礦井主排水設備是煤礦主要設備之一，也是煤礦的用電大戶，其耗電量約占全礦耗電量的30%，對于涌水量較大的礦井可達50%~60%，甚至更多，所以排水設備運行的效率的高低，直接影響全礦的耗電量。在我國煤炭行業(yè)中,由于各方面因素的影響,排水設備的運行效率很低。因此,分析影響排水設備經(jīng)濟運行因素,研究節(jié)能有效途徑,對于提高排水設備運行效率具有重要意義。
一、煤礦排水設備運行的經(jīng)濟指標
排水設備的能耗高低可用“噸百米電耗”來衡量，它是指排水設備把1t的水位提高100m的耗電量，簡稱“噸百電耗”。在煤炭行業(yè)和其它生產(chǎn)部門都以“噸百電耗”作為衡量排水設備運行經(jīng)濟性的指標，其計算公式為（1）
et.100=1/(3.673ηηgηdηc) （kw.h） （1）
式中η——水泵效率
ηg——管路效率
ηd——電動機效率
ηc——傳動效率
令ηz=ηηgηdηc （2）
et.100=1/(3.673ηz) （kw.h）
由（2）式可知，“噸百電耗”與排水設備效率成反比，即與水泵效率、傳動效率、電動機效率和管道效率的乘積成反比，它反映了排水設備各個環(huán)節(jié)的效率，是一種能夠比較科學和全面地比較排水設備運行情況的經(jīng)濟指標。
由于排水設備效率隨工況變化而變化，因此“噸百電耗子”也隨工況的變化而變化，“噸百電耗”隨工況而變的規(guī)律稱作“噸百電耗”特性。200D43×9型水泵“噸百電耗”特性。曲線和排水設備效率特性曲線與流量的變化關系如圖1所示。
圖1 排水設備效率特性曲線和“噸百電耗”特性曲線
與流量的關系
由圖1可知：
1、排水設備效率隨流量增加而增加，“噸百電耗”隨流量增加而降低，流量愈大，設備效率愈高，“噸百電耗”愈低（對其它類型礦用水泵也有相同的規(guī)律）。因此，無論在運行和設計中，應盡量使工況朝大流量方向移動，以提高排水設備效率，降低能耗。
2、排水設備效率最高工況恰好是“噸百電耗”最低工況，因此可以說要降低“噸百電耗”，必須提高排水設備效率。值得提的是，泵效率最高工況不是排水設備效率最高工況，也不是“噸百電耗”最低工況，這是由于“噸百電耗”不僅考慮了水泵的效率，同時還考慮了管道效率的緣故。因此只有設備效率才能與電耗取得滿意的配合。建議在排水設備最高工況，即“噸百電耗”最低工況運行作為排水設備經(jīng)濟運行的一條基本原則。
二、影響經(jīng)濟指標的因素
由（2）式可知，對于測量高度一定的排水系統(tǒng)，若認為傳動效率與電動機效率為定值，則“噸百電耗”只與水泵效率與管道效率有關，即主要影響排水設備效率的因素是水泵和管路。煤礦排水設備運行效率低和能耗高的主要原因如下。
1、設備更新緩慢，許多結構落后、效率低和耗電量大的老舊設備仍在使用。
2、對排水設備沒有按要求定期進行測定，沒有做到合理調(diào)整和配合，運行狀況不佳甚至在低效區(qū)運行。
3、水泵檢修不及時，造成其容積損失、水力損失和機械損失增大，性能降低。由于管路不嚴，檢修質(zhì)量不高，許多水泵檢修后不能恢復到原設計性能，也會使效率降低。
4、排水管路和管件的設計和安裝不合理，如管路過長，彎曲多，管壁積垢厚，用閘閥控制流量，吸水高度大，未彩無底閥造成阻力增大，影響排水效率。
5、水倉沒有定期清理，礦井水倉內(nèi)大量污泥雜物排入管道，造成管路嚴重損壞。同樣污泥雜物涌入水泵吸水處造成水泵吸入阻力增加，設備效率下降，使“噸百電耗”增加。$Page_Split$
三、提高排水設備經(jīng)濟運行途徑
要提高排水設備運行的經(jīng)濟性，必須從提高水泵效率和管道效率兩方面入手，使工況朝流量加大方向移動，只有這樣才能減小“噸百電耗”，達到經(jīng)濟運行的目的。
1、提高水泵效率
（1）盡快使用新型高效水泵以替換老舊雜的低效水泵，使水泵各工況點效率全面提高。目前國產(chǎn)適于礦山排水的高效水泵有200D43型、250D60C型，125D25型以及DQ280-100B型泵，其最高效率在71%~80%范圍內(nèi)。
（2）合理調(diào)節(jié)水泵運行工況，使水泵在最佳工況點運行。
水泵經(jīng)濟運行必須滿足“穩(wěn)定工作重要條件，不產(chǎn)生汽蝕，工況點在工業(yè)利用區(qū)”這三點，而實際運行時，水泵的效率往往偏低。原因之一是水泵流量過大，額定揚程過高，運行工況偏離了工業(yè)利用區(qū)，如圖2所示：
該圖表示了水泵揚程H、功率N和效率η與流量的關系曲線。這就意味著水泵運行效率降低，能耗增大。為了使泵能經(jīng)濟運行，在保證一定的備用揚程條件下，高潮消除多余揚程。當水泵揚程富裕量不足一級揚程時，可采取車削葉輪外緣直徑的措施，使水泵揚程特性按比例縮小，不僅可以滿足流量要求，而且在通常情況下改造以后的設備效率比改造前有所提高。當泵的揚程富裕量超過一級揚程時，可采取減少水泵級浸透的辦法解決。對固定安裝的永久性水泵可減少中間段及相應的葉輪。臨時安裝的水泵，可只減少葉輪而不減少間段，配上相應的軸套。但要注意的是只能拆除中間或最后一級葉輪，不能拆除吸水側第一級葉輪，否則由于吸水阻力增加而過早發(fā)生汽蝕，使水泵性能惡化。同時應及時準確地對礦井排水泵系統(tǒng)進行技術測定，獲得水泵運行的各種數(shù)據(jù)，掌握其運行狀態(tài)，分析效率低的原因，從而采取提高效率的對策，合理調(diào)整和匹配，使水泵在最佳工況區(qū)運行。
2、提高管路效率
（1）降低管路損失系數(shù)
在已有管路的條件下，啟用備用管路與工作管路并聯(lián)應用，排水管路和排水斷面積加大，管路阻力系數(shù)降低，管路特性曲線變平緩，水泵的工況點在水泵特性曲線上向流量加大方向偏移，即由H1移到H2，水頭損失降低△H，流量增加△Q。由于△Q增加的幅度比△N大，因而排水設備的“噸百電耗”降低，效率增加，如圖3所示。
圖中H1為工況點1對應的揚程，H2為工況點2對應的揚程。△H為水頭損失降低量，△N為功率增加量，△Q為流量增加量。值得注意的是并聯(lián)排水管路并不是越多越好，要根據(jù)實際情況實測確定水泵與排水管路匹配的最佳運行方式，只有這樣才能達到降低能耗的目的。
（2）提高吸水井水位，降低水井水位，降低水泵吸水高度
保持高水位排水，降低泵的吸水高度，不得避免了汽蝕發(fā)生，還減小了吸水阻力，提高了泵的效率，使工況點朝流量加大方向移動。但是流量的增加量微乎其微，所以實行高水位排水對降低能耗作用不大。
（3）改斜排水管為立排水管
對于斜井開拓的礦井，在可能條件下，可采用鉆孔立管排水技術，這樣可大大縮短管路長度，減少投資費用，降低管道阻力可大大縮短管路長度減少投資費用。
（4）按能耗量最小原則配置管路
排水管徑的確定，傳統(tǒng)的方法是以經(jīng)濟流速或采用最有利管徑作為確定管徑的依據(jù)。以這種原則選型往往達不到最佳經(jīng)濟效果，建議以能耗最小原則直接按預定工況的要求配置管路。
3、加強排水設備的運行管理
在排水設備運行過程中，由于多種因素影響，可能使特性惡化，設備效率下降，噸百電耗上升。因此，維護設備的性能是保證其可靠和經(jīng)濟運行的重要方面。
（1）加強水泵的維修管理，改善其運行性能
提高水泵的檢修和安裝質(zhì)量，降低其容積、水力和機械損失，保證各部軸承有良好的潤滑及時更換磨損零部件，使各部間隙不超標。調(diào)整好水泵平衡盤間隙和串水套間隙，減小水泵的氣水損失和容積損失。為了保證水封嚴密又不致于漏損過多，均勻壓緊填料蓋。保持流道光潔是減少額外水力損失的有效措施，因此無論新配制葉輪還是檢修安裝泵均應清除葉輪和正反導葉流道內(nèi)的飛邊毛刺。在水泵正常運行中，避免用閘閥控制流量，以免增加節(jié)流損失，避免不同型號的水泵并聯(lián)運行，以免出現(xiàn)低效率工作點。
（2）維護和改善排水設備的吸性能
加大進水管直徑,可以降低水頭損失,提高管路效率。采用無底閥排水，可減少吸水側的阻力損失，提高吸水井的水位，降低水泵工作的實際吸水高度，流量相對增加，能耗降低，同時避免了卡閥造成的汽蝕。適當加大濾水器的過水孔面積，可以降低流速，減少吸水側阻力損失，從而提高排水設備效率。及時清理水倉，如果水倉中的大量煤泥、沙石、巖粉和木屑流入吸水井吸入泵內(nèi)，一方面加快葉輪、導葉和密封件泵體的磨損，導致泵的能量損失增加，同時也增大了吸排水管路的沿程和局部損失。另一方面會導致濾水器過水部分堵塞，加大吸水阻力，使泵內(nèi)發(fā)生汽蝕，同樣降低泵和管路效率，提高“噸百電耗”，縮短排水設備使用周期，影響經(jīng)濟運行。為了避免此種情況發(fā)生，要及時清理水倉，阻止煤泥雜物流入吸入口，防止二次煤泥雜物進入水泵。水倉進口要裝篦子，水倉及吸水井的淤泥要定期清理，避免濾水器在堵塞情況下運行。為了改善排水設備的吸水性能，還可以采用升壓泵和主水泵串聯(lián)方式，不僅可以免去汽蝕危險，而且可以放心地在設備最大流量下運行，取得可靠和經(jīng)濟兩方面的效果，是目前解決礦井排水設備吸水性能不足的有效措施。
（3）提高管路設計安裝質(zhì)量
提高管路設計安裝質(zhì)量力求避免用急驟彎曲或變徑的管件。對使用中的管路應堅持定期密封防腐處理防止外界空氣襲入進水管和水泵進水段，失去形成真空的條件。延長管路使用壽命，減少漏水損失，去掉不必要的裝置，降低排水管路的壓力損失。將主排水管的直管接頭由法蘭連接改為焊接減少沿程損失，提高管路效率。
（4）及時清除管內(nèi)污垢，降低阻力損失
維護管路特性的關鍵是保持原有管路損失系數(shù)。礦水中含有大量雜質(zhì)，管路長期使用后雜質(zhì)掛在內(nèi)壁上形成污垢層，管路有效直徑減小，致使損失系數(shù)增大，管路特性曲線變陡，工況朝流量減小方向移動，設備效率下降，“噸百電耗”上升。為此必須定期清洗管路，生產(chǎn)礦井除應定期清理管路外，還應特別注意管道局部破裂和嚴重漏水，在此情況下，工況可能移動超過設備最大流量，使電機超負荷損壞。
四、結論
1、要保證排水設備的經(jīng)濟運行，必須從提高水泵效率，改善水泵的運行性能，減小管路的水頭損失和加強排水設備的維護管理等方面入手，盡量使工況點在工業(yè)利用區(qū)內(nèi)向流量增大的方向移動，以提高排水設備效率，降低“噸百電耗”。
2、根據(jù)保證排水設備安全可靠和經(jīng)濟運行的原則，排水設備的最大流量不得超過電動機負載允許的最大流量。
3、對于已減少了級數(shù)或車削了葉輪的外徑的水泵，原配電動機富裕量就會過大，在水泵使用中，由于多種原因，有些情況下會出現(xiàn)水尖工況點常年需要的功率遠遠小于配套電動機功率，為了降低能耗，應當考慮是否需要更換滴水成冰配套的電動機，但水泵更換電動機后要保證電動機功率仍有一定的富裕系數(shù)。
參考文獻
1、牛樹仁等編.《固定機械及運輸設備》北京：煤炭工業(yè)出版社
2、白銘聲編.《礦井排水裝置運行與選擇設計》北京：煤炭工業(yè)出版社
