矿山用大型主排水泵站节能目标与对策.pdf

2 0 1 5年第 4 3卷第 1 1 期 流体机械 4 3 文章编号 ： 1 0 0 50 3 2 9 ( 2 0 1 5 ) 1 1 0 0 4 3 0 4 矿山用大型主排水泵站节能 目标与对策 薛胜雄 ， 韩彩红 ，操松林 。 陈正文 ， 郑龙平 ， 胡良波 ( 1 合肥通用机械研究院 通用机械复合材料技术安徽省重点实验室， 安徽 合肥2 3 0 0 3 1 ； 2 上海电机系统节能工程技术研究 中心有限公司 ， 上海2 0 0 0 6 3 ； 3 华东理工大学 ， 上海2 0 0 2 3 7 ) 摘要： 排水是矿山安全生产的重要保证， 矿山排水系统用电量 占矿山生产总能耗的 3 0 以上。本文基于煤矿用大 型主排水泵 电机 系统 的节 能 目标 ， 从 5个方面进行节能 技术改造 ， 提 出了在现有泵 站基础 上实施 的 5个节 能对策 ， 实施 后使大型主排水泵系统节能达到 1 5 以上。 关键词 ： 大型主排水泵 ； 系统 ； 矿 山 ； 节能 ； 目标 与对策 中图分类号：T H 3 文献标志码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 1 5 1 1 0 0 9 Ene r g y- s a v i ng Ta r g e t an d S o l ut i o n o n t h e La r ge - s c a l e M ai n Dr ai n i ng Pumps S y s t e m f o r t he Us e o f Coa l M i ne XUE S h e n g x i o n g ，HAN Ca i ho n g ， CAO S o n g l i n ， CHE z h e ng we n ， ZHENG Lo n g p i n g ， HU Li a n g b o ( 1 A n h u i K e y L a b o r a t o r y o f G e n e r a l M a c h i n e ry C o m p o s i t e Ma t e r i a l T e c h n o l o g y ， H e f e i G e n e r a l Ma c h i n e ry R e s e a r c h I n s t i t u t e ， He f e i 2 3 0 0 6 3， C h i n a ； 2 S h a n g h a i E n g i n e e r i n g Re s e a r c h C e n t e r o f Mo t o r S y s t e m En e r g y S a v i n g C o L t d ， S h a n g h a i 2 0 0 0 6 3， C h i n a； 3 Ea s t C h i n a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， S h a n g h a i 2 0 0 2 3 7， C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h e d r a i n i n g wa t e r s y s t e m i s t h e i mp o r t a n t g u a r a n t e e f o r t h e s a f e t y p r o d u c t i o n i n c o a l mi n e e v e r y d a y ，t h e e l e c t r i c i t y c o n s u mp t i o n o f t h a t h o l d s 3 0 t o t a l e n e r g y c o n s u mp t i o n i n c o a l mi n e p r o d u c t i o n T h i s t e x t i s b a s e d o n t h e e n e r g y s a v i n g t a r g e t o f t h e d r a i n i n g wa t e r p u mp - mo t o r s y s t e m ，u s i n g fi v e a s p e c t s f o r t e c h n o l o gy i mp r o v i n g o f e n e r gy s a v i n g ，i n o r d e r t o r e d u c e 1 5 e n e r g y c o n s u mpt i o n o f t he e x i s t i ng p ump s t a t i o ns Ke y wo r d s ：l a r g e - s c a l e ma i n d r a i n i n g p u mp；s y s t e m ；c o a l mi n e ；e n e r gy s a v i n g ；t a r g e t a n d s o l u t i o n 1 前言 我国有数万座煤矿 ， 其 中 9 0 以上是矿井地 下开采 ， 现在每座矿井一个平面的主排水泵站要 配置5台干式大型排水泵机组。井下排水系统按 照水文地质情况可分为两大类 ： ( 1 ) 存 在大水 和 突然涌水危险 的井下排水 ； ( 2 ) 突然涌水可能 性不大的正常井下排水 。前者一般使用在地表集 中控制的大型潜水电泵， 当突发涌水时这种泵可 正常发挥其设计功能， 以大流量排水 ； 正常的 井下排水则采用干式排水泵机组 。排水泵机组 的 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 4 2 3 修稿 日期 ： 2 0 1 5 0 61 5 基 金项 目： 国家科 技支撑计划项 目( 2 0 1 3 B A F 0 1 B 0 1 ) 特点是多级高扬程大功率 ， 长期以来 ， 矿山标准化 设计的主排水泵站 和系统都 能满足矿 山排水要 求 ， 安全可以保证。泵站耗电对 吨煤成本影响很 大 。过去对主排水泵 站的节 能重视 ， 大多从 单机考虑， 极少从系统去考虑。对大型主排水泵 而言， 其 自身 的电机 与泵 的优化设计 、 耦合匹配、 管网配置和系统 自控节能运行诸问题成了一直没 有很好研究解决的顽疾 ， 致使很 多煤矿 的吨水百 米电耗量远远高于煤矿节能标准要求， 甚至高达 0 8 7 k W h 。因此 ， 大型矿山主排水泵站系统的 技改和节能潜力巨大。 FI j UI D MACHI NERY Vo 1 43， No 1 1， 2 01 5 本文通过对矿山大型主排水泵站系统关键技 术的研究 ， 完成高压高效节能三相异步 电动机和 主排水泵系列产品设计 、 典型规格样机试制 、 试验 和示范应用 ， 形成产品标准及机组能效等级和评 价方法标准 ， 并根据矿 山用排水泵机组 的使用工 况 ， 研究 自适应控制技术和系统运行模型 ， 实现系 统效率提高 1 5 以上( 即干式排水系统的吨水百 米电耗小于 0 5 k W h ) 的节能 目标。 2 高效、 超高效电机的设计 以提高电机效率为目标， 电机材料成本为约 束条件的实用化电机优化设计软件， 通过电机三 维场理论 、 瞬态有限元磁场 、 流体场计算等 ， 得到 电机最佳优化设计模型， 有效降低了电机的温升 和其他各项损耗 ， 最终提高了电机效率 。 根据 I E C 6 0 0 3 4 3 0标准的规定 ， 高效电动机 比标准效率 电动机平均效率 提高接 近于 3 ， 超 高效电动机比标准效率电动机平均效率提高近 5 ， 效率提高的幅度很大 。众所周知 ， 电动机的 损耗主要 由定子铜耗、 转子铜耗 、 铁耗 、 机械损耗 和杂散损耗组成， 高效、 超高效电动机的设计出发 点即从降低这五大损耗着手。 增加有效材料 ， 降低铜耗和铁耗 。根据 电动 机相似原理 ， 当电磁负荷不变 ， 且不考虑机械损 耗时 ， 电动机 的损耗 与 电动机 铁心长 度 的 3次 方成反 比， 而 电动机 的输 入功率 约与铁 芯长 度 的4次方成比例， 电动机效率的变化可以近似 表征为 ： 7 =l 一 ( 1一 * 0 ) ( 1 ) 式中 现电动机的效率 0 电动机的长度比例系数 原始电动机的效率 从式( 1 ) 可见 ， 损 耗与有效材料 长度的线性 增长成反比。为了在一定 的安装尺寸条件下获得 较大的空间， 以便能放置较 多的有效材料来提高 电动机的效率， 定子冲片外径尺寸就成为一个重 要因素， 对于超高效电动机 ， 由于其效率提高幅度 较大 ， 仅靠增加轴向尺寸来提高效率很难 ， 为此部 分机座选择了放大冲片外径的方案。 铁芯材料的电磁性能对电动机的效率及其他 性能影响较大 ， 同时铁 芯材料费用又是构成电动 机成本的主要部分之一 ， 因此选用合适的磁性材 料是设计和制造高效 、 超 高效 电动机 的关键。通 过样机试算结果对 比， 在满足性能要求的同时 ， 综 合分析电动机的性价 比， 确定超高效 电动机冷轧 硅钢片牌号为 ： H8 0一H1 8 0选用 5 0 WW4 7 0 ， H 2 0 0 一 H 3 5 5选 用 5 0 WW3 5 0 。 降低杂散损耗的措施。杂散损耗是指由气隙 磁场高次谐波所产生的负载杂散损耗 ， 高效、 超高 效 电动机采用低不确定度 的测试方法美国的 I E E E 1 1 2 B法实测杂散损耗 ， 不同于现行电动机产 品以输入功率的0 5 估算杂散损耗的方法， 这 就要求更加重视 电动机设计与制造质量 ， 同时寻 求更多的降低杂散损耗的措施。 通过对电动机各种损耗降低措施的综合运 用， 在设计中可大幅降低 电动机的各种损耗 ， 有效 提高电动机的效率， 也有利于相对减少有效材料 的使用， 降低成本 ， 提高产品的性价比。 经过优化 设计 的干式 电机 ， 其效 率达 到 了 9 6 3 高效大型耐磨 多级离心泵的优化设计 运用计算流体力学数值模拟的方法预测离 心泵内的流场分布 和性 能 ， 基 于宽 高效 区和无 过载设计原 则 ， 通 过改 变离 心泵 叶轮与导 叶关 键数据以得到效 率优先的水力模型 。通过对原 型多级离心泵进行三维建模 ， 运用 I C E M划分非 结构 网络 ， 用 F l u e n t 软件进行计算 ， 分析泵 内部 复杂的三维湍流流场的速度分布、 压力分布等， 分别采用雷诺 时均法 、 大 涡模拟 法和分 离涡模 拟法对离心泵 内流场进 行 三维模 拟 ， 通 过与试 验扬程和效率 的对 比， 优 化 出最 佳 的湍 流数值 模型 。 在数值模拟 的基础上 ， 进行叶轮和导 叶主要 结构参数对离心泵性能的影 响分析， 包括反导叶 优化 、 过渡段优化 、 过渡段与反导叶的耦合预测、 叶轮和导叶的整体优化 ， 得 出叶轮和导叶的叶形 优化设计数据。 通过一系列 的优化组合 ， 得 出现行设计 的叶 轮和研制的反导叶耦合 的计算结果 ， 再 与原型泵 数据相 比， 扬程和泵 的效率都有非常明显的增加 。 新型耦合模型在提高效率的同时， 还大大拓宽了 泵的高效区， 尤其是泵在大流量下的性 能提高非 常明显 ， 泵的最高效率可达 8 1 。 优化后泵 的性能曲线如图 1 所示。 2 0 1 5年第 4 3卷第 1 1期 流体机械 4 5 2 5 0 45 0 65 0 Q( m h ) ( a ) 扬程 曲线 4 电机与泵的高效耦合研究 2 50 45 0 65 0 Q( m h ) ( b ) 效率曲线 ( c ) 轴功率曲线 图 1 优化后泵的性能曲线 研究分析后干式电机在保证水泵额定流量和 扬程的情况下 ， 水泵工作在最优点 ， 电机可降容处 理 ， 将 电机功率从 1 1 5 0 k W 降容为 1 0 5 0 k W。 电机与泵的高效耦合 ， 表现在 电机有足够 的 宽高效 区性能来适应泵 的多工况运行 ， 同时泵也 有足够的宽高效区性能容易与电机的宽高效区重 合。即需要拟合电机与泵在较大的功率范围内保 持一个高效的效率峰值 。只有这样 ， 系统运行才 会高效 。可见 ， 基于宽高效 区的电机 与泵 的优化 设计极其重要 ， 它的意义远不止是将 电机功率与 泵的功率提高。 在对 电机的多 目标优化设计 、 降低各项损耗 、 达到高效 目标的基础上 ， 采用异性槽形设计 ， 优化 其 阻抗参数 ， 实现 电机效率与转速的最佳匹配 ， 再 加上新技术与新材料的应用， 使得高效的性能曲 线趋于平坦 ， 这就是宽高效区。 图2所示为泵轴功率与匹配电机输 出功率及 其对 应 的 效 率 曲 线 拟 合 图， 电机 在 7 0 0 k W 到 1 2 0 0 k W 之间 的效 率都在 9 6 以上 ， 水泵运行 在 8 3 0 k W 到 l l 5 0 k W 时效率都在 8 1 以上。由此可 见， 泵运行在高效区时所需的轴功率与电机 的功率 相匹配 ， 由此电机功率对应 的效率达到高效要求 ， 同时泵运行在高效 区时的转速与电机转速相近。 P ， P ( k W ) 图2 水泵轴功率 P 。 及匹配电机输出功率 P ： 与其 对应 效率 曲线 5 系统节能控制技术应用 控制方式的不合理也会导致系统效 率降低 ， 泵组的控制往往是采用简单 工频定速运行方式 ， 采用人工手动调 控泵组 的运行。因此 ， 对于系统 的负荷和需求有较大变化的场合 ， 泵组 的运行状 况不能随系统需求 的变化而 自动调节 ， 这就严重 降低 了泵机组 的效率。 运行相关参数之间的关系可由以下公式表 示 。 泵站的吨水 电耗表达式 ： ： ( 2 ) 式中 吨水 电耗值 ， k W h m H( Q， t ) 泵站提供的总扬程 ， m t， 7 ( P， H) 泵站整体运行效率 ， 叩 ( Q， H)= 叼 。 ( q， H) 叼 ( O， H) ， 7 ( Q， H) X叼 r ( q， H) 田 G ( q， H) ( 3 ) 式 中叼 。 ( Q， H) 电机运行效率 叼 ( Q， H) 水泵运行效率 叼 ( q ， H ) 传动机构运行效率 叩 ( Q， H) 调速装置运行效率 叼 。 ( Q， H) 管网运行效率 P 叼 。 ( q， H)= 1 0 0 ( 4 ) 式中P 。 水泵轴功率， k W， 即等于电机输出 功率 P 电机输入功率 ， k W P g = K c r K e r 薏 3 6 0 0 ( 5 ) FLUI D MACHI NERY Vo 1 4 3， No 1 1 ，2 01 5 式中K 。 电流互感器的变比 电压互感器的变比 n 测量期内电度表铝盘所转的圈数 ， r t 电度表转 n圈所用的时间 ， s 电度表常数 ， r ( k w h ) s( Q， H) =( P P )1 0 0 ( 6 ) 式 中P 水泵的输出功率 ， k W P = p g Q H1 0 ( 7 ) 式中 p 液体密度， k g m g 重力加速度 ， k g s Q 泵的实际流量 ， m s 水泵的总扬程 ， m H =警 + + ( 8 ) = 三 + Z ， 一 ， + 三 =- 一 f ) p g z g 式中P ， P 。 水泵出口、 进 口压力 ， P a 一 z 水泵出口、 进 口压力表高度差 ， ， 水泵进口、 出口 处液体流速， ln s 叼 。 ( Q， H) 可按表 1查取， 本课题采用联轴器 传动。 表 1 传动机构 运行效率 同轴 联轴器 胶带传动 齿轮 传 动形式 直连 传动 V型带 普通平带 传动 传动效率( ) 1 0 0 9 9 9 9 5 9 6 9 7 9 3 9 7 9 0 9 5 叼 r ( Q， 日) =( P s c r P s R r ) 1 0 0 ( 9 ) 式中尸 职 调速装置输入电功率， k W P 调速装置输出电功率， k W， 其等 于电机输入功率 P )= x 1 0 0 ( 1 0 ) 式中日 调节阀引起的扬程损失 ， 1 1 1 = P2 m el +z：一z。+ V 2 m V 3 2 p g 三g 式 中P 。 调节 阀后出 口压力 ， P a 到上位机的数据， 同时软件程序采集相关参数并 结合式 ( 1 1 ) 进行计算 ， 便得出运行工况下的所需 电量参数及非电量参数 ， 最终根据节能 目标 ， 判断 系统的能耗量是否达到目标值 。若不能满足节能 电耗最小值 ， 节能整体解决方案专家系统软件根 据 目标值 ， 结合运行工况 自行求得相关参数关系 式反循环计算 ， 给出系统节能 的电量参数及非电 量参数 ， 并根据推荐参数调节控制装置 ， 使系统最 终达到或接近 目标值 。 泵系统数据的直接监测通过进 、 出口的压 力 传感器和管路系统电动阀门控制开度得到， 加之 电机动态参数 的输入和程序处理 ， 就能够掌控泵 站系统基于节能的优化运行状态 。 6 泵站系统节能运行模型的建立 由于煤矿主排水系统一般都由一台至几 台泵 运行 ， 根据涌水量的不 同开启不同数量的泵机组 进行排水 。泵站系统节能运行模型根据现有煤矿 的不同配置， 设置涌水量 、 扬程 、 泵机组运行模式 ( 设置 4种运行模式 ， 即单泵工频 、 双泵变频、 双 泵工 一 变频交叉 和三泵工频等 ) ， 泵机组效率 和 管路系统效率作为该系统的输入变量参数 ， 然后 输入现场实际的运行设备安装和性能参数， 即可 以实现 4种模式的模拟运行 ， 直观地得到该煤矿 主排水泵系统在各种泵机组模式和要求工况下的 单 日能耗 、 运行时长 、 累计能耗 、 累计排水量和当 日泵效率数据， 并 由此得出给定时区基于节能高 效的最佳泵机组运行模式和 4种模式的功率 、 水 量和能耗的同步对 比结果 ， 通过图表指导实际运 行的维持与改变。由于篇幅限制 ， 程序 的结构不 再详细。 ( 1 1 ) 7结语 z 调节 阀后 出口压力表高度 ， i n 调节阀后处液体流速， m s 节能控制技术采用软件程序( 节能整体解决 方案系统软件 ) 拟合 电机输入功率与效率 曲线 、 水泵流量与扬程 曲线、 水泵流量与轴功率 曲线以 及水泵轴效率与效率曲线关系式 ， 机组运行时 ， 在 给定某些参数的情况下得出对应额定的电量参数 及非电量参数； 根据 系统中安装 的检测仪表反馈 大型排水泵站系统 的节能潜力很大 ， 电机和 离心泵的优化设计在总节能份额 中的 比例并 不 大 ， 但升级换代的意义在于电机和泵有更好的宽 高效区， 便于高效耦合。系统节能的突破点要立 足于机泵耦合系统的可控和可调， 及对 系统运行 的预测指导 。虽然不能改变系统尤其是排水管路 系统， 但 能够基 于节能 目标 实现其优 化 的运 行 模式 。 ( 下转 第 6 7页) 2 0 1 5年第 4 3卷第 1 1期 流体机械 6 7 一 一 魁 赠 酱 列 H _ g 塞 、- ， 蚓 接 蹲 医 斗 月份 图 1 0省会 城市太 阳能及干空气能 资源 月份 分布 4结 论 ( 1 ) 从 以上试验得 出， 本 系统 的光伏 工作时 间冬季较夏季缩短约 1 5 h 。测试 日夏 、 冬季 日发 电量相差约 0 50 7 k W h ， 冬 、 夏季光 伏峰值 时间基本维持在 1 3 ： 0 0前后。夏季测试 日， 室外 温度最高达 3 9 6 C， 而露点间接蒸发冷却空调机 组二次排风温度在 2 9 3 0 7 ， 可 以利用这部分 能量给光伏板表面降温、 除尘， 实现节能和提高光 伏 电量 目的。优化方案后 ， 设计为 35 k W 分布 式系统 ， 年发 电量可达 2 7 3 7 5 k W h以上 ， 相应 节约标煤及减少碳排放分别在 9 8 5 5 k g 、 2 7 2 9 2 8 k g以上 ， 系统 回收年限 6年左右， 综合效益可观 ； ( 2 ) 由典 型气 象年气象数据集 ， 西北省会城 市太阳能、 干空气能资源富集重合在 68月份 ， 也是空调用电高峰季。因此可利用这两种可再生 能源为人们服务 ， 这 不仅在我 国， 在“ 一 带一路” 沿线 国家或地 区应用前景也非常广阔 ； ( 3 ) 考虑到试验中光伏设备转换损失， 若系 统设计为光伏直流驱动型蒸发冷却空调机组 ， 不 仅能减少逆变器等环节转换损失 ， 还能节省造价、 提高机组运行性能 ， 则更具一定的优势。 参考文献 1 封伟， 韦玮C u P e - G - P A n P e l e n e s 异质结太阳电池 性能研究 J 太阳能学报， 2 0 0 0 ， 2 1 ( 4 ) ： 3 8 4 3 9 0 2 黄翔， 徐方成， 武俊梅 蒸发冷却空调技术在节能减排 中的重要作用 J 制冷与空调， 2 0 0 8 ， 8 ( 4 ) ： 1 7 - 2 0 3 黄翔， 郑文亨， 张伟峰， 等 全新风空调系统的节能 与净化设备问题 J 制冷空调与电力机械， 2 0 0 5 ， 2 6 ( 3 ) ： 3 3 3 6 4 黄翔 蒸发冷却空调理论与应用 M 北京： 中国建 筑工业 出版社 ， 2 0 1 0 5 黄翔 国内外蒸发冷却空调技术研究进展( 1 ) J 暖通 空调 ， 2 0 0 7 ， 3 7 ( 2 ) ： 2 4 - 3 O 6 时雯 传热能力对光伏电池特性的影响 D 重庆 大学 ， 2 0 1 4 7 居发礼积灰对光伏发电工程的影响研究 D 重 庆大学 ， 2 0 1 0 8 何道清， 何涛， 丁宏林 太 阳能光伏发电系统原理与 应用技术 M 北京： 化学工业出版社， 2 0 1 2： 3 1 3 2 9 刘佳莉， 黄翔 ， 孙哲， 等 新型复合式露点间接蒸发 冷却空调机组的实验研究 J 流体机械， 2 0 1 4， 2 7 ( 5 ) ： 6 1 _ 6 6 1 0 周海东， 黄翔， 范坤露点间接蒸发冷却器结构对比 分析 J 流体机械， 2 0 1 3 ， 4 1 ( 2 ) ： 7 1 _ 7 7 1 1 王德宪， 纪冬梅， 陈建钧， 等 P 9 2钢蠕变 疲劳试验的 断裂特性分析 J 压力容器， 2 0 1 4 ， 3 1 ( 1 0 ) ： 2 2 - 2 5 1 2 钱振， 蔡世波， 顾宇庆， 等 光伏发电功率预测方法 研究综述 J 机电工程， 2 0 1 5 ， 3 2 ( 5 ) ： 7 8 8 6 1 3 英利集 团多晶硅太 阳能电池板光伏组件 Y G E 6 0 C e l l 4 0 m m系列 z 1 1 1 2 WZ N A 作者简介 ： 申长军 ( 1 9 8 7一) ， 男 ， 在读研究生 ， 主要从事光伏 发 电驱动蒸发冷却空调的实验研究 ， 通讯地 址 ： 7 1 0 0 4 8陕西西 安 市金花南路 1 9号 西 安工程 大学 环境与化学工程学院。 ( 上接第 4 6页) 参考文献 1 张宁宁 矿山井下排水系统节能优化设计 J 矿 业工 程 ， 2 0 1 3 ， 1 1 ( 3 ) ： 4 9 - 5 4 2 施文新， 崔凤录， 李克法 矿井排水节能对策分析 J 水 力采煤与管道运输 ， 2 0 1 3 ， ( 4 ) ： 8 0 8 2 3 杨淑平 浅谈矿井排水设备 的效率和节能 J 中 州煤炭， 2 0 0 6 ， ( 4 ) ： 2 9 ， 5 7 4 付燕霞， 袁寿其 ， 袁建平， 等离心泵小流量工况下 的内部流动特性 J 排灌机械工程学报 ， 2 0 1 4 ， 3 2 ( 3 ) ： 1 8 5 1 9 0 5 谈明高， 崔建保， 刘厚林 ， 等双蜗壳式双吸离心泵 流动特性的数值研究 J 流体机械， 2 0 1 3 ， 4 1 ( 7 ) ； 2 9 3 2 6 杨智， 董华玉 ， 黄松华 ， 等随机载荷下疲劳长裂纹 扩展构件 可靠性 分析 J 压力 容器 ， 2 0 1 3 ， 3 0 ( 1 0 ) ： 6 7 1 7 辛姝萍， 陈金萍， 赵尔梅 降低矿山排水系统能耗的 经济措施 J 科技创业家， 2 0 1 3 ， ( 4 ) ： 2 1 3 作者 简介 ： 薛 胜 雄 ( 1 9 5 7一) ， 男 ， 教授 级 高 工 ， 通讯 地 址 ： 2 3 3 8安徽合肥市天湖路 2 9号合肥通用机械研究院。