大寶山礦生產(chǎn)供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究

肖敏初,劉曉明

(1.廣東省大寶山礦業(yè)有限公司， 廣東 韶關(guān)市 512128；2.中南大學(xué)， 湖南 長(zhǎng)沙 341000)

對(duì)于礦山相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，企業(yè)技術(shù)人員由于長(zhǎng)期工作在生產(chǎn)第一線，具備現(xiàn)場(chǎng)使用經(jīng)驗(yàn)及故障判斷處理經(jīng)驗(yàn)；而設(shè)計(jì)單位具有強(qiáng)有力的技術(shù)人員和各類手冊(cè)、設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，接觸面也比企業(yè)人員多。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，如果按設(shè)計(jì)院的規(guī)范程序，嚴(yán)格計(jì)算，企業(yè)技術(shù)人員就相對(duì)較弱，同時(shí)也沒有大量的工具書作支撐。對(duì)于公司的技改、革新小項(xiàng)目，可采用簡(jiǎn)便、快捷的計(jì)算方法，粗略判斷選擇，在條件許可時(shí)，與設(shè)計(jì)院溝通，無條件可同制造廠家進(jìn)行復(fù)算選擇。通過簡(jiǎn)便、快捷地計(jì)算供水系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，2010年設(shè)計(jì)了“凡洞生產(chǎn)水改造工程”，2012年設(shè)計(jì)了“凡洞新增工業(yè)給水工程”。

1 設(shè)計(jì)步驟及裝備選擇

1.1 確定用水量

了解現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，合理選擇供水量。該部分要求大量的實(shí)際調(diào)查，根據(jù)實(shí)際工況并結(jié)合近遠(yuǎn)期規(guī)劃和投資要求進(jìn)行確定。設(shè)計(jì)圖紙時(shí)，可采用一并建設(shè)或分期建設(shè)兩種方式。確定用水量后，可計(jì)算供水量，主要考慮：無水池作為緩沖區(qū)，有水池的，計(jì)算選擇小流量的泵；無水池的，一次性考慮大流量的泵。

1.2 選擇供水方式

供水方式有兩種：一種是串聯(lián)供水，另一種是并聯(lián)供水，前者是流量不變，揚(yáng)程相加；后者是揚(yáng)程不變，流量相加[1]。實(shí)際應(yīng)用中，大部分采用后者。如地形限制或管網(wǎng)系統(tǒng)后續(xù)新增許多支路，造成水壓降低，可采用串聯(lián)增補(bǔ)的方式[2]。

1.3 水泵選擇

1.3.1 水泵型號(hào)選擇

水泵型號(hào)選擇首先要滿足用水量、總揚(yáng)程和水質(zhì)情況；其次，在滿足總揚(yáng)程的前提下，應(yīng)盡可能選擇效率高、大流量的水泵，以節(jié)約能源，減少水泵臺(tái)數(shù)，增加供水工作的可靠性；第三是注意所選水泵的“允許吸上真空高度”或“必需汽蝕余量”，使之能滿足抽水水池和泵房配置的高度需求[3]。

1.3.2 水泵揚(yáng)程選擇

揚(yáng)程選擇，涉及到的內(nèi)容較多。揚(yáng)程選擇過小，無法滿足供水，管道出口無流水；揚(yáng)程選擇過大，管道出口壓力較大，對(duì)管及管件可靠性要求高，電機(jī)功率較大，一次性投資建設(shè)和日常運(yùn)行成本也會(huì)較高。揚(yáng)程經(jīng)過一定計(jì)算后確定，可適當(dāng)預(yù)留余量。揚(yáng)程總損失包括沿程阻力損失和局部阻力損失[4]。通常，長(zhǎng)距離主管系統(tǒng)，局部阻力損失僅占沿程阻力損失的8%以下；小廠區(qū)域內(nèi)，局部阻力損失占沿程阻力損失10%～15%；車間內(nèi)，局部阻力損失占沿程阻力損失15%～25%。

1.3.3 水泵電機(jī)選擇

計(jì)算電機(jī)功率采用下列公式：

(1)

式中：N—水泵電機(jī)功率，kW；H—水泵正常運(yùn)行工況時(shí)的最大揚(yáng)程，m；Q—水泵正常運(yùn)行工況時(shí)的最大流量，m3/h；ρ—水的密度，kg/m3；g—重力加速度，9.8 m/s2；η1—水泵抽水工作效率；η2—傳動(dòng)效率，直聯(lián)時(shí)取η2=1，聯(lián)軸節(jié)時(shí)取η2=0.98～0.95；K—功率儲(chǔ)備系數(shù)，當(dāng)Q<20 m3/h時(shí)，取K=1.5，Q=25～80 m3/h時(shí)，取K=1.3～1.2，Q=80～300 m3/h時(shí)，取K=1.2～1.15，Q﹥300 m3/h時(shí)，取K=1.1。

選擇電機(jī)要考慮電機(jī)額定轉(zhuǎn)速與泵的操作轉(zhuǎn)速相配套，在150 kW功率及以上，應(yīng)考慮采用高壓電機(jī)，6 kV電壓，減少電纜截面積和電流。

1.4 主管選擇

1.4.1 主管管徑的選

確定了用水量后，用下列公式計(jì)算主管管徑[5]：

(2)

式中：d′—主管計(jì)算直徑，m；n—向主管輸水的工作水泵臺(tái)數(shù)；q—1臺(tái)水泵的流量，m3/h；v′—主管的經(jīng)濟(jì)流速，隨管徑、管材而定，一般取1.2～2.2 m/s，最大不宜超過3 m/s；π=3.14。

根據(jù)計(jì)算的d′，相應(yīng)查國(guó)標(biāo)中的標(biāo)準(zhǔn)管徑D。一般情況下，水泵吸水管直徑=水泵出口直徑+(25～50) mm。

1.4.2 主管壁厚的選擇

材質(zhì)和工況條件不一樣，選擇有差異。無縫鋼管壁厚可用下列公式計(jì)算：

實(shí)際壁厚=理論壁厚+附加厚度

式中：1.5工作壓力—管道出廠前的試驗(yàn)壓力，kg/cm2；公稱通徑—公稱直徑，mm；允許拉力—在高溫情況下，鋼材的允許拉力，kg/mm2；附加厚度—實(shí)際使用中，考慮腐蝕、安全因素條件下，需另加的厚度，mm。

計(jì)算實(shí)際壁厚后，查手冊(cè)，國(guó)標(biāo)中相近的壁厚，取標(biāo)準(zhǔn)值。實(shí)際操作中，大多數(shù)情況，都是由經(jīng)驗(yàn)決定壁厚，主要是考慮管內(nèi)流體介質(zhì)及用途決定的。

1.5 管件選擇

原則上，采用適用、耐用、方便維修的管件，要考慮材質(zhì)和承受壓力，同時(shí)考慮停泵水錘對(duì)泵、管道的危害影響。停泵水錘指機(jī)組因突然失電或其他原因造成開閥停機(jī)時(shí)，在泵和管道中水流劇烈變化而引起的一種壓力劇變現(xiàn)象[6]。停泵水錘計(jì)算一般采用解析法、圖解法、電算法和簡(jiǎn)易法。前三種方法結(jié)果精確，計(jì)算復(fù)雜；簡(jiǎn)易法是將圖解法、電算法的成果繪制成各種圖表，計(jì)算時(shí)直接查閱各種參數(shù)的方法，簡(jiǎn)易法又包括阿列維法、魁克法、帕馬金算法、劉竹溪算法、富澤清治算法[7]，各種算法各有優(yōu)點(diǎn)，總體來說，帕馬金算法較好。

1.6 其他方面

上述內(nèi)容確定后，進(jìn)行圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，主要注意泵房工藝布置，泵基礎(chǔ)和電機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，管路合理布置，管道安裝原則和測(cè)試方法，設(shè)計(jì)說明等方面。

2 設(shè)計(jì)實(shí)例分析

2.1 礦山現(xiàn)狀調(diào)查

凡洞礦區(qū)職工和家屬約2000人，其中鐵礦、地測(cè)、銅采白班作業(yè)；銅選廠三班作業(yè)。凡洞平均用水量1200 t/d(含部分設(shè)備冷卻水)。

原生活泵房設(shè)在凡洞村管理區(qū)茶場(chǎng)(即梅子坑)，水泵一用一備。

原主管道從生活泵房(標(biāo)高497.6 m )到生活凈化水池(標(biāo)高664.6 m),全長(zhǎng)3.25 km。凈化水池包括1000 t沉淀池，200 t過濾池和500 t儲(chǔ)水池。

豐水期抽水時(shí)間為10 h/d，枯水期抽水時(shí)間為12 h/d。常年采用分點(diǎn)定時(shí)供水；其中鐵礦、地測(cè)每天供水3 h，銅礦每天供水3.5 h,凡洞生活區(qū)傍晚供水1～2 h，各供水點(diǎn)均未設(shè)水表計(jì)量。

2.2 用水量計(jì)算

待公司大開發(fā)項(xiàng)目投產(chǎn)后，定崗職工約1300人(新增約800人，凡洞原有調(diào)崗500人)，凡洞總?cè)藬?shù)約2800人。新采場(chǎng)、選廠每天3班作業(yè)。凡洞管理區(qū)整體搬遷后，無農(nóng)田灌溉。

2009年9月15日，非豐水期實(shí)測(cè)水量1420 t/d。

2002年11月1日國(guó)家頒布城市居民生活用水標(biāo)準(zhǔn)GB/T5033-2002,廣東省定額每人每天用水量為150L-220L。

(1) 按定額標(biāo)準(zhǔn)按220/L.d計(jì)算得出616 t/ d。

(2) 選廠設(shè)備冷卻水以循環(huán)供應(yīng)為主，補(bǔ)充新水較少；考慮采場(chǎng)設(shè)備及運(yùn)輸車輛的冷卻水補(bǔ)充、管路系統(tǒng)的損耗，共需400 t/d。

(3) 考慮基建期及運(yùn)營(yíng)期外來人員約800人，得出用水量為176 t/d。

(4) 考慮其他用水量200 t/d。

綜上所述估算凡洞用水總量為1392 t/d。

2.3 新泵房選址及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水源點(diǎn)：現(xiàn)生活水泵房上游約300 m處的焦子河，泵房標(biāo)高511 m，吸點(diǎn)標(biāo)高約506.6 m。

由于新水源點(diǎn)到凡洞生活用水水池管路過長(zhǎng)，能耗高及水柱阻力大，管損嚴(yán)重，比較老系統(tǒng)數(shù)據(jù)，計(jì)算及選定下列參數(shù)：

(1) 主管徑選擇。由于枯水期水資源有限，白天是集中用水的高峰期等各種因素，流量不能過大； 根據(jù)參考文獻(xiàn)[5]計(jì)算排水管直徑,管路系統(tǒng)主要部分采用DN200×8 mm無縫鋼管，次要部分采用DN200×10 mm無縫鋼管。閘閥、多功能控制閥選擇壓力為2.5 MPa，排氣閥壓力選擇1.6 MPa。

(2) 水泵揚(yáng)程選擇。根據(jù)《給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)(第一冊(cè))》[8]和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算水泵所需的總揚(yáng)程h′=309 m，查手冊(cè)及市場(chǎng)調(diào)查，選擇水泵：多級(jí)清水泵，DM155-30×10，流量155 m3/h，總揚(yáng)程300 m(每一級(jí)30 m,共10級(jí))，功率220 kW，高壓電機(jī)。泵房布置2臺(tái)清水泵，一用一備，一次性加壓到現(xiàn)凡洞生活凈化水池(標(biāo)高664.6 m)。抽水系統(tǒng)采用水位顯示控制儀系統(tǒng)。

(3) 主管走向。走向選擇原則：施工期安裝難度??；減小管損及水柱沖擊力；減小架空及多級(jí)翻山越嶺形成的W型壓力差；盡量少破壞公路及現(xiàn)有設(shè)施，考慮近遠(yuǎn)期規(guī)劃，避免改道[9]。管線走向應(yīng)在新尾礦庫(kù)和近遠(yuǎn)期采掘區(qū)界外。供水管道盡力采取埋地，外露部分采用架空或支架固定防震動(dòng)，中途安裝排氣閥、伸縮節(jié)、排污檢修閥。據(jù)此，管線走向從取水點(diǎn)開始沿520 m等高線緩慢往上延伸到槽對(duì)坑尾礦庫(kù)壩頂567 m(埋管)，再經(jīng)過630 m鐵尾礦平洞(明管)，直到現(xiàn)生活凈化水池(埋管)。全長(zhǎng)約4.4 km。

(4) 考慮枯水期用水量。在泵房處建一座容量800 t儲(chǔ)水池及2座水陂(螺桿水閘式)、沉沙井、引水墻等配套設(shè)施。

2.4 供電線路

供電線路不但要滿足抽水用電，還要考慮尾礦庫(kù)建設(shè)期用電。從凡洞35 kV/6 kV變電站架設(shè)一條架空線路沿槽對(duì)坑尾礦庫(kù)至新水泵房，電壓6 kV，采用水泥電桿方式架設(shè)。

2.5 設(shè)計(jì)完善

設(shè)計(jì)時(shí)，水泵出口支管安裝多功能閥(具有單向、緩沖功能，壓力2.5 MPa)，防停機(jī)水錘作用，試機(jī)后，發(fā)現(xiàn)多功能閥緩慢閉合，延時(shí)1～2 s，停機(jī)水錘瞬間還是對(duì)泵體造成微量沖擊力，如長(zhǎng)時(shí)間使用，對(duì)泵體、基礎(chǔ)螺栓、電機(jī)會(huì)造成一定損壞。改進(jìn)措施：在多功能閥前端的主管新增旋啟式截止閥(壓力2.5 MPa)，主道中部加裝一個(gè)多功能閥(落差大的位置)。

主管中段和尾段各安裝一個(gè)伸縮節(jié)(熱脹冷縮功能)，運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)伸縮節(jié)變形無法有效恢復(fù)，并造成管道局部震動(dòng)，主要原因是瞬間水鍾沖擊造成。后采取加焊固定，特別是各個(gè)轉(zhuǎn)彎處支架加固，試機(jī)后，管道不再震動(dòng)。建議非長(zhǎng)距離外露情況時(shí)，無需采用管道伸縮節(jié)。

3 結(jié) 論

(1) 通過綜合考慮用水量、供水方式、泵類選擇、電機(jī)選擇、管道損失、主道選擇、管件及水錘危害等內(nèi)容對(duì)大寶山礦的供水系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì),并進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)的完善。

(2) 供水設(shè)計(jì)要根據(jù)輸送介質(zhì)和工況情況進(jìn)行選擇，如碰到網(wǎng)絡(luò)狀同時(shí)供水，應(yīng)將每支段沿程損失和局部阻力損失考慮在內(nèi)，否則易造成部分供水點(diǎn)水壓較小或無水可用。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡章地,董 強(qiáng),竇宇雄,等. 董家包磷礦供水施救系統(tǒng)建設(shè)方案[J]. 企業(yè)技術(shù)開發(fā),2013(02):9-10,35.

[2]張土喬,呂 謀,趙洪賓. 供水系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的建模方研究[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2000(04):80-84,99.

[3]曹建國(guó),李士忠,韓敬濤，等. 泉上煤礦污水治理工程及污染減排技術(shù)[J]. 采礦技術(shù),2012,12(6):43-44.

[4]劉建紅. 多級(jí)泵站供水系統(tǒng)運(yùn)行控制方案研究[J]. 給水排水,2009(04):117-120.

[5]許保玖.管道和水泵簡(jiǎn)易計(jì)算法[M]. 北京：中國(guó)建筑出版社,1973.

[6]王 勇. 供水系統(tǒng)水錘數(shù)值計(jì)算及動(dòng)態(tài)模擬[D]. 合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2009.

[7]羅 偉，褚風(fēng)林.停泵水鍾的簡(jiǎn)易算法及算例[J]. 水泵技術(shù)，2004(6).

[8]給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)(第一冊(cè)，第二版)[M]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

[9]岳志朋,張大永,徐 磊. 云南某尾礦庫(kù)水文地址工程地質(zhì)調(diào)查[J]. 采礦技術(shù),2012,12(5):85-87.