礦井主排水泵喘振現(xiàn)象及改善措施的探究

賀仰曉， 張澤平

（同煤集團(tuán)馬脊梁礦， 山西 大同 037001）

引言

礦用主排水泵多為多級(jí)離心泵，由于水泵進(jìn)氣、氣蝕等因素引發(fā)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中出現(xiàn)振動(dòng)、噪音現(xiàn)象，性能上表現(xiàn)為設(shè)備運(yùn)行效率降低、水泵揚(yáng)程與過(guò)流量出現(xiàn)明顯下降，我們稱(chēng)之為水泵的喘振故障。水泵產(chǎn)生喘振現(xiàn)象后內(nèi)部受到水力沖擊作用加大，會(huì)對(duì)水泵各過(guò)流元件造成極大損傷，出現(xiàn)金屬疲勞、表面缺陷甚至部分剝落，一旦水泵葉片出現(xiàn)上述損傷，會(huì)嚴(yán)重影響水泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)。水泵喘振現(xiàn)象還會(huì)導(dǎo)致流體中有害氣體提前析出，對(duì)金屬表面進(jìn)行腐蝕[1-2]。為此加強(qiáng)對(duì)礦井主排水泵的運(yùn)行工況的監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)振動(dòng)和噪音現(xiàn)象，能夠有效確保水泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)效率和井下排水工作的正常進(jìn)行。

1 排水泵喘振現(xiàn)象原因

1.1 進(jìn)氣現(xiàn)象

水泵運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程受到多種因素影響，少量空氣會(huì)伴隨水流進(jìn)入水泵泵體內(nèi)部，被帶入的空氣受到流體的液體壓力，在葉輪低壓處會(huì)進(jìn)行膨脹，而被帶入高壓處會(huì)被壓縮，體積縮小而壓力升高，形成小范圍的高壓區(qū)，該過(guò)程會(huì)不斷受到泵體內(nèi)部流體的狀態(tài)而不停發(fā)生變化，這類(lèi)泵體內(nèi)部的體積變化會(huì)影響到流體低壓時(shí)的真空度，降低排水泵吸水能力。壓力變化還會(huì)對(duì)泵體本身產(chǎn)生沖擊作用，致使離心泵出現(xiàn)振動(dòng)和噪音，此時(shí)水泵的揚(yáng)程、流量以及機(jī)械效率都會(huì)受到影響。

1）液體降落進(jìn)氣。礦井排水系統(tǒng)需要井下排水先匯入水倉(cāng)內(nèi)，再通過(guò)主排水泵抽出輸入至地面進(jìn)行處理，這就構(gòu)成了一個(gè)水體循環(huán)流動(dòng)系統(tǒng)。井下排水匯入水倉(cāng)前，會(huì)由高處落下，沖擊作用會(huì)將一部分空氣攜帶至水體，當(dāng)沖擊所產(chǎn)生的所有能力全部消耗完，進(jìn)入水體的氣體會(huì)逐步釋放，水體需要進(jìn)行一定時(shí)間的靜置，才能釋放大部分空氣。由于設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地等因素，水倉(cāng)深度和體積會(huì)存在一定限制，水倉(cāng)深度過(guò)低，水體流量過(guò)大，氣體尚未完全釋放就被帶到泵體進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)部[3-4]。

2）蝸旋進(jìn)氣。排水泵循環(huán)吸入過(guò)程中，液位急劇下降，會(huì)沿吸水口中心形成漩渦，這種渦流現(xiàn)象會(huì)攜帶一定量空氣伴隨水流進(jìn)入泵體及循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)。而空氣進(jìn)入泵體對(duì)系統(tǒng)造成的影響與上述情況是一致的。這種情況多是由于水井水位過(guò)低，水泵進(jìn)水口設(shè)置過(guò)淺造成的。還有極個(gè)別情況是由于進(jìn)水管出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象造成的。

1.2 氣蝕現(xiàn)象

液體在低壓作用到一定程度會(huì)蒸發(fā)膨脹，該狀態(tài)被稱(chēng)為飽和蒸氣壓，而壓力增加到一定程度會(huì)再次轉(zhuǎn)化為液體。在水泵運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，低壓區(qū)部分液體受到壓強(qiáng)到達(dá)飽和蒸氣壓形成氣泡，通過(guò)葉輪高壓區(qū)受壓力影響再次變?yōu)橐后w，這一過(guò)程中體積的急劇變化會(huì)導(dǎo)致部分區(qū)域出現(xiàn)小的空洞現(xiàn)象，同時(shí)水流受壓力作用擠壓至空洞處對(duì)水泵內(nèi)部造成沖擊，此時(shí)水泵內(nèi)部再次出現(xiàn)低壓區(qū)域，水流再次出現(xiàn)氣泡直到?jīng)_擊能量完全損耗。為了避免汽蝕現(xiàn)象產(chǎn)生，需要確保水體在入口處受到液體壓力大于發(fā)生氣蝕的飽和蒸氣壓的單位能量，這種相對(duì)余量被稱(chēng)為水泵運(yùn)轉(zhuǎn)的最小汽蝕余量，同時(shí)設(shè)備最小氣蝕余量對(duì)該單個(gè)設(shè)備為定值，并受到水泵結(jié)構(gòu)和其他參數(shù)影響[5]。

2 礦井主排水泵性能曲線的分析

對(duì)礦井主排水泵的喘振現(xiàn)象進(jìn)行分析，通過(guò)研究整個(gè)系統(tǒng)的力學(xué)穩(wěn)定性及排水泵的性能曲線，說(shuō)明整個(gè)管路系統(tǒng)中的流動(dòng)狀態(tài)。水泵出現(xiàn)喘振的頻率范圍基本穩(wěn)定在0.1～10 Hz，在這個(gè)固有頻率內(nèi)水泵出現(xiàn)喘振幾率極大[6]。反應(yīng)在曲線上，主排水泵的工作點(diǎn)會(huì)在形成一個(gè)封閉的曲線，并且呈現(xiàn)逆時(shí)針變化，而工作點(diǎn)會(huì)位于駝峰型性能曲線上升區(qū)域，該段為不穩(wěn)定工作段（圖1為主排水泵的工作點(diǎn)軌跡，圖2為駝峰形性能曲線）。

圖1 主排水泵的工作點(diǎn)軌跡

圖2 駝峰形性能曲線

圖2駝峰曲線中峰值處為最佳工況點(diǎn)K，當(dāng)工況點(diǎn)位于K點(diǎn)左側(cè)，例如A點(diǎn)出水泵靜壓頭大于管路阻力損失，流速和流量會(huì)逐步增加；而位于K點(diǎn)右側(cè)的點(diǎn)，流量和流速會(huì)下降，即水泵靜壓頭會(huì)小于管路阻力值，并呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，直到流量值歸零。這時(shí)以峰值點(diǎn)K點(diǎn)為分界點(diǎn)，左區(qū)為不穩(wěn)定區(qū)，右區(qū)為穩(wěn)定區(qū)。一般情況下水泵系統(tǒng)分為簡(jiǎn)單泵系統(tǒng)和復(fù)雜泵系統(tǒng)。簡(jiǎn)單泵系統(tǒng)揚(yáng)程特征量會(huì)小于管路特征量，即單純從管路系統(tǒng)中不會(huì)因?yàn)閾P(yáng)程曲線趨勢(shì)和工況變化是否出現(xiàn)駝峰，而產(chǎn)生喘振現(xiàn)象。而復(fù)雜泵系統(tǒng)管路設(shè)置有水箱以及其他控制閥，管路主線的控制閥對(duì)流量調(diào)整，導(dǎo)致排水泵的工況點(diǎn)超出揚(yáng)程點(diǎn)就會(huì)發(fā)生喘振現(xiàn)象[7]。排水泵系統(tǒng)中，后段存在儲(chǔ)水罐或儲(chǔ)氣罐等部分形成復(fù)雜系統(tǒng)，并且使用罐體后段節(jié)流閥改變流量時(shí)會(huì)發(fā)生喘振現(xiàn)象。

3 排水泵喘振現(xiàn)象的改善措施

3.1 減少排水泵進(jìn)氣

1）降低水倉(cāng)深度與落水口間落差。排水進(jìn)入水倉(cāng)時(shí)落差不易過(guò)大，否則由于沖擊作用導(dǎo)致水體攜帶大量空氣。

2）確保水倉(cāng)容積。排水進(jìn)入排水泵前在水倉(cāng)內(nèi)部進(jìn)行靜置，可以將水體中氣體逐步析出，確保水體應(yīng)具有0.5 h以上的靜置時(shí)間，需要增加水倉(cāng)的容積來(lái)儲(chǔ)存更多水量。

3）增加水泵進(jìn)水管深度。水倉(cāng)深部的水體含氣量較低，并且不易在管口產(chǎn)生旋流。

4）及時(shí)監(jiān)控水倉(cāng)液位變化情況，避免水位變化量過(guò)大，導(dǎo)致水位過(guò)低接近或低于進(jìn)水管口。

3.2 避免排水泵汽蝕

避免排水泵汽蝕，通常通過(guò)改善排水泵系統(tǒng)管路狀況來(lái)調(diào)整和提高汽蝕余量，盡量降低水泵安裝高度，提高管路管徑，減少管路中不必要的轉(zhuǎn)彎和配件，降低水體溫度減少氣化壓，因此優(yōu)選雙吸泵[8]。

3.3 優(yōu)化排水泵系統(tǒng)措施

1）可考慮將排水泵選取為大葉片的多級(jí)離心式水泵，降低水流在管路中流速。

2）水泵進(jìn)口處盡量設(shè)置誘導(dǎo)輪，或者在吸入口加裝吸入閥，可通過(guò)吸入閥進(jìn)行性能曲線調(diào)整，通過(guò)加大流量使性能曲線臨界點(diǎn)向右上移動(dòng)，相反向左下方移動(dòng)。

3）減少排水系統(tǒng)中流道中表面粗糙度，并且減少管路起伏，降低流動(dòng)過(guò)程的阻力損失。

4）主排水泵壓出側(cè)應(yīng)設(shè)置旁路管，可將壓出的水流重新帶入吸入側(cè)，工作點(diǎn)會(huì)移動(dòng)到駝峰右側(cè)穩(wěn)定區(qū)。

5）選取高強(qiáng)度的過(guò)流元件來(lái)增加其耐久性。