礦井主排水泵喘振現(xiàn)象及改善措施的探究

賀仰曉， 張澤平

（同煤集團馬脊梁礦， 山西 大同 037001）

引言

礦用主排水泵多為多級離心泵，由于水泵進氣、氣蝕等因素引發(fā)設備運轉過程中出現(xiàn)振動、噪音現(xiàn)象，性能上表現(xiàn)為設備運行效率降低、水泵揚程與過流量出現(xiàn)明顯下降，我們稱之為水泵的喘振故障。水泵產(chǎn)生喘振現(xiàn)象后內(nèi)部受到水力沖擊作用加大，會對水泵各過流元件造成極大損傷，出現(xiàn)金屬疲勞、表面缺陷甚至部分剝落，一旦水泵葉片出現(xiàn)上述損傷，會嚴重影響水泵正常運轉。水泵喘振現(xiàn)象還會導致流體中有害氣體提前析出，對金屬表面進行腐蝕[1-2]。為此加強對礦井主排水泵的運行工況的監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)振動和噪音現(xiàn)象，能夠有效確保水泵正常運轉效率和井下排水工作的正常進行。

1 排水泵喘振現(xiàn)象原因

1.1 進氣現(xiàn)象

水泵運轉過程受到多種因素影響，少量空氣會伴隨水流進入水泵泵體內(nèi)部，被帶入的空氣受到流體的液體壓力，在葉輪低壓處會進行膨脹，而被帶入高壓處會被壓縮，體積縮小而壓力升高，形成小范圍的高壓區(qū)，該過程會不斷受到泵體內(nèi)部流體的狀態(tài)而不停發(fā)生變化，這類泵體內(nèi)部的體積變化會影響到流體低壓時的真空度，降低排水泵吸水能力。壓力變化還會對泵體本身產(chǎn)生沖擊作用，致使離心泵出現(xiàn)振動和噪音，此時水泵的揚程、流量以及機械效率都會受到影響。

1）液體降落進氣。礦井排水系統(tǒng)需要井下排水先匯入水倉內(nèi)，再通過主排水泵抽出輸入至地面進行處理，這就構成了一個水體循環(huán)流動系統(tǒng)。井下排水匯入水倉前，會由高處落下，沖擊作用會將一部分空氣攜帶至水體，當沖擊所產(chǎn)生的所有能力全部消耗完，進入水體的氣體會逐步釋放，水體需要進行一定時間的靜置，才能釋放大部分空氣。由于設計、現(xiàn)場場地等因素，水倉深度和體積會存在一定限制，水倉深度過低，水體流量過大，氣體尚未完全釋放就被帶到泵體進入循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)部[3-4]。

2）蝸旋進氣。排水泵循環(huán)吸入過程中，液位急劇下降，會沿吸水口中心形成漩渦，這種渦流現(xiàn)象會攜帶一定量空氣伴隨水流進入泵體及循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)。而空氣進入泵體對系統(tǒng)造成的影響與上述情況是一致的。這種情況多是由于水井水位過低，水泵進水口設置過淺造成的。還有極個別情況是由于進水管出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象造成的。

1.2 氣蝕現(xiàn)象

液體在低壓作用到一定程度會蒸發(fā)膨脹，該狀態(tài)被稱為飽和蒸氣壓，而壓力增加到一定程度會再次轉化為液體。在水泵運轉過程中，低壓區(qū)部分液體受到壓強到達飽和蒸氣壓形成氣泡，通過葉輪高壓區(qū)受壓力影響再次變?yōu)橐后w，這一過程中體積的急劇變化會導致部分區(qū)域出現(xiàn)小的空洞現(xiàn)象，同時水流受壓力作用擠壓至空洞處對水泵內(nèi)部造成沖擊，此時水泵內(nèi)部再次出現(xiàn)低壓區(qū)域，水流再次出現(xiàn)氣泡直到?jīng)_擊能量完全損耗。為了避免汽蝕現(xiàn)象產(chǎn)生，需要確保水體在入口處受到液體壓力大于發(fā)生氣蝕的飽和蒸氣壓的單位能量，這種相對余量被稱為水泵運轉的最小汽蝕余量，同時設備最小氣蝕余量對該單個設備為定值，并受到水泵結構和其他參數(shù)影響[5]。

2 礦井主排水泵性能曲線的分析

對礦井主排水泵的喘振現(xiàn)象進行分析，通過研究整個系統(tǒng)的力學穩(wěn)定性及排水泵的性能曲線，說明整個管路系統(tǒng)中的流動狀態(tài)。水泵出現(xiàn)喘振的頻率范圍基本穩(wěn)定在0.1～10 Hz，在這個固有頻率內(nèi)水泵出現(xiàn)喘振幾率極大[6]。反應在曲線上，主排水泵的工作點會在形成一個封閉的曲線，并且呈現(xiàn)逆時針變化，而工作點會位于駝峰型性能曲線上升區(qū)域，該段為不穩(wěn)定工作段（圖1為主排水泵的工作點軌跡，圖2為駝峰形性能曲線）。

圖1 主排水泵的工作點軌跡

圖2 駝峰形性能曲線

圖2駝峰曲線中峰值處為最佳工況點K，當工況點位于K點左側，例如A點出水泵靜壓頭大于管路阻力損失，流速和流量會逐步增加；而位于K點右側的點，流量和流速會下降，即水泵靜壓頭會小于管路阻力值，并呈現(xiàn)降低趨勢，直到流量值歸零。這時以峰值點K點為分界點，左區(qū)為不穩(wěn)定區(qū)，右區(qū)為穩(wěn)定區(qū)。一般情況下水泵系統(tǒng)分為簡單泵系統(tǒng)和復雜泵系統(tǒng)。簡單泵系統(tǒng)揚程特征量會小于管路特征量，即單純從管路系統(tǒng)中不會因為揚程曲線趨勢和工況變化是否出現(xiàn)駝峰，而產(chǎn)生喘振現(xiàn)象。而復雜泵系統(tǒng)管路設置有水箱以及其他控制閥，管路主線的控制閥對流量調(diào)整，導致排水泵的工況點超出揚程點就會發(fā)生喘振現(xiàn)象[7]。排水泵系統(tǒng)中，后段存在儲水罐或儲氣罐等部分形成復雜系統(tǒng)，并且使用罐體后段節(jié)流閥改變流量時會發(fā)生喘振現(xiàn)象。

3 排水泵喘振現(xiàn)象的改善措施

3.1 減少排水泵進氣

1）降低水倉深度與落水口間落差。排水進入水倉時落差不易過大，否則由于沖擊作用導致水體攜帶大量空氣。

2）確保水倉容積。排水進入排水泵前在水倉內(nèi)部進行靜置，可以將水體中氣體逐步析出，確保水體應具有0.5 h以上的靜置時間，需要增加水倉的容積來儲存更多水量。

3）增加水泵進水管深度。水倉深部的水體含氣量較低，并且不易在管口產(chǎn)生旋流。

4）及時監(jiān)控水倉液位變化情況，避免水位變化量過大，導致水位過低接近或低于進水管口。

3.2 避免排水泵汽蝕

避免排水泵汽蝕，通常通過改善排水泵系統(tǒng)管路狀況來調(diào)整和提高汽蝕余量，盡量降低水泵安裝高度，提高管路管徑，減少管路中不必要的轉彎和配件，降低水體溫度減少氣化壓，因此優(yōu)選雙吸泵[8]。

3.3 優(yōu)化排水泵系統(tǒng)措施

1）可考慮將排水泵選取為大葉片的多級離心式水泵，降低水流在管路中流速。

2）水泵進口處盡量設置誘導輪，或者在吸入口加裝吸入閥，可通過吸入閥進行性能曲線調(diào)整，通過加大流量使性能曲線臨界點向右上移動，相反向左下方移動。

3）減少排水系統(tǒng)中流道中表面粗糙度，并且減少管路起伏，降低流動過程的阻力損失。

4）主排水泵壓出側應設置旁路管，可將壓出的水流重新帶入吸入側，工作點會移動到駝峰右側穩(wěn)定區(qū)。

5）選取高強度的過流元件來增加其耐久性。