離心式渣漿泵工況點(diǎn)分析及調(diào)節(jié)

周彩霞，吳寶貴

(1.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038； 2.中國(guó)水電基礎(chǔ)局有限公司，天津 301700)

1 前言

離心式渣漿泵由于其允許輸送粒度較大、流量范圍廣、構(gòu)造簡(jiǎn)單、造價(jià)低、重量輕、易于安裝、易于操作等優(yōu)點(diǎn)成為漿體管道輸送系統(tǒng)的重要設(shè)備[1]。渣漿泵的運(yùn)行工況點(diǎn)在合理的工作范圍內(nèi)是保證泵經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)運(yùn)行的重要因素，也是提高其壽命的關(guān)鍵。渣漿泵的運(yùn)行工況點(diǎn)取決于其本身的特性和與之配套的漿體管道特性，它決定了泵的工作流量、揚(yáng)程、效率和所消耗的功率。工況點(diǎn)選擇不當(dāng)，或即使選擇得當(dāng)?shù)蚬ぷ鳁l件發(fā)生變化，都會(huì)導(dǎo)致泵運(yùn)行工況點(diǎn)偏離合理的工作范圍，這種情況下，雖然泵的性能優(yōu)良，但難以使其性能得到充分發(fā)揮，甚至導(dǎo)致整個(gè)輸送系統(tǒng)故障。

2 離心式渣漿泵運(yùn)行工況點(diǎn)的確定

離心式渣漿泵的流量揚(yáng)程特性(Q—H曲線)一定的情況下，其工況點(diǎn)取決于漿體管道的流量揚(yáng)程特性曲線，將離心式渣漿泵特性曲線和管道特性曲線畫(huà)在同一張圖上，兩條曲線的交點(diǎn)就是泵的運(yùn)行工況點(diǎn)[1～2]，見(jiàn)圖1。因此，渣漿泵的運(yùn)行工況點(diǎn)是由渣漿泵特性曲線和管道特性曲線共同決定的，是建立在泵的揚(yáng)程和管道損失揚(yáng)程平衡的基礎(chǔ)上運(yùn)行的。

2.1 離心式渣漿泵特性曲線

一般在產(chǎn)品樣本中給出了渣漿泵的清水特性曲線。離心式渣漿泵在輸送漿體時(shí)，由于固體比重大于水的比重，揚(yáng)程有所折減，另外運(yùn)行時(shí)葉輪受到磨損揚(yáng)程也有所降低，因此，離心式渣漿泵的計(jì)算揚(yáng)程應(yīng)在清水揚(yáng)程的基礎(chǔ)上加以修正，計(jì)算方法如下[3]：

圖1 離心式渣漿泵的運(yùn)行工況點(diǎn)

Hb=HsγkKpKm

(1)

式中：Hb——渣漿泵輸送漿體時(shí)的揚(yáng)程，m；

Hs——渣漿泵輸送清水時(shí)的揚(yáng)程，m；

γk——漿體比重；

Kp——渣漿泵輸送漿體時(shí)的揚(yáng)程降低率；

Km——渣漿泵磨蝕后的揚(yáng)程折減率，可取0.85～0.98，對(duì)于磨蝕性較大、口徑小于或等于100mm的小型敞開(kāi)式泵取小值；對(duì)于磨蝕性較小、口徑較大的大型封閉式泵取大值。

當(dāng)單臺(tái)渣漿泵的流量和揚(yáng)程不能滿足輸送要求時(shí)，需要采取多臺(tái)泵串聯(lián)和并聯(lián)的工作方式。串聯(lián)運(yùn)行時(shí)的合成特性曲線是由同一流量下各串聯(lián)泵的相應(yīng)揚(yáng)程相加得到；并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的合成特性曲線是由相同揚(yáng)程下各并聯(lián)泵的流量相加得到，如圖2和圖3所示。

圖2 2臺(tái)渣漿泵串聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線

圖3 2臺(tái)渣漿泵并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線

2.2 管道特性曲線

把單位重量的漿體通過(guò)管道從進(jìn)口輸送到出口需要的能量稱(chēng)為管道揚(yáng)程[2]，用Hk表示。管道揚(yáng)程由幾何高度、管道沿程摩阻損失、管道局部摩阻損失、泵站內(nèi)管道零件摩阻損失、終端剩余揚(yáng)程組成。漿體管道輸送所需的總揚(yáng)程按下式計(jì)算[3]：

Hk=γkH+Lik+Hj+Hn+Hz

(2)

式中：Hk——漿體管道輸送所需的總揚(yáng)程，m；

γk——漿體比重；

H——揚(yáng)送漿體的幾何高度，m；

ik——管道沿程摩阻損失，mH2O/m；

L——管道長(zhǎng)度，m；

Hj——管道局部摩阻損失，可按管道沿程摩阻損失的5%～10%計(jì)，m；

Hn——泵站內(nèi)管道零件摩阻損失,可計(jì)算確定或每座泵站取2～3m；

Hz——終端剩余揚(yáng)程，每個(gè)排出口可取2～3m。

管道沿程摩阻損失ik可按下式計(jì)算[4]：

(3)

式中：λ——阻力系數(shù)；

v——流速，m/s；

g——重力加速度，m/s2；

D——管道直徑，m；

K——系數(shù)；

Q——流量，m3/h。

將式(3)代入式(2)，則可畫(huà)出管道揚(yáng)程Hk與流量Q的關(guān)系曲線，如圖4，即為管道特性曲線。

圖4 管道特性曲線

3 離心式渣漿泵工況點(diǎn)的調(diào)節(jié)

在生產(chǎn)中常常由于計(jì)算與實(shí)際的誤差、運(yùn)行條件的變化等原因需要對(duì)泵的工況點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)。離心式渣漿泵工況點(diǎn)的調(diào)節(jié)是通過(guò)改變?cè)鼭{泵的特性曲線或改變系統(tǒng)的管道特性曲線甚至同時(shí)改變?cè)鼭{泵特性曲線和管道特性曲線，使渣漿泵的工況點(diǎn)符合實(shí)際需求。當(dāng)離心式渣漿泵運(yùn)行工況與實(shí)際需求相差不大時(shí)，可采用下述方法進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)[1～2]。

3.1 節(jié)流

節(jié)流是通過(guò)適當(dāng)關(guān)閉離心式渣漿泵出口閥門(mén)，通過(guò)關(guān)小閥門(mén)產(chǎn)生的局部阻力使管道特性曲線變陡，進(jìn)而使工況點(diǎn)向流量減小的方向移動(dòng)，如圖5所示。

圖5 離心式渣漿泵節(jié)流調(diào)節(jié)特性曲線

節(jié)流調(diào)節(jié)是最原始的調(diào)節(jié)方式，該方法只能使泵的流量由大變小，是不經(jīng)濟(jì)的，且由于管道阻力變大，閥門(mén)磨損很快，只適用于調(diào)節(jié)量微小的情況，不適合漿體輸送。

3.2 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速

根據(jù)離心泵的比例定律，改變轉(zhuǎn)速后離心式渣漿泵的流量Q2、揚(yáng)程H2、功率N2按下式換算：

(4)

(5)

(6)

式(4)～式(6)中Q、H、N下標(biāo)1表示轉(zhuǎn)速為n1時(shí)的參數(shù)，下標(biāo)2表示轉(zhuǎn)速為n2時(shí)的參數(shù)。

調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速可以采用各種電力調(diào)速方法和機(jī)械調(diào)速方法，但渣漿泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，應(yīng)在產(chǎn)品樣本給定的范圍內(nèi)進(jìn)行，不宜超出范圍過(guò)大，以免效率降低過(guò)多或者機(jī)器部件不能適應(yīng)。

3.3 切削葉輪

根據(jù)離心泵的切割定律，一般的離心式渣漿泵切削葉輪后的流量Q′、揚(yáng)程H′、功率N′按下式換算：

(7)

(8)

(9)

切削葉輪的方法簡(jiǎn)單易行，但調(diào)節(jié)范圍有限，不能進(jìn)行隨機(jī)調(diào)節(jié)，不能降低能耗，且一般葉輪切削量不超過(guò)原直徑的20%。

4 工程實(shí)例

4.1 工程概況

某改造項(xiàng)目新建的漿體輸送泵站配置渣漿泵4臺(tái)，2臺(tái)串聯(lián)為1組，2組同時(shí)使用，單臺(tái)泵流量1 850m3/h，清水揚(yáng)程45m，電機(jī)額定功率500kW，供電電壓6kV。泵站配套的漿體輸送管路采用DN800鋼管，管線長(zhǎng)7km。泵站配置見(jiàn)圖6。

圖6 漿體輸送泵站配置示意圖

該泵站在帶料試車(chē)時(shí)，依次開(kāi)啟1組1段泵、2組1段泵，再依次開(kāi)啟1組2段泵、2組2段泵，每次開(kāi)啟到1組2段泵或2組2段泵時(shí)就發(fā)生系統(tǒng)過(guò)負(fù)荷跳閘的現(xiàn)象。

4.2 原因分析

引起泵站系統(tǒng)過(guò)負(fù)荷跳閘的原因有多種，比如電機(jī)功率不夠或電機(jī)質(zhì)量問(wèn)題、選型問(wèn)題、機(jī)械問(wèn)題、安裝問(wèn)題、供電問(wèn)題、操作管理問(wèn)題等[2，5]。

對(duì)以上問(wèn)題逐一進(jìn)行排查后發(fā)現(xiàn)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與渣漿泵的轉(zhuǎn)速不同，廠家提供的滿足輸送系統(tǒng)要求的渣漿泵轉(zhuǎn)速為530r/min，而所配電機(jī)轉(zhuǎn)速為595r/min，由于渣漿泵與電機(jī)為直接連接，故啟動(dòng)后，渣漿泵實(shí)際是按595r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，已經(jīng)偏離了設(shè)計(jì)的流量揚(yáng)程特性曲線，實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)也隨之發(fā)生了較大變化。

4.3 渣漿泵運(yùn)行時(shí)的工況點(diǎn)計(jì)算

為了進(jìn)一步驗(yàn)證渣漿泵實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)的變化是導(dǎo)致泵站系統(tǒng)過(guò)負(fù)荷跳閘的主要原因，做出輸送系統(tǒng)的漿體管道流量揚(yáng)程特性曲線如圖7，單臺(tái)渣漿泵的清水特性曲線如圖8，根據(jù)渣漿泵輸送漿體時(shí)的串聯(lián)和并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)特性做出泵站4臺(tái)渣漿泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)的流量揚(yáng)程特性曲線，并與漿體管道流量揚(yáng)程特性曲線相交，即可得出泵站的設(shè)計(jì)工況點(diǎn)和試車(chē)時(shí)的實(shí)際工況點(diǎn)如圖9。渣漿泵系統(tǒng)工況特性見(jiàn)表1。

圖7 漿體管道的流量揚(yáng)程特性曲線

圖8 單臺(tái)渣漿泵清水特性曲線

圖9 泵站渣漿泵系統(tǒng)工況點(diǎn)

工況點(diǎn)總流量m3/h總漿體揚(yáng)程/m系統(tǒng)總功率/kW單臺(tái)泵軸功率/kW設(shè)計(jì)工況點(diǎn)3700911480370試車(chē)時(shí)的實(shí)際工況點(diǎn)45061122220555

由圖9和表1可以看出，試車(chē)時(shí)的實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)較大偏離了設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，實(shí)際流量、揚(yáng)程均大于設(shè)計(jì)工況，單臺(tái)泵的軸功率超過(guò)了電機(jī)的額定功率，系統(tǒng)總功率也超出了供電負(fù)荷，故造成泵站系統(tǒng)過(guò)負(fù)荷跳閘。

4.4 解決方案

根據(jù)前述離心式渣漿泵工況點(diǎn)的調(diào)節(jié)方法，過(guò)負(fù)荷跳閘問(wèn)題有以下3種解決方案。

(1)適當(dāng)關(guān)閉渣漿泵的出口閥門(mén)，將輸送流量減小至設(shè)計(jì)流量。

(2)加設(shè)變頻器或減速機(jī)來(lái)減小電機(jī)轉(zhuǎn)速，使泵工況點(diǎn)回到設(shè)計(jì)工況點(diǎn)。

(3)切削葉輪外徑，將葉輪外徑減小，使泵工況點(diǎn)回到設(shè)計(jì)工況點(diǎn)。

方案(1)操作不便且運(yùn)行時(shí)閥門(mén)磨損太快；方案(2)需增加變頻器或減速機(jī)，由于該泵站使用年限較短，新購(gòu)買(mǎi)變頻器或減速機(jī)不經(jīng)濟(jì)，而且需要增加占地面積或調(diào)整基礎(chǔ)，實(shí)施周期長(zhǎng)；方案(3)比較簡(jiǎn)單易行，葉輪切削量也在允許的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。從經(jīng)濟(jì)、方便、快捷的角度考慮，決定采用切削葉輪的方案。

根據(jù)泵的比例定律，試車(chē)實(shí)際運(yùn)行時(shí)渣漿泵的流量Q實(shí)和設(shè)計(jì)工況時(shí)渣漿泵的流量Q設(shè)滿足以下關(guān)系：

根據(jù)泵的切割定律，葉輪切削前的直徑D和切削后的直徑D′滿足以下關(guān)系：

切削前葉輪外徑為1 027mm，則切割后的葉輪外徑為：

最終，將葉輪外徑切削至920mm，經(jīng)過(guò)切削葉輪后，試車(chē)順利，目前已運(yùn)行兩年，運(yùn)行良好。

5 結(jié)語(yǔ)

離心式渣漿泵的運(yùn)行工況點(diǎn)取決于輸送系統(tǒng)中渣漿泵的特性和與之配套的管道特性，運(yùn)行時(shí)要確保渣漿泵的工況點(diǎn)在設(shè)計(jì)的工作范圍內(nèi)運(yùn)行，當(dāng)偏離設(shè)計(jì)工作范圍時(shí)，可以根據(jù)渣漿泵工況點(diǎn)的調(diào)節(jié)方法對(duì)渣漿泵和管道系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)以滿足運(yùn)行要求。

[1] 王紹周,等.粒狀物料的漿體管道輸送[M].北京：海洋出版社，1998.152-168.

[2] 關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵技術(shù)手冊(cè)[M].北京：宇航出版社，1995.36-49,93-101.

[3] GB 50863- 2013，尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] 《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)參考資料》編寫(xiě)組.尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)參考資料[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1978.714.

[5] 張歡樂(lè).淺析渣漿泵調(diào)試中的問(wèn)題與解決方法[J].企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)，2011，30(20)：108-109.