大寶山礦生產供水系統設計關鍵技術研究

肖敏初,劉曉明

(1.廣東省大寶山礦業有限公司， 廣東 韶關市 512128；2.中南大學， 湖南 長沙 341000)

對于礦山相關系統設計，企業技術人員由于長期工作在生產第一線，具備現場使用經驗及故障判斷處理經驗；而設計單位具有強有力的技術人員和各類手冊、設計規范標準，接觸面也比企業人員多。在進行設計時，如果按設計院的規范程序，嚴格計算，企業技術人員就相對較弱，同時也沒有大量的工具書作支撐。對于公司的技改、革新小項目，可采用簡便、快捷的計算方法，粗略判斷選擇，在條件許可時，與設計院溝通，無條件可同制造廠家進行復算選擇。通過簡便、快捷地計算供水系統相關參數，2010年設計了“凡洞生產水改造工程”，2012年設計了“凡洞新增工業給水工程”。

1 設計步驟及裝備選擇

1.1 確定用水量

了解現狀及發展趨勢，合理選擇供水量。該部分要求大量的實際調查，根據實際工況并結合近遠期規劃和投資要求進行確定。設計圖紙時，可采用一并建設或分期建設兩種方式。確定用水量后，可計算供水量，主要考慮：無水池作為緩沖區，有水池的，計算選擇小流量的泵；無水池的，一次性考慮大流量的泵。

1.2 選擇供水方式

供水方式有兩種：一種是串聯供水，另一種是并聯供水，前者是流量不變，揚程相加；后者是揚程不變，流量相加[1]。實際應用中，大部分采用后者。如地形限制或管網系統后續新增許多支路，造成水壓降低，可采用串聯增補的方式[2]。

1.3 水泵選擇

1.3.1 水泵型號選擇

水泵型號選擇首先要滿足用水量、總揚程和水質情況；其次，在滿足總揚程的前提下，應盡可能選擇效率高、大流量的水泵，以節約能源，減少水泵臺數，增加供水工作的可靠性；第三是注意所選水泵的“允許吸上真空高度”或“必需汽蝕余量”，使之能滿足抽水水池和泵房配置的高度需求[3]。

1.3.2 水泵揚程選擇

揚程選擇，涉及到的內容較多。揚程選擇過小，無法滿足供水，管道出口無流水；揚程選擇過大，管道出口壓力較大，對管及管件可靠性要求高，電機功率較大，一次性投資建設和日常運行成本也會較高。揚程經過一定計算后確定，可適當預留余量。揚程總損失包括沿程阻力損失和局部阻力損失[4]。通常，長距離主管系統，局部阻力損失僅占沿程阻力損失的8%以下；小廠區域內，局部阻力損失占沿程阻力損失10%～15%；車間內，局部阻力損失占沿程阻力損失15%～25%。

1.3.3 水泵電機選擇

計算電機功率采用下列公式：

(1)

式中：N—水泵電機功率，kW；H—水泵正常運行工況時的最大揚程，m；Q—水泵正常運行工況時的最大流量，m3/h；ρ—水的密度，kg/m3；g—重力加速度，9.8 m/s2；η1—水泵抽水工作效率；η2—傳動效率，直聯時取η2=1，聯軸節時取η2=0.98～0.95；K—功率儲備系數，當Q<20 m3/h時，取K=1.5，Q=25～80 m3/h時，取K=1.3～1.2，Q=80～300 m3/h時，取K=1.2～1.15，Q﹥300 m3/h時，取K=1.1。

選擇電機要考慮電機額定轉速與泵的操作轉速相配套，在150 kW功率及以上，應考慮采用高壓電機，6 kV電壓，減少電纜截面積和電流。

1.4 主管選擇

1.4.1 主管管徑的選

確定了用水量后，用下列公式計算主管管徑[5]：

(2)

式中：d′—主管計算直徑，m；n—向主管輸水的工作水泵臺數；q—1臺水泵的流量，m3/h；v′—主管的經濟流速，隨管徑、管材而定，一般取1.2～2.2 m/s，最大不宜超過3 m/s；π=3.14。

根據計算的d′，相應查國標中的標準管徑D。一般情況下，水泵吸水管直徑=水泵出口直徑+(25～50) mm。

1.4.2 主管壁厚的選擇

材質和工況條件不一樣，選擇有差異。無縫鋼管壁厚可用下列公式計算：

實際壁厚=理論壁厚+附加厚度

式中：1.5工作壓力—管道出廠前的試驗壓力，kg/cm2；公稱通徑—公稱直徑，mm；允許拉力—在高溫情況下，鋼材的允許拉力，kg/mm2；附加厚度—實際使用中，考慮腐蝕、安全因素條件下，需另加的厚度，mm。

計算實際壁厚后，查手冊，國標中相近的壁厚，取標準值。實際操作中，大多數情況，都是由經驗決定壁厚，主要是考慮管內流體介質及用途決定的。

1.5 管件選擇

原則上，采用適用、耐用、方便維修的管件，要考慮材質和承受壓力，同時考慮停泵水錘對泵、管道的危害影響。停泵水錘指機組因突然失電或其他原因造成開閥停機時，在泵和管道中水流劇烈變化而引起的一種壓力劇變現象[6]。停泵水錘計算一般采用解析法、圖解法、電算法和簡易法。前三種方法結果精確，計算復雜；簡易法是將圖解法、電算法的成果繪制成各種圖表，計算時直接查閱各種參數的方法，簡易法又包括阿列維法、魁克法、帕馬金算法、劉竹溪算法、富澤清治算法[7]，各種算法各有優點，總體來說，帕馬金算法較好。

1.6 其他方面

上述內容確定后，進行圖紙設計，主要注意泵房工藝布置，泵基礎和電機基礎設計，管路合理布置，管道安裝原則和測試方法，設計說明等方面。

2 設計實例分析

2.1 礦山現狀調查

凡洞礦區職工和家屬約2000人，其中鐵礦、地測、銅采白班作業；銅選廠三班作業。凡洞平均用水量1200 t/d(含部分設備冷卻水)。

原生活泵房設在凡洞村管理區茶場(即梅子坑)，水泵一用一備。

原主管道從生活泵房(標高497.6 m )到生活凈化水池(標高664.6 m),全長3.25 km。凈化水池包括1000 t沉淀池，200 t過濾池和500 t儲水池。

豐水期抽水時間為10 h/d，枯水期抽水時間為12 h/d。常年采用分點定時供水；其中鐵礦、地測每天供水3 h，銅礦每天供水3.5 h,凡洞生活區傍晚供水1～2 h，各供水點均未設水表計量。

2.2 用水量計算

待公司大開發項目投產后，定崗職工約1300人(新增約800人，凡洞原有調崗500人)，凡洞總人數約2800人。新采場、選廠每天3班作業。凡洞管理區整體搬遷后，無農田灌溉。

2009年9月15日，非豐水期實測水量1420 t/d。

2002年11月1日國家頒布城市居民生活用水標準GB/T5033-2002,廣東省定額每人每天用水量為150L-220L。

(1) 按定額標準按220/L.d計算得出616 t/ d。

(2) 選廠設備冷卻水以循環供應為主，補充新水較少；考慮采場設備及運輸車輛的冷卻水補充、管路系統的損耗，共需400 t/d。

(3) 考慮基建期及運營期外來人員約800人，得出用水量為176 t/d。

(4) 考慮其他用水量200 t/d。

綜上所述估算凡洞用水總量為1392 t/d。

2.3 新泵房選址及系統設計

水源點：現生活水泵房上游約300 m處的焦子河，泵房標高511 m，吸點標高約506.6 m。

由于新水源點到凡洞生活用水水池管路過長，能耗高及水柱阻力大，管損嚴重，比較老系統數據，計算及選定下列參數：

(1) 主管徑選擇。由于枯水期水資源有限，白天是集中用水的高峰期等各種因素，流量不能過大； 根據參考文獻[5]計算排水管直徑,管路系統主要部分采用DN200×8 mm無縫鋼管，次要部分采用DN200×10 mm無縫鋼管。閘閥、多功能控制閥選擇壓力為2.5 MPa，排氣閥壓力選擇1.6 MPa。

(2) 水泵揚程選擇。根據《給水排水設計手冊(第一冊)》[8]和實際經驗，計算水泵所需的總揚程h′=309 m，查手冊及市場調查，選擇水泵：多級清水泵，DM155-30×10，流量155 m3/h，總揚程300 m(每一級30 m,共10級)，功率220 kW，高壓電機。泵房布置2臺清水泵，一用一備，一次性加壓到現凡洞生活凈化水池(標高664.6 m)。抽水系統采用水位顯示控制儀系統。

(3) 主管走向。走向選擇原則：施工期安裝難度小；減小管損及水柱沖擊力；減小架空及多級翻山越嶺形成的W型壓力差；盡量少破壞公路及現有設施，考慮近遠期規劃，避免改道[9]。管線走向應在新尾礦庫和近遠期采掘區界外。供水管道盡力采取埋地，外露部分采用架空或支架固定防震動，中途安裝排氣閥、伸縮節、排污檢修閥。據此，管線走向從取水點開始沿520 m等高線緩慢往上延伸到槽對坑尾礦庫壩頂567 m(埋管)，再經過630 m鐵尾礦平洞(明管)，直到現生活凈化水池(埋管)。全長約4.4 km。

(4) 考慮枯水期用水量。在泵房處建一座容量800 t儲水池及2座水陂(螺桿水閘式)、沉沙井、引水墻等配套設施。

2.4 供電線路

供電線路不但要滿足抽水用電，還要考慮尾礦庫建設期用電。從凡洞35 kV/6 kV變電站架設一條架空線路沿槽對坑尾礦庫至新水泵房，電壓6 kV，采用水泥電桿方式架設。

2.5 設計完善

設計時，水泵出口支管安裝多功能閥(具有單向、緩沖功能，壓力2.5 MPa)，防停機水錘作用，試機后，發現多功能閥緩慢閉合，延時1～2 s，停機水錘瞬間還是對泵體造成微量沖擊力，如長時間使用，對泵體、基礎螺栓、電機會造成一定損壞。改進措施：在多功能閥前端的主管新增旋啟式截止閥(壓力2.5 MPa)，主道中部加裝一個多功能閥(落差大的位置)。

主管中段和尾段各安裝一個伸縮節(熱脹冷縮功能)，運行后，發現伸縮節變形無法有效恢復，并造成管道局部震動，主要原因是瞬間水鍾沖擊造成。后采取加焊固定，特別是各個轉彎處支架加固，試機后，管道不再震動。建議非長距離外露情況時，無需采用管道伸縮節。

3 結 論

(1) 通過綜合考慮用水量、供水方式、泵類選擇、電機選擇、管道損失、主道選擇、管件及水錘危害等內容對大寶山礦的供水系統進行了設計,并進行了方案設計的完善。

(2) 供水設計要根據輸送介質和工況情況進行選擇，如碰到網絡狀同時供水，應將每支段沿程損失和局部阻力損失考慮在內，否則易造成部分供水點水壓較小或無水可用。

參考文獻：

[1]胡章地,董 強,竇宇雄,等. 董家包磷礦供水施救系統建設方案[J]. 企業技術開發,2013(02):9-10,35.

[2]張土喬,呂 謀,趙洪賓. 供水系統優化運行的建模方研究[J]. 浙江大學學報(工學版),2000(04):80-84,99.

[3]曹建國,李士忠,韓敬濤，等. 泉上煤礦污水治理工程及污染減排技術[J]. 采礦技術,2012,12(6):43-44.

[4]劉建紅. 多級泵站供水系統運行控制方案研究[J]. 給水排水,2009(04):117-120.

[5]許保玖.管道和水泵簡易計算法[M]. 北京：中國建筑出版社,1973.

[6]王 勇. 供水系統水錘數值計算及動態模擬[D]. 合肥：合肥工業大學，2009.

[7]羅 偉，褚風林.停泵水鍾的簡易算法及算例[J]. 水泵技術，2004(6).

[8]給水排水設計手冊(第一冊，第二版)[M]. 北京：中國建筑工業出版社，2008.

[9]岳志朋,張大永,徐 磊. 云南某尾礦庫水文地址工程地質調查[J]. 采礦技術,2012,12(5):85-87.