多级离心泵和容积泵选型指南

来源:荣格

发布时间:2020年1月13日下午 10:01:06

近年来,由于离心泵和容积泵各自技术能力的提升,相互拓进了对方的传统地盘。在两者重叠的应用领域,该如何更为经济高效地进行泵的选型呢?伟尔集团提供了很好的建议。  
泥浆形式的材料和矿物输送仍是长、短距离管道输送的经济型解决方案。随着高密度泥浆使用的日益增长,管道还体现出了环保方面的优势。根据泥浆特性和泥浆管道长度,可采用以下指南选择最合适、最经济的泵送设备类型。
多级离心泵和容积泵选型指南
WARMAN® 离心式泥浆泵
 
通常,泥浆运输包括:
  • 长距离管道
  • 矿井排水或回灌
  • 尾矿处理
  • 粉尘处理
  • 液压矿石提升
  • 高压灭菌器或消化器进料
  • 细颗粒和极大颗粒的联合处理系统
随着离心泵能够处理的泥浆压力、密度和粘度日益提升,其应用范围拓展到了容积泵的传统领域。同样,容积泵处理固体颗粒通量和尺寸能力的不断发展,也意味着它们可以推进到一向由离心泵占据的地盘。
 
由于离心泥浆泵和容积泵的应用领域日益重叠,需要对泵送设备类型进行比过去更为彻底的评估,以获得最经济的解决方案。
 
新一代离心式泵带有导流叶轮,也可以成为有效处理高密度和膏状泥浆的容积泵供料泵。
 
离心式泥浆泵或容积泵的选择取决于各种因素,通常要视具体情况而定。下文将讨论适用每种类型泵的因素及限制条件,并在表1中加以总结。
 
泥浆特性
对于含细颗粒的泥浆,两种泵通常都适用;但当粒径介于200μm至2 mm之间时,对于容积泵需要进行更仔细的评估,因为大颗粒会导致阀门开启粘滞并降低其寿命。离心泵则非常适合处理细颗粒和粗颗粒的混合物。
 
深锥浓缩机是近年发展起来的一种将泥浆浓缩到更高密度的浓缩机,为尾矿等泥浆处理提供了一种更可持续的解决方案。其主要优点包括:
  • 密度更高,需泵送的体积更小;
  • 含水量较低,在某些情况下尾矿的排水量很小,因此很少甚至没有水返回到选矿厂;密度更高,需泵送的体积更小;
  • 矿山寿命周期内所需的尾矿坝体积更小;
  • 发生大坝灾难性故障或大量地下水污染的可能性较小;
  • 粒度分布可以得到更好的控制,以便尾矿在稳定的矿床中沉淀,在沉积后不久即可被推动;
当尾矿干燥时,与固结后的尾矿结合在一起的粉尘要少得多‍。 
 
75μm或更细颗粒比例高的泥浆可导致泥浆出现屈服应力。泥浆浓度增加几个百分点,这种屈服应力就会大幅提高。屈服应力越高,泥浆泵送就越困难。泥浆有屈服应力,容易导致离心泵的入口、容积泵的入口和阀门出现问题。
 
可以采用多种方法来改善泵的吸入条件,例如,最新一代的Warman® 离心泵可以安装一个导流(QU1型)叶轮,以增加剪切力并降低泵入口处所需的NPSH。
 
应通过一系列试验确定泥浆流变性,试验应涵盖以下预期变量:
  • 颗粒分布范围
  • 泵送密度范围
  • 浓缩机可能的密度范围
  • 泥浆混合物范围内的屈服应力(最好用旋转粘度计测量)
  • 塑性粘度(刚度系数)
  • 坍落度板读数
  • 临界屈服应力的最大密度
  • 压降(自测试回路测量)
  • 米勒数(对于PD泵来说,测量泥浆颗粒的磨损性十分重要)
  • 泥浆粘度及其剪切历史的时间依赖性‍
 
可将泥浆测试结果与相对简单的泥浆模型的协同效应相匹配,以便预测其在预期操作范围内的特性。这些模型有助于泵的选择,也可用于预测系统(即泵和管道)的总体性能。
 
管道设计
影响管道尺寸选择的主要因素包括吨位、泥浆流变性、粒度分布和沿管道长度保持固体悬浮的速度。
 
因为沉降固体会阻塞管道,因而管道的设计通常应使其能以在层流与湍流间的过渡区、或在完全湍流区运行的速度工作,以确保有足够的流动湍流度来保持颗粒悬浮。较大的颗粒可以在较细颗粒的致密泥浆中输送,但在这种情况下,可能必须调整速度以适应较大的颗粒。
 
管线走向受多种因素影响,但通常应尽可能短,同时避免非常陡峭的地形。如果管道可自由排放到蓄积区,则可能需要在设定时间更改排放点位置,以确保均匀填充。管道长度的变化将导致泵的压力要求发生变化。
 
管道可以铺设在地面上,而在环境较为敏感处也可埋置。泥浆管道通常全年运行,且不受气候条件影响。
 
长距离管道需要某种形式的路径通道以便进行维护,设置清管站或通向出口的通道进行管道疏通;需要从中央位置(包括任何中间泵站)进行电力和无线电控制与通信。
 
管道材料和内衬根据泥浆类型、压力要求、侵蚀和腐蚀裕量以及预期管道寿命而变化。内衬管道通常需要在接头处进行特殊处理,以尽量减少湍流和侵蚀。
 
周期性转动管道可以延长管道的使用寿命,但需要在设计阶段就加以考虑。
多级离心泵和容积泵选型指南
GEHO® 容积泵
 
需要特别注意断电或管道堵塞后重新启动管道的能力。通常建议进行试点测试,以确保泥浆不会在管道底部形成坚硬的沉积物,并且管道可以在24至48小时内重新启动。与之类似,设计中还应考虑足够的负荷快速切回储存能力或其它凿开管道的方式。
 
容积泵提供与泵速成比例的固定容积。这种固定流量特性有助于管道进行自清洁。
 
对于多级离心泵,需要仔细分析管道系统曲线及其与各级泵曲线的交点,以正确定义泵可能的工作范围。需要特别注意管道的启动,防止电机因高流量而过载,并/或避免泵气蚀。
 
泵运行限制
离心泵和容积泵之间的主要机械差异与每种泵型可处理的最大压力额定值和最大流量有关。
 
离心泵最适合最大压力为7 MPa(70 bar)、流量达7000 m3/h的场合,并且最多可以串联8台。
 
以串联方式配置的离心泵需要查验管道和跨级管道布置、基础载荷和管道锚固以及维修事务,如是否有桥式起重机可用。
 
与离心泵相比,容积泵可以处理的压力更高,但流量低,通常最高压力和流速分别为30 MPa(300 bar)和1000 m3/h。
 
对于容积泵,优化配置不像对于离心泵那么重要,但仍需查验管道和基础载荷、管道锚固以及维修事务。
 
两种泵的输出都会随着变速驱动的使用而变化。变速技术还可用于根据当时的泥浆流变性而改变生产速度,或用于补偿离心泵的磨损。
 
除了可变速,离心泵还更为灵活,可以越过某些级段进行泵送而无需驱动它们。建议在管道内有水或稀浆时启停泵。由于密度的变化会影响管道中的压降,变速驱动器将有助于这些操作。
 
经济评估与输送成本
如果应用工况明显落在离心泵或容积泵的范围内,则在为特定工况进行选型时,问题就变得相对简单。但如果两种泵都适用,则应进一步评估资本和运营成本。表2对各种成本、净现值和总运输成本(如:美元/吨/公里)进行了比较,可用作简明指南。
 
在处理泥浆和泵送水时,离心泵的扬程是不同的。但从发布的信息可以很容易地确定水头和效率降低的额值。对于在比较中所列出的泥浆类型,扬程降低的幅度很小,但高粘度泥浆会削减低流速下的泵效率,因此在选择所需驱动能力时应考虑到这一点。
 
成本比较还应包括辅助设备的成本,特别是离心泵所需的水密封设备。
 
对于所述类型的泥浆,离心泵的磨损通常很轻,串联系列中的所有泵的磨损水平通常相同。泵缸套和叶轮的磨损寿命可能介于6~18个月,具体取决于实际应用情况。
 
容积泵的磨损通常仅止于阀门。根据泥浆种类和应用的不同,阀门通常的寿命约为3~6个月。如果泥浆呈酸性,则需要选择耐腐蚀材料。
 
小型和轻型离心泵的土建工程通常比单台大型容积泵所需的成本要低。
 
结论
采矿泥浆管道输送是其它输送方式的一种可行替代方法,可用于地形不适合其它输送方式的场合。
 
离心式泥浆泵和容积泵均可用于泥浆输送系统。虽然决定选用每种泵送设备类型的因素有许多,但在重叠应用领域中,要做出最佳或最合适的选择,应对这两种类型的成本进行比较。
 
文中所列指导原则,可以帮助用户做出最合适的泵送设备选择。一些典型示例参见表3。
 

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