在地浸采鈾鉆孔中檢測(cè)潛水泵性能

王亞安，蘇學(xué)斌，張 翀，姚益軒，李學(xué)忠，孫鵬敏，胥國(guó)龍

(1.核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149；2.中國(guó)鈾業(yè)有限公司，北京 100010；3.南方泵業(yè)股份有限公司，浙江 杭州 311100)

砂巖鈾礦是中國(guó)主要的天然鈾資源類型，原地浸出采鈾(簡(jiǎn)稱地浸采鈾)是砂巖鈾礦開發(fā)的首選工藝[1-2]，該工藝具有建設(shè)周期短、生產(chǎn)效率高、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)[3-6]。潛水泵[7-10]是地浸采鈾工藝中最常用的設(shè)備之一，由潛水電機(jī)和單吸多級(jí)立式離心泵通過(guò)聯(lián)軸器連接而成，其作用是從抽液井將浸出液提升到地表并輸送至集控室的浸出液匯流管。作為浸出液的提升設(shè)備，其額定電流、功率、流量、揚(yáng)程等參數(shù)是設(shè)備選型時(shí)須特別關(guān)注的指標(biāo)。

《潛水電泵試驗(yàn)方法》(GB/T 12785—2014)規(guī)定了潛水泵的性能試驗(yàn)方法，要求試驗(yàn)介質(zhì)為清潔冷水或理化性質(zhì)與之相同的液體；試驗(yàn)應(yīng)在電泵淹沒于水中進(jìn)行且保證試驗(yàn)過(guò)程不發(fā)生汽蝕[11-12]；同時(shí)，試驗(yàn)應(yīng)在經(jīng)過(guò)認(rèn)證的制造廠試驗(yàn)臺(tái)或第三方試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。目前市場(chǎng)上不銹鋼深井潛水泵品牌較多，質(zhì)量參差不齊。由于用戶通常缺少《潛水電泵試驗(yàn)方法》所要求的試驗(yàn)平臺(tái)和試驗(yàn)人員，而且標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的檢測(cè)項(xiàng)目和儀器儀表繁多，不便于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，導(dǎo)致用戶無(wú)法對(duì)潛水泵性能進(jìn)行檢測(cè)驗(yàn)收。

部分學(xué)者研究了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)潛水泵性能的可行性。張勝等[13]設(shè)計(jì)了1種潛水泵的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝置，并基于PLC技術(shù)搭載了測(cè)控系統(tǒng)。于淑珍等[14]關(guān)注潛水泵在實(shí)際應(yīng)用時(shí)的性能參數(shù)變化情況，基于LabView建立了水泵性能檢測(cè)專家系統(tǒng)。胡旭曉等[15]針對(duì)整泵出廠試驗(yàn)的檢測(cè)精度提出了總體方案。然而，地浸鈾礦山一直以來(lái)并沒有對(duì)所選潛水泵性能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)驗(yàn)收，從而也不能對(duì)不同品牌型號(hào)的潛水泵進(jìn)行性能比較和客觀評(píng)價(jià)。

鑒于此，筆者提出1種在地浸采鈾鉆孔中、實(shí)際工礦條件下檢測(cè)潛水泵性能的方法，利用礦山常用的設(shè)備材料，集成現(xiàn)代先進(jìn)的檢測(cè)手段，通過(guò)在地浸采鈾現(xiàn)場(chǎng)對(duì)4種品牌的潛水泵進(jìn)行性能檢測(cè)，獲取泵的性能參數(shù)，繪制流量-揚(yáng)程(Q-H)曲線，并與廠家提供的參數(shù)和性能曲線進(jìn)行對(duì)比，為礦山優(yōu)選和精準(zhǔn)配置潛水泵提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)產(chǎn)品

檢測(cè)的潛水泵涉及GF、TW、SD和NF品牌，生產(chǎn)廠家提供的性能參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)用潛水泵廠家提供的性能參數(shù)Table 1 Performance parameters provided by the manufacturer of submersible pump for test

1.2 檢測(cè)系統(tǒng)

流量和揚(yáng)程是潛水泵最重要的指標(biāo)，可通過(guò)流量計(jì)和壓力表獲取。其他參數(shù)如頻率、轉(zhuǎn)速、電流、轉(zhuǎn)矩、輸出電壓、功率等需配備變頻器獲取。因此，在地浸采鈾鉆孔中進(jìn)行潛水泵性能檢測(cè)，檢測(cè)系統(tǒng)至少要包含這3種儀器儀表，并配置地下水水位記錄儀和必要的管線配件。

根據(jù)檢測(cè)目的和實(shí)際運(yùn)行條件，設(shè)計(jì)并搭建了潛水泵性能現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)裝置(圖1)，在某地浸鈾礦山對(duì)前述4種品牌潛水泵進(jìn)行性能檢測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)裝置類似于抽液鉆孔浸出液提升系統(tǒng)，在地表安裝流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥、壓力表、變頻器等，通過(guò)流量、揚(yáng)程(由壓力換算)和變頻器數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)潛水泵性能。提升管的內(nèi)徑為50 mm。

圖1 潛水泵性能檢測(cè)系統(tǒng)安裝示意圖Fig.1 Installation diagram of submersible pump performance test system

1.3 試驗(yàn)步驟

按照以下步驟開展試驗(yàn)：1)設(shè)置地下水水位自動(dòng)記錄儀開始記錄的時(shí)間點(diǎn)和記錄間隔。記錄儀最大量程應(yīng)大于鉆孔內(nèi)記錄儀所在位置到靜水位的高度，一般每間隔1 min記錄存儲(chǔ)1次水位數(shù)據(jù)。2)潛水泵出水口連接提升管，電機(jī)電纜連接潛水電纜，一并下入鉆孔內(nèi)。潛水泵以最大流量抽水時(shí)，地下水可能急劇下降，要保證潛水電機(jī)及水位自動(dòng)記錄儀處于足夠的深度位置。3)提升管連接地表排水管道，順?biāo)鞣较蛞来伟惭b壓力表、調(diào)節(jié)閥、電磁流量計(jì)。排水管平地?cái)[放，將抽出的地下水妥善處置，壓力表和電磁流量計(jì)的量程應(yīng)滿足檢測(cè)要求。4)潛水電纜連接變頻器，再連接380 V供電線，電磁流量計(jì)連接220 V供電線。5)向電器供電，全開閥門，開啟變頻器，在40 Hz左右啟動(dòng)潛水泵試抽水，在確定設(shè)備儀表正常、系統(tǒng)無(wú)泄漏的情況下開始試驗(yàn)；否則應(yīng)重新連接或安裝。6)提高潛水泵運(yùn)行頻率至50 Hz，調(diào)節(jié)閥門開度，從小流量開始逐漸提高流量，對(duì)每個(gè)預(yù)設(shè)的流量點(diǎn)，同步讀取穩(wěn)定的流量、壓力和潛水泵運(yùn)行數(shù)據(jù)。7)提出鉆孔內(nèi)全部檢測(cè)設(shè)施，下載水位自動(dòng)記錄儀數(shù)據(jù)，整理流量-揚(yáng)程(Q-H)數(shù)據(jù)，在廠家Q-H曲線上疊加實(shí)測(cè)的Q-H曲線，對(duì)比分析。

被測(cè)介質(zhì)為地下水，測(cè)試設(shè)備的揚(yáng)程按照公式(1)計(jì)算。

(1)

式中：H—潛水泵揚(yáng)程，m；p—壓力表示數(shù)，MPa；ρ—被測(cè)介質(zhì)密度，kg/m3，取1 000 kg/m3；g—重力加速度，m/s2；H1—水位自動(dòng)記錄儀所在位置到地表的高度，m；H2—水位自動(dòng)記錄儀記錄的水位數(shù)據(jù)，m。

需指出，利用公式(1)計(jì)算潛水泵的揚(yáng)程只考慮了位置水頭和壓力水頭，而沒有考慮速度水頭。因本例中速度水頭對(duì)揚(yáng)程的占比較小(不到2%)，故未考慮速度水頭。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 潛水泵性能檢測(cè)結(jié)果

按照試驗(yàn)流程及步驟，在各泵規(guī)定的流量范圍內(nèi)開展試驗(yàn)，得到了4種品牌潛水泵的性能參數(shù)(表2)。在潛水泵性能中，有額定功率、軸功率和有效功率等概念。為防止概念混淆，現(xiàn)區(qū)分如下：額定功率指潛水電機(jī)的功率，也稱作最大功率；軸功率是電機(jī)通過(guò)軸傳遞給潛水泵的功率，也稱作潛水泵輸入功率；有效功率指液體從葉輪獲得的能量，也稱作潛水泵輸出功率。

表2 試驗(yàn)所測(cè)4種潛水泵的性能參數(shù)Table 2 The performance parameters of four kinds of submersible pumps measured in the test

表2中，轉(zhuǎn)速、電流及有效功率通過(guò)變頻器讀取，轉(zhuǎn)矩根據(jù)公式(2)計(jì)算:

(2)

式中：T—轉(zhuǎn)矩，N·m;Pr—額定功率，kW;n—轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)/min。

結(jié)合表1、表2可知，對(duì)于流量范圍而言，GF產(chǎn)品基本與其出廠參數(shù)一致，為3～18 m3/h；TW產(chǎn)品流量下限為5 m3/h，大于廠家提供的流量下限(0 m3/h)；SD產(chǎn)品測(cè)試所得流量上限為14 m3/h，小于廠家提供的流量上限(19 m3/h)；NF產(chǎn)品的測(cè)試結(jié)果大于廠家提供的流量范圍，從安全性考慮，該產(chǎn)品存在一定的流量裕量。

在額定流量下(表2加粗行)，各品牌潛水泵轉(zhuǎn)速基本維持在2 800轉(zhuǎn)/min左右；GF潛水泵性能最優(yōu)，其有效功率占額定功率的86.67%；TW潛水泵的有效功率占額定功率的93.33%；SD潛水泵性能最差，在該工況下，功率已達(dá)到滿值；NF潛水泵性能略低于GF潛水泵，有效功率占額定功率的80%。

從額定流量對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程來(lái)看，GF與TW潛水泵的揚(yáng)程均為36～37 m，額定功率均為3 kW；SD潛水泵的額定功率為3.7 kW，其揚(yáng)程，不到25 m；NF產(chǎn)品額定功率為5.5 kW，其揚(yáng)程可達(dá)70 m。

基于表2數(shù)據(jù)綜合評(píng)判，可初步得到4種品牌潛水泵的優(yōu)劣排序?yàn)镚F>NF>TW>SD，這與內(nèi)蒙古某地浸鈾礦山統(tǒng)計(jì)的不同品牌潛水泵損壞情況一致，佐證了本檢測(cè)方法的可靠性。

2.2 潛水泵流量-揚(yáng)程對(duì)比分析

為進(jìn)一步評(píng)價(jià)廠家提供性能曲線的可參考性，將試驗(yàn)所得4種潛水泵的Q-H曲線同廠家提供的性能曲線進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖2所示。Q-H曲線是評(píng)價(jià)潛水泵性能和設(shè)備選型的重要依據(jù)。一般認(rèn)為，該曲線應(yīng)為無(wú)駝峰、無(wú)拐點(diǎn)的光滑曲線，且需要一定的坡度，以實(shí)現(xiàn)壓力和水力控制[16]。平坦性Q-H曲線的潛水泵，在流量變化較大時(shí)，揚(yáng)程變化不大；陡降形Q-H曲線的潛水泵，流量的小范圍增大會(huì)引起揚(yáng)程的大幅降低；駝峰形Q-H曲線的潛水泵，在小于峰值流量時(shí)易產(chǎn)生不穩(wěn)定工況，如設(shè)備的喘振現(xiàn)象。在潛水泵的操作中，可以用改變揚(yáng)程來(lái)調(diào)節(jié)流量，生產(chǎn)中常采用開啟或關(guān)閉泵出口閥，改變管路阻力損失，進(jìn)而使泵的揚(yáng)程發(fā)生變化，以達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的。

圖2 被檢測(cè)潛水泵流量-揚(yáng)程曲線對(duì)比Fig.2 Comparison of Q-H curves of tested submersible pumps

由圖2可知，在檢測(cè)流量范圍內(nèi)，GF潛水泵實(shí)測(cè)性能曲線與廠家提供的性能曲線分布趨勢(shì)一致且基本平行，廠家性能曲線可信；在實(shí)際工況和額定流量條件下，除額定揚(yáng)程存在系統(tǒng)誤差外，其他性能指標(biāo)均優(yōu)于廠家的指標(biāo)(表1～2)。TW潛水泵實(shí)測(cè)性能曲線也與廠家提供的性能曲線分布趨勢(shì)一致；但與GF潛水泵相比，其轉(zhuǎn)矩大(表2)，電耗較大。SD潛水泵實(shí)測(cè)性能曲線與廠家提供的性能曲線存在大角度交叉，隨流量增大，揚(yáng)程大幅降低，9 m3/h以下實(shí)測(cè)揚(yáng)程高于廠家曲線揚(yáng)程；9 m3/h以上則相反，最大流量達(dá)不到預(yù)期值，廠家性能曲線不可信。同時(shí)，在實(shí)際工況和額定流量條件下，SD潛水泵和GF潛水泵相比，盡管其額定功率高23.3%；但其電機(jī)轉(zhuǎn)矩高達(dá)47.5%，設(shè)備比較耗電。對(duì)于NF潛水泵，其實(shí)測(cè)性能曲線與廠家提供的性能曲線存在交叉；但交叉角度小，且其流量范圍更寬，隨流量增大，揚(yáng)程降幅也不大。

3 結(jié)論和建議

3.1 結(jié)論

利用地浸采鈾鉆孔和礦山常用的設(shè)備材料，集成先進(jìn)的檢測(cè)手段，搭建了潛水泵性能現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)，并建立了檢測(cè)方法。相比國(guó)標(biāo)規(guī)定的檢測(cè)方法，本方法簡(jiǎn)單易行，檢測(cè)成本低、結(jié)果可靠。本方法可為礦山優(yōu)選和精準(zhǔn)配置潛水泵提供依據(jù)，也可為建立相關(guān)檢測(cè)規(guī)范提供參考。

雖然因檢測(cè)介質(zhì)的理化性質(zhì)、供電電源等與《潛水電泵試驗(yàn)方法》要求的不同，實(shí)測(cè)的性能參數(shù)與廠家提供的數(shù)據(jù)相比存在系統(tǒng)誤差；但現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)貼近潛水泵運(yùn)行工況，其結(jié)果更具實(shí)際意義。在額定流量條件下，GF潛水泵性能最好，SD潛水泵性能最差。

3.2 建議

為了檢測(cè)全流量范圍的性能參數(shù)，建議建立潛水泵性能地表檢測(cè)系統(tǒng)，制定相關(guān)監(jiān)測(cè)規(guī)范，以指導(dǎo)潛水泵的選型、驗(yàn)收、運(yùn)行狀態(tài)的性能檢測(cè)。