唐達生，陽 寧，龔德文，肖 紅，夏建新

(1.長沙礦冶研究院有限責任公司深海礦產(chǎn)資源開發(fā)利用技術國家重點實驗室，湖南 長沙 410012;2.中央民族大學生命與環(huán)境科學學院，北京 100081)

國外對深海采礦錳結核泵進行了開發(fā)研究，1978年德國KSB公司研制了2臺6級潛水電泵［1］，泵流量500 m3/h，揚程265 m，功率800 kW，在太平洋C-C區(qū)5 000 m水深獲得了海上試采的成功，共提升錳結核約800 t。1988年日本荏原制作所羽田工廠設計制造出用于海上中試的2臺8級離心泵［2］，流量450 m3/h，揚程715 mH2O，功率1 700 kW/1 200 kW，但未經(jīng)海上試驗驗證，其原因不太清楚。2009年5～6月，韓國地質(zhì)資源研究院(KIGAM)研制了1臺2級潛水電泵［3］，泵流量150 m3/h，揚程70 m，功率110 kW，在韓國東海Hupo海港附近水深約100 m進行了模擬結核水力提升試驗。

我國對礦漿泵、清水泵、射流泵和空氣泵提升等多種揚礦方案進行了試驗研究和技術經(jīng)濟比較。以上四種方案中，空氣泵提升結構簡單、水下無任何運動部件，但提升效率較低［4］，最大不超過20%。射流泵提升具有與空氣泵提升同樣的優(yōu)點，但提升效率更低［5］，最大也僅12%。清水泵提升錳結核不通過泵，減少泵的磨損，提升效率較高，但要實現(xiàn)海底高壓給料，給料裝置復雜，可靠性較差。礦漿泵提升工藝簡單，工作可靠，提升效率可達50%以上，雖然錳結核通過泵會造成泵的磨損及錳結核的粉化，但磨損和粉化都不嚴重。日本學者研究結果［6］，錳結核的磨損是石英砂的1/15，我國進行了提升過程多金屬結核的破碎與粉化規(guī)律研究［7］，結果得出經(jīng)過礦漿泵水力提升后-0.105 mm粒級細泥不超過干結核提升量1.04%，考慮到金屬品位貧化，實際提升過程造成的金屬損失不超過干結核產(chǎn)量的0.51%。根據(jù)以上分析比較，確定礦漿泵作為海上中試技術設計揚礦方案的錳結核泵。

依據(jù)“大洋多金屬結核資源研究開發(fā)第一期發(fā)展規(guī)劃”提出的年產(chǎn)300萬噸干多金屬結核的目標［8］，商業(yè)開采系統(tǒng)采用兩套系統(tǒng)實施。中試系統(tǒng)按商業(yè)系統(tǒng)1∶10，即15萬噸/年，其小時生產(chǎn)能力為30 t/h(干結核)或43 t/h(濕結核)，即泵提升能力應滿足系統(tǒng)生產(chǎn)能力。錳結核賦存于5 000 m水深的極稀軟海底沉積物表面，錳結核粒徑在20～100 mm左右。為了滿足中試采礦系統(tǒng)提升管道對錳結核粒徑的限制，破碎機將錳結核破碎到50 mm以下，即泵提升的顆粒粒徑不大于破碎機破碎后的粒徑。如滿足以上采礦技術要求，通過分析計算，中試系統(tǒng)輸送礦漿流量360 m3/h，揚程600 mH2O，這就要求泵必須具備低流量、高揚程和通過大顆粒的能力。鑒于我國大洋多金屬結核研究開發(fā)長遠規(guī)劃，考慮到中試多級錳結核泵的研制難度，泵研制過程分兩步進行，先設計加工出一臺兩級錳結核泵，兩級錳結核泵的結構與中試多級錳結核泵的結構一樣，兩級錳結核泵設計作業(yè)點的技術參數(shù)［9］，清水流量420 m3/h，揚程80 mH2O，效率60%，額定功率200 kW，額定電壓380 V，額定轉(zhuǎn)速1 450 rpm，輸送粒徑≤50 mm，進行泵性能和各項技術指標的試驗。在此基礎上進行改進和完善，再設計加工中試多級錳結核泵。

1 試驗系統(tǒng)和試驗方法

1.1 試驗系統(tǒng)

為滿足錳結核泵技術參數(shù)的試驗要求，采用兩套模擬系統(tǒng)進行試驗［10-11］。一套是高度30 m、管道內(nèi)徑204 mm的閉環(huán)試驗系統(tǒng)，主要是模擬錳結核開采泵的提升過程;另一套是高度24 m、管道內(nèi)徑204 mm的開環(huán)試驗系統(tǒng)，主要是模擬在提升過程中消耗泵的揚程。圖1為泵性能試驗系統(tǒng)。

圖1 泵性能試驗系統(tǒng)Fig.1 Pump performance test system

閉環(huán)試驗系統(tǒng)包括:供水穩(wěn)壓子系統(tǒng)，由10 m3水箱、Φ100 mm給水管、Φ150 mm溢流管、Φ204 mm穩(wěn)壓管、4 m3穩(wěn)壓水箱和清水泵組成;提升子系統(tǒng)，Φ204 mm提升管和回流管、0.9 m3水包和錳結核泵組成;給料子系統(tǒng)，由1.6 m3料倉、給料機和液壓控制系統(tǒng)組成;人工標定子系統(tǒng)，由1.5 m3流量標定箱、Φ100 mm回水管路和水槽組成;控制與測量子系統(tǒng)，由200 kW變頻調(diào)速器、流量計、壓力變送器、差壓變送器、電子稱、液壓站、溫度計、轉(zhuǎn)速傳感器和測控柜等組成。

開環(huán)試驗系統(tǒng)包括:提升子系統(tǒng)，由Φ204 mm提升管、0.9 m3水包和錳結核泵組成;供水給料子系統(tǒng)，由10 m3水箱、1.6 m3料倉和給料機組成;背壓子系統(tǒng)，由Φ204 mm背壓管、倒U型管、9.6 m3背壓補償器、電動球閥和回水管路等組成;控制與測量子系統(tǒng)與閉環(huán)試驗系統(tǒng)相同。

錳結核泵采用筒裝式整體結構，分上下兩個部分。上部為節(jié)段式兩級泵，兩級泵為高比轉(zhuǎn)速的離心泵類型，葉輪形狀為扭曲型葉片，葉片數(shù)Z=3，按輸送粒徑要求，泵流道(包括吸入殼、葉輪、導葉)內(nèi)最小過流尺寸≥75 mm。下部為環(huán)形格柵通道，通道數(shù)Z'=3，按輸送流速要求，每個通道尺寸為120 mm×90 mm。

1.2 試驗方法

泵性能試驗分兩步進行。

第一步，采用閉環(huán)試驗系統(tǒng)，試驗是指料倉中的錳結核由給料機通過錳結核泵和管道再返回到料倉。通過變頻調(diào)速器將錳結核泵的轉(zhuǎn)速調(diào)至低轉(zhuǎn)速，進行在低轉(zhuǎn)速條件下的礦漿工作特性試驗和提升系統(tǒng)事故停車的礦漿回流能力試驗。

第二步，采用開環(huán)試驗系統(tǒng)，試驗是指料倉中的錳結核由給料機通過錳結核泵和管道輸送到背壓補償器，結核不再返回料倉。通過調(diào)節(jié)電動球閥開度來控制泵出口壓力，進行泵作業(yè)點的礦漿工作特性。

試驗物料采用人工模擬結核，結核密度2 000 kg/m3。按我國礦區(qū)錳結核經(jīng)破碎機破碎后的結核粒級組成進行配料，根據(jù)經(jīng)破碎機破碎后的錳結核粒級組成要求，試驗用模擬結核粒級組成如表1所示。

表1 試驗用模擬結核粒級組成Tab.1 Nodule particle sizes in the test

2 試驗結果及分析

2.1 泵試驗技術參數(shù)的確定

泵試驗技術參數(shù)包括流量、揚程、軸功率、有效功率和效率，確定方法如下:

1)泵流量是單位時間內(nèi)排出礦漿的容積，采用電磁流量變送器測量。

2)泵揚程等于泵的出口總水頭與入口總水頭代數(shù)差，采用壓力變送器測量，即:

式中:Hm為揚程，m;H出為出口總水頭，m;H入為入口總水頭，m;H泵為泵出口與入口長度，m。

3)泵軸功率是電機驅(qū)動泵所需功率，由SINAMICS G150變頻器測量確定。

4)泵有效功率可采用下式計算:

式中:Pe為有效功率，kW;ρm為漿體密度，kg/m3;g為重力加速度，m/s2;Qm為漿體流量，m3/h;Hm為揚程，m。

5)泵效率可采用下式計算:

式中:ηm為泵效率;Pb為泵軸功率，kW。

2.2 清水工作特性試驗

試驗采用閉環(huán)試驗系統(tǒng)，在泵轉(zhuǎn)速n=1 450 rpm的條件下進行清水工作特性試驗，流量通過泵出口管路中的閥門開度進行調(diào)節(jié)，試驗流量范圍0～650 m3/h。

圖2為泵清水工作特性曲線。由圖2可以看出，泵清水揚程隨流量的增加而減小，而功率和效率隨流量的增加而增加。為了進行對比，圖中給出了該泵出廠的試驗結果(試驗流量范圍0～719 m3/h)，兩家清水試驗結果基本一致。但本院試驗的泵揚程、功率和泵效率略低于石泵的試驗結果，其泵清水效率最大相對差值為6%，這說明該泵在不同的裝置上進行清水工作特性試驗，其試驗結果基本相同。

2.3 礦漿工作特性試驗

2.3.1 不同轉(zhuǎn)速下泵工作特性試驗

試驗采用閉環(huán)試驗系統(tǒng)，在泵轉(zhuǎn)速n=1 000 rpm、n=1 200 rpm的條件下進行礦漿工作特性試驗，試驗采用兩組不同模擬結核粒徑(d≤10 mm、d≤20 mm)，試驗體積濃度 Cv=8%，試驗流量范圍 256.1～461.4 m3/h。

圖3、圖4和圖5分別為兩組不同模擬結核粒徑組成的泵揚程、功率、效率與流量之間的關系曲線，同時給出了泵清水工作特性。由圖可以看出:1)兩組不同模擬結核粒徑(d≤10 mm、d≤20 mm)組成的同一濃度(Cv=8%)，其泵揚程隨流量的增加而降低，泵功率變化不大，而泵效率隨流量的增加而增加;2)在同一泵流量的情況下，兩組不同模擬結核粒徑(d≤10 mm、d≤20 mm)組成的同一濃度(Cv=8%)，泵揚程和功率隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，而泵效率隨轉(zhuǎn)速的增加而降低;3)對比泵清水工作特性，在泵不同轉(zhuǎn)速的條件下，兩組不同模擬結核粒徑(d≤10 mm、d≤20 mm)組成的同一濃度(Cv=8%)，其泵揚程、功率和效率十分接近并大于清水。

圖2 泵清水工作特性Fig.2 Pump water operating properties

圖3 揚程與流量關系曲線(d≤10 mm、d≤20 mm)Fig.3 Relation curve of head and flow rate(d≤10 mm，d≤20 mm)

圖4 功率與流量關系曲線(d≤10 mm、d≤20 mm)Fig.4 Relation curve of power and flow rate(d≤10 mm，d≤20 mm)

圖5 效率與流量關系曲線(d≤10 mm、d≤20 mm)Fig.5 Relation curve of efficiency and flow rate(d≤10 mm，d≤20 mm)

2.3.2 泵作業(yè)點工作特性試驗

試驗采用開環(huán)試驗系統(tǒng)，泵作業(yè)點是考核泵工作特性的重要技術指標之一。泵作業(yè)點工作參數(shù)，泵轉(zhuǎn)速n=1 450 rpm，試驗流量Qm=420 m3/h，試驗體積濃度Cv=8%。

泵作業(yè)點試驗結果如表2所示，由表2可以看出:1)在同一試驗流量和試驗濃度的條件下，三組不同結核粒徑(d≤50 mm、d≤40 mm、d≤30 mm)的礦漿，泵揚程、效率隨結核粒徑的減小而增加，泵功率隨結核粒徑的減小而降低;2)結核粒徑d≤30 mm礦漿的泵效率最高，泵效率值為45.5%;3)在試驗濃度和試驗流量范圍內(nèi)，三組不同結核粒徑組成的錳結核均可通過泵。

表2 泵作業(yè)點試驗結果Tab.2 Test results of pump operating point

2.3.3 提升系統(tǒng)突然停車礦漿回流試驗

1)礦漿回流試驗結果

礦漿回流試驗是考核錳結核在泵流道內(nèi)的回流能力。試驗采用閉環(huán)試驗系統(tǒng)，試驗是在提升系統(tǒng)正常運行狀況下泵突然停止運行，然后對泵管路進行拆卸，測定泵進口管路、出口管路和流道內(nèi)的結核量。

試驗采用三組不同模擬結核粒徑(d≤10 mm、d≤20 mm、d≤50 mm)，試驗體積濃度Cv=5%、Cv=8%。試驗結果如表3所示，由表3可知:

①在輸送流速為3.57 m/s時突然停泵的條件下，結核粒徑d≤10 mm(Cv=8%)、d≤20 mm(Cv=5%)，泵進口管路內(nèi)的結核量分別為74 kg和92 kg，泵出口管路和泵流道內(nèi)均無結核，說明提升系統(tǒng)礦漿回流時結核可通過泵。

②在輸送流速為3.06 m/s時突然停泵的條件下，結核粒徑d≤50 mm(Cv=8%)，泵進口管路內(nèi)的結核量只有18 kg，泵出口管路、泵流道內(nèi)的結核量分別為79 kg和72 kg，這說明提升系統(tǒng)礦漿回流時結核不能通過泵。其原因是礦漿在泵流道內(nèi)回流過程中，粗顆粒之間的相互碰撞使得顆粒沉降速度降低，顆粒聚集使得礦漿濃度增加，從而出現(xiàn)了泵流道堵塞現(xiàn)象。

③結核粒徑d≤10 mm(Cv=8%)的結核量小于結核粒徑d≤20 mm(Cv=5%)的結核量，這是因為結核粒徑d≤10 mm的顆粒沉降速度小于結核粒徑d≤20 mm，突然停泵時，提升管內(nèi)產(chǎn)生瞬間流速，結核粒徑d≤10 mm顆粒在提升管內(nèi)瞬間流速作用下，部分顆粒由提升管輸送到回流管，使得提升管上部管路是礦漿，而提升管下部管路是清水的原因。

④按礦漿濃度Cv=5%、Cv=8%計算，高度30 m、內(nèi)徑204 mm提升管內(nèi)的結核量分別是97 kg和155 kg，這與d≤20 mm(Cv=5%)和d≤50 mm(Cv=8%)礦漿回流后的結核量92 kg和169 kg相當。

表3 礦漿回流試驗參數(shù)Tab.3 Slurry backflow test parameters

2)礦漿回流試驗后的分析處理

為了分析結核粒徑d≤50 mm(Cv=8%)礦漿回流試驗泵流道堵塞的原因，試驗完成后，對提升系統(tǒng)進行了結核清理工作，然后進行泵清水試驗。圖6為泵清水轉(zhuǎn)速-流量試驗曲線(為了進行對比，圖中給出了礦漿回流試驗前的清水曲線)，由圖6可以看出:

①在泵同一清水流量情況下，泵清水的轉(zhuǎn)速大于礦漿回流試驗前，這是因為泵流道內(nèi)有結核堵塞現(xiàn)象。

②為了進一步分析結核堵塞的原因，對照泵廠的泵清水試驗結果，將調(diào)節(jié)閥門開度的試驗點繪制在圖中(見圖中“△”號)，該試驗點與礦漿回流試驗后的試驗點十分接近，這完全可以說明泵流道內(nèi)存在粗顆粒結核。

根據(jù)這一情況，對泵流道內(nèi)進行了結核清理工作，發(fā)現(xiàn)泵流道內(nèi)確實有粗顆粒結核，圖7是泵環(huán)形格柵通道與泵吸入端清除的結核顆粒(質(zhì)量0.57 kg)。清理工作完成后，再次進行了泵清水試驗，試驗結果一并繪于圖6(見圖中“*”號)，由圖可以看出，泵清水轉(zhuǎn)速-流量曲線與回流試驗前十分接近。

圖6 泵轉(zhuǎn)速與流量清水試驗曲線Fig.6 Relation curve of pump speed and water flow rate

圖7 泵流道內(nèi)結核Fig.7 Nodules in pump flow channel

3 問題與討論

隨著深海礦產(chǎn)資源開發(fā)利用技術的發(fā)展，在深海采礦系統(tǒng)中，錳結核泵具有一定的商業(yè)應用前景，已被國內(nèi)外高度重視。我國在中國大洋協(xié)會的支持下，錳結核泵的開發(fā)研究從無到有，到目前為止，已完成了從揚礦方案論證、提升管道參數(shù)試驗、可行性研究、設計與制造到實驗室試驗階段。但是，由于本次試驗沒有進行更多組次的結核粒徑、輸送流量和輸送濃度試驗，尤其是該泵未在動態(tài)條件下試驗和海上試驗驗證。因此，認真分析和總結已取得的成果和經(jīng)驗，通過本次試驗，有必要對中試錳結核泵的改進和完善進行討論。

1)泵清水特性。錳結核泵設計作業(yè)點清水流量420 m3/h，揚程80 mH2O，功率200 kW，效率60%。由泵清水試驗可知，當泵流量420 m3/h時，清水揚程78 m，功率194 kW，清水效率46%(見圖2)，錳結核泵的清水揚程和功率與設計值基本吻合，但泵的效率小于設計值。如要提高泵效率，其解決辦法是改進泵葉輪和導葉的結構尺寸，以提高泵的水力性能。

2)泵流道。葉輪和導葉是泵的關鍵部件，葉輪引導水流以最小的損失將輸送顆粒的動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴耗?，導葉收集葉輪的出口漿體輸送到下一級葉輪的進口，將速度能轉(zhuǎn)換為壓能。按渣漿泵設計經(jīng)驗，葉輪和導葉的最小過流尺寸應大于或等于最大顆粒粒徑的1.5倍，將不會發(fā)生顆粒堵塞現(xiàn)象。錳結核泵輸送的顆粒粒徑≤50 mm，輸送濃度約10%。可見，泵流道應具有較寬的過流尺寸和較高的能量轉(zhuǎn)換能力，還要考慮礦漿的過流和回流能力。因此，有必要深入研究葉輪和導葉的葉片數(shù)、葉片形狀及空間幾何尺寸。

3)泵環(huán)形格柵通道。錳結核泵結構設計采用了礦漿通過電機外部的環(huán)形格柵通道進入泵葉輪，環(huán)形格柵通道的斷面如圖8所示，由圖8可以看出，錳結核泵3通道(每個通道尺寸為120 mm×90 mm)格柵面積為0.032 4 m2，Φ200 mm管道斷面積為0.031 4 m2，泵環(huán)形格柵通道的斷面積與管道的斷面積相等。當泵輸送清水時，管道流速與環(huán)形格柵通道的流速相等。當泵輸送礦漿時，由于受泵葉輪離心力和軸向力的作用，礦漿可以通過環(huán)形格柵通道進入泵葉輪輸送。但是，當?shù)V漿回流過泵時，泵上部提升管和泵流道的礦漿作自由沉降運動，自由沉降運動的礦漿難以把礦漿均勻分配到3個格柵通道，這就造成了各格柵間的礦漿不均勻沉降，使得某一個格柵通道礦漿濃度局部增大，由此造成該環(huán)形格柵通道粗顆粒堵塞。這正是結核粒徑d≤50 mm(Cv=8%)礦漿回流難以通過泵的原因，其解決辦法是改進粗顆粒粒徑、輸送濃度與格柵通道的尺寸匹配。

圖8 環(huán)形格柵流道斷面圖(3通道)Fig.8 Annular grid runner section(3 channels)

4 結語

1)在實驗室構建了一套高30 m、內(nèi)徑204 mm，可提供最大管網(wǎng)阻力2.5 MPa的泵礦漿性能試驗系統(tǒng)，試驗方法可靠，測試數(shù)據(jù)精確，滿足了深海采礦錳結核泵礦漿工作特性的試驗要求。

2)在泵不同轉(zhuǎn)速n=1 000 rpm和n=1 200 rpm的條件下，兩組不同模擬結核粒徑(d≤10 mm、d≤20 mm)，試驗體積濃度Cv=8%，其泵揚程、功率和效率十分接近并大于清水。在泵轉(zhuǎn)速n=1 450 rpm，試驗流量Qm=420 m3/h，試驗體積濃度Cv=8%，三組不同結核粒徑d≤50 mm、d≤40 mm、d≤30 mm組成的結核礦漿可通過泵。但是，結核粒徑d≤50 mm(Cv=8%)的結核礦漿回流時不能過泵?？勺鳛橹性囧i結核泵的設計參考。

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