深海采礦錳結(jié)核泵的試驗研究

唐達生，陽 寧，龔德文，肖 紅，夏建新

(1.長沙礦冶研究院有限責任公司深海礦產(chǎn)資源開發(fā)利用技術(shù)國家重點實驗室，湖南 長沙 410012;2.中央民族大學生命與環(huán)境科學學院，北京 100081)

國外對深海采礦錳結(jié)核泵進行了開發(fā)研究，1978年德國KSB公司研制了2臺6級潛水電泵［1］，泵流量500 m3/h，揚程265 m，功率800 kW，在太平洋C-C區(qū)5 000 m水深獲得了海上試采的成功，共提升錳結(jié)核約800 t。1988年日本荏原制作所羽田工廠設(shè)計制造出用于海上中試的2臺8級離心泵［2］，流量450 m3/h，揚程715 mH2O，功率1 700 kW/1 200 kW，但未經(jīng)海上試驗驗證，其原因不太清楚。2009年5～6月，韓國地質(zhì)資源研究院(KIGAM)研制了1臺2級潛水電泵［3］，泵流量150 m3/h，揚程70 m，功率110 kW，在韓國東海Hupo海港附近水深約100 m進行了模擬結(jié)核水力提升試驗。

我國對礦漿泵、清水泵、射流泵和空氣泵提升等多種揚礦方案進行了試驗研究和技術(shù)經(jīng)濟比較。以上四種方案中，空氣泵提升結(jié)構(gòu)簡單、水下無任何運動部件，但提升效率較低［4］，最大不超過20%。射流泵提升具有與空氣泵提升同樣的優(yōu)點，但提升效率更低［5］，最大也僅12%。清水泵提升錳結(jié)核不通過泵，減少泵的磨損，提升效率較高，但要實現(xiàn)海底高壓給料，給料裝置復雜，可靠性較差。礦漿泵提升工藝簡單，工作可靠，提升效率可達50%以上，雖然錳結(jié)核通過泵會造成泵的磨損及錳結(jié)核的粉化，但磨損和粉化都不嚴重。日本學者研究結(jié)果［6］，錳結(jié)核的磨損是石英砂的1/15，我國進行了提升過程多金屬結(jié)核的破碎與粉化規(guī)律研究［7］，結(jié)果得出經(jīng)過礦漿泵水力提升后-0.105 mm粒級細泥不超過干結(jié)核提升量1.04%，考慮到金屬品位貧化，實際提升過程造成的金屬損失不超過干結(jié)核產(chǎn)量的0.51%。根據(jù)以上分析比較，確定礦漿泵作為海上中試技術(shù)設(shè)計揚礦方案的錳結(jié)核泵。

依據(jù)“大洋多金屬結(jié)核資源研究開發(fā)第一期發(fā)展規(guī)劃”提出的年產(chǎn)300萬噸干多金屬結(jié)核的目標［8］，商業(yè)開采系統(tǒng)采用兩套系統(tǒng)實施。中試系統(tǒng)按商業(yè)系統(tǒng)1∶10，即15萬噸/年，其小時生產(chǎn)能力為30 t/h(干結(jié)核)或43 t/h(濕結(jié)核)，即泵提升能力應(yīng)滿足系統(tǒng)生產(chǎn)能力。錳結(jié)核賦存于5 000 m水深的極稀軟海底沉積物表面，錳結(jié)核粒徑在20～100 mm左右。為了滿足中試采礦系統(tǒng)提升管道對錳結(jié)核粒徑的限制，破碎機將錳結(jié)核破碎到50 mm以下，即泵提升的顆粒粒徑不大于破碎機破碎后的粒徑。如滿足以上采礦技術(shù)要求，通過分析計算，中試系統(tǒng)輸送礦漿流量360 m3/h，揚程600 mH2O，這就要求泵必須具備低流量、高揚程和通過大顆粒的能力。鑒于我國大洋多金屬結(jié)核研究開發(fā)長遠規(guī)劃，考慮到中試多級錳結(jié)核泵的研制難度，泵研制過程分兩步進行，先設(shè)計加工出一臺兩級錳結(jié)核泵，兩級錳結(jié)核泵的結(jié)構(gòu)與中試多級錳結(jié)核泵的結(jié)構(gòu)一樣，兩級錳結(jié)核泵設(shè)計作業(yè)點的技術(shù)參數(shù)［9］，清水流量420 m3/h，揚程80 mH2O，效率60%，額定功率200 kW，額定電壓380 V，額定轉(zhuǎn)速1 450 rpm，輸送粒徑≤50 mm，進行泵性能和各項技術(shù)指標的試驗。在此基礎(chǔ)上進行改進和完善，再設(shè)計加工中試多級錳結(jié)核泵。

1 試驗系統(tǒng)和試驗方法

1.1 試驗系統(tǒng)

為滿足錳結(jié)核泵技術(shù)參數(shù)的試驗要求，采用兩套模擬系統(tǒng)進行試驗［10-11］。一套是高度30 m、管道內(nèi)徑204 mm的閉環(huán)試驗系統(tǒng)，主要是模擬錳結(jié)核開采泵的提升過程;另一套是高度24 m、管道內(nèi)徑204 mm的開環(huán)試驗系統(tǒng)，主要是模擬在提升過程中消耗泵的揚程。圖1為泵性能試驗系統(tǒng)。

圖1 泵性能試驗系統(tǒng)Fig.1 Pump performance test system

閉環(huán)試驗系統(tǒng)包括:供水穩(wěn)壓子系統(tǒng)，由10 m3水箱、Φ100 mm給水管、Φ150 mm溢流管、Φ204 mm穩(wěn)壓管、4 m3穩(wěn)壓水箱和清水泵組成;提升子系統(tǒng)，Φ204 mm提升管和回流管、0.9 m3水包和錳結(jié)核泵組成;給料子系統(tǒng)，由1.6 m3料倉、給料機和液壓控制系統(tǒng)組成;人工標定子系統(tǒng)，由1.5 m3流量標定箱、Φ100 mm回水管路和水槽組成;控制與測量子系統(tǒng)，由200 kW變頻調(diào)速器、流量計、壓力變送器、差壓變送器、電子稱、液壓站、溫度計、轉(zhuǎn)速傳感器和測控柜等組成。

開環(huán)試驗系統(tǒng)包括:提升子系統(tǒng)，由Φ204 mm提升管、0.9 m3水包和錳結(jié)核泵組成;供水給料子系統(tǒng)，由10 m3水箱、1.6 m3料倉和給料機組成;背壓子系統(tǒng)，由Φ204 mm背壓管、倒U型管、9.6 m3背壓補償器、電動球閥和回水管路等組成;控制與測量子系統(tǒng)與閉環(huán)試驗系統(tǒng)相同。

錳結(jié)核泵采用筒裝式整體結(jié)構(gòu)，分上下兩個部分。上部為節(jié)段式兩級泵，兩級泵為高比轉(zhuǎn)速的離心泵類型，葉輪形狀為扭曲型葉片，葉片數(shù)Z=3，按輸送粒徑要求，泵流道(包括吸入殼、葉輪、導葉)內(nèi)最小過流尺寸≥75 mm。下部為環(huán)形格柵通道，通道數(shù)Z'=3，按輸送流速要求，每個通道尺寸為120 mm×90 mm。

1.2 試驗方法

泵性能試驗分兩步進行。

第一步，采用閉環(huán)試驗系統(tǒng)，試驗是指料倉中的錳結(jié)核由給料機通過錳結(jié)核泵和管道再返回到料倉。通過變頻調(diào)速器將錳結(jié)核泵的轉(zhuǎn)速調(diào)至低轉(zhuǎn)速，進行在低轉(zhuǎn)速條件下的礦漿工作特性試驗和提升系統(tǒng)事故停車的礦漿回流能力試驗。

第二步，采用開環(huán)試驗系統(tǒng)，試驗是指料倉中的錳結(jié)核由給料機通過錳結(jié)核泵和管道輸送到背壓補償器，結(jié)核不再返回料倉。通過調(diào)節(jié)電動球閥開度來控制泵出口壓力，進行泵作業(yè)點的礦漿工作特性。

試驗物料采用人工模擬結(jié)核，結(jié)核密度2 000 kg/m3。按我國礦區(qū)錳結(jié)核經(jīng)破碎機破碎后的結(jié)核粒級組成進行配料，根據(jù)經(jīng)破碎機破碎后的錳結(jié)核粒級組成要求，試驗用模擬結(jié)核粒級組成如表1所示。

表1 試驗用模擬結(jié)核粒級組成Tab.1 Nodule particle sizes in the test

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 泵試驗技術(shù)參數(shù)的確定

泵試驗技術(shù)參數(shù)包括流量、揚程、軸功率、有效功率和效率，確定方法如下:

1)泵流量是單位時間內(nèi)排出礦漿的容積，采用電磁流量變送器測量。

2)泵揚程等于泵的出口總水頭與入口總水頭代數(shù)差，采用壓力變送器測量，即:

式中:Hm為揚程，m;H出為出口總水頭，m;H入為入口總水頭，m;H泵為泵出口與入口長度，m。

3)泵軸功率是電機驅(qū)動泵所需功率，由SINAMICS G150變頻器測量確定。

4)泵有效功率可采用下式計算:

式中:Pe為有效功率，kW;ρm為漿體密度，kg/m3;g為重力加速度，m/s2;Qm為漿體流量，m3/h;Hm為揚程，m。

5)泵效率可采用下式計算:

式中:ηm為泵效率;Pb為泵軸功率，kW。

2.2 清水工作特性試驗

試驗采用閉環(huán)試驗系統(tǒng)，在泵轉(zhuǎn)速n=1 450 rpm的條件下進行清水工作特性試驗，流量通過泵出口管路中的閥門開度進行調(diào)節(jié)，試驗流量范圍0～650 m3/h。

圖2為泵清水工作特性曲線。由圖2可以看出，泵清水揚程隨流量的增加而減小，而功率和效率隨流量的增加而增加。為了進行對比，圖中給出了該泵出廠的試驗結(jié)果(試驗流量范圍0～719 m3/h)，兩家清水試驗結(jié)果基本一致。但本院試驗的泵揚程、功率和泵效率略低于石泵的試驗結(jié)果，其泵清水效率最大相對差值為6%，這說明該泵在不同的裝置上進行清水工作特性試驗，其試驗結(jié)果基本相同。

2.3 礦漿工作特性試驗

2.3.1 不同轉(zhuǎn)速下泵工作特性試驗

試驗采用閉環(huán)試驗系統(tǒng)，在泵轉(zhuǎn)速n=1 000 rpm、n=1 200 rpm的條件下進行礦漿工作特性試驗，試驗采用兩組不同模擬結(jié)核粒徑(d≤10 mm、d≤20 mm)，試驗體積濃度 Cv=8%，試驗流量范圍 256.1～461.4 m3/h。

圖3、圖4和圖5分別為兩組不同模擬結(jié)核粒徑組成的泵揚程、功率、效率與流量之間的關(guān)系曲線，同時給出了泵清水工作特性。由圖可以看出:1)兩組不同模擬結(jié)核粒徑(d≤10 mm、d≤20 mm)組成的同一濃度(Cv=8%)，其泵揚程隨流量的增加而降低，泵功率變化不大，而泵效率隨流量的增加而增加;2)在同一泵流量的情況下，兩組不同模擬結(jié)核粒徑(d≤10 mm、d≤20 mm)組成的同一濃度(Cv=8%)，泵揚程和功率隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，而泵效率隨轉(zhuǎn)速的增加而降低;3)對比泵清水工作特性，在泵不同轉(zhuǎn)速的條件下，兩組不同模擬結(jié)核粒徑(d≤10 mm、d≤20 mm)組成的同一濃度(Cv=8%)，其泵揚程、功率和效率十分接近并大于清水。

圖2 泵清水工作特性Fig.2 Pump water operating properties

圖3 揚程與流量關(guān)系曲線(d≤10 mm、d≤20 mm)Fig.3 Relation curve of head and flow rate(d≤10 mm，d≤20 mm)

圖4 功率與流量關(guān)系曲線(d≤10 mm、d≤20 mm)Fig.4 Relation curve of power and flow rate(d≤10 mm，d≤20 mm)

圖5 效率與流量關(guān)系曲線(d≤10 mm、d≤20 mm)Fig.5 Relation curve of efficiency and flow rate(d≤10 mm，d≤20 mm)

2.3.2 泵作業(yè)點工作特性試驗

試驗采用開環(huán)試驗系統(tǒng)，泵作業(yè)點是考核泵工作特性的重要技術(shù)指標之一。泵作業(yè)點工作參數(shù)，泵轉(zhuǎn)速n=1 450 rpm，試驗流量Qm=420 m3/h，試驗體積濃度Cv=8%。

泵作業(yè)點試驗結(jié)果如表2所示，由表2可以看出:1)在同一試驗流量和試驗濃度的條件下，三組不同結(jié)核粒徑(d≤50 mm、d≤40 mm、d≤30 mm)的礦漿，泵揚程、效率隨結(jié)核粒徑的減小而增加，泵功率隨結(jié)核粒徑的減小而降低;2)結(jié)核粒徑d≤30 mm礦漿的泵效率最高，泵效率值為45.5%;3)在試驗濃度和試驗流量范圍內(nèi)，三組不同結(jié)核粒徑組成的錳結(jié)核均可通過泵。

表2 泵作業(yè)點試驗結(jié)果Tab.2 Test results of pump operating point

2.3.3 提升系統(tǒng)突然停車礦漿回流試驗

1)礦漿回流試驗結(jié)果

礦漿回流試驗是考核錳結(jié)核在泵流道內(nèi)的回流能力。試驗采用閉環(huán)試驗系統(tǒng)，試驗是在提升系統(tǒng)正常運行狀況下泵突然停止運行，然后對泵管路進行拆卸，測定泵進口管路、出口管路和流道內(nèi)的結(jié)核量。

試驗采用三組不同模擬結(jié)核粒徑(d≤10 mm、d≤20 mm、d≤50 mm)，試驗體積濃度Cv=5%、Cv=8%。試驗結(jié)果如表3所示，由表3可知:

①在輸送流速為3.57 m/s時突然停泵的條件下，結(jié)核粒徑d≤10 mm(Cv=8%)、d≤20 mm(Cv=5%)，泵進口管路內(nèi)的結(jié)核量分別為74 kg和92 kg，泵出口管路和泵流道內(nèi)均無結(jié)核，說明提升系統(tǒng)礦漿回流時結(jié)核可通過泵。

②在輸送流速為3.06 m/s時突然停泵的條件下，結(jié)核粒徑d≤50 mm(Cv=8%)，泵進口管路內(nèi)的結(jié)核量只有18 kg，泵出口管路、泵流道內(nèi)的結(jié)核量分別為79 kg和72 kg，這說明提升系統(tǒng)礦漿回流時結(jié)核不能通過泵。其原因是礦漿在泵流道內(nèi)回流過程中，粗顆粒之間的相互碰撞使得顆粒沉降速度降低，顆粒聚集使得礦漿濃度增加，從而出現(xiàn)了泵流道堵塞現(xiàn)象。

③結(jié)核粒徑d≤10 mm(Cv=8%)的結(jié)核量小于結(jié)核粒徑d≤20 mm(Cv=5%)的結(jié)核量，這是因為結(jié)核粒徑d≤10 mm的顆粒沉降速度小于結(jié)核粒徑d≤20 mm，突然停泵時，提升管內(nèi)產(chǎn)生瞬間流速，結(jié)核粒徑d≤10 mm顆粒在提升管內(nèi)瞬間流速作用下，部分顆粒由提升管輸送到回流管，使得提升管上部管路是礦漿，而提升管下部管路是清水的原因。

④按礦漿濃度Cv=5%、Cv=8%計算，高度30 m、內(nèi)徑204 mm提升管內(nèi)的結(jié)核量分別是97 kg和155 kg，這與d≤20 mm(Cv=5%)和d≤50 mm(Cv=8%)礦漿回流后的結(jié)核量92 kg和169 kg相當。

表3 礦漿回流試驗參數(shù)Tab.3 Slurry backflow test parameters

2)礦漿回流試驗后的分析處理

為了分析結(jié)核粒徑d≤50 mm(Cv=8%)礦漿回流試驗泵流道堵塞的原因，試驗完成后，對提升系統(tǒng)進行了結(jié)核清理工作，然后進行泵清水試驗。圖6為泵清水轉(zhuǎn)速-流量試驗曲線(為了進行對比，圖中給出了礦漿回流試驗前的清水曲線)，由圖6可以看出:

①在泵同一清水流量情況下，泵清水的轉(zhuǎn)速大于礦漿回流試驗前，這是因為泵流道內(nèi)有結(jié)核堵塞現(xiàn)象。

②為了進一步分析結(jié)核堵塞的原因，對照泵廠的泵清水試驗結(jié)果，將調(diào)節(jié)閥門開度的試驗點繪制在圖中(見圖中“△”號)，該試驗點與礦漿回流試驗后的試驗點十分接近，這完全可以說明泵流道內(nèi)存在粗顆粒結(jié)核。

根據(jù)這一情況，對泵流道內(nèi)進行了結(jié)核清理工作，發(fā)現(xiàn)泵流道內(nèi)確實有粗顆粒結(jié)核，圖7是泵環(huán)形格柵通道與泵吸入端清除的結(jié)核顆粒(質(zhì)量0.57 kg)。清理工作完成后，再次進行了泵清水試驗，試驗結(jié)果一并繪于圖6(見圖中“*”號)，由圖可以看出，泵清水轉(zhuǎn)速-流量曲線與回流試驗前十分接近。

圖6 泵轉(zhuǎn)速與流量清水試驗曲線Fig.6 Relation curve of pump speed and water flow rate

圖7 泵流道內(nèi)結(jié)核Fig.7 Nodules in pump flow channel

3 問題與討論

隨著深海礦產(chǎn)資源開發(fā)利用技術(shù)的發(fā)展，在深海采礦系統(tǒng)中，錳結(jié)核泵具有一定的商業(yè)應(yīng)用前景，已被國內(nèi)外高度重視。我國在中國大洋協(xié)會的支持下，錳結(jié)核泵的開發(fā)研究從無到有，到目前為止，已完成了從揚礦方案論證、提升管道參數(shù)試驗、可行性研究、設(shè)計與制造到實驗室試驗階段。但是，由于本次試驗沒有進行更多組次的結(jié)核粒徑、輸送流量和輸送濃度試驗，尤其是該泵未在動態(tài)條件下試驗和海上試驗驗證。因此，認真分析和總結(jié)已取得的成果和經(jīng)驗，通過本次試驗，有必要對中試錳結(jié)核泵的改進和完善進行討論。

1)泵清水特性。錳結(jié)核泵設(shè)計作業(yè)點清水流量420 m3/h，揚程80 mH2O，功率200 kW，效率60%。由泵清水試驗可知，當泵流量420 m3/h時，清水揚程78 m，功率194 kW，清水效率46%(見圖2)，錳結(jié)核泵的清水揚程和功率與設(shè)計值基本吻合，但泵的效率小于設(shè)計值。如要提高泵效率，其解決辦法是改進泵葉輪和導葉的結(jié)構(gòu)尺寸，以提高泵的水力性能。

2)泵流道。葉輪和導葉是泵的關(guān)鍵部件，葉輪引導水流以最小的損失將輸送顆粒的動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴耗?，導葉收集葉輪的出口漿體輸送到下一級葉輪的進口，將速度能轉(zhuǎn)換為壓能。按渣漿泵設(shè)計經(jīng)驗，葉輪和導葉的最小過流尺寸應(yīng)大于或等于最大顆粒粒徑的1.5倍，將不會發(fā)生顆粒堵塞現(xiàn)象。錳結(jié)核泵輸送的顆粒粒徑≤50 mm，輸送濃度約10%?？梢?，泵流道應(yīng)具有較寬的過流尺寸和較高的能量轉(zhuǎn)換能力，還要考慮礦漿的過流和回流能力。因此，有必要深入研究葉輪和導葉的葉片數(shù)、葉片形狀及空間幾何尺寸。

3)泵環(huán)形格柵通道。錳結(jié)核泵結(jié)構(gòu)設(shè)計采用了礦漿通過電機外部的環(huán)形格柵通道進入泵葉輪，環(huán)形格柵通道的斷面如圖8所示，由圖8可以看出，錳結(jié)核泵3通道(每個通道尺寸為120 mm×90 mm)格柵面積為0.032 4 m2，Φ200 mm管道斷面積為0.031 4 m2，泵環(huán)形格柵通道的斷面積與管道的斷面積相等。當泵輸送清水時，管道流速與環(huán)形格柵通道的流速相等。當泵輸送礦漿時，由于受泵葉輪離心力和軸向力的作用，礦漿可以通過環(huán)形格柵通道進入泵葉輪輸送。但是，當?shù)V漿回流過泵時，泵上部提升管和泵流道的礦漿作自由沉降運動，自由沉降運動的礦漿難以把礦漿均勻分配到3個格柵通道，這就造成了各格柵間的礦漿不均勻沉降，使得某一個格柵通道礦漿濃度局部增大，由此造成該環(huán)形格柵通道粗顆粒堵塞。這正是結(jié)核粒徑d≤50 mm(Cv=8%)礦漿回流難以通過泵的原因，其解決辦法是改進粗顆粒粒徑、輸送濃度與格柵通道的尺寸匹配。

圖8 環(huán)形格柵流道斷面圖(3通道)Fig.8 Annular grid runner section(3 channels)

4 結(jié)語

1)在實驗室構(gòu)建了一套高30 m、內(nèi)徑204 mm，可提供最大管網(wǎng)阻力2.5 MPa的泵礦漿性能試驗系統(tǒng)，試驗方法可靠，測試數(shù)據(jù)精確，滿足了深海采礦錳結(jié)核泵礦漿工作特性的試驗要求。

2)在泵不同轉(zhuǎn)速n=1 000 rpm和n=1 200 rpm的條件下，兩組不同模擬結(jié)核粒徑(d≤10 mm、d≤20 mm)，試驗體積濃度Cv=8%，其泵揚程、功率和效率十分接近并大于清水。在泵轉(zhuǎn)速n=1 450 rpm，試驗流量Qm=420 m3/h，試驗體積濃度Cv=8%，三組不同結(jié)核粒徑d≤50 mm、d≤40 mm、d≤30 mm組成的結(jié)核礦漿可通過泵。但是，結(jié)核粒徑d≤50 mm(Cv=8%)的結(jié)核礦漿回流時不能過泵。可作為中試錳結(jié)核泵的設(shè)計參考。

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