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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

视频讲解|瓦斯抽采水环真空泵减阻节能新方法与应用

2023-10-20


创新点
(1)提出了高分子减阻液降低水环真空泵无用功耗方法,阐释了减阻液对泵内气液两相流场的影响机理。
(2)搭建了水环泵性能测试平台,揭示了减阻剂类型、浓度及泵转速等参数对节能效果的影响规律。
(3)研制了适用于煤矿瓦斯抽采泵站运行工况下的水环泵节能提效系统,并进行了现场工程试验。
视频讲解

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瓦斯抽采水环真空泵减阻节能新方法与应用

作者:张一帆,周福宝1, 2 ,李金石,康建宏,李点尚,高 波3
单位:1. 中国矿业大学 煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室;2. 中国安全生产科学研究院;3. 淮河能源控股集团煤业公司 张集煤矿
研究背景
 RESEARCH  BACKGROUND 
水环真空泵是矿井瓦斯抽采系统的主要动力设备,具有结构简单、易燃易爆气体抽吸安全、恶劣环境适应性强等优点,但一直面临着高能耗、低效率的工程问题。据统计,我国大中型高瓦斯矿井的瓦斯抽采泵站年耗电量普遍高达上千万甚至上亿千瓦时,但泵效率仅15%~50%。以山西潞安集团为例,下属煤矿20座,均建有瓦斯抽采泵站,连续运行超百台大型水环真空泵,年耗电量达4亿度以上,能源浪费严重。
节能提效是实现“碳达峰、碳中和”目标最重要、最经济、最有效的途径。为降低水环真空泵能耗,国内外学者在理论模型、数值计算和性能试验等方面进行了大量研究。张人会等采用VOF两相流模型对水环泵内流场和外特性进行了数值模拟,优化设计了叶轮、排气口等过流部件,有效提高了泵效率;陈旭东等对水环泵的能耗特性进行了试验和数值计算,提出了预抽真空、最佳补水量等方案来优化泵的运行性能;阮绍刚基于瓦斯抽采系统工况条件,提出采用泵转速智能调控方法以实现抽采系统节能目的。但随着设计理论的完善和成熟,单从结构设计和过程工艺改进入手,节能效果严重受限。
为此,笔者提出了基于湍流减阻原理的水环真空泵减阻节能技术,即将工作液由常规的水改性为高分子减阻液,通过调控泵内液环流态以大幅降低流动中的摩擦损失和湍流损耗。湍流减阻现象被广泛应用于各领域,如水力压裂、磨料水射流、水下航行体流动、城市集中供热/冷系统、生物医药等。鲍晋等针对页岩气开发中压裂要求,研制了疏水缔合聚合物压裂液,并通过管路摩阻测试系统进行了减阻特性实验;张友谊等研究了高分子减阻剂对后混合磨料射流切割特性的影响,发现其可显著改善射流结构特征,提高切割能力;王力等研究了成品油管道输送过程中的减阻效果评价方法,并将其应用于现场输送系统得出了减阻率和增输率;姜晨醒研究了活性减阻剂对水下航行体超空泡形状和动力学特性的影响规律,提出了超空泡减阻流动控制新方法;李冠颉研究了减阻剂类型、浓度、管路结构等参数对血液流变学的影响;李凤臣等首次在集中供热系统中进行了减阻剂对管路内节能增输效果的影响,最大节能率达28.4%。
尽管已开展了大量实验,但现有成果主要集中于输送管路内单相减阻流动,流态简单、湍流强度低、雷诺数小,尚缺乏在高湍流强度、高剪切环境下的水环真空泵内减阻节能特性研究;同时,减阻剂种类繁多,不同减阻剂具有不同的分子结构和流变特性,适用条件也不尽相同,无法直接应用于煤矿水环真空泵的节能增效领域。针对上述问题,基于水环真空泵运行特性,结合减阻剂分子构象的差异,笔者分别对具有柔性分子链、半刚性链及刚性链的3种减阻剂进行了优选;在此基础上,探究了减阻液节能性能随浓度、吸气压力和转速的变化规律,发明了一套适用于煤矿瓦斯抽采泵站运行工况下的水环泵节能提效工艺及系统,并进行了工程验证。
摘要
 ABSTRACT
水环真空泵是瓦斯等易燃易爆气体安全输送的主要动力设备,其性能对煤矿瓦斯抽采效果至关重要。针对现有水环真空泵运行能耗高、效率低的问题,基于水环泵工作原理与能耗损失过程,提出了水环真空泵减阻节能新方法,阐释了高分子减阻液的黏弹性特性对泵内气液两相流场流动的影响机制。构建了水环真空泵性能测试系统,揭示了减阻剂类型、浓度及泵转速等参数对节能效果的影响规律,优选出适用于水环真空泵内高湍流强度、高剪切作用下的高分子减阻剂。
此外,搭建了适用于煤矿瓦斯抽采泵站运行工况下的水环泵节能提效系统,介绍了减阻液配补一体化装置、泵内定量供水装置、水环真空泵节能运行监控系统等关键设备功能及技术工艺流程,并进行了现场工程试验。结果表明:随减阻液浓度增加,节能率增大,吸气流量略增,发现最佳节能效果的减阻液质量浓度为4.5 g/L;随吸气压力增加,节能率呈二次函数关系增大,但气量增加率随之降低;泵转速增大,轴功率快速增加,节能率越明显。通过在淮南矿业集团张集煤矿东风井瓦斯抽采泵站现场应用表明:该系统可大幅降低水环真空泵的运行能耗,在抽采负压不变的条件下,泵节能率达21.1%,进一步通过成本−效益分析得净节能率为18.2%,节能效益显著,有效缓解了瓦斯抽采系统能耗大的问题。
部分图片



 1    水环真空泵工作原理


 2    水环真空泵性能测试系统


 3    不同减阻剂下水环真空泵轴功率和节能率随时间变化的影响


 4    BG 减阻液的剪切黏度特性


 5    BG 减阻液黏弹性特性


 6    水环真空泵性能参数随吸气压力的变化


 7    节能率和气量增加率随吸气压力的变化


 8    水环真空泵性能参数随叶轮转速的变化


 9    水环真空泵节能系统工艺流程


 10    水环真空泵节能系统现场照片


 11    节能技术应用 号水环真空泵能耗对比


通讯作者简介


周福宝,男,1976年7月15日生,江苏南京人,教授,博士生导师。现任中国安全生产科学研究院院长,兼任国务院学位委员会第八届安全科学与工程学科评议组联合召集人。获国家技术发明二等奖1项、国家科技进步二等奖3项及省部级科技进步一等奖5项,获授权国家发明专利80余件、软件著作权4件;出版学术专著2部,主编教材2部;在国内外重要学术刊物上发表论文100余篇,2017年后连续入选《Elsevier》在安全、风险、可靠性和质量学科领域的中国高被引学者。获“长江学者”特聘教授、百千万人才工程国家级人选、国家有突出贡献的中青年专家、科学探索奖、何梁何利科学与技术奖、全国创新争先奖、中国工程院光华工程科技青年奖、中国青年科技奖等人才奖项。


研究方向

矿山灾害防治与资源化利用、公共安全与职业健康


主要成果

长期致力于瓦斯与煤火(自燃)复合灾害防治工作,在瓦斯与煤火耦合致灾理论、协同防治技术等方面开展了原创性研究,提出了瓦斯与煤火耦合致灾理论,阐明了井下“钻-护-封”一体化抽采和地面采动钻井抽采技术原理,首创了液氮规模化直注式灭火抑爆技术,攻克了瓦斯与煤火协同防治的重大工程难题,上述成果成为我国煤矿灾害防治领域的原创核心技术,已在130余座矿山直接转化与应用,为煤矿高效、安全生产提供了有力的技术保障。

第一作者简介


张一帆,男,1991年10月生,河北石家庄人,博士,副教授,硕士生导师。承担国家自然科学基金青年项目、江苏省自然科学基金青年项目、市级重点研发计划、专利成果转化等项目多项,担任多个SCI期刊审稿人,以第一/通讯作者在《Applied Thermal Engineering》、《Process Safety and Environmental Protection》、《煤炭学报》等杂志发表SCI/EI论文9篇,第一/二发明人授权国家发明专利9项,授权美澳俄等国际专利3项。


研究方向

矿井瓦斯高效抽采、水环真空泵节能提效


主要成果

主要从事瓦斯抽采水环真空泵节能提效等方面的研究,与科研团队首次提出了基于高分子减阻液的水环泵节能增效技术,开发了适用于不同抽采工况下的地面及井下瓦斯泵节能工艺,研制了抗剪切型高分子减阻液体系,揭示了减阻剂的节能机理和稳定性影响因素,并在淮南张集矿、韩城象山矿、潞安古城矿等煤矿成功应用,节能效益显著,为矿井瓦斯高效节能抽采、安全生产提供了有力的技术保障。



来源:

张一帆,周福宝,李金石,等瓦斯抽采水环真空泵减阻节能新方法与应用[J]. 煤炭学报202348(9):3604−3614.


责编:郭晓炜
编辑:赵泽维

审核:张晓宁


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