劉 清,劉文彬,張宇飛

(北方稀土冶煉分公司(華美公司),內(nèi)蒙古 包頭 014080)

0 引 言

北方稀土屬于重要的稀土冶煉分離加工基地,泵在稀土生產(chǎn)過程中可為料液輸送提供動(dòng)力源,其用途較廣泛,使用數(shù)量較多。選擇適合生產(chǎn)線使用的輸送泵,能夠降低設(shè)備故障率,提高設(shè)備使用壽命,降低能源消耗,提高能效利用,從而實(shí)現(xiàn)降本增效和節(jié)能環(huán)保雙贏的目的[1]。當(dāng)輸送泵選型不符合生產(chǎn)工況實(shí)際要求時(shí),會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞率提高,生產(chǎn)成本增加。

為滿足輸送泵選型的實(shí)際需求,筆者基于泵選型相關(guān)研究文獻(xiàn)中的科技成果和依據(jù),結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過程中摸索的經(jīng)驗(yàn),分析輸送泵選型的應(yīng)用結(jié)果,以及選型過程中重點(diǎn)關(guān)注的因素,通過驗(yàn)證其輸送泵選型方法的合理性,最終達(dá)到實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)用泵的合理化選型目標(biāo)。

1 輸送泵泵體選型

泵體選型不僅關(guān)系到生產(chǎn)效益能否正常發(fā)揮,而且對生產(chǎn)投資、運(yùn)行效率、能源消耗、運(yùn)行費(fèi)用和安全等影響很大[2]。因此,泵體的參數(shù)選型是關(guān)鍵因素。文中重點(diǎn)對輸送泵流速和揚(yáng)程的確定進(jìn)行說明,并列舉實(shí)例進(jìn)行進(jìn)一步描述。

1.1 流速的確定

流量值是由生產(chǎn)工藝要求所確定的,但能否實(shí)現(xiàn)此流量下的輸送以及后續(xù)揚(yáng)程的確定,就需要考慮工藝管道能滿足的最大流速,即管道內(nèi)截面積是主要考慮的因素,如式(1)所示。

V=Q/S

(1)

式中:Q指清水的流量,m3/h;V指清水流過管道的流速,m/s;S指管道的內(nèi)截面積,m2。

管道流速理論計(jì)算方法是通過凱利公式以及杜拉德公式計(jì)算獲得[3]。此類計(jì)算較為復(fù)雜,可采取另外一種方法計(jì)算。文中通過對現(xiàn)有生產(chǎn)料液進(jìn)行實(shí)際檢測,獲得料液流速的實(shí)測值,剔除誤導(dǎo)值后作出統(tǒng)計(jì)分布圖,如圖1所示。分析其分布值可以發(fā)現(xiàn)輸送料液流速呈現(xiàn)一定的規(guī)律性,由此獲得流速的經(jīng)驗(yàn)值,并將經(jīng)驗(yàn)值參與管道截面積及揚(yáng)程的計(jì)算,如表1所列。

表1 管道流速經(jīng)驗(yàn)值參考表

圖1 管道流速實(shí)測值分布圖

1.2 揚(yáng)程的確定

在料液輸送的過程中,由于受到生產(chǎn)線的實(shí)際工況影響,揚(yáng)程的計(jì)算會(huì)存在一定的差異性,采用現(xiàn)有的理論計(jì)算方法較難準(zhǔn)確計(jì)算獲得。而通過引入一定的經(jīng)驗(yàn)值參與計(jì)算,就可以便捷地獲得揚(yáng)程參考值,如式(2)所示。

H=K(ΔH+Hf+Hi+ΔP)

(2)

式中:K指安全系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值,取值為1.25～1.50;H指清水的揚(yáng)程,m;ΔH指高差,m;Hf過程阻力折算揚(yáng)程,m;Hi指局部阻力折算揚(yáng)程,m;ΔP指泵出口壓損折算揚(yáng)程,m。

其中,Hf計(jì)算式為:

Hf=(L/d)V2/2g

(3)

式中:L指輸送管道長度,km;d指管道的內(nèi)徑,m;g指重力加速度,m/s2。在輸送過程中,管道出現(xiàn)變徑的情況下,需要對不同管徑的管道逐一計(jì)算。

局部阻力Hi在輸送過程中指的是非直管段的管道附屬單元,如補(bǔ)芯、三通、逆止閥等類似管件,計(jì)算揚(yáng)程的過程中需要考慮此部分的揚(yáng)程損失,此外按照經(jīng)驗(yàn)值取一個(gè)管件揚(yáng)程損失,取0.5 m。

在通常情況下,不考慮泵出口壓折算揚(yáng)程,ΔP取值視為零,但在特定工況下,泵出口要有壓力的參與,則需要計(jì)算此部分揚(yáng)程。例一是對輸送泵揚(yáng)程確定進(jìn)行的實(shí)例應(yīng)用。

例一:生產(chǎn)線有一條輸送料液的管道,管道長度共計(jì)約2 683 m,其中DN100管道約438 m,DN150管道約2 245 m,彎頭43個(gè),補(bǔ)芯7個(gè),三通3個(gè),逆止閥2個(gè),料液密度1.38 g/cm3,介質(zhì)輸送高差9.6 m,在不考慮泵出口壓折算揚(yáng)程的情況下計(jì)算輸送泵的揚(yáng)程。

過程阻力折算揚(yáng)程計(jì)算為:

Hf1=(L1/d1)V2/2g=(0.438/0.1)×(2.5～4.0)2/
(2×9.8)=1.4～3.6 m

Hf2=(L2/d2)V2/2g=(2.245/0.15)×(2.5～4.0)2/
(2×9.8)=4.8～12.3 m

Hf總=Hf1+Hf2=6.2～15.9 m

局部阻力折算揚(yáng)程為:

Hi=(43+7+3+2)×0.5≈27.5 m

輸送泵揚(yáng)程計(jì)算為:

H=K(ΔH+Hf+Hi+ΔP)=(1.25～1.5)×[9.6+
(6.2～15.9)+27.5]≈54.13～79.5 m

由上述計(jì)算可知輸送泵揚(yáng)程選擇范圍約在54.13～79.5 m之間,則揚(yáng)程確定為超80 m即可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)料液的輸送。

2 輸送泵電動(dòng)機(jī)選型

輸送泵電動(dòng)機(jī)的選型既要考慮滿足使用目的,也要考慮使用安全性[4]。生產(chǎn)需求及作業(yè)環(huán)境的影響決定著電動(dòng)機(jī)的選型。文中結(jié)合生產(chǎn)使用及作業(yè)環(huán)境,對電動(dòng)機(jī)功率的確定及安全運(yùn)行進(jìn)行總結(jié)介紹。

2.1 功率的確定

泵的功率分為輸入功率和輸出功率[5]。輸入功率指電動(dòng)機(jī)作用于泵體上的功,輸出功率指輸送的介質(zhì)在一定的時(shí)間內(nèi)從泵體上所獲得的能量,如式(4)所示。

(4)

式中:Pe指輸出功率,kW;ρ指介質(zhì)密度,kg/m3;Q指泵的流量,m3/s;H指泵的揚(yáng)程,m;g指重力加速度,m/s2。泵效率的計(jì)算如式(5)所示。

η=Pe/PB

(5)

式中:PB指輸入功率,kW;η指泵的效率。

在計(jì)算電動(dòng)機(jī)功率的過程中,需要保留適量的安全余量,如式(6)所示。

Pj=KPB

(6)

式中:Pj指考慮安全余量的電動(dòng)機(jī)功率,kW;K指余量系數(shù),余量泵數(shù)參考表2。

表2 余量系數(shù)參考表

在選配電動(dòng)機(jī)功率時(shí),需要使標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)功率比式(6)獲得的電動(dòng)機(jī)功率值高一個(gè)檔次。例二是對輸送泵電動(dòng)機(jī)選型進(jìn)行的實(shí)例應(yīng)用。

例二:在生產(chǎn)線上清水輸送時(shí)需要為一臺(tái)流量為100 m3/h、揚(yáng)程為40 m、效率為82%的管道臥式離心式輸送泵進(jìn)行電動(dòng)機(jī)適配選型。

要滿足上述使用條件,需進(jìn)行如下計(jì)算:

Pe=ρgQH/1 000=1 000×9.8×100×40/(1 000×
60×60)=10.89 kW

PB=Pe/η=10.89/0.82=13.28 kW

Pj=KPB=13.28×1.30=17.26 kW

在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)功率進(jìn)行適配時(shí),需要滿足標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)功率大于計(jì)算電動(dòng)機(jī)功率一個(gè)檔次,則可以得出選擇18.5 kW電動(dòng)機(jī)最為合適。

2.2 作業(yè)環(huán)境對電動(dòng)機(jī)選型的要求

輸送泵作業(yè)時(shí),生產(chǎn)車間周邊的環(huán)境存在一定的差異性,為了能使輸送泵安全可靠地服務(wù)生產(chǎn),需要考慮作業(yè)環(huán)境對電動(dòng)機(jī)的影響[6]。

(1) 防護(hù)等級的選型確定

現(xiàn)場生產(chǎn)工況存在固體、液體的外部環(huán)境因素,為防止外部環(huán)境因素對電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行產(chǎn)生負(fù)面作用而造成設(shè)備的損壞,需要考慮電動(dòng)機(jī)的防護(hù)等級,防塵、防水等級可參考表3、4進(jìn)行確定。

表3 防塵等級參考表

表4 防水等級參考表

(2) 絕緣等級的選型確定

使用不同的絕緣材料會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)絕緣等級存在差異,為此電氣設(shè)備都規(guī)定了工作最高溫度[7]。依據(jù)最高作業(yè)溫度(表5)能確定電動(dòng)機(jī)絕緣等級的選型,從而防止因工作溫度過高而損壞電動(dòng)機(jī)薄弱的絕緣材料。

表5 絕緣等級參考表

(3) 防爆等級的選型確定

稀土冶煉分離作業(yè)場所中的原輔料含油、易揮發(fā),且存在易燃粉塵,受其特性影響,需要杜絕爆炸、火災(zāi)等易燃易爆的危險(xiǎn)因素,特此在電動(dòng)機(jī)選型方面就需要對防爆形式、防爆氣體種類、防爆使用環(huán)境及引燃溫度作出說明,參考表6～8。

表6 防爆形式參考表

表7 防爆使用環(huán)境參考表

在表8的使用場所Ⅱ類中,根據(jù)引爆能量可以細(xì)分為ⅡA、ⅡB及ⅡC,使用場所Ⅲ類又可以細(xì)分為ⅢA、ⅢB及ⅢC,ⅢA為可燃性飛絮,ⅢB為非導(dǎo)電性粉塵,ⅢC為導(dǎo)電性粉塵[8]。

表8 引燃溫度參考表

3 輸送泵其他因素的選型

輸送泵泵體及電動(dòng)機(jī)的選型還需要考慮的因素有很多[9]。在現(xiàn)有研究中已涉及的方面較為廣泛,文中在上述探討之外,主要結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)工況,對其他因素選型做補(bǔ)充說明。

(1) 當(dāng)輸送泵葉輪輸送介質(zhì)為渣漿類時(shí),為方便日后清理,以及防止運(yùn)行時(shí)堵塞,通常選擇開式葉輪;如果輸送介質(zhì)較為清亮或固體顆粒含量較少時(shí),建議選擇閉式葉輪。

(2) 考慮輸送介質(zhì)的腐蝕性、易燃易爆性及其他特性,需要對泵體接液部分進(jìn)行特定選材;甚至對于輸送易燃易爆物資的情況,還需對輸送泵做特殊靜電導(dǎo)出處理。

(3) 輸送泵機(jī)械密封形式、動(dòng)靜環(huán)密封接觸面材質(zhì)存在差異性,因而在特定的工況(如渣量、酸堿量及其他條件)下,需要考慮機(jī)械密封的選型。

(4) 因現(xiàn)場生產(chǎn)要求有所差異,還會(huì)存在工頻輸送或者變頻輸送的不同形式,這也會(huì)影響電動(dòng)機(jī)的選型。當(dāng)生產(chǎn)要求流量輸送有一定變化時(shí),若使用工頻輸送配合閥門進(jìn)行流量調(diào)節(jié),則能效不能充分利用,同時(shí)造成設(shè)備的損壞;而在不考慮流量的調(diào)節(jié)時(shí)使用工頻輸送,則可節(jié)約電動(dòng)機(jī)的成本費(fèi)用以及變頻器附屬元件的成本投入。

4 結(jié) 語

輸送泵的選型需要考慮諸多因素。文中對部分選型因素的確定做了探討,提供了可參考的計(jì)算公式,方便了相關(guān)選型因素計(jì)算驗(yàn)證;又根據(jù)生產(chǎn)工況的特殊性,結(jié)合作業(yè)環(huán)境對部分因素進(jìn)行了試驗(yàn)確定目的是在滿足生產(chǎn)系統(tǒng)對輸送泵選型要求的基礎(chǔ)上,不斷優(yōu)化選型,確保輸送泵選型能夠達(dá)到最佳效果,使生產(chǎn)體系平穩(wěn)運(yùn)行。所研究結(jié)果可為同類產(chǎn)品的選型提供參考依據(jù)。