空壓機(jī)在鹽湖鹵水礦床中的適用性研究

宛 東，馬寶成，王 江，陳禮石

（1.中藍(lán)長(zhǎng)化工程科技有限公司，長(zhǎng)沙 410000；2.國(guó)投新疆羅布泊鉀鹽有限責(zé)任公司，新疆 哈密 839000）

某鹽湖礦山主要以潛水泵疏干性開(kāi)采潛鹵水層，自2009年采鹵以來(lái)，累計(jì)開(kāi)采鹵水量約為26 億m3。由于潛鹵水層周邊補(bǔ)給量遠(yuǎn)小于鹵水采出量，該礦山平均地下水位埋深已降低約13 m。隨著開(kāi)采規(guī)模的延續(xù)，后期地下水位埋深將進(jìn)一步下降，導(dǎo)致開(kāi)采深度相應(yīng)增加，那么采鹵井中安裝的潛水泵的揚(yáng)程、葉輪級(jí)數(shù)、電機(jī)功率及安裝深度均需增加，將會(huì)使采鹵能耗大幅增加，而且潛水泵的防腐性、電機(jī)和電纜絕緣性的質(zhì)量要求也會(huì)大幅提高。一旦潛水泵出現(xiàn)故障，維檢時(shí)起吊、下放工作量就大幅度增加，由此產(chǎn)生的潛水泵設(shè)備投資和備品、備件等材料成本也大幅增加。如果采用空壓機(jī)采鹵，井下設(shè)備僅有采鹵管和壓縮空氣管，只要材質(zhì)選擇合適，使用時(shí)基本不需要維檢，主要采鹵設(shè)備（空壓機(jī)）設(shè)置在地表，維檢工作量較少，可節(jié)約生產(chǎn)成本，降低設(shè)備故障率[1]。因此，有必要在鹽湖鹵水礦床中開(kāi)展空壓機(jī)采鹵的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)。本文在該鹽湖礦山分別應(yīng)用潛水泵和空壓機(jī)在采鹵井中完成等流量抽水試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析二者采鹵的經(jīng)濟(jì)性。

1 工作區(qū)水文地質(zhì)條件

潛鹵水層賦存于第四系化學(xué)沉積層（Q4ch）中，現(xiàn)平均水位埋深約為15 m，底板平均埋深為95.07 m，儲(chǔ)鹵層巖性主要為石鹽、石膏、粉細(xì)砂，垂向上夾薄層黏土層，含水層有效厚度為41.55 m（靜水位以下剔除黏土夾層部分），鹽溶孔隙較發(fā)育，孔隙率一般在10%～60%。

2 抽水試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

分別應(yīng)用潛水泵和空壓機(jī)在采鹵井中開(kāi)展等流量的對(duì)照抽水試驗(yàn)，記錄水位、流量與能耗等數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)照數(shù)據(jù)進(jìn)行兩種采鹵方式的能耗指標(biāo)對(duì)比分析。采鹵井深度為105 m，井徑為1 000 mm，全段下置井壁套管，井壁套管均為開(kāi)有篩孔的濾管，單個(gè)篩孔的孔徑為20 mm，孔隙率在20%～30%。

2.1 潛水泵抽水試驗(yàn)方案

潛水泵抽水試驗(yàn)共設(shè)計(jì)1 組，分3 個(gè)落程，3 個(gè)落程降深分別設(shè)計(jì)為10 m、20 m 和30 m，降深順序由小至大，試驗(yàn)類型為單孔穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)。抽水過(guò)程中對(duì)抽水井進(jìn)行觀測(cè)，記錄內(nèi)容包括對(duì)應(yīng)時(shí)間的水位、降深、流量和能耗等。抽水時(shí)，潛水泵配套部件主要為出水管，電機(jī)安裝深度為60 m，出水管采用外徑150 mm、壁厚6 mm 的無(wú)縫鋼管。

2.2 空壓機(jī)抽水試驗(yàn)方案

空壓機(jī)抽水的理論基礎(chǔ)為氣舉原理[2]，氣舉裝置由空氣壓縮機(jī)、送風(fēng)管和出水管組成。空壓機(jī)抽水時(shí)將產(chǎn)生的壓縮空氣輸送至安裝在采鹵井中的風(fēng)管內(nèi)，高壓空氣與鹵水混合后，出水管內(nèi)會(huì)形成一種密度小于鹵水的水氣混合物，水氣混合物因其比重小而上升，出水管內(nèi)的混合器底端形成負(fù)壓，混合器下部的鹵水在負(fù)壓作用下持續(xù)上升，并在氣壓動(dòng)量的聯(lián)合作用下不斷補(bǔ)水，上升至混合器內(nèi)的鹵水與氣體形成氣水混合物后繼續(xù)上升，從而形成循環(huán)流動(dòng)[3]。

2.2.1 工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

空壓機(jī)采鹵的工藝參數(shù)主要有風(fēng)管浸沒(méi)比、送風(fēng)量、工作壓力和出水管直徑等。風(fēng)管的浸沒(méi)深度越大，浸沒(méi)比越大，過(guò)小的浸沒(méi)比會(huì)使抽水不連續(xù)甚至抽不上水，一般浸沒(méi)比不應(yīng)小于0.5[4]。各參數(shù)可以采用相應(yīng)公式進(jìn)行計(jì)算[5]。

式中：α為浸沒(méi)比；H為風(fēng)管浸沒(méi)深度（m），指動(dòng)水位至混合器的高度；h為抽水時(shí)鹵水上升高度（m），指動(dòng)水位至地面揚(yáng)水管管口的高度；V為每提升1 m3鹵水所需的空氣容積（m3）；K為計(jì)算系數(shù)，K=2.17+0.016 4h；Pn為抽水開(kāi)始時(shí)的空壓機(jī)啟動(dòng)壓力（MPa），應(yīng)考慮鹵水比重；h0為抽水前鹵水上升高度（m），指靜水位至地面揚(yáng)水管管口的高度；Pp為抽水開(kāi)始時(shí)的空壓機(jī)工作壓力（MPa），應(yīng)考慮鹵水比重；Lp為空氣在管道運(yùn)動(dòng)中的壓力損失系數(shù)，一般取經(jīng)驗(yàn)值2～3；d為出水管直徑（m）；q1為出水量（m3/s）；q2為空壓機(jī)排氣量（m3/s）；v為出水管中水氣混合體上升速度（m/s），一般取經(jīng)驗(yàn)值8～9。

2.2.2 抽水試驗(yàn)設(shè)計(jì)

空壓機(jī)抽水試驗(yàn)共設(shè)計(jì)1 組，分3 個(gè)落程，3 個(gè)落程降深分別設(shè)計(jì)為10 m、20 m 和30 m，每個(gè)落程抽水試驗(yàn)的抽水流量盡量與潛水泵抽水試驗(yàn)保持一致，相差不超過(guò)5%，且每個(gè)落程抽水試驗(yàn)的降深與潛水泵抽水試驗(yàn)降深保持一致，降深順序由小至大，試驗(yàn)類型為單孔穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄要求同潛水泵抽水試驗(yàn)。經(jīng)空壓機(jī)抽水工藝參數(shù)設(shè)計(jì)，風(fēng)管混合器下置換深度為90 m，浸沒(méi)比為0.6，空壓機(jī)工作壓力為1.0 MPa，送風(fēng)量為8.22 m3/min，出水管直徑為150 mm。為方便與潛水泵對(duì)比，本次試驗(yàn)使用電動(dòng)機(jī)組作為空壓機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)，以提高動(dòng)能轉(zhuǎn)化效率?？諌簷C(jī)安裝過(guò)程中，配套部件為出水管、送風(fēng)管和混合器。

3 試驗(yàn)實(shí)施

潛水泵抽水試驗(yàn)是在采鹵井中安裝潛水泵抽水，共完成1 組抽水試驗(yàn)，分3 個(gè)落程，穩(wěn)定降深分別為10.33 m、19.68 m、30.95 m，對(duì)應(yīng)的抽水流量分別為54.38 m3/h、70.30 m3/h、85.83 m3/h，每小時(shí)潛水泵耗電量分別為49.49 kW·h、51.80 kW·h、84.16 kW·h，抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。3 個(gè)落程抽水過(guò)程中，單位電耗相差較小，隨著動(dòng)水位增大，單位電耗增幅較小，約為5%。

表1 潛水泵與空壓機(jī)抽水試驗(yàn)綜合數(shù)據(jù)

空壓機(jī)抽水試驗(yàn)是通過(guò)地面空壓機(jī)進(jìn)行抽水，空壓機(jī)額定風(fēng)壓為2 MPa，額定送風(fēng)量為25 m3/min，額定功率為150 kW。共完成1 組抽水試驗(yàn)，分3 個(gè)落程，穩(wěn)定降深分別為10.33 m、19.68 m、30.95 m，對(duì)應(yīng)的抽水流量分別為54.38 m3/h、70.30 m3/h、85.83 m3/h，每小時(shí)空壓機(jī)耗電量分別為139.50 kW·h、147.25 kW·h、162.75 kW·h，抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。3 次抽水過(guò)程中，單位電耗相差較小，隨著動(dòng)水位增大，單位電耗增幅較小，介于5%～10%。

4 空壓機(jī)采鹵經(jīng)濟(jì)性分析

3 個(gè)落程的抽水試驗(yàn)?zāi)芎牟町愝^小，故采用大落程抽水試驗(yàn)的潛水泵和空壓機(jī)能耗進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。潛水泵抽水平均電耗為54.16 （kW·h）/h，空壓機(jī)抽水平均電耗為162.75 （kW·h）/h，該礦山企業(yè)自產(chǎn)用電成本為0.70 元/（kW·h），空壓機(jī)采鹵的單位鹵水能耗成本為1.35 元/m3，為潛水泵采鹵的3 倍。但空壓機(jī)采鹵時(shí)，其年維檢費(fèi)用遠(yuǎn)低于潛水泵采鹵，因此對(duì)空壓機(jī)和潛水泵的年運(yùn)行成本進(jìn)行對(duì)比。設(shè)定空壓機(jī)和潛水泵年采鹵量為現(xiàn)階段該礦山單井平均采鹵量（97.2 萬(wàn)m3/a），充分收集該礦山現(xiàn)有潛水泵型號(hào)、價(jià)格、使用壽命、維修頻率與成本、安裝深度等數(shù)據(jù)，對(duì)空壓機(jī)的設(shè)備型號(hào)、使用壽命及價(jià)格等進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)研，完成兩種設(shè)備采鹵的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比，如表2所示。單套潛水泵和空壓機(jī)采鹵時(shí)，年運(yùn)行成本分別為55.77 萬(wàn)元和136.72 萬(wàn)元，即潛水泵采鹵較空壓機(jī)采鹵更經(jīng)濟(jì)。

表2 潛水泵和空壓機(jī)的單套設(shè)備經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

5 結(jié)論

當(dāng)前開(kāi)采技術(shù)條件下，空壓機(jī)能解決該鹽湖礦山地下水埋藏深而難以抽取的問(wèn)題，空壓機(jī)采鹵的年維檢費(fèi)用遠(yuǎn)低于潛水泵采鹵，但前者的年運(yùn)行成本約為后者的2.5 倍?，F(xiàn)階段采用潛水泵采鹵更為合適，待礦區(qū)地下水位大幅下降導(dǎo)致潛水泵采鹵成本進(jìn)一步提升后，可考慮空壓機(jī)采鹵方式。