周彩霞，吳寶貴

(1.中國恩菲工程技術有限公司，北京 100038； 2.中國水電基礎局有限公司，天津 301700)

1 前言

離心式渣漿泵由于其允許輸送粒度較大、流量范圍廣、構(gòu)造簡單、造價低、重量輕、易于安裝、易于操作等優(yōu)點成為漿體管道輸送系統(tǒng)的重要設備[1]。渣漿泵的運行工況點在合理的工作范圍內(nèi)是保證泵經(jīng)濟平穩(wěn)運行的重要因素，也是提高其壽命的關鍵。渣漿泵的運行工況點取決于其本身的特性和與之配套的漿體管道特性，它決定了泵的工作流量、揚程、效率和所消耗的功率。工況點選擇不當，或即使選擇得當?shù)蚬ぷ鳁l件發(fā)生變化，都會導致泵運行工況點偏離合理的工作范圍，這種情況下，雖然泵的性能優(yōu)良，但難以使其性能得到充分發(fā)揮，甚至導致整個輸送系統(tǒng)故障。

2 離心式渣漿泵運行工況點的確定

離心式渣漿泵的流量揚程特性(Q—H曲線)一定的情況下，其工況點取決于漿體管道的流量揚程特性曲線，將離心式渣漿泵特性曲線和管道特性曲線畫在同一張圖上，兩條曲線的交點就是泵的運行工況點[1～2]，見圖1。因此，渣漿泵的運行工況點是由渣漿泵特性曲線和管道特性曲線共同決定的，是建立在泵的揚程和管道損失揚程平衡的基礎上運行的。

2.1 離心式渣漿泵特性曲線

一般在產(chǎn)品樣本中給出了渣漿泵的清水特性曲線。離心式渣漿泵在輸送漿體時，由于固體比重大于水的比重，揚程有所折減，另外運行時葉輪受到磨損揚程也有所降低，因此，離心式渣漿泵的計算揚程應在清水揚程的基礎上加以修正，計算方法如下[3]：

圖1 離心式渣漿泵的運行工況點

Hb=HsγkKpKm

(1)

式中：Hb——渣漿泵輸送漿體時的揚程，m；

Hs——渣漿泵輸送清水時的揚程，m；

γk——漿體比重；

Kp——渣漿泵輸送漿體時的揚程降低率；

Km——渣漿泵磨蝕后的揚程折減率，可取0.85～0.98，對于磨蝕性較大、口徑小于或等于100mm的小型敞開式泵取小值；對于磨蝕性較小、口徑較大的大型封閉式泵取大值。

當單臺渣漿泵的流量和揚程不能滿足輸送要求時，需要采取多臺泵串聯(lián)和并聯(lián)的工作方式。串聯(lián)運行時的合成特性曲線是由同一流量下各串聯(lián)泵的相應揚程相加得到；并聯(lián)運行時的合成特性曲線是由相同揚程下各并聯(lián)泵的流量相加得到，如圖2和圖3所示。

圖2 2臺渣漿泵串聯(lián)運轉(zhuǎn)特性曲線

圖3 2臺渣漿泵并聯(lián)運轉(zhuǎn)特性曲線

2.2 管道特性曲線

把單位重量的漿體通過管道從進口輸送到出口需要的能量稱為管道揚程[2]，用Hk表示。管道揚程由幾何高度、管道沿程摩阻損失、管道局部摩阻損失、泵站內(nèi)管道零件摩阻損失、終端剩余揚程組成。漿體管道輸送所需的總揚程按下式計算[3]：

Hk=γkH+Lik+Hj+Hn+Hz

(2)

式中：Hk——漿體管道輸送所需的總揚程，m；

γk——漿體比重；

H——揚送漿體的幾何高度，m；

ik——管道沿程摩阻損失，mH2O/m；

L——管道長度，m；

Hj——管道局部摩阻損失，可按管道沿程摩阻損失的5%～10%計，m；

Hn——泵站內(nèi)管道零件摩阻損失,可計算確定或每座泵站取2～3m；

Hz——終端剩余揚程，每個排出口可取2～3m。

管道沿程摩阻損失ik可按下式計算[4]：

(3)

式中：λ——阻力系數(shù)；

v——流速，m/s；

g——重力加速度，m/s2；

D——管道直徑，m；

K——系數(shù)；

Q——流量，m3/h。

將式(3)代入式(2)，則可畫出管道揚程Hk與流量Q的關系曲線，如圖4，即為管道特性曲線。

圖4 管道特性曲線

3 離心式渣漿泵工況點的調(diào)節(jié)

在生產(chǎn)中常常由于計算與實際的誤差、運行條件的變化等原因需要對泵的工況點進行調(diào)節(jié)。離心式渣漿泵工況點的調(diào)節(jié)是通過改變渣漿泵的特性曲線或改變系統(tǒng)的管道特性曲線甚至同時改變渣漿泵特性曲線和管道特性曲線，使渣漿泵的工況點符合實際需求。當離心式渣漿泵運行工況與實際需求相差不大時，可采用下述方法進行適當?shù)恼{(diào)節(jié)[1～2]。

3.1 節(jié)流

節(jié)流是通過適當關閉離心式渣漿泵出口閥門，通過關小閥門產(chǎn)生的局部阻力使管道特性曲線變陡，進而使工況點向流量減小的方向移動，如圖5所示。

圖5 離心式渣漿泵節(jié)流調(diào)節(jié)特性曲線

節(jié)流調(diào)節(jié)是最原始的調(diào)節(jié)方式，該方法只能使泵的流量由大變小，是不經(jīng)濟的，且由于管道阻力變大，閥門磨損很快，只適用于調(diào)節(jié)量微小的情況，不適合漿體輸送。

3.2 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速

根據(jù)離心泵的比例定律，改變轉(zhuǎn)速后離心式渣漿泵的流量Q2、揚程H2、功率N2按下式換算：

(4)

(5)

(6)

式(4)～式(6)中Q、H、N下標1表示轉(zhuǎn)速為n1時的參數(shù)，下標2表示轉(zhuǎn)速為n2時的參數(shù)。

調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速可以采用各種電力調(diào)速方法和機械調(diào)速方法，但渣漿泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，應在產(chǎn)品樣本給定的范圍內(nèi)進行，不宜超出范圍過大，以免效率降低過多或者機器部件不能適應。

3.3 切削葉輪

根據(jù)離心泵的切割定律，一般的離心式渣漿泵切削葉輪后的流量Q′、揚程H′、功率N′按下式換算：

(7)

(8)

(9)

切削葉輪的方法簡單易行，但調(diào)節(jié)范圍有限，不能進行隨機調(diào)節(jié)，不能降低能耗，且一般葉輪切削量不超過原直徑的20%。

4 工程實例

4.1 工程概況

某改造項目新建的漿體輸送泵站配置渣漿泵4臺，2臺串聯(lián)為1組，2組同時使用，單臺泵流量1 850m3/h，清水揚程45m，電機額定功率500kW，供電電壓6kV。泵站配套的漿體輸送管路采用DN800鋼管，管線長7km。泵站配置見圖6。

圖6 漿體輸送泵站配置示意圖

該泵站在帶料試車時，依次開啟1組1段泵、2組1段泵，再依次開啟1組2段泵、2組2段泵，每次開啟到1組2段泵或2組2段泵時就發(fā)生系統(tǒng)過負荷跳閘的現(xiàn)象。

4.2 原因分析

引起泵站系統(tǒng)過負荷跳閘的原因有多種，比如電機功率不夠或電機質(zhì)量問題、選型問題、機械問題、安裝問題、供電問題、操作管理問題等[2，5]。

對以上問題逐一進行排查后發(fā)現(xiàn)，電機的轉(zhuǎn)速與渣漿泵的轉(zhuǎn)速不同，廠家提供的滿足輸送系統(tǒng)要求的渣漿泵轉(zhuǎn)速為530r/min，而所配電機轉(zhuǎn)速為595r/min，由于渣漿泵與電機為直接連接，故啟動后，渣漿泵實際是按595r/min的轉(zhuǎn)速運行，已經(jīng)偏離了設計的流量揚程特性曲線，實際運行工況點也隨之發(fā)生了較大變化。

4.3 渣漿泵運行時的工況點計算

為了進一步驗證渣漿泵實際運行工況點的變化是導致泵站系統(tǒng)過負荷跳閘的主要原因，做出輸送系統(tǒng)的漿體管道流量揚程特性曲線如圖7，單臺渣漿泵的清水特性曲線如圖8，根據(jù)渣漿泵輸送漿體時的串聯(lián)和并聯(lián)運轉(zhuǎn)特性做出泵站4臺渣漿泵同時運行時的流量揚程特性曲線，并與漿體管道流量揚程特性曲線相交，即可得出泵站的設計工況點和試車時的實際工況點如圖9。渣漿泵系統(tǒng)工況特性見表1。

圖7 漿體管道的流量揚程特性曲線

圖8 單臺渣漿泵清水特性曲線

圖9 泵站渣漿泵系統(tǒng)工況點

工況點總流量m3/h總漿體揚程/m系統(tǒng)總功率/kW單臺泵軸功率/kW設計工況點3700911480370試車時的實際工況點45061122220555

由圖9和表1可以看出，試車時的實際運行工況點較大偏離了設計工況點，實際流量、揚程均大于設計工況，單臺泵的軸功率超過了電機的額定功率，系統(tǒng)總功率也超出了供電負荷，故造成泵站系統(tǒng)過負荷跳閘。

4.4 解決方案

根據(jù)前述離心式渣漿泵工況點的調(diào)節(jié)方法，過負荷跳閘問題有以下3種解決方案。

(1)適當關閉渣漿泵的出口閥門，將輸送流量減小至設計流量。

(2)加設變頻器或減速機來減小電機轉(zhuǎn)速，使泵工況點回到設計工況點。

(3)切削葉輪外徑，將葉輪外徑減小，使泵工況點回到設計工況點。

方案(1)操作不便且運行時閥門磨損太快；方案(2)需增加變頻器或減速機，由于該泵站使用年限較短，新購買變頻器或減速機不經(jīng)濟，而且需要增加占地面積或調(diào)整基礎，實施周期長；方案(3)比較簡單易行，葉輪切削量也在允許的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。從經(jīng)濟、方便、快捷的角度考慮，決定采用切削葉輪的方案。

根據(jù)泵的比例定律，試車實際運行時渣漿泵的流量Q實和設計工況時渣漿泵的流量Q設滿足以下關系：

根據(jù)泵的切割定律，葉輪切削前的直徑D和切削后的直徑D′滿足以下關系：

切削前葉輪外徑為1 027mm，則切割后的葉輪外徑為：

最終，將葉輪外徑切削至920mm，經(jīng)過切削葉輪后，試車順利，目前已運行兩年，運行良好。

5 結(jié)語

離心式渣漿泵的運行工況點取決于輸送系統(tǒng)中渣漿泵的特性和與之配套的管道特性，運行時要確保渣漿泵的工況點在設計的工作范圍內(nèi)運行，當偏離設計工作范圍時，可以根據(jù)渣漿泵工況點的調(diào)節(jié)方法對渣漿泵和管道系統(tǒng)進行適當調(diào)節(jié)以滿足運行要求。

[1] 王紹周,等.粒狀物料的漿體管道輸送[M].北京：海洋出版社，1998.152-168.

[2] 關醒凡.現(xiàn)代泵技術手冊[M].北京：宇航出版社，1995.36-49,93-101.

[3] GB 50863- 2013，尾礦設施設計規(guī)范[S].

[4] 《尾礦設施設計參考資料》編寫組.尾礦設施設計參考資料[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1978.714.

[5] 張歡樂.淺析渣漿泵調(diào)試中的問題與解決方法[J].企業(yè)技術開發(fā)，2011，30(20)：108-109.