煤矿井下排水系统效率分析及节能途径研究

张 鹏

（山西焦煤霍州煤电集团团柏煤矿，山西 霍州 031400）

煤矿生产过程中需要大量排水，排水系统对于煤矿开采效率影响重大，是煤矿必不可少的主要系统之一[1]。根据煤矿历史数据，原煤开采时所需排水量是开采煤量的3～9倍，降雨量大或湿度大的地区更是能达到30倍。为保证煤矿生产过程中的水量排出，煤矿井下排水系统需要多台水泵同时工作，水泵工作耗电量巨大，峰值可达几百千瓦。除此之外，煤矿排水系统所用的控制系统也要大量耗电，用于井下排水的电量对煤矿开采总成本有直接影响[2]。因此，提高煤矿井下排水系统的用电效率，在保证安全基础上实现节能运行，降低总体耗电量能够减少开采成本，提高煤矿生产效率。本文以团柏煤矿443m水平中央泵房为研究对象，对其排水效率进行研究分析，结合团柏煤矿实际情况提出443m水平中央泵房排水节能途径，为团柏煤矿沟底泵房、400m水平一泵房、400m水平二泵房提供理论基础和实践依据。

1 工程概况

团柏煤矿位于山西省霍州市白龙镇陈村，地跨霍州、汾西、洪洞三个市、县。1973年12月1日建井，1980年12月投产，年设计能力60万t，通过提高科技水平使其年生产能力达到了270万t。井下现有443m和400m两个主要水平，共四个主排水泵房，分别为443m水平中央泵房、沟底泵房、400m水平一泵房、400m水平二泵房。其中443m水平中央泵房主排443m水平涌水，为一级排水系统；400m水平二泵房主排400m水平涌水，为一级排水系统；400m水平一泵房、沟底泵房是400m水平排水的备用泵房，为二级排水系统。四个主排水泵房均有完善的双回路供电系统。其中443m水平中央泵房：水仓容量4800m3（主水仓3300m3，副水仓1500m3），安装4台D450-60×3型水泵，流量450m3/h，扬程180m，电机功率均为355kW，两趟Φ325mm管路沿付斜井敷设至地面，主排443m水平涌水，为443m水平一级排水系统。

2 排水系统效率分析

井下排水系统的耗电量取决于井下总排水量以及每台排水装置的用电效率。设备用电效率是其耗电水平的评价指标，包括水泵效率、传动效率、电机效率等[3-4]。电路功率因数可以利用无功补偿电容器来提高，其中电动机自身性能可以决定电机效率，因此，水泵效率和管路传动效率对排水系统工作效率更重要。

井下排水系统效率是各个环节效率乘积，包括电机效率、管路效率及水泵效率，其计算公式为：

式中：

η-系统效率，%；

ηd-电动机效率，%；

ηg-管路效率，%；

ηs-水泵效率，%。

根据以上分析，水泵和管路的各自效率制约着排水系统的工作效率。此外，工业用电峰谷的划分也会影响排水系统的消费，谷段电价较峰段电价的费用较低[5]。

2.1 水泵效率分析

离心泵工作过程中其效率受到流量Q（m3/h）、转速R（rad/min）、效率ηs（%）、功率N（kW）、扬程H（m）及吸水高度Ht（m）影响，研究其中两者关系时可将其他参数取为常数，得出H-Q、N-Q、η-Q关系曲线[6]，此关系曲线即为水泵特性曲线，如图1所示。

图1 水泵特性曲线

水泵的液流功率表达式：

式中：

ρ-水密度，1000kg/m³。

由此表达式可知当水仓水位越高时水泵的液流

由此表达式可知当水仓水位越高时水泵工作效率越高，即能效越高，节能越好。水泵泵水过程中存在一些动力损失，此损失来自于水管对流经管路水流有摩擦阻力，其摩擦损失最终将导致水泵实际扬程降低，造成能耗增加，由于摩擦阻力导致扬程损失为：

式中：

Q-实际流量，m3/h；

kmq-摩擦扩散系数，m/m3，此处取0.04。

水轮叶片对水流存在一部分阻力，其原因是液体流动方向与叶片方向误差使得水流动力损失，其损失扬程为：

式中：

Qe-理论流量，m3/h；

kg-冲击损失系数，m/m3，此处取0.02。

经过分析推导得出水泵扬程与流量关系为：

式中：

Hl-水泵理论扬程，根据水泵参数取180m。

2.2 管路效率分析

管网对流经其中的水流有力的作用，管路阻力影响最终计算公式为：

式中：

R-管网阻力系数。

由公式可知，流量平方值越大，受到管路阻力也越大，因此在对443m水平中央泵房节能分析中，可知调节流量能够显著改变其管路阻力，除此之外还可以通过减少排水主管路的弯角数量及弯角弧度，进而减小其管网阻力系数以减小能耗损失。

3 排水系统节能途径研究

排水系统选择安装水泵时，水泵基本参数是固定值，水泵控制是通过控制其阀门开度的方式，需要消耗额外电能。因此通过研究分析可以通过以下几个方面来使排水系统工作更加高效。

（1）提高排水水位

根据公式（2）分析可知，水泵排水过程中扬程和排水流量影响着消耗电能的大小，当水泵排放流量不变时，扬程数值越大，则单位时间内水泵耗电量越高，所以应在满足工作要求的情况下尽可能降低扬程。改变水泵扬程可以通过改变其水泵扬程和压头扬程两部分来实现，第一种方案是更改水泵参数，因为水泵参数选择时已确定，所以改变参数不容易实施；第二种方案是提高水仓水位，此方法能够利用高位的水仓来使吸水扬程缩短，因此水泵的总扬程被减小，耗电量下降。

（2）优化组合排水管路

根据管路阻力计算公式（7）可知，管路流量越大，其管路阻力越大。所以煤矿井下排水量和排水系统的耗电量密切相关。对此可以增加管路组合，同时间多管路并行工作，增大管路通过能力，来使运行阻力减小。

图2 管路并联特性曲线

管路并行特性曲线如图2所示，图中曲线3为前两条管路并联运行得出的特性曲线。由图2可以看出，水泵由1和2并联运行时，流量增大，在不改变扬程的情况下能够使管路实现更高效的运行，相对管路阻力消耗的电能降低。

因此，通过分析可以得出，通过增加排水管路使管路并联运行能够使单泵工作时的管路阻力减小，提升系统效率。

（3）错峰用电

以往煤矿企业优化排水系统时通常针对系统运行效率，对影响系统工作效率的各个环节都采取了相应的措施，优化组合了多种排水解决方案，使得系统效率尽可能的提升。现阶段，电力部门针对一部分区域的用电情况，实施了峰谷阶梯电价调整，峰值用电电价和低谷用电电价差距明显，使得一些大型用电企业开始优化用电时间。由此，团柏煤矿443m水平中央泵房在排水时尽量躲开峰段，充分利用谷段来排水，在2018年6月至2018年12月其间，月均节省电费1万余元。

4 结语

对团柏煤矿443m水平中央泵房排水系统进行研究，分析水泵效率和排水管路效率对排水系统能耗影响，确定了提高排水水位、优化组合排水管路和错峰用电的节能途径，并在2018年6月至12月使用该节能策略进行排水控制，在满足井下排水要求的情况下月均节省电费1万余元，为团柏煤矿其他泵房排水系统节能控制提供理论基础和实践依据。