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通过采取添加提效剂等措施，中国矿业大学教授周福宝带领的团队研发出矿用水环真空泵绿色高效抽采技术——
高耗能一直是制约煤矿瓦斯抽采的一大难题。不过，中国矿业大学教授周福宝带领的团队用5年时间，自主研发的矿用水环真空泵绿色高效抽采技术使瓦斯抽采能耗降幅超出22%，节水效果十分明显。
在5年前的一次煤矿智能抽采方向的学术交流会上，周福宝第一次意识到瓦斯抽采水环真空泵的低效率、高耗能问题亟待解决。
“煤矿通风机的效率要求在70%以上，而水环真空泵的效率很少能达到40%，我感觉很惊讶。”周福宝说，“当时，我们就想着能不能在这方面做点事情。”
水环真空泵以水为工作介质，通过叶轮高速旋转，使水形成水环，水环与叶片形成的气腔产生容积周期变化，进而达到吸气和排气的目的。由于其以水作为工作介质，以等温压缩方式进行气体抽排，具有卓越的安全性、可靠性，因此被广泛应用于煤矿瓦斯抽采系统中。
但水环真空泵有一个较大的缺点：高耗能、低效率。据了解，国内一处大型煤矿瓦斯抽采泵站年耗电费用高达上千万元，耗电量约占煤矿总耗电量的1/4，实际运行效率仅为10%至40%。
我国煤炭资源高效回收及节能战略研究数据显示，2015年，我国每开采1吨煤，平均需要消耗折合9.5千克标准煤的能量，而发达国家仅为2.5千克。这与我国目前节能减排的要求不相适应，煤炭开采需要更加节能高效。
于是，周福宝团队就开始着手研究让水环真空泵更高效节能的方法。
介质改性后能耗降幅超22%
水环真空泵最开始引进的是德国西门子的技术。“改进机械结构比较难。”周福宝表示，他们就另辟蹊径，从改变水环真空泵工作介质入手。
周福宝团队研发了一种复合型绿色高效提效剂，有效降低了水环真空泵的运行功耗。
这种提效剂类似于一种润滑剂，既可以减小水环与泵壁之间的摩擦阻力，又可以改变水的黏度，降低水环的涡旋强度，减少无用功消耗，进而降低总能耗。
水环真空泵绿色高效抽采技术负责人、中国矿业大学博士张一帆介绍，团队在实验室搭建了水环真空泵性能测试平台，可实现瓦斯抽采系统不同运行情况下的动态精准模拟及实时监测。监测数据显示，加了提效剂后，水环真空泵的运行效率由30.33%提高至40.18%，轴功率由55.83千瓦降至45.75千瓦。
该技术在山西潞安集团余吾煤业进行了现场试验。周福宝团队在余吾煤业搭建了特大型水环真空泵节能试验系统，包括功率为800千瓦的水环真空泵、换热设备、气液分离器、进气管路、数据监控及处理系统。
为期10个月的现场试验数据显示，水环真空泵电机的功率由635千瓦降至492千瓦，1台泵1年可节电约125.3万千瓦时。该团队还在余吾煤业改装了2台额定功率为250千瓦的瓦斯抽采泵。运行数据显示，其运行的功率明显降低。
相关部门对已运行装备的检测结果显示，该技术能耗降幅超出22%。
泵站运行功率下降且降低了电机负荷，可以延长电机的使用寿命，瓦斯抽采效率也有所提升。余吾煤业南风井试验数据显示，瓦斯抽气量由每分钟591立方米提高至每分钟598立方米。
据了解，山西省现在地面运行的瓦斯抽采泵有511台，按照每台泵额定功率600千瓦计算，全部进行技术改造后，1年可节电近6亿千瓦时。在全行业推广后，节能、经济效益将更加明显。
1台泵1天省下10吨水
除了给水加提效剂，周福宝团队还开发了地面与井下两种瓦斯抽采模式。
为了散热，以前地面瓦斯抽采泵站的水池都设计成半封闭式。周福宝团队把原有的半封闭式水池循环改为全封闭机组式循环，散热问题则通过强制对流换热来解决。
在以前半封闭式的水池里，水会大量蒸发。改为全封闭机组式循环后，水的蒸发量大大减少。同时，添加提效剂也能在一定程度上减少水的消耗。余吾煤业的试验数据显示，1台瓦斯抽采泵1天能节省10吨水。
现在，我国大多数煤矿都位于内蒙古、山西、陕西地区，这些地方水资源本就十分稀缺。“一些瓦斯抽采泵在郊外抽采瓦斯时，特别是没有自来水管网的地区，需要用车辆运水，成本很高。”周福宝介绍。
同样以山西的511台瓦斯抽采泵计算，如果推广该技术，1年可节省186.5万吨水。
而井下移动瓦斯抽采泵一般体积小、耗水量多、基础设施简单，采用周福宝团队自主研制的气动搅拌溶解装置，对固态提效剂进行充分溶解后，添加到瓦斯抽采泵中即可。
周福宝团队还研发了一套现场参数自动监控系统。该系统可以实时监测提效剂的浓度、运行状况，自动添加提效剂，让瓦斯抽采泵站实现无人值守。
“该技术可以做到瓦斯抽采和节能减排两不误，特别是在节水方面，解决了耗水多的问题，提高了运行效率，不仅具有极大的经济效益，还对节电、节水方面具有重要意义。”在日前召开的现场咨询交流会上，中国工程院院士、安徽理工大学校长袁亮说。
目前，该技术已在欧洲、美国等地申请了国际PCT专利，并获得国内授权发明专利。同时，六盘水市相关部门已与该团队就技术应用转让等进行交流。周福宝介绍，实行该技术改造，不需要企业额外投入资金，团队的技术转让费，按照一定比例从企业节省的费用中抽取即可。
煤与非煤领域均可应用
周福宝介绍，由于该技术针对的是瓦斯抽采泵这一相对通用的设备，新技术的应用前景比较广，除了用于井下瓦斯抽采，还可用于天然气抽采、航天领域以及化工行业等其他非煤领域。
“水环真空泵是从国外引进的，我们就想着，经我们改造后，让它再走出国门。”周福宝说。
在周福宝的指导下，张一帆攻克该技术研发中的多个难题，成功申请了2018年国家公派出国联合培养项目，他将在美国密歇根大学进一步深造。“人才走出去，可以让更多人了解我们的研究。”周福宝说。
对于该技术的进一步研究，周福宝表示，希望能将该技术尽快推广应用到全国各高瓦斯煤矿。如果应用的煤矿数量足够多，他们将计划建设一个全国瓦斯抽采泵站的联网中心。井下瓦斯抽采泵站的运行数据可实时传输到联网中心，技术人员通过大数据等手段，可分析并超前预判瓦斯抽采泵站存在的隐患情况，为煤矿安全生产提供建议。
“我们还打算加强基础理论研究，对于高速旋转剪切流体机理进行更深入的研究。”周福宝说。
