刘天元 程相文

（1.开滦钱家营矿业分公司，河北 唐山 063301；2.河北联合大学，河北 唐山 063009）

1 正压排水方案的提出

钱家营矿为上世纪八十年代投产的国有特大型矿井，生产能力为600万吨/年。井下目前分别在-450水平、-600水平和-850水平设有水仓和泵房，其中-850水平的水先转排到-600水平，-450水平和-600水平的水直接排到地面，各泵房排水方案均为水泵机组布置在泵房内，吸水管深入相对标高低5米的吸水井中。

按照国家保安规程规定，井下排水泵电机必须安装在水仓上面，所以只能先抽真空使泵体内充满水再启动。水泵长期处于负压状态，耗电量大，汽蚀现象严重，排水效率低下。选用高效节能泵，采用正压排水方案，将吸水口布置在水位以下或采用机械强制将水位提升到吸水口高度，使吸水负压变为强制灌入的正压，可以有效的提高排水效率及系统可靠性，消除气蚀现象，减少吸水阻力。

2 正压排水组成及布置方案

通过考察研究，选择高效节能泵是当前形势发展的需要，针对改造而非新建的-600泵房工作特点，提出喂水泵+三级排水泵的解决方案。

工作方式：喂水泵向主排水泵提供压力约0.16MPa的正压水，对主排水泵形成进水口喂水，彻底杜绝了吸空。

因现吸水井空间小，将喂水泵布置在井内将来检修和清理小井都是问题，设备无法布置，重做排水矿建工程施工将影响正常排水，威胁矿井安全，所以将方案改为射流泵排气吸水，喂水泵选用卧式单级离心泵，布置在主排水泵旁边，喂水泵与排水泵一一对应布置，均采用3在用、3备用、2检修方案。喂水泵向主排水泵提供压力为0.16MPa的正压水，对主排水泵形成正压排水系统，彻底杜绝了气蚀。

采用喂水泵方案，可以从根本上消除负压排水的隐患，喂水泵是单级叶轮，放射流泵抽真空，使吸水管及喂水泵内充满水，无需其他关联条件，灌水后只要通电即可投入运行工作，为排水泵喂水，提供所需要的流量和压头。

喂水泵启动后，排水泵可以随时启动，排出喂水泵所提供的流量。

3 主排水泵的选择计算

-600水平泵房担负本水平和-850水平两个水平涌水量的排水任务，该水平正常涌水量是20.9×60=1254m3/h，按水泵600 m3/h排水量计算，

QB=1.2×该水平每小时正常涌水量=1.2×1254=1504.8m3/h

正常涌水时3台泵工作，20小时的排水量600×3×20=36000 m3

2 4小时正常涌水量20.9×60×24=30096 m3

显然3台工作水泵20小时排水量36000 m3大于矿井24小时的正常涌水量30096 m3符合规程要求。

该水平最大涌水量是37.67m3/min，

QZ=1.2×该水平每小时的最大涌水量=1.2×37.67×60=2712.24m3/h

最大涌水时6台工作，20小时的排量：20×600×6=72000m3

2 4小时的最大涌水量：37.67×60×24=54244.8m3。

显然6台水泵20小时的排量72000m3大于矿井24小时的最大涌水量54244.8m3，符合规程要求。

水泵扬程估算：

H=1.2×（620+5）=750m.

选用大连鸿泽泵业生产的耐磨三级离心泵，型号为：HGB-250×3，流量为600m3/h，扬程750m，配原有的1600kW电机，转速2980r/min。由于水仓容量限制，利用电网峰谷平电价政策，设计采用谷、平时段排水，具体如下： 谷时，采用三台排水泵，排水流量为1800m3/h，5小时可排水9000m3；平时采用三台排水泵，排水流量为1800m3/h，5时可排水9000m3，在整个谷平时间段可排水18000m3，因此，选用此水泵可以排干涌水。

此水泵采用三级泵结构替代原七级泵结构，增加了系统的可靠性。由于级数减少，所以轴承间距变小，按照振动力学的原理，轴承间距减少，叶轮转子的刚性增加，承间距减少一倍，第一阶转子固有频率增加四倍，因此，叶轮的动挠度会减少，很好地保证运行平稳和频繁起停的要求。

此水泵采用设计合理的过流部件，用平衡鼓结构代替平衡盘结构，减少各种水力损失和泄漏量，排水效率可提高2%。采用了理想的水力流场设计，有效控制过流流速，减少铸件表面的剥蚀。

4 喂水泵的选择

按上节制定的设备布置方案，喂水泵选用由大连鸿泽泵业生产的HGK-200卧式耐磨单级离心泵，额定排水量为600m3/h，扬程20m，配45kW电机，转速980rpm，与HGB200×3三级耐磨离心泵完全配套，此喂水泵是引进瑞士技术，具有大流量低扬程的特点，非常适合输送煤矿中含5%煤粉颗粒度≤20mm大颗粒的介质，泵设计压力为1.0MPa。HGK-200泵是作为流程泵来设计，它符合API610和ISO5199的要求，因此保证了流程维修环境的需要。积木式结构使得轴承部件、轴封和叶轮可以快速的拆卸和安装，因此只需短暂的停车（维修）时间。

叶轮为单吸、径向、闭式叶轮，带有叶轮口环和泵体口环。叶轮口环和泵体口环可以更换，节约了维修时的备件成本。

喂水泵通过抽真空灌水启动后，可为主水泵提供约1.5MPa左右的入口灌水压力，杜绝了吸空损失和汽蚀现象。

5 驱动电机功率校核

水泵轴功率计算：

N’=QsHsρg/3600η×10-3=600×620×1020×9.81/3600/0.75×10-3=1378.63kW

电机功率计算：

N=1.1N’=1.1×1378.63=1516.49kW

按涌水量及水泵的排量，选择合适的电动机功率。按矿井原设计中央水泵房电机为1600kW的电机，钱家营矿原为低瓦斯矿井，因矿井地质构造问题，局部出现瓦斯动力现象，为确保矿井安全，选用设备将选择适合高瓦斯突出矿井的防爆型电气设备。选择YKY560-2型电动机，额定容量为1600kW。

表1 2008年与2013年同月耗电量的比较

6 运行调试

经过在地面工厂的性能测试，完全达到设计要求。2011-2013年，我们对－600泵房进行了技术改造：即拆除旧的8台水泵，安装由高效主排水泵和喂水泵组成的正压排水系统。正式运行以来，运转良好，温差法多次测得的运转效率均在78%以上，达到了安全、节能、高效的研究目标。

由于原水泵机组设计是两极电机拖动，高速3000转，电机与泵均采用滑动轴承配强制润滑油泵，此次选用的HGB200×3 三级水泵必须适用3000转，设计采用SKF稀油润滑滚动轴承，每侧轴承架都安装了恒位油杯，它可以维持轴承架的油位并且起到自动补油的作用，非驱动端还设有冷却风扇，经过一段时间的运转，发现轴承温度偏高，有时高达100℃，并多次出现轴承过热抱死现象。估计是现场环境温度高、安装精度不高、运转振动大、润滑条件不好等因素影响下，轴承极限转速下降，轴承实际转速超过极限转速，使摩擦面产生高温，影响润滑剂性能，使油膜破坏，从而导致元件严重磨损或胶合。

既然油冷不能满足要求，决定改造加强制水冷，我们对轴承位进行了改造，在安装位不变的情况下在轴承杯外增加腔体，接入水源形成水套进行强制水冷。经过试验，效果非常好，轴承温度保持在70℃以下。

7 效益分析总结

8 套正压排水水泵机组正式安装完毕后，经冀东矿业安全检测检验有限公司现场实测，其水泵机组运行效率平均值为77.13，比改造前效率63.79提高13.34，可见本次正压排水改造起到了高效排水的目的。

下面主要对钱家营矿-600泵房HGB250×3高效水泵电耗和排水台时方面做比较总结

由上表看出2013年较2008年共节电2178382度，平均每月节电181532度。按电价均0.9元/kwh计算，-600水泵房投入正压排水机组后，每年可节省电费支付196万元。

由上表可见原-600水泵房水泵（DS450-100×7）每天平均运转约38小时，改造后新泵平均每天运转约29小时。相比每月节省排水时间约279小时，对自动化控制躲峰填谷提供了储水保证。

原DS450-100×7水泵2号效率是58%，3号 54%，5号 57%，6号 51%，其它泵效率在62%左右，平均吨百米耗电量0.59；

改造后，原煤炭部节能监测中心利用温差法测试了七台水泵的效率具体参数如下：2#泵效率73.98%，流量 539.7m3/h；4#泵 效 率 71.507%， 流量518.48m3/h；6#泵效率70.598%，流量 522.29m3/h；7#泵 效 率 72.97%， 流量 560.5m3/h；8#泵 效 率 71.764%， 流量520.5m3/h；9#泵效率71.482%，流量544.82m3/h；10#泵效率71.645%，流量528.39m3/h；平均吨百米耗电量在0.41。

通过对比分析，改造后平均效率高13.6%。新水泵机组吨百米耗电量比老泵降低0.18。

改造前每月消耗牛油盘根25公斤，改造后每2个月消耗牛油盘根约25公斤，基本持平；改造前老泵平衡盘平衡板6个月检查更换一次，改造后新水泵机组使用平衡鼓，一年半还在标准要求范围内。

可见，采用高效节能泵并使用正压排水方式是提高排水可靠性和节能的有效途径。

[1]罗凤利，周广林，李光煜等. 矿山机械 [M].徐州：中国矿业大学出版社，2009.8.

[2]矿井排水设备选型设计参考资料[EB/OL]. 2012.