡多级离心泵不管是从工作性能，还是从能耗上都远优于那些老旧设备，但高昂的价格却让人望而却步。

2 前置泵变频调参及泵控技术原理

2.1 前置泵变频调参原理

在设备中加装变频器可以实现前置泵的转速的调整，进而可以改变泵的性能曲线。根据有关理论知识，前置泵的流量Q，排出水的压力也就是扬程H，以及电机的输出功率P，电机的效率η，在不同的转速n下的关系是：

在式（1）中，其中n1和n2是电机的两个转速，对应的流量分别是Q1和Q2，对应的扬程分别是H1和H2，电机的输出功率分别是Pa1和Pa2，电机的效率分别是η1和η2，通过加装的变频器可以对水泵的参数进行无级调节，可以精准地实现对排水作业的控制，进而可以避免不必要的能耗浪费。

2.2 泵控泵系统调压调流原理

泵控泵（PCP）系统是广泛应用于油气田和采矿行业的一种将前置泵和离心泵串联起来的技术手段，该技术通过变频器调节前置泵的参数，然后由于串联泵的关系，进而可以实现对主排水泵也就是离心泵的参数的调整，从而完成间接控制，将该技术应用到煤矿井下的主排水系统中，可以很好地解决离心泵的工作扬程较大以及工作一段时间之后出现磨损扬程又会随之下降的问题[1]。

PCP 系统主要包括前置泵、变频器以及离心泵，其中将前置泵和离心泵进行串联，完成串联后泵出口压力应该是这两个泵出口压力的简单累加，而流量Q则没有变化，为通过任一泵的流量，且通过两泵的流量相同，计算如下：

将式（1）的数据带入式（2），处理后可得公式如下：

在式（3）中，n1和n2是两个不同的转速，它们对应的流量分别是Q1和Q2，对应的扬程分别是H1和H2，将式（2）和式（3）结合可以得出：

从式（4）中可以看出，可以通过调节离心泵的级数m 和前置泵的转速n 来实现对整个主排水系统扬程的调整，可以通过调节前置泵的转速来实现对整个系统总流量的调整，这一方案可以节省大量的电能，虽然加装了变频器，但瑕不掩瑜，总的计算下来还是能起到良好的节能效果。

在选择前置泵时要注意该泵的流量调节量程，一般选择前置泵的流量量程是离心泵的1.25 倍左右为宜。在变频调节过程中，应该具有比较广的调节区域，进而方便更多的用户需求，能够更好地适应工作要求。理论上讲，前置泵可以选择大流量小扬程的BQS潜水泵以及走流泵或者斜流泵等，也可以选择大流量小扬程的离心泵，但根据实际的工作情况来看，BQS潜水泵不能够长时间处于变频工作状态，只能适用于比较稳定的作业环境，轴流泵以及斜流泵还没有具体的应用实例，这里不做考虑，因此以离心泵为研究对象展开研究。

3 工程试验及数据分析

以矿用多级离心泵作为主排水泵展开研究，然后前置泵与该泵串联起来，加装上变频器组成实验对象，对该系统开展实验探究排水系统的效率问题，以及能耗问题。试验设备具体型号为：主排水泵为MD280-65×8/9，前置泵为IS200-150-400，详细的参数在表1 中列出。

表1 试验样机技术参数

从表1 中的数据可以看出，八级、九级主排水泵与前置泵串联后在额定功率下工作时它们的功率相差无几。

3.1 主排水泵负压性能试验

搭建了主排水泵的性能测试系统，该系统主要包括了配电系统、压力测量模块、功率测量装置、转速测量功能等等模块，具体的系统示意图如图1 所示，该装置可以完成过主排水泵的有关性能测试工作。

图1 主排水泵性能测试系统

现对九级离心泵进行模拟测试，首先要将进口阀门8 关掉，然后打开阀门13 和阀门14，这时的主排水泵的进水口位于水中，采集记录有关数据，得出的离心泵的全流量的工作特性曲线如图2 所示。

图2 主排水泵负压吸水特性曲线

根据国家的有关规定，符合测试流程，测得离心泵的出口流量为271.59 m3/h，扬程为579.27 m，工作效率是70.59%，能耗为0.38 kWh/（t·hm）。

3.2 加置前置泵试验

后续试验需要将前置泵和离心泵进行串联，在串联的时候需要将主排水泵也就是离心泵进行拆级，在测试的过程中，需要先将阀门13 关闭，然后打开8 和14 这两个阀门，水流流经前置泵1，这时前置泵以额定转速工作，然后水流进入离心泵，最后经过阀门5排出系统，完成整个的流程。在测试中要注意细节，要先启动前置泵，待前置泵中充满了水流，有了一定的压力，再开启离心泵，实验记录的有关数据见表2。表2 中的字母分别为进口压力P1，出口压力P2，输入功率Pa0，输出功率Pu以及泵组的效率ηu。

表2 泵组试验数据

对试验所得的数据进行处理分析，计算得出泵组的流量是272.18 m3/h，泵组的扬程达到了579.66 m，泵组的工作效率是73.5%。根据测得的数据绘制泵组的工作性能曲线见图3，从图3 中可以观察看到前三条曲线是泵组的测试曲线，后三条曲线指的是九级主排水泵的负压测试性能曲线。经过分析，多级离心泵减掉一级之后与前置泵组成的泵组的工作效率提升了2.91%，与之前的九级离心泵相比延伸了可利用的作业区间。

图3 前置泵变频水系统性能曲线

3.3 前置泵变频试验

前置泵使用的变频电机通过调整输出电压与输出频率之比（V/f）进行变频调节，转速可以调节的范围为0.8～1.1n（n 指的是额定转速）。设计的实验电机分别以0.8n、0.9n、n、1.04n 运行，记录实验数据，绘制测试结果，见图3。

从图3 中可以看出，在采用了V/f 变频器之后，泵组的排水性能曲线与之前相比变化不是很明显，而泵组的扬程则符合前文的公式。随着使用时间的延长，多级泵逐渐产生损耗，排出水的出口压力就会大幅下降，扬程变小，通过变频器可以实现对泵组的智能调节，延长使用寿命。在具体的使用过程中，离心泵对前置泵具有吸附作用，可以减小前置泵的载荷，进而延长前置泵的使用年限。在泵组的使用中，由于前置泵位于进水端，水池中的杂质会先进入前置泵，因此前置泵更容易损坏，但相较于离心泵来说，前置泵更为经济实用一些，而且更换更为便捷。

4 排水系统其他节能措施

1）优化配套的管路，通常来说矿用排水系统的管路的经济流速是1.52 m3/min，为了尽可能地提升管路的工作效率，可以选用高质量的PE 管材，降低液体流动过程中的阻力。在条件允许的情况下，尽量选择铺设直管，减少弯曲的数量，降低管路中的压力损失，弯管处应该选择大角度弯曲，避免小角度带来的内耗。

2）做好设备的维护保养工作，及时检修，保证设备处于良好的工作状态，对于老旧的设备要及时更换，提高工作效率。

3）定期清理水池的沉积物，防止过多的沉积物进入泵组，损坏泵组，延长泵组的使用年限，减少不必要的开支。