多级泵的真空罐无底阀改造实例

0 引 言

多级泵是进出水段与中段通过拉杆组合在一起的一种离心泵，其输出水压力较大，需要依靠叶轮的旋转获取离心力，待气体密度达到机械真空泵的工作范围时抽出气体，从而逐渐获得高真空。矿山排水用的多级水泵大部分都安装水泵进水管及吸水底阀，设置底阀的目的是为了水泵在灌注引水时阻止引水水流流至吸水井，使用人为灌引水的方法以排除水泵泵体及吸水管内的空气，灌引水时使用排水管内的积水或其水源加入水泵进水管内以排除空气，从而开动水泵进行排水[1-5]。

1 改造目的

南京银茂铅锌矿业有限公司栖霞山铅锌矿，采用平硐盲竖井开拓，平硐位于+14 m水平，主盲井已开拓至-475 m水平，副盲井已开拓至-625 m水平，并逐渐往深部延伸。-425 m中段以上已基本采完，目前主要开采中段为-525， -575 m，主要开采中段为-625 m和-675 m。矿山生产规模为35万t/a。根据矿床开采技术条件，浅部矿体先后采用过崩落法及空场法开采，1994年20万t/a技改工程完成后，则一直采用上向水平分层点柱充填采矿法。

矿区为一低山丘陵，地势东高西低。中间谷地宽广，标高约为7 m左右。北距长江1.5 km，九乡河经矿区中部注入长江、为季节性河流，干枯期4～6个月，一般流量3～8 m3/s，洪峰流量200～300 m3/s。灰岩中岩溶发育，含水岩层主要为第四系全新统孔隙承压弱含水层、侏罗系中下统象山砂岩裂隙—孔隙承压弱含水层、石炭—二叠系灰岩裂隙—岩溶承压含水层，因此井下排水任务量大，水泵使用频率高、维修任务重。目前大多数矿山使用的水泵采用底阀灌注引水排水，在使用过程中存在水泵不能进行正常排水、水泵吸水管内空气的排除困难、管路阻力、能量消耗大、水泵效率低、铸铁制造的水底阀易故障损坏、在密封不严或杂物进入时水泵无法正常工作、检修及维护劳动强度大且运行成本高。基于上述存在的问题与不足，可考虑对真空罐进行改造，采用无底阀真空罐[6-9]。

2 真空罐无底阀改造[10]

目前对水泵无底阀改造主要有喷射泵无底阀吸水式和真空罐无底阀吸水式2种技术。这两种技术后者较前者制造容易、操作方便、安全可靠、效率高，而且易于实现水泵的自动化控制，是目前具有广泛推广价值、经济效益和社会效益的一种方式，本文主要介绍真空罐无底阀水泵改造。

计算模型如图1所示，真空罐由以下几部分组成：

V=V1+V2+V3

(1)

式中,V1为真空罐内灌水后空气容积；V2为真空罐内水位下降增加的空气容积；V3为真空罐水位下降后剩余的水容积。

根据波文耳—马略特定律：

P(V4+V1)=P1(V1+V2)

(2)

整理得：

(3)

式中，V4为吸水管容积。

根据能量方程有：

(4)

移项有：

(5)

式中,P为当地大气压；P1为水泵运行时罐内空气绝对压力；Pk为真空度；H为吸水高度3～4 m；ν为吸水管流速1.5 m/s；g为重力加速度9.8 m/s2；i为水力坡降，查表约27.6‰；L为吸水管长度，取7 m；∑ξ为局部阻力系数，取5.09。

令:

(6)

将式(6)代入式(3)得：

V2=mV4+(m-1)V1

(7)

将式(7)代入式(1)得：

V=m(V4+V1)+V3

(8)

图1 计算模型

根据以上原理对现有的150D-30水泵进行真空罐无底阀改造。水泵参数为：吸水管Φ168×6，流量155 m3/h、转速为1480转/min、效率77%。

根据水泵现场实际空间拟制作直径800 mm真空罐，计算罐体大小与高度，局部阻力系数∑ξ见表1。

表1 局部阻力系数

将吸水高度H=3～4 m、吸水管流速ν=1.5 m/s、重力加速度g=9.8 m/s2、水力坡降i=27.6‰、吸水管长度L=7 m、局部阻力系数∑ξ=5.09代入式(5)，得Pk=3.9～4.9，则：

(9)

式中,P为当地大气压，当地海拔为+14 m，取10.3 m水柱。

(10)

式中,D为吸水管内径，为156 mm。将V1=0 m3、V4=0.134 m3、m=1.6～1.9代入式(7)得：

V2=mV4+(m-1)V1=0.214～0.255 m3

(11)

即，吸水高度分别为3 m和4 m时，对应的真空罐的有效容积为0.214 m3和0.255 m3。

将m、V1、V3、V4代入式(8)，则可得到真空罐的容积为：

V=m(V4+V1)+V3=0.292～0.333 m3

(12)

罐高

(13)

根据计算，可制作直径800 mm，罐高700 mm真空罐实物，对150D-30水泵成功的进行无底阀改造。图2和图3分别为改造前和改造后的真空罐。

图2 改造前

图3 改造后

3 结 论

对多级泵真空罐进行无底阀改造，没有运动构

件，因此结构简单，工作稳定；不必安装另外的动力装置，因此制作及运行成本较低，大幅改进了水泵的工作效率；减少了检修、维护、更换底阀的工作环节，减少了人力投入、降低劳动强度。装置改造后在南京栖霞山铅锌矿经过多年使用表明其效果良好，解决了多级泵排空气难的问题，达到了矿山节能增效的目的，可在矿山排水中广泛推广使用。