矿井排水泵效率优化与节能技术研究

一、引言

煤矿生产过程中，矿井涌水是制约安全高效开采的核心问题之一。排水泵作为排除井下积水的主要设备，其耗电量通常占矿井总用电量的15%-30% 。传统排水系统存在 " 大马拉小车 "、工况偏离高效区、自动化水平低等问题，导致能源浪费严重。随着 " 双碳 " 目标的提出，优化排水泵运行效率、降低能耗已成为煤矿企业技术升级的迫切需求。研究表明，通过系统性技术改造，排水泵效率可提升 8%-15% ，年节电量可达百万千瓦时级，兼具经济效益与环境效益。

二、矿井排水泵效率影响因素分析

2.1 设备本体效率制约

矿井排水泵效率受多重因素制约，核心瓶颈集中于设备本体性能与运行可靠性。传统铸造工艺生产的叶轮表面粗糙度通常达 ，流道内壁凹凸结构易诱发涡流与二次流，导致水力损失增加 8%-12% ；部分老旧泵型设计扬程较实际需求偏高 20%-30% ，迫使泵组长期在低效小流量工况运行，偏离高效区幅度达 40% 以上。同时，机械密封磨损间隙扩大至 0.3mm 以上或轴承润滑脂劣化失效，将引发端面泄漏量激增 3 倍、摩擦功耗上升 25% ，综合导致泵效衰减 5%-10% 。

2.2 系统匹配性缺陷

矿井排水系统管路布局缺陷是能耗攀升的关键诱因，其不合理性集中体现于三方面：一是拓扑结构失当，弯头数量超设计规范 30% 以上或管径突变处未设过渡段，导致局部水头损失增加 15%-20% ，水流冲击与涡旋耗能显著。二是管材劣化积垢，碳钢管路内壁锈蚀层厚度达 0.8-1.2mm 时，沿程阻力系数激增至0.035-0.045，较新管增大2-3 倍。三是扬程配置失衡，单级泵承担全扬程时，电机长期超载运行导致效率下降 12%-18% ，形成"大马拉小车" 低效循环。

2.3 运行工况动态波动

矿井涌水量动态特性与排水系统刚性运行模式间的矛盾，是导致能耗虚高的核心症结。涌水量受季节性降水渗透、开采工作面推进深度及断层裂隙导水性影响，日均波动幅度可达 30%-50% ，而传统恒速泵组因缺乏流量调节能力，当实际扬程较设计值降低 20% 时，泵效即衰减至额定值的 65%-70% ；若遇暴雨期涌水量激增，电机过载 15%-20% 运行将导致定子绕组温升超限，轴承保持架塑性变形风险增加。人工启停依赖经验预判，响应延迟超 30 分钟易造成 " 水位超限 - 紧急排水 " 的恶性循环，加剧泵组启停冲击与无效空载能耗。

三、矿井排水泵效率优化技术路径

3.1 设备级优化技术

叶轮水力性能升级是提升泵效的核心手段，基于 CFD 数值模拟优化叶片进口安放角、包角及出口宽度，可降低冲击损失与二次流强度。采用精密铸造工艺将叶轮表面粗糙度控制在Ra3.2 以下，配合流线型蜗壳设计，使水力效率提升 3%-5% 。对于高含沙矿井，开发抗磨蚀涂层技术可延长叶轮使用寿命，维持长期高效运行。密封结构改进对降低容积损失至关重要。机械密封采用碳化硅 - 碳石墨配对材料，配合弹簧补偿机构，可实现零泄漏运行。填料密封则通过注入高分子润滑剂形成润滑膜，降低摩擦功耗。主轴密封与口环间隙优化需结合加工精度与热膨胀系数，一般控制在0.15-0.25mm 范围内。

3.2 系统级优化策略

管网阻力削减需从布局优化与材质升级两方面着手，取消不必要的90^∘ °弯头，改用大曲率半径弯管或柔性接头。管径选择遵循经济流速原则，避免 " 小管大流量 " 或 " 大管小流量 " 现象。内壁涂覆环氧树脂或陶瓷涂层可降低粗糙度至 0.02mm 以下，使沿程阻力系数减小 40%-60% 。多泵并联调度通过建立泵组效率 - 流量特性曲线库，结合涌水量预测模型，动态调整运行台数与组合方式。采用 " 一大一小 " 配置模式，小泵应对日常排水，大泵用于暴雨期应急，避免单泵长期偏离高效区。并联管路需设置平衡阀与止回阀，防止倒流与抢水现象。

3.3 控制级优化方法

变频调速技术通过改变电源频率实现转速无级调节，使泵特性曲线与管路特性曲线交点始终处于高效区。研究表明，在 50%-90% 额定转速范围内，泵效可维持在设计值的 90% 以上。变频器需配置谐波抑制模块，避免对矿井供电系统造成干扰。智能监控系统集成液位传感器、压力传感器与流量计，构建排水系统数字孪生模型。通过边缘计算节点实时分析数据，结合遗传算法优化控制策略，实现 " 按需排水 "。系统可设置水位阈值自动启停泵组，并推送故障预警信息至调度中心。

四、矿井排水泵节能技术实施保障

4.1 技术经济性评估

煤矿排水系统节能改造需以全生命周期成本（LCC）管控为核心，构建涵盖设备全链条的价值评估体系。将设备购置成本、安装调试费用、五年期运维支出及十年残值回收纳入综合测算框架，建立基于动态折现率的能耗 - 成本 - 效益分析模型，量化不同技术方案在电耗降低、备件消耗减少及停机损失规避等多维度的经济价值。通过敏感性分析明确影响投资回收期的关键变量阈值，优先筛选静态回收期 ⩽3 年、净现值 >15% 的成熟技术组合，如叶轮水力优化与变频调速协同改造方案，兼顾技术可靠性与经济可行性，规避因盲目追求前沿技术导致改造失败的风险。

4.2 运维管理提升

为保障矿井排水系统高效节能运行，需构建系统性管理规范。制定《矿井排水泵节能运行规程》，明确设备启停阈值、变频调速参数及多泵并联调度策略，同步建立操作人员分级培训体系，涵盖设备原理、智能监控系统操作及应急处置等核心模块，通过理论考核与实操比武双维度评估技能达标率。建立设备全生命周期健康档案，实时采集振动幅值、轴承温度、电机电流等 12 项关键参数，依托大数据平台构建故障特征模型，实现早期异常预警。每季度开展泵效测试与管网阻力复核，动态优化泵组匹配方案，确保系统能效持续达标。

4.3 政策标准支持

为推动煤矿排水系统绿色低碳转型，需构建“标准引领 - 政策激励 -协同创新”三位一体保障机制。制定《煤矿排水系统能效限定值及能效等级》强制性标准，以单位排水量电耗、泵组综合效率等指标划分 5 级能效等级，将三级能效达标作为煤矿安全质量标准化认证必要条件。出台节能设备购置税收减免及运行能耗补贴政策，对采用一级能效泵组企业减免增值税 10% 、给予设备投资额 15% 的专项补贴。联合高校、科研院所及装备企业共建省级矿井排水节能技术示范基地，开展新型水力模型验证、智能控制系统中试及运维人才实训，打通技术从实验室到矿井现场的转化通道。

结束语

矿井排水泵效率优化与节能技术涉及设备、系统、控制及管理多个层面，需采取 " 硬件改造 + 软件升级 " 的综合策略。通过水力部件优化、管网阻力削减、智能控制技术应用及运维管理提升，可实现排水系统能耗降低 15%-25% 。未来研究应聚焦于排水泵群协同控制算法、新能源耦合技术及数字孪生运维平台开发，推动煤矿排水系统向高效化、智能化、绿色化方向转型，为煤炭行业碳达峰目标实现提供技术支撑。

参考文献

[1] 张志强 , 李建华 , 王晓明 . 矿井排水系统能效提升关键技术研究与应用 [J]. 煤炭科学技术 ,2022,50(08):215-222.

[2] 赵永刚, 刘洪涛 , 孙立军 . 基于CFD 的矿用排水泵叶轮水力性能优化及实验验证 [J]. 矿山机械 ,2021,49(05):52-57.

[3] 陈文兵 , 周亚东 , 杨海涛 . 煤矿排水系统变频调速节能控制策略研究 [J]. 工矿自动化 ,2020,46(07):89-94.