長距離高揚程尾礦回水管道選型探索

張劍峰

（寶雞西北有色七一七總隊有限公司，陜西 寶雞 721004）

尾礦回水管線設(shè)計是泵站設(shè)計當(dāng)中的重要環(huán)節(jié)，特別是長距離、高揚程尾礦回水輸送系統(tǒng)在生產(chǎn)中應(yīng)用很普遍。在泵站設(shè)計當(dāng)中，實際運行回水流量值偏小現(xiàn)象比較常見，采用實際回水流量等參數(shù)演算發(fā)現(xiàn)，管徑尺寸大小及管道耐壓等級是關(guān)鍵，甚至直接關(guān)系泵站能否達(dá)到設(shè)計回水量成敗的關(guān)鍵，且關(guān)系工程投資、施工難易程度、水泵的選型、運行成本及水力輸送系統(tǒng)的長期安全穩(wěn)定運行，應(yīng)該予以特別重視。文中介紹了一種簡便易行的回水管線規(guī)格型號選型方法，在尾礦回水管線設(shè)計中取得了很好的使用效果。

1 常規(guī)輸水管道選型

常規(guī)輸水管道選型首先是水頭損失的計算，其次是總揚程計算。水流在運動過程中克服水流阻力而消耗的能量稱為水頭損失，水頭損失計算包含兩部分：沿程水頭損失、局部水頭損失計算，水頭損失計算過程中確定管道材質(zhì)與管徑。管徑選擇的正確與否，是保證供水水量達(dá)到設(shè)計輸送量的關(guān)鍵，且和管道承壓壓力、液體流速、揚程損失、水泵額定功率能否正常發(fā)揮等密切相關(guān)，管徑的大小與液體流速密切相關(guān)，且直接影響其他要素。一般來說，液體流速選擇1.1-1.5m/s比較理想。

不同材質(zhì)的管道糙率不同，短距離輸水管線可以忽略糙率對水頭損失的影響，管道糙率在長距離輸水管線水頭損失計算中非常重要。鋼質(zhì)管線承壓高但表面粗糙管阻大，易結(jié)垢；塑料管線承壓較鋼質(zhì)管材低但表面光滑管阻小，不易結(jié)垢。在滿足承壓要求的前提下，應(yīng)選擇重量輕、耐磨損、抗腐蝕、管阻小、不易結(jié)垢、方便施工及運行管理的塑料材質(zhì)管線，通常整條管線采用同型號、相同耐壓等級、材質(zhì)的管道。

長距離高揚程水利輸送管線設(shè)計，首要考慮管線承壓問題，選擇足夠耐壓等級的管道是保證安全穩(wěn)定運行的前提。

2 管道選型應(yīng)用實例

2.1 工程概況

該尾礦回水工程管線設(shè)計總長3755m，回水量200m3/h，垂直落差220m，建設(shè)泵站一座，水泵選擇多級離心泵，型號：D155—67*6、揚程：354m、流量：185m3/h，電機功率315KW。

該泵站采用雙母管平進(jìn)水、雙母管垂直出水的形式，泵及管線均為一用一備，將尾礦廢水由尾礦庫輸送至選冶廠生產(chǎn)用高位水池。該工程處于山區(qū)，地形復(fù)雜、地勢高低起伏變化較大，材料運輸困難、施工難度大。經(jīng)現(xiàn)場踏勘及論證，尾礦回水工程輸水管道設(shè)計中采用三段不同材質(zhì)、不同耐壓等級的管道，回水量穩(wěn)定可靠。三段管線自泵出口至高位水池連接順序如下：無縫鋼管175m，鋼絲復(fù)合管995m，焊接鋼管2585m，總計3755m。

圖1 尾礦回水工程管線設(shè)計施工圖

2.2 管道常規(guī)選型

首先進(jìn)行水頭損失計算，沿程水頭損失計算網(wǎng)絡(luò)上有大量小軟件可以使用，非常方便準(zhǔn)確，在此不做敘述。局部水頭損失計算較為復(fù)雜，一般取沿程水頭損失的10%-30%，具體取值根據(jù)閥門、彎頭等管件的數(shù)量確定，通過計算得出總揚程值。具體計算公式如下：

H=h+10m+hy+hj

式中：H為總揚程，m；h為垂直落差，m；hy為沿程水頭損失，m；hj為局部水頭損失，m.

計算中，回水運動粘度選用1.137cSt及鋼質(zhì)材料的管道絕對均勻度，回水量值200 m3/h、垂直落差220m，管線長度3755m，局部水頭損失取沿程水頭損失的30%。

計算結(jié)果：H(總揚程)=257.53m

2.3 理論聯(lián)系實際，靈活選型

該工程屬尾礦回水泵站設(shè)計，尾礦回水內(nèi)成分復(fù)雜，依常規(guī)選型確定回水泵及管線型號規(guī)格，會出現(xiàn)設(shè)計回水流量和實際流量不符的現(xiàn)象，因而在總揚程計算中加入了經(jīng)驗值，放大局部水頭損失取值基數(shù)，增加預(yù)留揚程(hl)，計算簡便易行。

即： H=h+10m+hy+hj+hl

式中 ：hj=20%*（H+10+hy）

Hl=20%*（H+10+hy）

計算結(jié)果：H(總揚程)=352m

依據(jù)上述計算結(jié)果管道選型：無縫鋼管、管徑DN225、壁厚9mm。

無縫鋼管單根長6m，單根重量達(dá)321kg，山區(qū)野外施工中機械設(shè)備無法使用，需人力運輸，加之焊接電源接入困難，造成施工周期延長，人工投入加大。鑒于此，需打破常規(guī)進(jìn)行管道選型，選型依據(jù)如下：

壓強計算公式：P=ρgh

式中：P為壓強，Pa；ρ為密度，kg/m2；g為常數(shù) g=9.8N/kg，h為深度，m.

壓力計算公式：F=PS

F為壓力，N；P為壓強，N/m2，Pa；S為受力面積；m2.

從上述壓強壓力計算公式可以看出，液體的壓強只跟液體的深度和密度有關(guān)，跟其他因素?zé)o關(guān)，那么也就是說在受力面積相同的情況下，回水管道承受的壓力只跟液體的深度有關(guān)；換言之，在落差220m的管線中，不同落差范圍內(nèi)的管道承受的壓力不同，距離管道出水口越近，管道承受的壓強及壓力越小；反之，距離管道出水口越遠(yuǎn)落差越大，管道承受的壓強及壓力越大。

根據(jù)上述計算公式，依據(jù)現(xiàn)場實際情況將管線分段，選擇不同型號、耐壓等級以及管道材質(zhì)，滿足輸水工程需要，降低投資成本及施工難度。選型結(jié)果如下：9mm厚DN225碳鋼無縫鋼管175m，耐壓：4.0MPa以上；DN225鋼絲復(fù)合管995m，耐壓3.2Mpa； 8mm厚DN225焊管2585m，耐壓：2.5MPa以上；采用了3段不同材質(zhì)、耐壓等級的管道。

2.4 生產(chǎn)運行效果

經(jīng)過2年的生產(chǎn)運行跟蹤，使用便攜式超聲波流量計監(jiān)測，輸水量達(dá)195 m3/h，單位時間內(nèi)輸水量較水泵額定流量略高10m3/h，未出現(xiàn)電機超載、管道爆裂等不良現(xiàn)象，運行穩(wěn)定、可靠。

2.5 選型注意事項

在流量揚程確定的情況下，管徑越大，流速越低水頭損失越小，設(shè)計流量在實際生產(chǎn)中越容易得到保證，并非管徑越大越好，管徑選擇太大一是不經(jīng)濟；二是不利于施工；三是會造成流量過大電機超載。一般來說水力輸送流速選擇1.1-1.5m/s，在此流速范圍內(nèi)確定的管徑比較理想；

管線設(shè)計不能忽略管道伸縮補償裝置、排氣裝置的配置。長距離管線運行當(dāng)中，受環(huán)境溫度的變化影響，出現(xiàn)熱脹冷縮現(xiàn)象，管線彎曲變形，水頭損失增大而影響流量，管道補償裝置的應(yīng)用會避免此現(xiàn)象的發(fā)生；另外，輸水過程中受多種因素影響，管內(nèi)會產(chǎn)生大量氣泡影響流量，需合理匹配排氣裝置，消除氣阻現(xiàn)象，減少水頭損失。

水泵選型必須嚴(yán)格按照生產(chǎn)廠的標(biāo)準(zhǔn)型號選擇，忌選非標(biāo)型號水泵。

水泵電機功率匹配選型必須合理。文中《應(yīng)用實例》多級離心泵標(biāo)準(zhǔn)配置電機功率280KW并非315KW,此為選型匹配結(jié)果，運行結(jié)果表明，多級離心泵實際輸出功率較標(biāo)準(zhǔn)配置電機功率280KW高約10-20KW。

圖2 水泵配置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

電氣控制設(shè)備選型。礦山泵類電氣控制設(shè)備宜優(yōu)先選用泵用型變頻器，具有較好的性能價格比，生產(chǎn)中可根據(jù)需要調(diào)節(jié)水泵流量大小，操作控制安全簡便，節(jié)能降耗效果顯著。

3 結(jié)論

長期的實踐工作當(dāng)中，發(fā)現(xiàn)在回水工程設(shè)計方面，存在設(shè)計流量和實際流量不符的現(xiàn)象，認(rèn)真查找原因發(fā)現(xiàn)，管徑選擇不當(dāng)及總揚程計算失誤是造成設(shè)計流量和實際流量不符的主要原因。那么，在長距離高揚程尾礦回水管道選型時應(yīng)綜合考慮，尤其是設(shè)計中對于水頭損失的計算，不能墨守成規(guī)、死搬硬套計算公式，必須加入水頭損失經(jīng)驗數(shù)值，靈活運用理論知識及經(jīng)驗數(shù)據(jù)，結(jié)合實際工況確定管徑及材質(zhì)。另外，長距離高揚程尾礦回水輸送系統(tǒng)中，應(yīng)充分考慮管道不同落差承受壓力的不同，合理選擇不同的承壓管道，以降低投入和施工難度。

說明：文中所附總揚程計算公式當(dāng)中的“彎頭損失”及“預(yù)留揚程”計算取值，是經(jīng)過多年實踐摸索出的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，在實際生產(chǎn)應(yīng)用中效果較好。因環(huán)境地域的不同，此經(jīng)驗數(shù)據(jù)在實際工作當(dāng)中請慎重引用，謝謝！