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摘要：文章主要介绍对现有排水装置进行有效维护，采取措施，改善其特性，保持装置高效运行，降低吨百电耗。
关键词：排水装置；节能；措施
前言
排水装置的能耗高低可用吨百电耗来衡量。所谓吨百电耗，即水泵将1吨水提高100米所耗电量。吨百电耗与装置效率的关系是：et•100m＝1/（3.67ηw•ηd•ηM•ηg），式中吨水百米电耗et•100m，电网效率视为常数ηw，电机效率ηd，水泵工况效率ηM，管路效率ηg。装置效率愈高，吨百电耗愈低。吨百电耗特性（如图1）的特征告诉我们，在装置可用的流量范围内，吨百电耗随流量增加而降低（电机负荷不超载的前提下）。按电机允许效率0.9~0.93，水泵效率0.70~0.75，管路效率0.95~0.96，则总效率为0.5985~0.6696，即et•100m应在0.407~0.455Kwh范围为正常值。在装置运行过程中，由于多种因素的影响，可能使特性恶化，装置效率下降，吨百电耗上升，造成不应有的损失。当吨百电耗超过正常值时必须考虑对现有装置进行有效维护，努力保持装置高效运行，或对现有装置采取某些措施，改造其特性，提高其效率。因此，在运行中维护和改善装置的特性是保障装置可靠和经济运行的重要方向。现就维护和改善排水装置性能，降低吨百电耗谈谈看法。
1维护水泵性能的途径和措施。
影响水泵特性的主要因素是转速、结构、尺寸和装配质量。
1.1稳定水泵转速，保证装置正常出力。
异步电动机与水泵配套成水泵机组后不会保持额定转速运行，而是随着工况朝着大流量方向移动的同时，转速逐步下降。多数水泵机组在其工作范围内的转速都能达到或超过额定转速，但变化量很小，所以在实际工程中可以不加以考虑。
然而，由于供电电压的波动，对水泵机组转速影响较大，电压下降转速也随之下降，其特性将按比例缩小。
即：H/Hˊ＝（n/nˊ）2，Q/Qˊ＝n/nˊ，N/Nˊ＝（n/nˊ）3。
所以应努力保持电压在充许值范围内变动。
1.2检查水泵叶轮、叶片磨损情况，及时更换损坏叶轮。
水泵的叶轮是决定其特性的关键部件。由于水中固体颗粒的作用，长期运行后的水泵叶片出口边缘被磨损，致使出口角发生变化。磨损造成出口角加大后可能引起特性曲线的变化趋势。出口角β2愈大，特性愈平稳，而零流量时扬程则与出口角β2无关（如图2）。
叶片出口边缘背面磨损后的情况类似于削薄叶片背面，结果可能在额定流量范围内增加扬程。
叶片磨损后还会使叶片出口宽度加大，其流量将按如下规律变化：
Qˊ＝Q（b2ˊ/b2）1/2。所以叶片的磨损在一定限度内吨百电耗不会有增加的可能，但叶轮磨损致水头不足或叶片磨损到扬程不足时须更换叶轮。
1.3减少各种损失，提高水泵效率。
水泵的效率是水力效率ηh，容积效率ηo，机械效率ηm三者之积，其中每一项都取决于相应的损失∑⊿H、∑⊿Q、∑⊿Nm，掌握影响各项损失的有关因素对于维护水泵的特性有重要意义。
1.3.1水力效率决定于水力损失（ηh＝1－∑⊿H/HT），水力损失包括摩擦、冲击和涡流损失。这些损失是水在叶轮和各通流部件运动时由于边壁摩擦，过流断面形状和尺寸的改变而引起的水流速度大小和方向的变化所致。
据资料分析表明，水力损失主要发生在叶轮和随后的通流部件中。比转速ns＝90的分段式多级水泵一级模型水力损失分布情况（如图3）显示，占了总损失的一半，其中包括水进入叶轮入口时运动方向与叶片入口方向不一致而产生的冲击损失和涡流损失以及叶轮内的摩擦损失。在水泵运行过程中，叶轮叶片间道壁面挂污减少了有效过水断面，引起附加水力损失。新配叶轮内壁没有清除的毛刺和铸造缺陷等都是加大损失的原因。
特別值得注意的是装配水泵时由于叶轮出口与导水圈吻合不当而造成的水力损失对水泵特性和效率的影响较大。从损失分布情况可知，即使装配无误，这部分损失约11％。
由导水圈向返水圈翻转的过程中，水力损失占了22％左右，清除此流道中的飞边、毛刺等铸造缺陷，水泵效率可有较大的提高。
出水段中的水力损失包括出口、扩散段、转弯处的冲击和涡流损失，摩擦损失和出口损失等。由于水在该通流部件中的流速较大，故水力损失较大。水力损失直接影响水泵的水力效率，而水力效率还与水泵的流量大小有关，资料分析表明，流量愈大的水泵，其效率愈高。
1.3.2容积效率决定于容积损失（ηo＝1－∑⊿Q/QT），容积损失包括大口环、小口环的循环流损失，通过密封填函和平衡盘的泄漏损失。口环是易损件，按使用说明书要求定期检查和更换是维护原水泵特性的重要措施。对密封填函的泄漏损失的控制，我们可以通过调整其压盖压紧的均匀程度，使水滴保持均匀外滴，同时对磨损、老化的填料及时更换。定期检修和更换平衡盘平衡环是保持正常平衡间隙的有效措施。
1.3.3机械效率决定于机械损失（ηm＝1－∑⊿Nm/N），机械损失包括叶轮、平衡盘的盘面对水的摩擦损失，轴承、填料等摩擦消耗的功率损失。
叶轮、平衡盘的盘面对水的摩擦损失属于转盘摩擦损失，直径为D，转速为n的园盘两个侧面的摩擦损失功率为⊿Nm1＝kn3D5。资料表明此项损失还与转盘侧壁以及泵体内壁的表面粗糙度有关。有关资料还指出，铸铁水泵壳体的粗糙表面涂油漆后，此损失减少16~20％，转盘侧壁磨光后，损失减少13~20％，严重生锈的铸铁盘面比新加工的盘面的功率损失大30％。轴承和填料的摩擦损失功率占比例小，前者与轴承型式和润滑情况有关，后者与填料压紧程度有关，两项损失之和约占轴功率的1~3％。
1.4采取有效措施,防止叶轮流道堵塞。
由于矿井水仓或沉淀池的功效不足和入水口拦截漂浮物措施不力，不少矿井出现污泥及木屑杂物不同程度的堵塞水泵流道的现象。资料分析表明，在管道特性不变的情况下，随着叶轮流道堵塞程度的发展，水泵特性曲线显示其扬程曲线内缩，效率特性朝着流量减少方向移动，工况点沿管路特性曲线向流量减少方向滑移。为此，应尽可能将水中的木屑拦阻在水泵装置以外，尽量加强污水的沉淀措施，减少煤泥等在矿井水中的含量，从而减少堵塞的可能性。
2维护和改善装置吸水性能。
水泵汽蚀特性是以必需汽蚀余量NPSHR值为标志的，该值决定了充许吸上真空度Hs的大小及其与流量的关系Hs（Q）。因而保持NPSHA值是维护水泵原有吸水特性的关键。水泵的NPSHR值主要决定于首级叶轮进口的几何和流动参数。通常扩大叶轮进口通流面积，增加内缘处叶片的宽度，降低进口流速，有保证不发生预旋的进口流形，较小的β1角，适当的冲角和叶片数，以及这些参数的合理匹配，都可以降低NPSHR值，改善水泵的汽蚀性能。
对我们使用者来说，重要的是要尽量澄清矿井水，减少叶轮进口的磨损，以维护原有汽蚀性能。自购或自修叶轮时，尤其要注意保持进口处的原有尺寸和形状。
就排水装置而言，我们应尽量取得较大的有效汽蚀余量NPSHA，以满足不发生汽蚀的条件：有效汽蚀余量NPSHA＞必需汽蚀余量NPSHR。
NPSHA＝（Pa－Pv）/ρg－Hx－⊿Hx
取得较大的NPSHA，要么减少进水线上的水头损失⊿Hx，要么降低吸水高度Hx，而⊿Hx＝[（8×0.021）/π2g]×[（Lx＋Ldx）/dx5.3]Q2，减少⊿Hx的措施是增加dx，减少Lx和Ldx。
2.1进水管直径由dx改变为dxˊ，水头损失⊿Hx由改变到⊿Hxˊ，改变前后的变化率可以表达为：
⊿(⊿Hx)＝(⊿Hxˊ－⊿Hx)/⊿Hx＝(dx/dxˊ)5.3－1
由此可见，加大进水管直径，可以大幅度降低水头损失。
2.2进水管长度Lx有限，所以靠改变Lx来降低水头损失不会有多少效果。
2.3进水线上局部管件的损失系数直接决定等值长度Ldx的大小。这些管件包括底阀、过滤器、弯管及收缩管。
目前大多数装置取消了底阀，这无疑降低了水头损失，但更重要的是避免了卡阀造成的汽蚀。
过滤器被堵塞造成的阻力增大也是发生汽蚀的重要原因之一，过滤器的作用只是阻拦非经常出现的大块物质，而小颗粒物质应在进入吸水井之前就沉淀下来。过滤器的通流面积不得小于进水管过水断面积的3倍。
大曲率半径的弯管不仅可以减少自身的水头损失，而且使相邻的收缩管得到较好的均匀来流条件。收缩角较小的收缩管不仅本身水头损失小，而且出流均匀。除此之外，弯管设计不当，若轴线向上倾斜，进水线上最高部位将有空气憋住，此部分空气随周围水压降低而膨胀，占据了通道空间，影响吸水，甚至不能吸水。
还有在操作上还应注意防止外界空气袭入进水管和水泵进水段。水泵进水侧填函，进水管上的真空表接口孔，进水线上各部件的法兰接口都是空气袭入的途径。
此外，应确保水位下限须在过滤器法兰端面以上300~400mm，否则空气有可能穿过水层进入水管。
采用升压泵与主水泵串联，不仅可以避免汽蚀危险，而且可以放心地在装置最大流量下运行，取得可靠和经济两方面的效果，是目前解决矿井排水装置吸水性能不足的有效措施。
3恢复和改善管路的特性。
排水管路是排水装置的重要组成部分，在水泵机组特性不变的情况下，管路特性的变化决定了工况的变化和管路效率（ηc＝1－RTQ2/H）的变化。
3.1维护管路特性。矿井水中含有大量杂质，管路长期使用后，杂质挂在内壁上形成污垢层，管路有效直径减少，致使损失系数增大，管路特性曲线变陡，工况点朝着流量减少方向移动，装置效率下降，吨万电耗上升，造成大量的浪费。为此，必须定期（一般2~3年）组织清理管路一次。
3.2采用管路并联措施。为了增加排水量，降低吨百电耗，我们常采用两条或多条管路并联的联合运行方式。并联等效管路损失系数RTdˊ与诸并联管路段损失系数之间的关系：
n
1/（RTdˊ）1/2 ＝ Σ1/（RTiˊ）1/2
i＝1
即并联等效管路损失系数平方根倒数等于各并聯管路段损失系数平方根倒数之和。
相同长度相同管径的排水管并联时：RTdˊ＝RTiˊ/n2，即并联管路损失系数只等于其中一趟管路单独应用时的n2分之一。
很显然，管路并联后，其管路损失系数下降，因而工况点将朝着大流量方向移动，流量加大，装置的吨百电耗下降，可以实现较好的经济效果。
关键词：排水装置；节能；措施
前言
排水装置的能耗高低可用吨百电耗来衡量。所谓吨百电耗，即水泵将1吨水提高100米所耗电量。吨百电耗与装置效率的关系是：et•100m＝1/（3.67ηw•ηd•ηM•ηg），式中吨水百米电耗et•100m，电网效率视为常数ηw，电机效率ηd，水泵工况效率ηM，管路效率ηg。装置效率愈高，吨百电耗愈低。吨百电耗特性（如图1）的特征告诉我们，在装置可用的流量范围内，吨百电耗随流量增加而降低（电机负荷不超载的前提下）。按电机允许效率0.9~0.93，水泵效率0.70~0.75，管路效率0.95~0.96，则总效率为0.5985~0.6696，即et•100m应在0.407~0.455Kwh范围为正常值。在装置运行过程中，由于多种因素的影响，可能使特性恶化，装置效率下降，吨百电耗上升，造成不应有的损失。当吨百电耗超过正常值时必须考虑对现有装置进行有效维护，努力保持装置高效运行，或对现有装置采取某些措施，改造其特性，提高其效率。因此，在运行中维护和改善装置的特性是保障装置可靠和经济运行的重要方向。现就维护和改善排水装置性能，降低吨百电耗谈谈看法。
1维护水泵性能的途径和措施。
影响水泵特性的主要因素是转速、结构、尺寸和装配质量。
1.1稳定水泵转速，保证装置正常出力。
异步电动机与水泵配套成水泵机组后不会保持额定转速运行，而是随着工况朝着大流量方向移动的同时，转速逐步下降。多数水泵机组在其工作范围内的转速都能达到或超过额定转速，但变化量很小，所以在实际工程中可以不加以考虑。
然而，由于供电电压的波动，对水泵机组转速影响较大，电压下降转速也随之下降，其特性将按比例缩小。
即：H/Hˊ＝（n/nˊ）2，Q/Qˊ＝n/nˊ，N/Nˊ＝（n/nˊ）3。
所以应努力保持电压在充许值范围内变动。
1.2检查水泵叶轮、叶片磨损情况，及时更换损坏叶轮。
水泵的叶轮是决定其特性的关键部件。由于水中固体颗粒的作用，长期运行后的水泵叶片出口边缘被磨损，致使出口角发生变化。磨损造成出口角加大后可能引起特性曲线的变化趋势。出口角β2愈大，特性愈平稳，而零流量时扬程则与出口角β2无关（如图2）。
叶片出口边缘背面磨损后的情况类似于削薄叶片背面，结果可能在额定流量范围内增加扬程。
叶片磨损后还会使叶片出口宽度加大，其流量将按如下规律变化：
Qˊ＝Q（b2ˊ/b2）1/2。所以叶片的磨损在一定限度内吨百电耗不会有增加的可能，但叶轮磨损致水头不足或叶片磨损到扬程不足时须更换叶轮。
1.3减少各种损失，提高水泵效率。
水泵的效率是水力效率ηh，容积效率ηo，机械效率ηm三者之积，其中每一项都取决于相应的损失∑⊿H、∑⊿Q、∑⊿Nm，掌握影响各项损失的有关因素对于维护水泵的特性有重要意义。
1.3.1水力效率决定于水力损失（ηh＝1－∑⊿H/HT），水力损失包括摩擦、冲击和涡流损失。这些损失是水在叶轮和各通流部件运动时由于边壁摩擦，过流断面形状和尺寸的改变而引起的水流速度大小和方向的变化所致。
据资料分析表明，水力损失主要发生在叶轮和随后的通流部件中。比转速ns＝90的分段式多级水泵一级模型水力损失分布情况（如图3）显示，占了总损失的一半，其中包括水进入叶轮入口时运动方向与叶片入口方向不一致而产生的冲击损失和涡流损失以及叶轮内的摩擦损失。在水泵运行过程中，叶轮叶片间道壁面挂污减少了有效过水断面，引起附加水力损失。新配叶轮内壁没有清除的毛刺和铸造缺陷等都是加大损失的原因。
特別值得注意的是装配水泵时由于叶轮出口与导水圈吻合不当而造成的水力损失对水泵特性和效率的影响较大。从损失分布情况可知，即使装配无误，这部分损失约11％。
由导水圈向返水圈翻转的过程中，水力损失占了22％左右，清除此流道中的飞边、毛刺等铸造缺陷，水泵效率可有较大的提高。
出水段中的水力损失包括出口、扩散段、转弯处的冲击和涡流损失，摩擦损失和出口损失等。由于水在该通流部件中的流速较大，故水力损失较大。水力损失直接影响水泵的水力效率，而水力效率还与水泵的流量大小有关，资料分析表明，流量愈大的水泵，其效率愈高。
1.3.2容积效率决定于容积损失（ηo＝1－∑⊿Q/QT），容积损失包括大口环、小口环的循环流损失，通过密封填函和平衡盘的泄漏损失。口环是易损件，按使用说明书要求定期检查和更换是维护原水泵特性的重要措施。对密封填函的泄漏损失的控制，我们可以通过调整其压盖压紧的均匀程度，使水滴保持均匀外滴，同时对磨损、老化的填料及时更换。定期检修和更换平衡盘平衡环是保持正常平衡间隙的有效措施。
1.3.3机械效率决定于机械损失（ηm＝1－∑⊿Nm/N），机械损失包括叶轮、平衡盘的盘面对水的摩擦损失，轴承、填料等摩擦消耗的功率损失。
叶轮、平衡盘的盘面对水的摩擦损失属于转盘摩擦损失，直径为D，转速为n的园盘两个侧面的摩擦损失功率为⊿Nm1＝kn3D5。资料表明此项损失还与转盘侧壁以及泵体内壁的表面粗糙度有关。有关资料还指出，铸铁水泵壳体的粗糙表面涂油漆后，此损失减少16~20％，转盘侧壁磨光后，损失减少13~20％，严重生锈的铸铁盘面比新加工的盘面的功率损失大30％。轴承和填料的摩擦损失功率占比例小，前者与轴承型式和润滑情况有关，后者与填料压紧程度有关，两项损失之和约占轴功率的1~3％。
1.4采取有效措施,防止叶轮流道堵塞。
由于矿井水仓或沉淀池的功效不足和入水口拦截漂浮物措施不力，不少矿井出现污泥及木屑杂物不同程度的堵塞水泵流道的现象。资料分析表明，在管道特性不变的情况下，随着叶轮流道堵塞程度的发展，水泵特性曲线显示其扬程曲线内缩，效率特性朝着流量减少方向移动，工况点沿管路特性曲线向流量减少方向滑移。为此，应尽可能将水中的木屑拦阻在水泵装置以外，尽量加强污水的沉淀措施，减少煤泥等在矿井水中的含量，从而减少堵塞的可能性。
2维护和改善装置吸水性能。
水泵汽蚀特性是以必需汽蚀余量NPSHR值为标志的，该值决定了充许吸上真空度Hs的大小及其与流量的关系Hs（Q）。因而保持NPSHA值是维护水泵原有吸水特性的关键。水泵的NPSHR值主要决定于首级叶轮进口的几何和流动参数。通常扩大叶轮进口通流面积，增加内缘处叶片的宽度，降低进口流速，有保证不发生预旋的进口流形，较小的β1角，适当的冲角和叶片数，以及这些参数的合理匹配，都可以降低NPSHR值，改善水泵的汽蚀性能。
对我们使用者来说，重要的是要尽量澄清矿井水，减少叶轮进口的磨损，以维护原有汽蚀性能。自购或自修叶轮时，尤其要注意保持进口处的原有尺寸和形状。
就排水装置而言，我们应尽量取得较大的有效汽蚀余量NPSHA，以满足不发生汽蚀的条件：有效汽蚀余量NPSHA＞必需汽蚀余量NPSHR。
NPSHA＝（Pa－Pv）/ρg－Hx－⊿Hx
取得较大的NPSHA，要么减少进水线上的水头损失⊿Hx，要么降低吸水高度Hx，而⊿Hx＝[（8×0.021）/π2g]×[（Lx＋Ldx）/dx5.3]Q2，减少⊿Hx的措施是增加dx，减少Lx和Ldx。
2.1进水管直径由dx改变为dxˊ，水头损失⊿Hx由改变到⊿Hxˊ，改变前后的变化率可以表达为：
⊿(⊿Hx)＝(⊿Hxˊ－⊿Hx)/⊿Hx＝(dx/dxˊ)5.3－1
由此可见，加大进水管直径，可以大幅度降低水头损失。
2.2进水管长度Lx有限，所以靠改变Lx来降低水头损失不会有多少效果。
2.3进水线上局部管件的损失系数直接决定等值长度Ldx的大小。这些管件包括底阀、过滤器、弯管及收缩管。
目前大多数装置取消了底阀，这无疑降低了水头损失，但更重要的是避免了卡阀造成的汽蚀。
过滤器被堵塞造成的阻力增大也是发生汽蚀的重要原因之一，过滤器的作用只是阻拦非经常出现的大块物质，而小颗粒物质应在进入吸水井之前就沉淀下来。过滤器的通流面积不得小于进水管过水断面积的3倍。
大曲率半径的弯管不仅可以减少自身的水头损失，而且使相邻的收缩管得到较好的均匀来流条件。收缩角较小的收缩管不仅本身水头损失小，而且出流均匀。除此之外，弯管设计不当，若轴线向上倾斜，进水线上最高部位将有空气憋住，此部分空气随周围水压降低而膨胀，占据了通道空间，影响吸水，甚至不能吸水。
还有在操作上还应注意防止外界空气袭入进水管和水泵进水段。水泵进水侧填函，进水管上的真空表接口孔，进水线上各部件的法兰接口都是空气袭入的途径。
此外，应确保水位下限须在过滤器法兰端面以上300~400mm，否则空气有可能穿过水层进入水管。
采用升压泵与主水泵串联，不仅可以避免汽蚀危险，而且可以放心地在装置最大流量下运行，取得可靠和经济两方面的效果，是目前解决矿井排水装置吸水性能不足的有效措施。
3恢复和改善管路的特性。
排水管路是排水装置的重要组成部分，在水泵机组特性不变的情况下，管路特性的变化决定了工况的变化和管路效率（ηc＝1－RTQ2/H）的变化。
3.1维护管路特性。矿井水中含有大量杂质，管路长期使用后，杂质挂在内壁上形成污垢层，管路有效直径减少，致使损失系数增大，管路特性曲线变陡，工况点朝着流量减少方向移动，装置效率下降，吨万电耗上升，造成大量的浪费。为此，必须定期（一般2~3年）组织清理管路一次。
3.2采用管路并联措施。为了增加排水量，降低吨百电耗，我们常采用两条或多条管路并联的联合运行方式。并联等效管路损失系数RTdˊ与诸并联管路段损失系数之间的关系：
n
1/（RTdˊ）1/2 ＝ Σ1/（RTiˊ）1/2
i＝1
即并联等效管路损失系数平方根倒数等于各并聯管路段损失系数平方根倒数之和。
相同长度相同管径的排水管并联时：RTdˊ＝RTiˊ/n2，即并联管路损失系数只等于其中一趟管路单独应用时的n2分之一。
很显然，管路并联后，其管路损失系数下降，因而工况点将朝着大流量方向移动，流量加大，装置的吨百电耗下降，可以实现较好的经济效果。