王亞安，蘇學斌，張 翀，姚益軒，李學忠，孫鵬敏，胥國龍

(1.核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149；2.中國鈾業(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)

砂巖鈾礦是中國主要的天然鈾資源類型，原地浸出采鈾(簡稱地浸采鈾)是砂巖鈾礦開發(fā)的首選工藝[1-2]，該工藝具有建設周期短、生產(chǎn)效率高、環(huán)境友好等優(yōu)點[3-6]。潛水泵[7-10]是地浸采鈾工藝中最常用的設備之一，由潛水電機和單吸多級立式離心泵通過聯(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備，其額定電流、功率、流量、揚程等參數(shù)是設備選型時須特別關注的指標。

《潛水電泵試驗方法》(GB/T 12785—2014)規(guī)定了潛水泵的性能試驗方法，要求試驗介質為清潔冷水或理化性質與之相同的液體；試驗應在電泵淹沒于水中進行且保證試驗過程不發(fā)生汽蝕[11-12]；同時，試驗應在經(jīng)過認證的制造廠試驗臺或第三方試驗臺上進行。目前市場上不銹鋼深井潛水泵品牌較多，質量參差不齊。由于用戶通常缺少《潛水電泵試驗方法》所要求的試驗平臺和試驗人員，而且標準規(guī)定的檢測項目和儀器儀表繁多，不便于現(xiàn)場實施，導致用戶無法對潛水泵性能進行檢測驗收。

部分學者研究了現(xiàn)場檢測潛水泵性能的可行性。張勝等[13]設計了1種潛水泵的現(xiàn)場試驗裝置，并基于PLC技術搭載了測控系統(tǒng)。于淑珍等[14]關注潛水泵在實際應用時的性能參數(shù)變化情況，基于LabView建立了水泵性能檢測專家系統(tǒng)。胡旭曉等[15]針對整泵出廠試驗的檢測精度提出了總體方案。然而，地浸鈾礦山一直以來并沒有對所選潛水泵性能進行現(xiàn)場檢測驗收，從而也不能對不同品牌型號的潛水泵進行性能比較和客觀評價。

鑒于此，筆者提出1種在地浸采鈾鉆孔中、實際工礦條件下檢測潛水泵性能的方法，利用礦山常用的設備材料，集成現(xiàn)代先進的檢測手段，通過在地浸采鈾現(xiàn)場對4種品牌的潛水泵進行性能檢測，獲取泵的性能參數(shù)，繪制流量-揚程(Q-H)曲線，并與廠家提供的參數(shù)和性能曲線進行對比，為礦山優(yōu)選和精準配置潛水泵提供依據(jù)。

1 試驗方法

1.1 試驗產(chǎn)品

檢測的潛水泵涉及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 檢測系統(tǒng)

流量和揚程是潛水泵最重要的指標，可通過流量計和壓力表獲取。其他參數(shù)如頻率、轉速、電流、轉矩、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行潛水泵性能檢測，檢測系統(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)檢測目的和實際運行條件，設計并搭建了潛水泵性能現(xiàn)場檢測裝置(圖1)，在某地浸鈾礦山對前述4種品牌潛水泵進行性能檢測?，F(xiàn)場檢測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、調節(jié)閥、壓力表、變頻器等，通過流量、揚程(由壓力換算)和變頻器數(shù)據(jù)評價潛水泵性能。提升管的內徑為50 mm。

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

1.3 試驗步驟

按照以下步驟開展試驗：1)設置地下水水位自動記錄儀開始記錄的時間點和記錄間隔。記錄儀最大量程應大于鉆孔內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1次水位數(shù)據(jù)。2)潛水泵出水口連接提升管，電機電纜連接潛水電纜，一并下入鉆孔內。潛水泵以最大流量抽水時，地下水可能急劇下降，要保證潛水電機及水位自動記錄儀處于足夠的深度位置。3)提升管連接地表排水管道，順水流方向依次安裝壓力表、調節(jié)閥、電磁流量計。排水管平地擺放，將抽出的地下水妥善處置，壓力表和電磁流量計的量程應滿足檢測要求。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左右啟動潛水泵試抽水，在確定設備儀表正常、系統(tǒng)無泄漏的情況下開始試驗；否則應重新連接或安裝。6)提高潛水泵運行頻率至50 Hz，調節(jié)閥門開度，從小流量開始逐漸提高流量，對每個預設的流量點，同步讀取穩(wěn)定的流量、壓力和潛水泵運行數(shù)據(jù)。7)提出鉆孔內全部檢測設施，下載水位自動記錄儀數(shù)據(jù)，整理流量-揚程(Q-H)數(shù)據(jù)，在廠家Q-H曲線上疊加實測的Q-H曲線，對比分析。

被測介質為地下水，測試設備的揚程按照公式(1)計算。

(1)

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

需指出，利用公式(1)計算潛水泵的揚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揚程的占比較小(不到2%)，故未考慮速度水頭。

2 試驗結果與分析

2.1 潛水泵性能檢測結果

按照試驗流程及步驟，在各泵規(guī)定的流量范圍內開展試驗，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的功率，也稱作最大功率；軸功率是電機通過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 試驗所測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，轉速、電流及有效功率通過變頻器讀取，轉矩根據(jù)公式(2)計算:

(2)

式中：T—轉矩，N·m;Pr—額定功率，kW;n—轉速，轉/min。

結合表1、表2可知，對于流量范圍而言，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)品的測試結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)，各品牌潛水泵轉速基本維持在2 800轉/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%。

從額定流量對應的揚程來看，GF與TW潛水泵的揚程均為36～37 m，額定功率均為3 kW；SD潛水泵的額定功率為3.7 kW，其揚程，不到25 m；NF產(chǎn)品額定功率為5.5 kW，其揚程可達70 m。

基于表2數(shù)據(jù)綜合評判，可初步得到4種品牌潛水泵的優(yōu)劣排序為GF>NF>TW>SD，這與內蒙古某地浸鈾礦山統(tǒng)計的不同品牌潛水泵損壞情況一致，佐證了本檢測方法的可靠性。

2.2 潛水泵流量-揚程對比分析

為進一步評價廠家提供性能曲線的可參考性，將試驗所得4種潛水泵的Q-H曲線同廠家提供的性能曲線進行對比分析，結果如圖2所示。Q-H曲線是評價潛水泵性能和設備選型的重要依據(jù)。一般認為，該曲線應為無駝峰、無拐點的光滑曲線，且需要一定的坡度，以實現(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，揚程變化不大；陡降形Q-H曲線的潛水泵，流量的小范圍增大會引起揚程的大幅降低；駝峰形Q-H曲線的潛水泵，在小于峰值流量時易產(chǎn)生不穩(wěn)定工況，如設備的喘振現(xiàn)象。在潛水泵的操作中，可以用改變揚程來調節(jié)流量，生產(chǎn)中常采用開啟或關閉泵出口閥，改變管路阻力損失，進而使泵的揚程發(fā)生變化，以達到調節(jié)流量的目的。

圖2 被檢測潛水泵流量-揚程曲線對比Fig.2 Comparison of Q-H curves of tested submersible pumps

由圖2可知，在檢測流量范圍內，GF潛水泵實測性能曲線與廠家提供的性能曲線分布趨勢一致且基本平行，廠家性能曲線可信；在實際工況和額定流量條件下，除額定揚程存在系統(tǒng)誤差外，其他性能指標均優(yōu)于廠家的指標(表1～2)。TW潛水泵實測性能曲線也與廠家提供的性能曲線分布趨勢一致；但與GF潛水泵相比，其轉矩大(表2)，電耗較大。SD潛水泵實測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，揚程大幅降低，9 m3/h以下實測揚程高于廠家曲線揚程；9 m3/h以上則相反，最大流量達不到預期值，廠家性能曲線不可信。同時，在實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%；但其電機轉矩高達47.5%，設備比較耗電。對于NF潛水泵，其實測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，揚程降幅也不大。

3 結論和建議

3.1 結論

利用地浸采鈾鉆孔和礦山常用的設備材料，集成先進的檢測手段，搭建了潛水泵性能現(xiàn)場檢測系統(tǒng)，并建立了檢測方法。相比國標規(guī)定的檢測方法，本方法簡單易行，檢測成本低、結果可靠。本方法可為礦山優(yōu)選和精準配置潛水泵提供依據(jù)，也可為建立相關檢測規(guī)范提供參考。

雖然因檢測介質的理化性質、供電電源等與《潛水電泵試驗方法》要求的不同，實測的性能參數(shù)與廠家提供的數(shù)據(jù)相比存在系統(tǒng)誤差；但現(xiàn)場檢測貼近潛水泵運行工況，其結果更具實際意義。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

為了檢測全流量范圍的性能參數(shù)，建議建立潛水泵性能地表檢測系統(tǒng)，制定相關監(jiān)測規(guī)范，以指導潛水泵的選型、驗收、運行狀態(tài)的性能檢測。