漿料輸送中渣漿泵的選型分析及實(shí)踐

常 亮，楊永光，蘭 天，范吉全

中國寰球工程有限公司北京分公司 北京 100012

在漿料輸送工程應(yīng)用中，質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥80%的干式漿料主要采用車輛或帶式輸送機(jī)輸送，質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜70%的物料多采用渣漿泵作為動力經(jīng)管道進(jìn)行輸送。干式漿料的車輛或帶式輸送機(jī)輸送方案，受項(xiàng)目地質(zhì)和氣象條件影響較大，尤其是在長距離輸送應(yīng)用上，初次投資成本較高。而泵組動力管道輸送方案，受項(xiàng)目環(huán)境和氣象影響較小，是長距離輸送的優(yōu)選。在動力管道輸送方案中，需要基于不同項(xiàng)目應(yīng)用要求，配置不同泵送方案以達(dá)到技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的平衡。短距離低壓力輸送中，多選用離心式渣漿泵，在長距離高壓力輸送中，可選用多級離心式渣漿泵串聯(lián)與高壓隔膜往復(fù)式渣漿泵方案進(jìn)行比選。近年來，國內(nèi)多個項(xiàng)目在長距離輸送中選用了高壓隔膜往復(fù)式渣漿泵方案，國內(nèi)供貨商以及研究單位也對往復(fù)式隔膜渣漿泵進(jìn)行了一定的研究開發(fā)，進(jìn)一步提高了國內(nèi)同類產(chǎn)品的可靠性與經(jīng)濟(jì)性。

針對高質(zhì)量濃度漿料輸送的工程要求，以國外某磷礦項(xiàng)目中高質(zhì)量濃度渣漿輸送應(yīng)用為例，從工藝方案確認(rèn)、泵送方案的選擇以及比較，對渣漿泵在質(zhì)量濃度漿料輸送中的工程應(yīng)用做了簡單的介紹、分析和研究。

1 工程項(xiàng)目應(yīng)用情況介紹

在國外某磷礦項(xiàng)目中，有尾礦輸送應(yīng)用，其尾礦物料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 57%～60%，其輸送要求如表 1、2所列，有如下特點(diǎn)：

表1 磷礦尾礦濃密機(jī)底流Tab.1 Underflow of phosphate tailings thickener

(1) 尾礦距項(xiàng)目廠界超過 3 km，輸送距離較長；

(3) 設(shè)計(jì)出口壓力為 20 a 后尾礦設(shè)計(jì)高度的最大出口壓力，實(shí)際應(yīng)用中出口壓力會隨著工廠運(yùn)行年限從低到高逐年升高；

(4) 設(shè)計(jì)流量為最大流量，實(shí)際運(yùn)行流量需根據(jù)項(xiàng)目運(yùn)行情況調(diào)節(jié)，存在范圍波動。

表2 尾礦泵工藝參數(shù)Tab.2 Process parameters of tailings pump

此類大流量中/高壓力的高質(zhì)量濃度泵送工況的研究對比，已有初步的研究建議，需進(jìn)一步的分析來確認(rèn)技術(shù)方案的合理性與經(jīng)濟(jì)性[1]。

2 選型分析

2.1 離心式渣漿泵方案

2.1.1 應(yīng)用特點(diǎn)

(1) 結(jié)構(gòu)形式簡單，多采用聯(lián)軸器直聯(lián)或皮帶傳動，密封形式以填料應(yīng)用居多，其泵組的安裝、操作以及運(yùn)行維護(hù)都比較方便，且允許調(diào)節(jié)葉輪蓋板與前護(hù)板間隙來改善運(yùn)行工況。可輸送的粒徑范圍廣，可輸送含較大顆粒 (粒徑為 50 mm) 或未經(jīng)研磨的較尖銳顆粒的物料。

(2) 離心式渣漿泵泵送能力較大，Warman AH 臥式渣漿泵型譜如圖 1 所示，單泵輸送能力可達(dá) 5 000 m3/h，但泵送揚(yáng)程上限較低，單泵揚(yáng)程低于70 m。

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圖1 Warman AH 渣漿泵型譜Fig.1 Spectrum of Warman AH slurry pump

因泵轉(zhuǎn)速提高會顯著降低過流部件的使用壽命，有試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，磨損強(qiáng)度與轉(zhuǎn)速呈現(xiàn) 5 次方的關(guān)系[2]，為了得到合適的泵組使用壽命，工程應(yīng)用中渣漿泵轉(zhuǎn)速小于1 000 r/min。

(3) 離心式渣漿泵的 HR/ER

離心式渣漿泵的揚(yáng)程、效率受漿料特性影響，會出現(xiàn)不同程度的損失，并且隨著漿料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，揚(yáng)程及效率損失也會增大[3]。揚(yáng)程修正系數(shù)

效率修正系數(shù)

式中：HS為漿體揚(yáng)程，m；HW為清水揚(yáng)程，m；ES為漿體效率；EW為清水效率。

漿料特性與揚(yáng)程修正系數(shù)的關(guān)系曲線如圖 2 所示。由圖 2 可知，漿體物料特性中d50、物料流量、密度對HR/ER都有影響；在料漿應(yīng)用中，HR可達(dá)0.6[4]。

圖2 漿料特性與揚(yáng)程修正系數(shù)的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship curve of slurry features and lift correction coefficient

2.1.2 方案擬選

基于離心式渣漿泵的應(yīng)用特點(diǎn)，對尾礦應(yīng)用要求為：

(1) 單泵流量可以滿足，但單臺離心泵出口壓力無法滿足泵送要求，需要多臺離心式渣漿泵進(jìn)行串聯(lián)增壓輸送，且由于出口壓力波動范圍大，泵組的實(shí)際運(yùn)行流量較難調(diào)節(jié)。

(2) 基于此高質(zhì)量分?jǐn)?shù)物料特性，離心式渣漿泵的揚(yáng)程及效率受影響較大，能耗較高。

(3) 多級串聯(lián)后磨損部件較多，尤其是對于末級的離心式渣漿泵，承載的軸向載荷較大，軸承等部件的使用壽命會大幅降低。

離心式渣漿泵串聯(lián)的方案是可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用需求的，但預(yù)期在操作運(yùn)行、能耗對比以及運(yùn)行維護(hù)中，相較于往復(fù)式泵組存在一定的缺點(diǎn)。尾礦濃密機(jī)底流剪切泵型譜如圖 3 所示，選取物料特性相近的泵組作為參照。離心式渣漿泵的泵組方案選取如下：泵組總揚(yáng)程H總＝Pd-(Ps/ρ)=392 m；取單泵揚(yáng)程H＝65 m，共需要 392/65≈6 級離心式渣漿泵串聯(lián)。泵轉(zhuǎn)速為 920 r/min，可選用額定轉(zhuǎn)速為 900 r/min 變頻電動機(jī)直連驅(qū)動。泵效率為 65%，效率修正系數(shù)為 100%～ 7.95%＝92.05%，揚(yáng)程修正系數(shù)為 100%～ 2.06%＝97.94%。單泵軸功率

圖3 尾礦濃密機(jī)底流剪切泵型譜Fig.3 Spectrum of shearing pump for underflow of tailing thickener

按照離心式渣漿泵選型建議，電動機(jī)功率系數(shù)為1.15～1.20，則單泵裝機(jī)功率≥362 kW，選擇電動機(jī)額定功率為 375 kW。以 6 臺泵為 1 組，共配置 12 臺離心式渣漿泵，2 臺中壓變頻器 (375 kW，用于串聯(lián)泵組的最后 1 臺離心式渣漿泵，用于一定范圍內(nèi)的流量調(diào)節(jié))。6 臺離心式渣漿泵 20 年的能耗 (按照設(shè)計(jì)工況 8 000 h 運(yùn)行)

P20＝泵組軸功率×年運(yùn)行時間×設(shè)計(jì)使用年限＝(314.85×6)×8 000×20＝302 256 000 kW·h。

2.2 往復(fù)式隔膜泵

2.2.1 應(yīng)用特點(diǎn)

(1) 結(jié)構(gòu)型式較離心式來說相對復(fù)雜，運(yùn)行維護(hù)的要求較高。

典型的隔膜泵工藝 PID 如圖 4 所示。隔膜泵主要由隔膜腔、動力傳動端、齒輪箱及驅(qū)動電動機(jī)組成。其使用隔膜將漿體與機(jī)械部件隔離，以液壓油傳遞動力驅(qū)動隔膜，減少了部件的磨損。受限于泵特性及隔膜材質(zhì)，隔膜泵僅適用于輸送經(jīng)研磨后較細(xì)顆粒的漿料 (粒徑分布在 1 mm 以內(nèi)[5])，不適用于輸送粗、尖銳顆粒。隔膜泵組輔助系統(tǒng)多，控制邏輯復(fù)雜，設(shè)備的初次投資成本大，安裝及運(yùn)行維護(hù)要求高。

圖4 典型的隔膜泵工藝 PIDFig.4 Typical PID for diaphragm pump

(2) 隔膜泵輸送能力有限，單泵能力輸送＜800 m3/h (受限于曲軸箱的軸承設(shè)計(jì)與制造)，出口壓力可以達(dá)到 20 MPa，隔膜泵性能受物料特性影響小，機(jī)械效率較高，可達(dá) 90%。隔膜泵流量調(diào)節(jié)范圍廣(不考慮沉降流速)，通過變頻器，泵效率可達(dá) 10%～100%，但需要考慮驅(qū)動齒輪箱的最低許用轉(zhuǎn)速以及物料的沉降流速，當(dāng)流量降低時不會增加泵組部件的磨損。

(3) 隔膜泵對于吸入壓力有一定的要求，需校核是否設(shè)置前置增壓泵。

2.2.2 方案擬選

基于往復(fù)式隔膜泵的應(yīng)用特點(diǎn)，對尾礦應(yīng)用要求為：

(1) 單泵可以滿足物料輸送的流量/壓力要求，通過變頻器流量調(diào)節(jié)范圍較廣；

(2) 泵的運(yùn)行效率較高，同類型泵組效率可達(dá) 91%～ 94%；

(3) 主要磨損部件為泵組進(jìn)出口閥門及隔膜，相較于離心串聯(lián)泵組，磨損部件少；

(4) 有前置入口壓力需求，經(jīng)與某廠商，其在額定工況要求下，入口壓力約為 0.025 MPa。基于此要求，需設(shè)置前置增壓泵，滿足往復(fù)泵組的入口壓力要求。

最終配置往復(fù)式隔膜泵方案為：2 臺多泵頭往復(fù)式隔膜泵 (一用一備) 流量為 655 m3/h，軸功率為1 250 kW，電動機(jī)額定功率為 1 450 kW，泵組效率按照 92% 考慮，由齒輪箱+變頻電動機(jī)+變頻器驅(qū)動，泵組由 PLC 控制。2 臺入口離心式增壓泵流量為 655 m3/h，揚(yáng)程為 25 m (滿足隔膜泵最低入口壓力需求)，軸功率為 95 kW，電動機(jī)額定功率為 132 kW。配置 2臺中壓變頻器 (功率為 1 450 kW)，2 臺低壓變頻器 (功率為 132 kW)，2 個 PLC 就地控制柜。以 API 標(biāo)準(zhǔn)對于泵組的設(shè)計(jì)要求 20 a 為期，往復(fù)式隔膜泵 20 a的能耗 (按照設(shè)計(jì)工況 8 000 h 運(yùn)行)P20＝泵組軸功率×年運(yùn)行時間×設(shè)計(jì)使用年限＝(1 250+95)×8 000×20＝215 200 000 kW·h。

2.3 方案比選

離心泵與往復(fù)林隔膜泵方案對比如表 3 所列。通過計(jì)算得出約 5 a 時間可通過能耗差的運(yùn)行成本補(bǔ)足離心泵方案與隔膜泵方案的初次投資成本差異，因此最終選往復(fù)式隔膜泵方案。

表3 離心泵與往復(fù)式隔膜泵方案對比Tab.3 Comparison of centrifugal pump and reciprocating diaphragm pump scheme

3 實(shí)際應(yīng)用

經(jīng)過綜合評標(biāo)比選，選用由荷蘭 GEHO 公司供貨的 TZPM 三泵頭往復(fù)式隔膜泵組，泵組效率為93%，驅(qū)動方式為齒輪箱＋變頻電動機(jī)＋變頻器驅(qū)動，泵組配備液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)，往復(fù)泵組入口配置 2 臺離心式增壓泵，由南非 Weir 供貨。泵組已于2017 年初在項(xiàng)目現(xiàn)場完成了設(shè)備的安裝及調(diào)試，試車情況良好，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，泵組效率達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

在現(xiàn)場設(shè)備試運(yùn)行時選取清水作為試車介質(zhì)，泵組在尾礦排出口無背壓的工況下，首次試車出口壓力約為 1.1 MPa，經(jīng)換算如選用礦漿物料，出口壓力約為 1.9 MPa (考慮物料特性下的管道損失變化)。從 1.9 MPa 到預(yù)期 20 a 后的設(shè)計(jì)使用壓力 6.4 MPa，期間的出口壓力特性變化范圍很大，這種調(diào)節(jié)范圍對離心泵組來說是很難實(shí)現(xiàn)的，且隨著出口壓力的調(diào)節(jié)，離心泵的運(yùn)行點(diǎn)會大幅偏離高效運(yùn)行區(qū)，部件磨損情況也會提高，操作運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性會進(jìn)一步降低。

在工廠前期試車運(yùn)行過程中，尾礦輸送量是基于項(xiàng)目運(yùn)行情況不斷進(jìn)行調(diào)節(jié)的，同樣基于此，離心泵組選用變頻調(diào)節(jié)適應(yīng)項(xiàng)目運(yùn)行工況的特性是低于往復(fù)式隔膜泵方案。

4 結(jié)論

基于工程實(shí)際運(yùn)行情況，對于長距離輸送高質(zhì)量分?jǐn)?shù)渣漿的工況，且存在實(shí)際運(yùn)行工況多變要求的，往復(fù)式隔膜泵在總體上是優(yōu)于多級離心式渣漿泵輸送方案，雖然有著能耗低、維護(hù)成本低等優(yōu)勢，但同時也存在著初次投資高的客觀情況。如果工藝運(yùn)行要求較為穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)離心泵組運(yùn)行情況長期穩(wěn)定運(yùn)行在高效區(qū)；假如工藝運(yùn)行要求實(shí)現(xiàn)階段性的變化，通過階段性的增加串聯(lián)離心泵的數(shù)量，達(dá)到提高離心泵組的可靠性并進(jìn)一步降低運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用的目的。建議在實(shí)際運(yùn)行中，可以通過進(jìn)一步細(xì)化方案比選與研究，更好地滿足設(shè)備經(jīng)濟(jì)性與可靠性的平衡需求。