礦用水泵揚(yáng)程的測量方法研究

劉兆瑞

（新疆哈巴河阿舍勒銅業(yè)股份有限公司，新疆 哈巴河縣 836700）

礦用井下水泵承擔(dān)著井下排水的作用，其運(yùn)行效率直接影響了采礦作業(yè)的安全穩(wěn)定性。在長期運(yùn)行過程中，由于采礦作業(yè)環(huán)境的影響，礦用水泵實際運(yùn)作效率也在不斷的變化。依據(jù)《礦用主排水系統(tǒng)安全監(jiān)測檢驗規(guī)范》的相關(guān)要求，對無真空表測量揚(yáng)程方法進(jìn)行了簡單探究。通過礦用水泵揚(yáng)程誤差修正測量，可以有效提高礦用水泵揚(yáng)程測量精度。

1 礦用水泵揚(yáng)程測量原理

礦用水泵揚(yáng)程主要指單位重量流體經(jīng)過水泵所獲得的能量。具體礦用水泵揚(yáng)程主要由泵葉輪直徑、葉輪轉(zhuǎn)速、葉輪彎曲程度等結(jié)構(gòu)參數(shù)決定。在現(xiàn)階段礦用水泵揚(yáng)程測量環(huán)節(jié)，主要綜合考慮單位質(zhì)量水性能水柱高度、水重量、相對壓力、單位質(zhì)量水具有壓能產(chǎn)生水柱高度、管道內(nèi)水流速、單位質(zhì)量水具有平均動能產(chǎn)生水柱高度等因素，進(jìn)行穩(wěn)定流能量方程設(shè)置。即為：1斷面任一點單位質(zhì)量水具有總機(jī)械能產(chǎn)生水柱高度=2斷面任一點單位質(zhì)量水具有總機(jī)械能產(chǎn)生總水柱高度。上述公式表明在流體運(yùn)動環(huán)節(jié)，若假定無水頭損失，則礦用水泵各斷面機(jī)械能項目守恒。這種情況下，1斷面與2斷面的高度差就為礦用水泵揚(yáng)程。而由于實際礦用水泵管路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，其需要在現(xiàn)場測試環(huán)節(jié)進(jìn)行吸水管、壓水管連續(xù)流能量檢測點的增設(shè)，從而保證整體壓差測量的準(zhǔn)確性。

2 礦用水泵揚(yáng)程測量公式

在礦用水泵運(yùn)行環(huán)節(jié)，水泵實際揚(yáng)程為水泵運(yùn)行時排水高度或凈揚(yáng)程與管道水頭損失、進(jìn)出水流速水頭差的和，由于礦用水泵管道流量與管徑具有一致性，則在管道揚(yáng)程計算過程中，管道進(jìn)出水流速水頭差可忽略不計。依據(jù)管道揚(yáng)程計算公式可得，在礦用水泵揚(yáng)程測量計算過程中，需要對管道沿程損失、管道局部損失、管道排水高度進(jìn)行逐步測量。

3 礦用水泵揚(yáng)程測量方式

3.1 礦用水泵揚(yáng)程測試準(zhǔn)備

依據(jù)《礦用主排水系統(tǒng)安全檢測檢驗規(guī)范》的標(biāo)準(zhǔn)檢測方法，需要采用壓力表、真空表，或者壓力傳感器、負(fù)壓傳感器等裝置，進(jìn)行測試真空壓力表或者無真空壓力表的設(shè)置。在運(yùn)行環(huán)境一定的情況下，礦用水泵揚(yáng)程測量人員可同時進(jìn)行壓力表、真空表等流量測量裝置讀數(shù)。由于礦用井下作業(yè)空間的限制，在真空礦用水泵檢測環(huán)節(jié)，管道側(cè)易出現(xiàn)端口無法連接情況，因此在實際測試階段可選擇無真空表測量模式作為礦用水泵揚(yáng)程測量方式。

3.2 礦用水泵揚(yáng)程測量誤差修正及測量

通過對揚(yáng)程計算公式進(jìn)行分析，可得出礦用水泵揚(yáng)程測量誤差影響因素。為了最大限度控制礦用水泵揚(yáng)程測量誤差對礦用水泵揚(yáng)程測量準(zhǔn)確度的影響，可以選某一礦用斷面為基準(zhǔn)，分別進(jìn)行葉輪葉片入口截面、水面截面的合理設(shè)置，在得出吸水管路水頭損失計算公式、吸水管路對揚(yáng)程誤差計算公式后，可得出吸水管路水頭損失=帶真空裝置測量揚(yáng)程-無真空表測量測量揚(yáng)程。吸水管路水頭損失主要依據(jù)水力學(xué)公式進(jìn)行計算，即吸水管路水頭損失=吸水線上直管段阻力系數(shù)×[(吸水管段等值管長+吸水線直管段長度)/吸水管直徑]。

由于礦用水泵揚(yáng)程具有多種檢測措施，且不同檢測方法所得出的相對誤差變化范圍較小，因此測量相對誤差主要由礦用水泵揚(yáng)程決定，且礦用水泵揚(yáng)程與礦用水泵測量相對誤差變化頻率成反比。一般來說，若礦用水泵揚(yáng)程測量總誤差在±3.50%以上，為了保證礦用水泵揚(yáng)程測量準(zhǔn)確度，需要采用適當(dāng)?shù)恼`差修正措施。在具體礦用水泵揚(yáng)程計算過程中，除了需要確定凈管道排水高度，還需要對管道局部水頭損失及管道沿程損失進(jìn)行逐一核算。其中在管道沿程損失計算過程中，可依據(jù)沿程阻力系數(shù)、雷諾系數(shù)與管壁絕對粗糙程度之間的聯(lián)系，進(jìn)行莫迪曲線分析。其中雷諾系數(shù)主要為在20℃時管道內(nèi)流體運(yùn)動粘度與運(yùn)動速度之間的比值，為固定值2.99×105；而礦用水泵管壁絕對粗糙程度可根據(jù)具體礦用水泵材質(zhì)，通過管道材質(zhì)對應(yīng)粗糙度列表得出管壁絕對粗糙度，如在礦用排水管道中常選擇新型冷拔無縫鋼管，其管壁絕對粗糙程度就為0.015mm。同時依據(jù)莫迪曲線運(yùn)行情況，可得出礦用排水水泵管道沿程阻力系數(shù)，即0.0155。

若無法在莫迪曲線中獲得沿程阻力系數(shù)，則可以依據(jù)具體管道構(gòu)件參數(shù)，進(jìn)行管道運(yùn)行沿程阻力系數(shù)計算。在紊流光滑區(qū)域，若雷諾系數(shù)在105-2.99×106之間，則依據(jù)尼古拉茲經(jīng)驗公式，可得出沿程阻力系數(shù)為0.0142；若雷諾系數(shù)大于4×103，則依據(jù)阿里特蘇里經(jīng)驗公式，可得出管道沿程阻力系數(shù)為0.01459。綜合以上數(shù)據(jù)，可得出莫迪曲線計算數(shù)值誤差概率較大，因此可選擇莫迪曲線所得數(shù)值為最大沿程阻力系數(shù)，這種情況下，礦用水泵沿程損失就為0.0155×0.015/100×2.9 9×105=69.5m。

而礦用水泵管道局部水頭損失計算需要依據(jù)實際礦井給排水設(shè)計參數(shù)，結(jié)合生產(chǎn)廠商給定的數(shù)值，即在該礦用水泵管道運(yùn)行過程中，其彎頭彎度為390°，共4個，阻力系數(shù)為0.34；焊接彎管在45°時的直徑為100mm，共8個，阻力系數(shù)為0.33；止回閥直徑為100.00mm，共3個，阻力系數(shù)為0.19；閘閥直徑為100mm，共2個，阻力系數(shù)為1.02。依據(jù)上述數(shù)據(jù)，結(jié)合管道局部水頭損失計算公式，可得出最終管道水頭局部損失數(shù)值，為2.50m。

3.3 礦用水泵揚(yáng)程測量實踐分析

無真空壓差測量方式主要是依據(jù)穩(wěn)定流連續(xù)方程理論，進(jìn)行的壓差測量措施。在礦用水泵揚(yáng)程實際測量過程中，首先可選擇三臺壓力傳感器作為一次儀器，選擇一臺顯示儀器作為二次儀器，在儀器準(zhǔn)備完畢之后，可依據(jù)擴(kuò)散硅壓阻原理，結(jié)合微機(jī)械加工制造技術(shù)，設(shè)定整體壓力測量范圍為0~0.39MPa之間，并采用4~18mA電流信號作為數(shù)據(jù)傳輸頻率。依據(jù)管道運(yùn)行特點，為了保證礦用水泵揚(yáng)程測量作業(yè)順利進(jìn)行，應(yīng)在泵房前池儲備充足的水資源，并在在線監(jiān)測作業(yè)進(jìn)行時，控制其他水泵處于停止運(yùn)行狀態(tài)。在具體單泵揚(yáng)程測量環(huán)節(jié)，可在開啟測量泵閥門的基礎(chǔ)上，通過對相應(yīng)閥門的合理調(diào)控，將管道相鄰段閥門進(jìn)行閉合設(shè)置，結(jié)合電動閥流量調(diào)節(jié)措施，可保證礦用水泵揚(yáng)程在線測量效率。

其次在間隔一定距離的兩個測量端點，分布安裝對應(yīng)的傳感設(shè)備，并采用屏蔽線、顯示儀表進(jìn)行連接。需要注意的是，為了保證礦用水泵揚(yáng)程測量準(zhǔn)確度，需控制礦用管道測量兩點間距離在100~999m之間，便于最終顯示壓力數(shù)據(jù)的合理對比分析，壓力儀表可顯示管道兩點間壓差值在±19.99MPa之間。無真空壓差測量設(shè)備在整體測量過程中，精確度為0.049%FS，其最大允許誤差為0.20kPa。通過無真空壓差測量裝置的使用，可得出吸水管道、壓水管道等不同管道測量點之間的壓差值，進(jìn)而得出對應(yīng)的高程差值。

最后礦用水泵揚(yáng)程測量數(shù)據(jù)核算。為了保證礦用水泵揚(yáng)程數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，可采取每個數(shù)據(jù)多次讀數(shù)的方式，間隔2min讀取一次數(shù)值。然后結(jié)合不同工況相對運(yùn)行誤差2.50m、69.5m，利用進(jìn)出口壓力差與出水管、進(jìn)水管內(nèi)徑數(shù)值，可獲得對應(yīng)水泵實際揚(yáng)程數(shù)值。假定該礦用水泵排水高度為300m，長度為1059m，直徑為100.00mm，流量為84m3/h，且整體管道用材質(zhì)為新型冷拔無縫鋼管，排水管徑為4寸，則該礦用水泵在抽排作業(yè)環(huán)節(jié)所需揚(yáng)程為300+69.5+2.50=372.00m。

3.4 礦用水泵揚(yáng)程測量效益評估

通過對某礦排水泵揚(yáng)程測量數(shù)據(jù)評估，可得出不同工況測量點參數(shù)及折算后額定轉(zhuǎn)數(shù)揚(yáng)程誤差，即在揚(yáng)程參數(shù)為1479m3/h時，礦用水泵揚(yáng)程測量相對誤差為0.279%；而在礦用水泵揚(yáng)程參數(shù)為85.6m3/h時，礦用水泵揚(yáng)程測量相對誤差為0.132%。

4 結(jié)語

綜上所述，依據(jù)現(xiàn)場礦井開設(shè)情況，可在對應(yīng)檢測管道一定距離兩點進(jìn)行感應(yīng)設(shè)備安裝，在獲得壓力值后，可利用伯努利方程，得出對應(yīng)管道測量點高度差值，并將各個工況點測量所獲得的數(shù)據(jù)整合，最終得出礦用水泵揚(yáng)程。在這個基礎(chǔ)上，可依據(jù)數(shù)據(jù)擬合原理進(jìn)行額定環(huán)境揚(yáng)程特征曲線繪制。通過額定環(huán)境水泵揚(yáng)程特征曲線與以往特征曲線對比分析，可得出礦用排水系統(tǒng)效率及噸水百米資源損耗效率影響因素，便于進(jìn)行對應(yīng)工況改進(jìn)方案的設(shè)置，以保證礦用排水系統(tǒng)運(yùn)行效率。