礦用水泵揚程的測量方法研究

劉兆瑞

（新疆哈巴河阿舍勒銅業(yè)股份有限公司，新疆 哈巴河縣 836700）

礦用井下水泵承擔著井下排水的作用，其運行效率直接影響了采礦作業(yè)的安全穩(wěn)定性。在長期運行過程中，由于采礦作業(yè)環(huán)境的影響，礦用水泵實際運作效率也在不斷的變化。依據《礦用主排水系統(tǒng)安全監(jiān)測檢驗規(guī)范》的相關要求，對無真空表測量揚程方法進行了簡單探究。通過礦用水泵揚程誤差修正測量，可以有效提高礦用水泵揚程測量精度。

1 礦用水泵揚程測量原理

礦用水泵揚程主要指單位重量流體經過水泵所獲得的能量。具體礦用水泵揚程主要由泵葉輪直徑、葉輪轉速、葉輪彎曲程度等結構參數決定。在現階段礦用水泵揚程測量環(huán)節(jié)，主要綜合考慮單位質量水性能水柱高度、水重量、相對壓力、單位質量水具有壓能產生水柱高度、管道內水流速、單位質量水具有平均動能產生水柱高度等因素，進行穩(wěn)定流能量方程設置。即為：1斷面任一點單位質量水具有總機械能產生水柱高度=2斷面任一點單位質量水具有總機械能產生總水柱高度。上述公式表明在流體運動環(huán)節(jié)，若假定無水頭損失，則礦用水泵各斷面機械能項目守恒。這種情況下，1斷面與2斷面的高度差就為礦用水泵揚程。而由于實際礦用水泵管路結構較復雜，其需要在現場測試環(huán)節(jié)進行吸水管、壓水管連續(xù)流能量檢測點的增設，從而保證整體壓差測量的準確性。

2 礦用水泵揚程測量公式

在礦用水泵運行環(huán)節(jié)，水泵實際揚程為水泵運行時排水高度或凈揚程與管道水頭損失、進出水流速水頭差的和，由于礦用水泵管道流量與管徑具有一致性，則在管道揚程計算過程中，管道進出水流速水頭差可忽略不計。依據管道揚程計算公式可得，在礦用水泵揚程測量計算過程中，需要對管道沿程損失、管道局部損失、管道排水高度進行逐步測量。

3 礦用水泵揚程測量方式

3.1 礦用水泵揚程測試準備

依據《礦用主排水系統(tǒng)安全檢測檢驗規(guī)范》的標準檢測方法，需要采用壓力表、真空表，或者壓力傳感器、負壓傳感器等裝置，進行測試真空壓力表或者無真空壓力表的設置。在運行環(huán)境一定的情況下，礦用水泵揚程測量人員可同時進行壓力表、真空表等流量測量裝置讀數。由于礦用井下作業(yè)空間的限制，在真空礦用水泵檢測環(huán)節(jié)，管道側易出現端口無法連接情況，因此在實際測試階段可選擇無真空表測量模式作為礦用水泵揚程測量方式。

3.2 礦用水泵揚程測量誤差修正及測量

通過對揚程計算公式進行分析，可得出礦用水泵揚程測量誤差影響因素。為了最大限度控制礦用水泵揚程測量誤差對礦用水泵揚程測量準確度的影響，可以選某一礦用斷面為基準，分別進行葉輪葉片入口截面、水面截面的合理設置，在得出吸水管路水頭損失計算公式、吸水管路對揚程誤差計算公式后，可得出吸水管路水頭損失=帶真空裝置測量揚程-無真空表測量測量揚程。吸水管路水頭損失主要依據水力學公式進行計算，即吸水管路水頭損失=吸水線上直管段阻力系數×[(吸水管段等值管長+吸水線直管段長度)/吸水管直徑]。

由于礦用水泵揚程具有多種檢測措施，且不同檢測方法所得出的相對誤差變化范圍較小，因此測量相對誤差主要由礦用水泵揚程決定，且礦用水泵揚程與礦用水泵測量相對誤差變化頻率成反比。一般來說，若礦用水泵揚程測量總誤差在±3.50%以上，為了保證礦用水泵揚程測量準確度，需要采用適當的誤差修正措施。在具體礦用水泵揚程計算過程中，除了需要確定凈管道排水高度，還需要對管道局部水頭損失及管道沿程損失進行逐一核算。其中在管道沿程損失計算過程中，可依據沿程阻力系數、雷諾系數與管壁絕對粗糙程度之間的聯系，進行莫迪曲線分析。其中雷諾系數主要為在20℃時管道內流體運動粘度與運動速度之間的比值，為固定值2.99×105；而礦用水泵管壁絕對粗糙程度可根據具體礦用水泵材質，通過管道材質對應粗糙度列表得出管壁絕對粗糙度，如在礦用排水管道中常選擇新型冷拔無縫鋼管，其管壁絕對粗糙程度就為0.015mm。同時依據莫迪曲線運行情況，可得出礦用排水水泵管道沿程阻力系數，即0.0155。

若無法在莫迪曲線中獲得沿程阻力系數，則可以依據具體管道構件參數，進行管道運行沿程阻力系數計算。在紊流光滑區(qū)域，若雷諾系數在105-2.99×106之間，則依據尼古拉茲經驗公式，可得出沿程阻力系數為0.0142；若雷諾系數大于4×103，則依據阿里特蘇里經驗公式，可得出管道沿程阻力系數為0.01459。綜合以上數據，可得出莫迪曲線計算數值誤差概率較大，因此可選擇莫迪曲線所得數值為最大沿程阻力系數，這種情況下，礦用水泵沿程損失就為0.0155×0.015/100×2.9 9×105=69.5m。

而礦用水泵管道局部水頭損失計算需要依據實際礦井給排水設計參數，結合生產廠商給定的數值，即在該礦用水泵管道運行過程中，其彎頭彎度為390°，共4個，阻力系數為0.34；焊接彎管在45°時的直徑為100mm，共8個，阻力系數為0.33；止回閥直徑為100.00mm，共3個，阻力系數為0.19；閘閥直徑為100mm，共2個，阻力系數為1.02。依據上述數據，結合管道局部水頭損失計算公式，可得出最終管道水頭局部損失數值，為2.50m。

3.3 礦用水泵揚程測量實踐分析

無真空壓差測量方式主要是依據穩(wěn)定流連續(xù)方程理論，進行的壓差測量措施。在礦用水泵揚程實際測量過程中，首先可選擇三臺壓力傳感器作為一次儀器，選擇一臺顯示儀器作為二次儀器，在儀器準備完畢之后，可依據擴散硅壓阻原理，結合微機械加工制造技術，設定整體壓力測量范圍為0~0.39MPa之間，并采用4~18mA電流信號作為數據傳輸頻率。依據管道運行特點，為了保證礦用水泵揚程測量作業(yè)順利進行，應在泵房前池儲備充足的水資源，并在在線監(jiān)測作業(yè)進行時，控制其他水泵處于停止運行狀態(tài)。在具體單泵揚程測量環(huán)節(jié)，可在開啟測量泵閥門的基礎上，通過對相應閥門的合理調控，將管道相鄰段閥門進行閉合設置，結合電動閥流量調節(jié)措施，可保證礦用水泵揚程在線測量效率。

其次在間隔一定距離的兩個測量端點，分布安裝對應的傳感設備，并采用屏蔽線、顯示儀表進行連接。需要注意的是，為了保證礦用水泵揚程測量準確度，需控制礦用管道測量兩點間距離在100~999m之間，便于最終顯示壓力數據的合理對比分析，壓力儀表可顯示管道兩點間壓差值在±19.99MPa之間。無真空壓差測量設備在整體測量過程中，精確度為0.049%FS，其最大允許誤差為0.20kPa。通過無真空壓差測量裝置的使用，可得出吸水管道、壓水管道等不同管道測量點之間的壓差值，進而得出對應的高程差值。

最后礦用水泵揚程測量數據核算。為了保證礦用水泵揚程數據準確性，可采取每個數據多次讀數的方式，間隔2min讀取一次數值。然后結合不同工況相對運行誤差2.50m、69.5m，利用進出口壓力差與出水管、進水管內徑數值，可獲得對應水泵實際揚程數值。假定該礦用水泵排水高度為300m，長度為1059m，直徑為100.00mm，流量為84m3/h，且整體管道用材質為新型冷拔無縫鋼管，排水管徑為4寸，則該礦用水泵在抽排作業(yè)環(huán)節(jié)所需揚程為300+69.5+2.50=372.00m。

3.4 礦用水泵揚程測量效益評估

通過對某礦排水泵揚程測量數據評估，可得出不同工況測量點參數及折算后額定轉數揚程誤差，即在揚程參數為1479m3/h時，礦用水泵揚程測量相對誤差為0.279%；而在礦用水泵揚程參數為85.6m3/h時，礦用水泵揚程測量相對誤差為0.132%。

4 結語

綜上所述，依據現場礦井開設情況，可在對應檢測管道一定距離兩點進行感應設備安裝，在獲得壓力值后，可利用伯努利方程，得出對應管道測量點高度差值，并將各個工況點測量所獲得的數據整合，最終得出礦用水泵揚程。在這個基礎上，可依據數據擬合原理進行額定環(huán)境揚程特征曲線繪制。通過額定環(huán)境水泵揚程特征曲線與以往特征曲線對比分析，可得出礦用排水系統(tǒng)效率及噸水百米資源損耗效率影響因素，便于進行對應工況改進方案的設置，以保證礦用排水系統(tǒng)運行效率。