漿料輸送中渣漿泵的選型分析及實踐

常 亮，楊永光，蘭 天，范吉全

中國寰球工程有限公司北京分公司 北京 100012

在漿料輸送工程應(yīng)用中，質(zhì)量分數(shù)≥80%的干式漿料主要采用車輛或帶式輸送機輸送，質(zhì)量分數(shù)＜70%的物料多采用渣漿泵作為動力經(jīng)管道進行輸送。干式漿料的車輛或帶式輸送機輸送方案，受項目地質(zhì)和氣象條件影響較大，尤其是在長距離輸送應(yīng)用上，初次投資成本較高。而泵組動力管道輸送方案，受項目環(huán)境和氣象影響較小，是長距離輸送的優(yōu)選。在動力管道輸送方案中，需要基于不同項目應(yīng)用要求，配置不同泵送方案以達到技術(shù)和經(jīng)濟的平衡。短距離低壓力輸送中，多選用離心式渣漿泵，在長距離高壓力輸送中，可選用多級離心式渣漿泵串聯(lián)與高壓隔膜往復(fù)式渣漿泵方案進行比選。近年來，國內(nèi)多個項目在長距離輸送中選用了高壓隔膜往復(fù)式渣漿泵方案，國內(nèi)供貨商以及研究單位也對往復(fù)式隔膜渣漿泵進行了一定的研究開發(fā)，進一步提高了國內(nèi)同類產(chǎn)品的可靠性與經(jīng)濟性。

針對高質(zhì)量濃度漿料輸送的工程要求，以國外某磷礦項目中高質(zhì)量濃度渣漿輸送應(yīng)用為例，從工藝方案確認、泵送方案的選擇以及比較，對渣漿泵在質(zhì)量濃度漿料輸送中的工程應(yīng)用做了簡單的介紹、分析和研究。

1 工程項目應(yīng)用情況介紹

在國外某磷礦項目中，有尾礦輸送應(yīng)用，其尾礦物料質(zhì)量分數(shù)為 57%～60%，其輸送要求如表 1、2所列，有如下特點：

表1 磷礦尾礦濃密機底流Tab.1 Underflow of phosphate tailings thickener

(1) 尾礦距項目廠界超過 3 km，輸送距離較長；

(3) 設(shè)計出口壓力為 20 a 后尾礦設(shè)計高度的最大出口壓力，實際應(yīng)用中出口壓力會隨著工廠運行年限從低到高逐年升高；

(4) 設(shè)計流量為最大流量，實際運行流量需根據(jù)項目運行情況調(diào)節(jié)，存在范圍波動。

表2 尾礦泵工藝參數(shù)Tab.2 Process parameters of tailings pump

此類大流量中/高壓力的高質(zhì)量濃度泵送工況的研究對比，已有初步的研究建議，需進一步的分析來確認技術(shù)方案的合理性與經(jīng)濟性[1]。

2 選型分析

2.1 離心式渣漿泵方案

2.1.1 應(yīng)用特點

(1) 結(jié)構(gòu)形式簡單，多采用聯(lián)軸器直聯(lián)或皮帶傳動，密封形式以填料應(yīng)用居多，其泵組的安裝、操作以及運行維護都比較方便，且允許調(diào)節(jié)葉輪蓋板與前護板間隙來改善運行工況。可輸送的粒徑范圍廣，可輸送含較大顆粒 (粒徑為 50 mm) 或未經(jīng)研磨的較尖銳顆粒的物料。

(2) 離心式渣漿泵泵送能力較大，Warman AH 臥式渣漿泵型譜如圖 1 所示，單泵輸送能力可達 5 000 m3/h，但泵送揚程上限較低，單泵揚程低于70 m。

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圖1 Warman AH 渣漿泵型譜Fig.1 Spectrum of Warman AH slurry pump

因泵轉(zhuǎn)速提高會顯著降低過流部件的使用壽命，有試驗數(shù)據(jù)顯示，磨損強度與轉(zhuǎn)速呈現(xiàn) 5 次方的關(guān)系[2]，為了得到合適的泵組使用壽命，工程應(yīng)用中渣漿泵轉(zhuǎn)速小于1 000 r/min。

(3) 離心式渣漿泵的 HR/ER

離心式渣漿泵的揚程、效率受漿料特性影響，會出現(xiàn)不同程度的損失，并且隨著漿料質(zhì)量分數(shù)的提高，揚程及效率損失也會增大[3]。揚程修正系數(shù)

效率修正系數(shù)

式中：HS為漿體揚程，m；HW為清水揚程，m；ES為漿體效率；EW為清水效率。

漿料特性與揚程修正系數(shù)的關(guān)系曲線如圖 2 所示。由圖 2 可知，漿體物料特性中d50、物料流量、密度對HR/ER都有影響；在料漿應(yīng)用中，HR可達0.6[4]。

圖2 漿料特性與揚程修正系數(shù)的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship curve of slurry features and lift correction coefficient

2.1.2 方案擬選

基于離心式渣漿泵的應(yīng)用特點，對尾礦應(yīng)用要求為：

(1) 單泵流量可以滿足，但單臺離心泵出口壓力無法滿足泵送要求，需要多臺離心式渣漿泵進行串聯(lián)增壓輸送，且由于出口壓力波動范圍大，泵組的實際運行流量較難調(diào)節(jié)。

(2) 基于此高質(zhì)量分數(shù)物料特性，離心式渣漿泵的揚程及效率受影響較大，能耗較高。

(3) 多級串聯(lián)后磨損部件較多，尤其是對于末級的離心式渣漿泵，承載的軸向載荷較大，軸承等部件的使用壽命會大幅降低。

離心式渣漿泵串聯(lián)的方案是可以實現(xiàn)應(yīng)用需求的，但預(yù)期在操作運行、能耗對比以及運行維護中，相較于往復(fù)式泵組存在一定的缺點。尾礦濃密機底流剪切泵型譜如圖 3 所示，選取物料特性相近的泵組作為參照。離心式渣漿泵的泵組方案選取如下：泵組總揚程H總＝Pd-(Ps/ρ)=392 m；取單泵揚程H＝65 m，共需要 392/65≈6 級離心式渣漿泵串聯(lián)。泵轉(zhuǎn)速為 920 r/min，可選用額定轉(zhuǎn)速為 900 r/min 變頻電動機直連驅(qū)動。泵效率為 65%，效率修正系數(shù)為 100%～ 7.95%＝92.05%，揚程修正系數(shù)為 100%～ 2.06%＝97.94%。單泵軸功率

圖3 尾礦濃密機底流剪切泵型譜Fig.3 Spectrum of shearing pump for underflow of tailing thickener

按照離心式渣漿泵選型建議，電動機功率系數(shù)為1.15～1.20，則單泵裝機功率≥362 kW，選擇電動機額定功率為 375 kW。以 6 臺泵為 1 組，共配置 12 臺離心式渣漿泵，2 臺中壓變頻器 (375 kW，用于串聯(lián)泵組的最后 1 臺離心式渣漿泵，用于一定范圍內(nèi)的流量調(diào)節(jié))。6 臺離心式渣漿泵 20 年的能耗 (按照設(shè)計工況 8 000 h 運行)

P20＝泵組軸功率×年運行時間×設(shè)計使用年限＝(314.85×6)×8 000×20＝302 256 000 kW·h。

2.2 往復(fù)式隔膜泵

2.2.1 應(yīng)用特點

(1) 結(jié)構(gòu)型式較離心式來說相對復(fù)雜，運行維護的要求較高。

典型的隔膜泵工藝 PID 如圖 4 所示。隔膜泵主要由隔膜腔、動力傳動端、齒輪箱及驅(qū)動電動機組成。其使用隔膜將漿體與機械部件隔離，以液壓油傳遞動力驅(qū)動隔膜，減少了部件的磨損。受限于泵特性及隔膜材質(zhì)，隔膜泵僅適用于輸送經(jīng)研磨后較細顆粒的漿料 (粒徑分布在 1 mm 以內(nèi)[5])，不適用于輸送粗、尖銳顆粒。隔膜泵組輔助系統(tǒng)多，控制邏輯復(fù)雜，設(shè)備的初次投資成本大，安裝及運行維護要求高。

圖4 典型的隔膜泵工藝 PIDFig.4 Typical PID for diaphragm pump

(2) 隔膜泵輸送能力有限，單泵能力輸送＜800 m3/h (受限于曲軸箱的軸承設(shè)計與制造)，出口壓力可以達到 20 MPa，隔膜泵性能受物料特性影響小，機械效率較高，可達 90%。隔膜泵流量調(diào)節(jié)范圍廣(不考慮沉降流速)，通過變頻器，泵效率可達 10%～100%，但需要考慮驅(qū)動齒輪箱的最低許用轉(zhuǎn)速以及物料的沉降流速，當流量降低時不會增加泵組部件的磨損。

(3) 隔膜泵對于吸入壓力有一定的要求，需校核是否設(shè)置前置增壓泵。

2.2.2 方案擬選

基于往復(fù)式隔膜泵的應(yīng)用特點，對尾礦應(yīng)用要求為：

(1) 單泵可以滿足物料輸送的流量/壓力要求，通過變頻器流量調(diào)節(jié)范圍較廣；

(2) 泵的運行效率較高，同類型泵組效率可達 91%～ 94%；

(3) 主要磨損部件為泵組進出口閥門及隔膜，相較于離心串聯(lián)泵組，磨損部件少；

(4) 有前置入口壓力需求，經(jīng)與某廠商，其在額定工況要求下，入口壓力約為 0.025 MPa。基于此要求，需設(shè)置前置增壓泵，滿足往復(fù)泵組的入口壓力要求。

最終配置往復(fù)式隔膜泵方案為：2 臺多泵頭往復(fù)式隔膜泵 (一用一備) 流量為 655 m3/h，軸功率為1 250 kW，電動機額定功率為 1 450 kW，泵組效率按照 92% 考慮，由齒輪箱+變頻電動機+變頻器驅(qū)動，泵組由 PLC 控制。2 臺入口離心式增壓泵流量為 655 m3/h，揚程為 25 m (滿足隔膜泵最低入口壓力需求)，軸功率為 95 kW，電動機額定功率為 132 kW。配置 2臺中壓變頻器 (功率為 1 450 kW)，2 臺低壓變頻器 (功率為 132 kW)，2 個 PLC 就地控制柜。以 API 標準對于泵組的設(shè)計要求 20 a 為期，往復(fù)式隔膜泵 20 a的能耗 (按照設(shè)計工況 8 000 h 運行)P20＝泵組軸功率×年運行時間×設(shè)計使用年限＝(1 250+95)×8 000×20＝215 200 000 kW·h。

2.3 方案比選

離心泵與往復(fù)林隔膜泵方案對比如表 3 所列。通過計算得出約 5 a 時間可通過能耗差的運行成本補足離心泵方案與隔膜泵方案的初次投資成本差異，因此最終選往復(fù)式隔膜泵方案。

表3 離心泵與往復(fù)式隔膜泵方案對比Tab.3 Comparison of centrifugal pump and reciprocating diaphragm pump scheme

3 實際應(yīng)用

經(jīng)過綜合評標比選，選用由荷蘭 GEHO 公司供貨的 TZPM 三泵頭往復(fù)式隔膜泵組，泵組效率為93%，驅(qū)動方式為齒輪箱＋變頻電動機＋變頻器驅(qū)動，泵組配備液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)，往復(fù)泵組入口配置 2 臺離心式增壓泵，由南非 Weir 供貨。泵組已于2017 年初在項目現(xiàn)場完成了設(shè)備的安裝及調(diào)試，試車情況良好，設(shè)備運行平穩(wěn)，泵組效率達到了設(shè)計要求。

在現(xiàn)場設(shè)備試運行時選取清水作為試車介質(zhì)，泵組在尾礦排出口無背壓的工況下，首次試車出口壓力約為 1.1 MPa，經(jīng)換算如選用礦漿物料，出口壓力約為 1.9 MPa (考慮物料特性下的管道損失變化)。從 1.9 MPa 到預(yù)期 20 a 后的設(shè)計使用壓力 6.4 MPa，期間的出口壓力特性變化范圍很大，這種調(diào)節(jié)范圍對離心泵組來說是很難實現(xiàn)的，且隨著出口壓力的調(diào)節(jié)，離心泵的運行點會大幅偏離高效運行區(qū)，部件磨損情況也會提高，操作運行的經(jīng)濟性會進一步降低。

在工廠前期試車運行過程中，尾礦輸送量是基于項目運行情況不斷進行調(diào)節(jié)的，同樣基于此，離心泵組選用變頻調(diào)節(jié)適應(yīng)項目運行工況的特性是低于往復(fù)式隔膜泵方案。

4 結(jié)論

基于工程實際運行情況，對于長距離輸送高質(zhì)量分數(shù)渣漿的工況，且存在實際運行工況多變要求的，往復(fù)式隔膜泵在總體上是優(yōu)于多級離心式渣漿泵輸送方案，雖然有著能耗低、維護成本低等優(yōu)勢，但同時也存在著初次投資高的客觀情況。如果工藝運行要求較為穩(wěn)定，可實現(xiàn)離心泵組運行情況長期穩(wěn)定運行在高效區(qū)；假如工藝運行要求實現(xiàn)階段性的變化，通過階段性的增加串聯(lián)離心泵的數(shù)量，達到提高離心泵組的可靠性并進一步降低運行維護費用的目的。建議在實際運行中，可以通過進一步細化方案比選與研究，更好地滿足設(shè)備經(jīng)濟性與可靠性的平衡需求。