水泵项目.docx

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水泵项目

一、项目背景

我国是煤炭的生产和消费大国，目前，全国国有大中型煤矿企业，主要的有45家，是国家战略规划重点。

十二五期间，我国将形成6～8个亿吨级和8～10个5000万吨级大型煤炭企业集团，煤矿企业的数量控制在4000家以内。

我国煤炭工业将实施大集团兴煤战略，神华、山西、两淮、山东及平顶山等11家国有特大煤炭集团承担全国煤炭的增量生产任务。

规划新建矿井182处，其中年产千万吨级的高效矿井20处以上。

煤矿的安全生产已引起有关部门的高度重视，煤矿排水泵是保障正常采煤和人身生命安全的重要设备。

随着采煤深度和采煤量的增加，需要相应发展高扬程、大流量、高效率的大型排水泵设备。

近年来对煤矿排水泵的需求量逐年增加，全国有几十个泵厂生产，但多为中小型泵厂。

泵的品种有所增加，但泵的质量不高，有些产品效率较低，故障多，易磨损，寿命不长。

矿井主排水装置是煤矿“四大件”主要设备之一，其耗电能居主要耗能设备之首。

据国家统计，主排水泵用电量占煤矿全部生产用电量27.2%。

目前，机泵的应用日益广泛，据有关资料统计，我国工业用泵共有87个系统，1300多个品种。

据有关资料介绍，工业泵的用电量占全国用电量的15％，进口优质泵的效率为70％~80％，电机的效率一般在90％以上，而一般国产泵的设计效率仅为65％~75％，据初步估算泵组的运行效率大约只有55％~65％。

由此可见如何提高泵的运行效率，已成为节能技术的一个重要课题。

总之，煤矿排水泵的产品质量和技术水平还不能满足煤炭生产和发展的需求。

（一）影响矿井主排水泵效率的原因

1、机械、容积、水力因素：

（1）机械损失

它是轴承、填料以及平衡盘等另件在旋转中产生的摩擦损失。

其中轴承、填料的摩擦损失占的比例较小。

只要保持轴承的良好润滑和油封的适当压力,损失即可减少。

而平衡盘在水中旋转产生的摩擦损失随圆盘尺寸、转速以及比转速变化。

对于一定型号的水泵,其值大小与水泵运转时间、关系不大。

另外，部分泵首级叶轮进水口处发生气蚀现象，叶轮与大口环的材质为灰铸铁，耐气蚀性能差，发生气蚀使水泵的流量度、扬程和效率下降明显。

（2）容积损失

由于结构上的原因，叶轮运转时排出的水有一小部分在泵壳内从高压区流到低压区形成循环，造成容积攀失。

它主要包括密封缝隙环流损失及通过填料和平衡盘的泄漏损失。

其中密封缝隙的大小对水泵效率影响较大。

据试验，当大口环（即叶轮与中段之间的密封环）密封缝隙由0.3mm到0.5mm时，其效率降低4~4.5%。

而小口环（即叶轮与导叶之间的密封环）的密封缝隙由0.25mm增加到0.75mm时，效率降低5%。

由此可见，容积损失和水泵的磨损量关系极大。

（3）水力损失

由于水与壁面之间的磨擦，水的内部的摩擦以及涡流和冲击而造成水力损失，它主要发生在叶轮和各通流部件中；当叶轮叶片入口边缘磨损后，由于入口角的改变，将产生不正常的入口冲击，从而加大了水力损失。

2、“老、旧、杂”设备较多。

目前仍有部分老型号低效水泵和高能耗电机。

其综合效率一般在60%~65%左右，甚至更低。

如果选用新型高效水泵将效率提高到70%~75%，则节约电能是相当可观的。

3、吸、排水管路效率偏低。

（1）排水管设计不合理。

由于部分主排水管直径偏小，与水泵不配套，再加上管路积垢未清，且管路路径设计不合理，弯管多、突变径、急转弯、弯头多、吸水高度过大，未安装无底阀及汲水龙头，过水面积小等，使整个排水系统的运行效率降低。

另外，部分管道弯道较多，造成管道阻力过大，从而降低了水泵排水量，增加了电耗。

（2）排水管流速大于经济流速。

许多煤矿虽然都采用了立管排水，但排水管网年久失修，管路内结垢较厚，断面缩小，致使流速成倍增大，管网阻力增加，压力损失增大，降低了效率。

4、管理水平不高。

根据调查，生产现场对排水设备的管理上，往往只限于水泵的能否运转，对其性能测定，维护检修，提高效率等方面则重视不够。

（1）水泵检修不及时就会导致其性能降低。

如某煤矿排水水泵壳与轴套之间的密封环磨损，间隙过大而产生环流，从而造成水泵的容积损；水泵的填料不及时更换、调整，串水套间隙和平衡盘间隙增大，乏水槽多，一方面降低了水泵的容积效率，令一方面是平衡盘的背压增加，加快了平衡盘的磨损；水龙头被杂物堵塞，流水不畅，吸水侧密封不良，闸阀关闭不严产生漏水、串水现象，从而使水泵效率降低。

（2）因原配电机损坏，就随意配上另一台电动机带动，结果造成了流量小、扬程低甚至不上水的后果。

5、其它因素的影响

（1）底阀打不开。

通常是由于水泵搁置时间太长，底阀垫圈被粘死，无垫圈的底阀可能会锈死。

（2）底阀滤器网被堵塞或底阀潜在水中污泥层中造成滤网堵塞。

（3）出口管道的泄漏也会影响提水量。

若水泵长期处于低效率状态运行，不仅浪费大量电能，给煤矿造成经济损失；甚至可能因为某些原因未能及时发现并解决而造成排水故障，引发灾难性事故。

（二）目前的解决方法及不足

针对如何解决矿井排水泵效率低的问题，目前主要采用定期检修的方式，检修人员对水泵定期进行检修。

1、检修方式

（1）年检

每年矿方组织有关人员对主水泵进行一次全面的检查维修。

检查维修的内容有：

两端间隙、盘根盖压、吸水笼头罩、滑动轴承、滚动轴承、电机等。

（2）季检

每季对水泵、水管、闸阀、排水用的配电设备和输电线路，全面检修一次，并对全部工作水泵和不用水泵进行一次联合排水试验。

A、轴承润滑。

B、更换盘根。

（3）班检

A、巡回检查的时间一般为每小时一次。

B、巡回检查的主要内容：

●各紧固件及放松装置应齐全，无松动。

●滑动轴承、滚动轴承、电机等各发热部位的温度不超限，强迫润滑油泵站系统工作应正常。

●水泵密封松紧应适度，不进气，滴水不成线。

●电动机，水泵运转正常，无异响或异常震动。

●电流不超过规定值，电压复合电机正常运行要求。

●压力表，真空表指示应正常。

●吸水井水面深度指示器工作正常，并在正常范围内，吸水井积泥面距笼头

底面距离不小于0.5米。

2、目前检修方式存在的问题及解决方案

年检和季检由于检查时间间隔很长并不能保证水泵的效率一直处于最优状态，若水泵出现故障也不能第一时间知道；班检需要耗费大量的人力物力。

在以往的计划维修中，排水系统大修通常与机组大修同期进行。

然而，实际生产中，排水系统的正常维修周期很难与机组同步，往往主机尚未到计划的大修周期，水泵必须进行大修了，由于机组运行的需要，此刻设备又不能退出运行进行大修，这样运行中有可能发生因给水泵系统设备故障而造成停机的事故，排水泵及其系统也不得不进行反应性维修。

有效的状态监测与故障诊断可以随时掌握设备技术状况和劣化规律，避免突发性故障和控制渐发故障的发生，降低设备维修成本，增加设备可利用时间，从而提高设备的运行效益，并带来良好的经济效益。

因此，研究水泵状监测与故障诊断系统意义重大。

泵在使用期间由于磨损等原因，其运行性能本身特别是效率也在不断变化，所以为提高运行水平，确定适宜的维修时间，有必要对泵进行在线监测。

这样通过将当时监测到的实际效率与最初安装时的效率进行对比，即可发现泵性能的恶化情况，客观地判断此时进行维修取得的节能和改善效果与维修费用相比是否经济，从而决定是否进行维修，而不是主观地凭感觉判断。

效率的显著降低是水泵内部间隙增加及其它问题的反映。

因此根据监测的泵效率情况适时进行按“需”维修而不是按“时”维修，不仅可以避免不必要的维修费用，更可以及早发现问题，预防一些事故的发生。

这也就是目前国际国内大力推广应用的预知维修技术。

采用预知维修技术后，可以降低成本，提高企业的竞争力。

综上所述，本项目研究设计一套煤矿井下主泵排水效率在线监测系统，旨在实时在线监测排水泵的效率，实现煤矿排水泵的按时检修向按需检修转变，节约煤矿的能源消耗并且及时发现和排除水泵故障。

二、研究目标、内容、关键技术及预期研究成果

煤矿井下主泵排水效率在线监测系统主要实现对煤矿井下主排水泵的流量、进出水口压力、电机的电压、电流、水泵关键部位的温度、水泵的效率等物理量进行实时测量显示，并且将数据传送至后台监控软件，使得运行人员不到现场也能实时掌握水泵的运行状态。

检测系统还设置了报警、实时曲线、历史曲线绘制等功能并配有智能专家系统。

当检测量异常时报警，提醒检修人员进行检修。

专家系统根据检测量的历史数据、历史故障和当前的实时检测数据综合对比分析，可以提前预知故障并预警。

1、研究目标

（1）设计煤矿井下主泵排水效率在线监测系统软硬件

（2）实现流量、水泵进出水口压力、水泵关键部位温度、水泵电机的电流、电压的实时测量和水泵效率的计算。

（3）实现

（2）中各个量的异常报警功能

2、研究内容

（1）效率检测原理研究

（2）数据采集及传感器选型

（3）信号检测算法及逻辑判据

（4）检测装置软硬件设计

（5）后台监测系统的研究

3、关键技术

本项目“煤矿井下主排水泵效率在线监测系统”的研制，需要项目组成员对嵌入式微处理器技术、数据融合技术、海量数据储存与检索技术、智能专家分析系统应用技术等进行研究。

（1）数据融合技术研究

煤矿井下主排水泵效率在线监测系统中使用多传感器技术对多种特征量的监测（电压、电流、温度、压力、流量等），并对这些传感器的信息进行融合，以提高水泵运行状态判断的准确性、多样性和可靠性，通过信息融合将多个传感器检测的信息与人工观测事实进行科学、合理的综合处理．可以提高水泵状态监测和故障诊断智能化程度。

（2）海量数据储存与检索技术研究

存储各个检测量的历史数据，建立数据库；并且根据需要在数据库中寻找特定的数据，利用VC和SQL软件构建大型数据库，实现历史数据存储、特定数据的检索、显示和历史曲线、实时曲线的绘制等。

（3）智能专家分析系统应用技术的研究

研究智能专家分析系统根据煤矿排水泵模型，对各个检测量的历史信息、数据进行综合分析计算，按照智能专家分析系统建立的事故分析模型，实现自适应水泵、管道等故障判别，减少人工参数设定。

（4）煤矿井下主排水泵效率在线监测系统的研究

在对多数据融合技术深入研究的基础上，应用嵌入式微处理器技术、海量数据储存与检索技术、智能专家分析系统应用技术等，对本项目系统的硬件进行设计和选型，进行软件的编写，系统的调试和试验，研制成“煤矿井下主排水泵效率在线监测系统”。

4、预期研究成果

（1）提交“煤矿井下主泵排水效率在线监测系统”的研究报告，包括原理算法研究、仿真和验证结果。

（2）提交“煤矿井下主泵排水效率在线监测系统”的运行测试实验报告。

（3）提交“煤矿井下主泵排水效率在线监测装置”的测试与型式试验报告，提交“煤矿井下主泵排水效率在线监测系统”1套并投入运行。

三、项目实施方案

1、水泵效率的检测原理

水泵的效率是指水泵的有效功率与轴功率之比，有效功率是指单位时间内流过水泵的液体从水泵那里得到的能量，水泵的有效功率计算公式如下：

式中：

P为水泵有效功率，单位KW

为介质密度，单位Kg/m3，为定值。

Q为流量，单位m3/s，需测量

H为扬程，单位m，需测量

g为当地重力加速度，单位m/s2，为定值

水泵的效率计算公式如下：

式中：

Pa为电机轴功率，单位KW

计算出水泵有效功率和轴功率就可以计算出水泵效率，水泵轴功率计算方法有测功电动机法、扭矩传感器法、电流电压测量法三种，测功电动机法用于功率小于100KW的专用电机，扭矩传感器法需要与水泵装配在一起，需要拆卸水泵，并且占用空间大，成本高。

因此系统采用第三种方法：

电流电压测量法。

用电流电压互感器测量水泵的电流电压计算出输入功率，公式如下：

式中：

I为水泵线电流，单位A，需测量

U为水泵相电压，单位V，需测量

为功率因素，可以计算或者从功率表读出

计算出输入功率之后，可以计算出轴功率：

式中：

Pa为水泵轴功率，单位KW

为电动机效率

为传动效率

电动机效率

从点击特性曲线Pel-

上面读出，一般随负荷变化不大，可以由额定

代替。

由以上分析可知，要计算水泵效率，需要测量的量有流量Q、扬程H、线电流I、相电压U。

其中扬程H需计算：

式中：

p1，p2一一分别为泵入口和出口处的压力，单位为Pa;

Z1，Z2一一分别为水泵进口、出口取压孔至基准面间的垂直距离，单位为m;

g一一为重力加速度，对c级试验g一9.81m/sz，对B级试验应采

用当地的g值。

g的当地值可按下式计算：

为当地纬度，Z为当地海拔高度。

为液体的密度，单位为kg/m3;

v1，v2分别为泵入口和出口处的水流速度，单位为m/s。

其大小

等于体积流量与管路横截面积相除所得的商，分别为:

，

D1，D2分别为泵入口与出口的截面内径，单位为m;

Q为水泵的流量测得值，单位为m3/s。

因此，整个检测系统需要实时测量的量有流量Q、线电流I、相电压U、泵入口压力p1，泵出口压力p2，检测出这些量就可以计算出水泵效率。

2、数据采集及传感器选型

煤矿井下主排水泵效率在线监测装置的下位机部分安装于水泵所在处，各部分传感器分布于水泵周围的管道和线路中。

流量传感器采用山东中煤公司生产的矿用防爆插入式超声波流量计，采用“Z”法安装，能在水管内壁结垢或水中带气情况下实现稳定可靠的测量。

安装时用钻孔工具在不停产状态下将传感器（探头）插入管路中。

压力变送器采用麦克传感器有限公司生产的MPM480型压阻式压力变送器，该产品采用带不锈钢隔离膜片的压阻式OEM压力传感器作为信号测量元件，并经过计算机自动测试，用激光调阻工艺进行了宽温度范围的零点和灵敏度温度补偿。

放大电路位于不锈钢壳体内，将传感器信号转换为标准输出信号。

现场可调校、可显示，量程覆盖范围宽。

安装时垂直于水平方向安装在管道的法兰接口上。

温度传感器采用PT100，安装时插入管道内部；PT100输出接在一体化温度变送器模块上输出标准4-20mA信号供A/D采集模块采集。

电流互感器采用LMZ-1K矿用电流互感器，根据现场的电流等级选择相应等级的电流互感器。

安装时串联在线路中。

电压互感器采用WBV412U01电压传感器，其输入范围0~500v,准确度等级是0.2，安装方式是卡装式结构。

RS485通信线缆选择：

煤矿井下主排水泵效率在线监测装置后台监测系统安装于地面监控中心，现场检测装置与后台监测系统通过RS485交换数据，RS485最大通信距离为1200米，如果现场通信距离超过1200米，则采用中继器延长通信距离，通信线缆采用9842型通讯电缆，特性阻抗120欧姆，导体为2线对4芯（2x2x24AWG）多股绞合镀锡铜丝，PE绝缘护套；为适用于复杂的工业噪声环境，特采用铝箔/聚酯复合带100%屏蔽率+镀锡铜编制网90%屏蔽率共双重屏蔽，并附有独立TC接地导体，工业灰色PVC外护套，符合ULAWM2919文件规范。

3、信号检测算法及逻辑判据

A.信号检测算法

（1）压力、温度、流量变送器的输出均为0-5V或者4-20mA信号，且为直流信号，因此对这几个检测量的处理主要是滤波和消除系统误差。

首先将压力、温度、流量变送器的输出信号均转换成0-5V电压信号，然后进行RC低通滤波（消除现场高频干扰）之后进行AD采样，将模拟信号转换成DSP能处理的数字信号。

其次，为了消除检测系统误差（如温度漂移等），在DSP软件上对AD采样数据进行修正，保证采样数据的准确性，然后对数据进行20次平均值滤波。

（2）电压、电流信号为交流信号，对这两个信号的处理除了上述的过程，还需要消除直流分量，采取的算法是对采样电流电压进行20次周波采样，然后取平均值，得到的值就是直流分量，得到直流分量后每次采样数据都减去这个值就是实际的电流电压值。

B.逻辑判据

对后台监测系统可以各个检测量设置报警上限和下限值，当各个检测量超出正常值范围之后，系统进行报警提醒检修人员检修，保证水泵高效率运行。

4、煤矿井下主泵排水效率在线监测装置硬件架构的研究

煤矿井下主排水泵效率在线监测装置框图如图1：

图1煤矿井下主排水泵效率在线监测装置框图

装置通过检测各个量之后计算出水泵效率将效率和各个监测量实时显示在现场LCD上面，同时通过RS485总线将数据传递给监控中心的后台监测系统。

上位机通过VC编写界面，显示流量Q、线电流I、相电压U、泵入口压力p1、泵出口压力p2以及现场的温度数据和水泵效率。

5、后台监测系统

后台监测系统采用VisualC++软件编写，配有SQL数据库用于存储检测数据，可以绘制各个数据的实时曲线和历史曲线，并且设置报警功能；当某一个检测量出现异常或者水泵效率低于设定值时上位机报警，提醒工作人员现场检修，实现由计划检修到状态检修的转变。

后台监测系统还引入智能专家系统，根据各个检测量历史的数据和历史故障分析水泵的运行状态随时间的变化情况，并与当前的数据进行综合对比分析，可以告知运行人员水泵系统老化情况、管道堵塞情况等，甚至可以预测故障。

四、性能指标

1、流量传感器精度等级≦1.5

2、压力传感器精度等级≦0.5

3、电压传感器精度等级≦0.5

4、电流传感器精度等级≦0.5

5、温度传感器精度等级≦1.5

五、参考标准

GB/T16666-2012泵类液体输送系统节能监测

GB/T18149-2000离心泵、混流泵和轴流泵水力性能试验规范精密级

GB/T13469-2008离心泵、混流泵、轴流泵和旋涡泵系统经济运行

GB/T13468-92泵类系统平衡的测试与计算方法

GB/T13007-2011离心泵效率

GB/T19762-2007清水离心泵能效限定值及节能评价值

GB/T3216-89离心泵、混流泵、轴流泵和旋涡泵试验方法

六、节能检测效果举例

以某煤矿的主要水泵房为例，该泵房担负着-330水平的矿井水排至地面的任务。

原设计安装200D-65x7水泵9台，其扬程H=455m，流量Q=280m3/h，配用电机功率N=680kW，水泵的总排水能力为42m3/min。

该泵房沿夏桥井一号井筒至地面敷设三趟内径为300mm的管路,按照经济流速的上限212m/s计算,管路总排水能力为28m3/min。

其效率曲线如图2：

图2200D-65x7效率曲线图

曲线上可以看出:

该泵的设计最高效率仅为69%，同时，由于长年累月地运行,水泵的水路、水轮、平衡盘等部件都有不同程度的磨损,所以水泵运行效率明显降低。

该泵房距地面垂高为366.24m，水泵运行时，压力表读数3.8MPa，由此可知该泵排水扬程为380m，而老泵的额定扬程是455m，可见富余扬程高达75m，折算成单级富余扬程为10.7m。

从图2可以看出额定扬程下降10.7m后其效率已不在最佳效率范围内,而在效率曲线的下降段了。

据现场实测,老泵的效率仅为54.65%,吨水百米电耗高达0.541KWh。

针对老泵效率地的原因，该泵房更换了5台D450-60水泵，该泵的单级性能曲线如图3：

图3D450-60水泵单级性能曲线

更换后，对其运行参数测量得到：

压差计读数h=369mmHg，电压V=6060V,电流I=80A,功率因数

=0.85，电机效率

=0.935,水泵系统传动效率

=0.98。

流量Q=8.35m3/min,输入功率713KW,轴功率667KW,有效功率为529.36KW,水泵效率79%,吨水百米电耗0.395KWh。

由此可以看出新泵比老泵效率上高出24.9%,吨水百米电耗降低0.146KWh。

按照地质部门提供的当地正常涌水量,以-330水平的全年排量为2207500m3计算,年节电量为116万KWh,年节电经济价值为38.86万元。

这次排水泵的改造费用为84万元,投资回收年限为2.16年。

可以看出,实时监测水泵效率，及时找出并解决其效率低的原因,经济效益非常可观的。

排水泵

水泵效率

吨水百米耗电量

年节电量

年节省经济价值

检修前

54.65%

0.541KWh

1160000KWh

38.86万元

检修后

79%

0.395KWh