过滤与分离:设备选型（精选4篇）
过滤与分离:设备选型 篇1
1 钛液热过滤
通过酸解方法制作的黑钛液是一种成分非常繁杂的液体, 其中不仅含有没有经过分解的钛铁物质、白石、石英砂的微小粒子, 同时还有硅铝等元素的胶体粒子, 以及一些硫酸盐杂质。就国内的钛白产业来说, 由于钛铁矿石的供应主要受市场关系的影响, 所以黑钛液的质量成分非常的差, 某些胶体杂质大量的存在于黑钛液中。由于各种杂质很难通过沉降完全消除, 溶液中的钛就含有很强的粘性, 从而造成有关溶液的分离效果下降, 使得钛白生产中使用的硫酸亚铁中含有大量的钛, 最终降低了产品的使用率。为了解决以上问题, 钛白产业在发展的过程中逐渐加入了热过滤这道工作环节, 热过滤环节所使用的也是经常被用来进行固液分离的压滤机, 笔者在此不作过多叙述。近些年来市场上有出现了一种新式的管式过滤机, 通过对管式过滤机的使用调查发现, 这种过滤机有着非常理想的过滤效果。管式过滤机内部组成较为复杂, 其工作环节主要包括过滤和按时清洗两个环节。
通过对管式过滤机和传统压滤机的对比比较发现, 二者的购买费用相差不大但电能的消耗却比较明显, 传统的板框式压力机的单位能耗大约是管式压滤机能耗的二倍还多。与此同时, 新型管式过滤机的过滤精度有10的负五次方, 它大约等于传统办事压滤机热过滤与经过滤两个步骤的过滤效果。另外, 年运行费用低、操作强度小等也是管式过滤机的优点。由此可见, 与传统板式压滤机相比, 管式压滤机有着相当明显的优势。
2 硫酸亚铁分离
结晶后的黑钛液体通常以七水硫酸酸亚铁的状态体现, 与冷冻式结晶法相比, 真空式结晶法在当前的钛白工程生产中使用的更为广泛。由于真空式结晶法具有温度下降迅速、结晶期间短以及需要强搅拌的特点, 工作中产生的硫酸亚铁一般颗粒都非常的小, 这就要求提高过滤装置对溶液的过滤能力, 同时带来了过滤装置选择的难题。固液分离是硫酸亚铁的主要分离方式, 针对这点, 可以选择的过滤机主要有真空驱动型的真空式抽滤机、圆盘式真空过滤机, 以及主要以离心例为驱动方式的离心机。在实际钛白生产的过程中, 真空式抽滤机仅适合于产量低于一万吨的小型生产企业, 所以笔者这里主要介绍圆盘式真空过滤机与离心机。
圆盘式真空过滤机主要有8 m2、14 m2、18m2、20m2以及25m2等不同类型。其每个及其每年的生产量大约为1~3万t, 驱动器属于无极调速型。
离心机主要是根据离心作用来进行固液分离的工作。我国在整个钛白产业发展的过程中曾经大量应用过各式各样的离心机, 其中还包括进口国外的优秀离心机。就目前使用的离心机种类来看, 卧式的活塞推料型与双支撑卧式的刮刀卸料型这两类离心机是最为广泛的, 因此笔者主要介绍这两种离心机。
卧式活塞推料离心机对溶液中固体的质量分数有不小于百分之二十四的标准, 所以在实际工作中, 还必须另外添加一部增加稠度的设备来增加钛液中固体的质量分数。该种离心机的型号字母表示为HR。
双支撑卧式刮刀卸料离心机是一种生产能力较大的离心机, 国内应用于生产都不多, 大多为引进德国的进口设备。该类离心机的主要代表就是Φ2050型离心机, 经它分离的黑钛液其硫酸亚铁能够达到百分之六左右的含水量, 效果较为突出。该离心机在结构构成上与我国自产的虹吸式离心机有着诸多相似之处, 其主要差别在于它没有设置相应的虹吸口, 其钛液是经机壳归集以后自动流出。
通过对德国生产的Φ2050型离心机与圆盘式真空过滤机的对比比较发现, 前者的主要特点就是过滤效果较理想, 电能消耗较低, 但同时价格较高, 维修与更换零件也较为繁琐, 所以在我国的使用范围并不广。目前在我国钛白生产过程中, 主要是通过设置两层的分离装置来达到硫酸亚铁的低含水量, 第一层是通过圆盘式真空过滤机进行分离, 第二层则使用RH630—N型离心机进行分离, 这样就能在达到硫酸亚铁低水分 (其含水量大约为百分之五到百分之七) 的同时, 增加分离的经济性。
3 偏钛酸的过滤洗涤
3.1 水洗规定
偏钛酸液体经过水解以后的化学组成较为复杂, 对这种液体的分离却比较好进行。但需要说明的是, 液体中水合二氧化钛的存在使得其它的外表极易布满母液, 而母液中存在的众多的硫酸亚铁和各种硫酸盐, 这些物质的能够对产出品的光学颜料等性能产生极大的不良影响。所以为了避免这些杂质对产品的影响, 通常利用水洗的方法进行液体去杂, 当偏钛酸溶液中的铁含量小于万分之一时即视为符合标准。
一般情况下, 经过一次的水洗基本不可能将偏钛酸溶液中的杂质去除到规定的标准, 另外诸如亚铁粒子等金属粒子很容易在水洗的途中因为溶液的酸度下降而变为三价铁离子, 然后形成氢氧化铁并融合在滤饼内不能进行彻底的消除, 这就最终导致滤饼内铁的比例不能达到标准。为此, 必须在一次的水洗之后增加一个环节, 即增加漂白的环节, 将第一次水洗中形成的沉淀物质再次转变为离子的形式, 此时高价的金属离子就会变成低价的氧化物, 然后再对其进行第二次的水洗过程, 使得偏钛酸的浓度达到规定的标准。第二次水洗以后的铁含量必须保持在十万分之三以下。
3.2 水洗设备
对于偏钛酸的洗涤和过滤, 一般是通过真空式叶滤机、离心机以及真空式转鼓过滤机等装置进行固液分离操作。笔者在此介绍几种在实际生产中使用较为广泛的种类真空式叶滤机在实际生产中大都为180m2规格, 有的生产商也生产规格较大的200、268m2型机组, 但我国国内较少出现。
隔膜式压滤机是一种最先在国外使用的水洗设备, 后来经过国内生产商的设计生产, 以及在钛白生产领域得到了大量的使用, 其使用规模与叶滤机差不多等同。
通过对压滤机和叶滤机的对比比较发现, 在对偏钛酸的两次水洗过程中使用压滤机能够节省更多的投资资金、工作成本以及水量消耗。但实际钛白生产中就二者的使用效果还不能得出一致的意见, 过去有很多人认为使用压滤机进行洗涤的效果较差, 叶滤机具有更好的使用效果, 但根据多年的技术完善, 如今的压滤机已经拥有了和叶滤机差不多的性能, 所以压滤机的适用范围也在不断增大。水洗设备可以根据使用者自己的特点进行选取。
4 偏钛酸浆液的脱水
一般来说, 在经历过盐处理以后, 偏钛酸溶液会仍旧处于一种粘稠状, 所以对其进行回转窑的煅烧处理之前, 必须通过提供足够的热量使偏钛酸浆液进行充分蒸发处理, 之后再进行脱硫以及晶型的转化等。通常来说, 水含量越低的偏钛酸溶液, 在进行窑内煅烧时就越能减少能源的消耗。与此同时, 水含量低的偏钛酸溶液还能更快的在回转窑内进行脱水处理, 也能更早的进行脱硫处理, 从而能够增大回转窑的使用效率。由于以上因素, 当今钛白生产企业对于偏钛酸回转窑前的水分降低, 投入了越来越多的注意力, 其主要方法是通过离心机、叶滤机、真空式转鼓过滤机以及隔膜压滤机等来实现。
利用离心机的脱水处理, 此方法通常是在三足离心机的转鼓里边设置一张滤布, 然后把经过盐处理的偏钛酸浆液放进三足离心机内, 当三足离心机开始运转时, 浆液中的水分就会在离心力的作用下分离出来, 分离完成后, 再取出偏钛酸进行后续工作处理。利用叶滤机的脱水处理, 该环节使用的叶滤机与前述水洗环节所使用的叶滤机相同, 这里的工作只是相当于再次进行叶滤机水洗的上片步骤。叶滤机在上片厚度合适的时候就会被抬起, 置于回转窑槽上, 待经过一定的抽干再把其中的滤饼拿出来, 利用本装置把它传送到回转窑的里边。
利用真空式转鼓过滤机进行脱水处理, 一般用在稠度不大并且比较容易进行过滤操作的溶液中, 使用该种过滤机能够不间断进行大规模处理, 且方便对滤布与滤饼进行再次使用和清理, 因此该方法使用的较为普遍。具体处理过程是, 通过设置在浆料槽上转鼓的旋转作用, 使各个隔室都能沉入到滤液, 再在真空状态下经滤布吸离滤液, 留下滤饼在滤布上, 随着转鼓角度的变换, 滤饼就会被刮刀进行刮离, 此时刮离的滤饼就可以被传送装置等传入到回转窑里。
利用隔膜式压滤机进脱水, 这种方法必须要求隔膜式压榨机的脱水压力超过一个兆帕, 在实际生产中使用进口的先进压滤机有时甚至能达到1.6个兆帕的压力, 在这种高压状态下, 偏钛酸溶液中的水分很容易就能被压出去。
以上各种脱水设备在实际钛白过程中均被广泛的应用过, 但当前我国使用较多的还是真空式的转鼓过滤机以及隔膜式的压滤机。通过对这二者的对比比较可以发现, 与国内的隔膜式压滤机比较, 进口的真空式转鼓过滤机由于其高昂的价格和使用费, 较差的以及脱水效果等特点, 已经被逐渐取代。
5 包膜后再次水洗
进行该环节主要是出于以下两个原因。第一个即是该环节可以对附着在钛氧化物上的可溶性金属盐进行再次处理, 第二个原因是它可以降低滤饼中的水分, 便于后续的干燥。包膜后的再水洗一般使用叶滤机或者是压滤机进行, 通过对二者的比较可以发现, 虽然压滤机的电能消耗略大一点, 但由于其造价和水耗较低, 滤饼中的水分也较少, 所以在钛白行业使用的更为广泛。
6 结束语
钛白工程设计中的分离和过滤对于最终产品的质量有着重要的影响, 它的分离过滤过程也包含着众多的工序。如果能够合理的对各个环节的设备进行选型, 就能够在保证分离过滤效果的同时, 为钛白生产企业节省大量的资金能源消耗。由于笔者能力和文章篇幅的限制, 文中出现的很多问题都未能深入展开, 笔者希望通过以上分析论述能为广大钛白行业从业人员提供一定的借鉴和帮助。
参考文献
[1]朱德坤.钛白滤液液固分离工艺浅析[J].科学导报, 2013, (10) .
[2]龚家竹.固液分离在硫酸法钛白粉生产中的应用[J].化工设备技术, 2011, (01) .
[3]唐文骞.中国产圆盘真空过滤机在钛白粉生产中的应用[J].无机盐工业, 2004, (04) .
[4]周均生.新型螺旋卸料机沉降-过滤离心机在钛白行业的应用[J].无机盐工业, 2013, (05) .
[5]罗武生.箱式压滤机在钛白粉生产中的应用[J].无机盐工业, 2007, (07) .
[6]李婉茹.硫酸法太白生产的可持续性发展研究[J].广州化工, 2010, (12) .
采煤工作面机电设备的选型与配套 篇2
【关键词】采煤工作面；机电设备；回采
在国外发达国家，全机械化采煤已经实现，而世界第一采煤大国的中国，依旧处于，人工采煤，半机械化采煤共同进行的基本国情。而导致这种现象的发生的主要原因就是对煤炭的需求。首先，我国发电系统主要是火力发电，其能源直接利用就是燃煤蒸汽机发电机组，而美国普遍使用的是内燃机发电机组，这就导致了两国对煤炭需求的根本不同。针对这些，近年来，国家对十几家煤与瓦斯突出矿井重点进行了预抽瓦斯使用发电的技术革新改创，然而我国的基本国情仍旧无法改变，这将是长期困扰我国对煤炭需求的根本因素。而如何发展，首先就机械采煤中对机电设备的选型来讲，实现现代化机械采煤的重大改革，还是对设备配套选型上的。
1.煤矿机电设备配套的原则
首先来说，坚持生产能力的相互配套，根据采煤的实际情况决定采煤机械的选取，而应用最广的就是割煤机、凿岩机、落煤系统和皮带系统等。割煤机的使用最为广泛，人机一体，其对煤炭的利用率上远高于人工开采。针对煤层断面宽厚煤质较硬的煤层，我们可以选择轴壁式凿岩机，其功率大，采煤效率高，在回采工作面加上皮带运输系统将落煤回采至井底煤仓。轴壁式凿岩机的缺点在于对煤炭的回采率较低，往往还要配上人工挖采来提高煤炭回采率。落煤即直接顶落煤，和放煤轨道运输，可以一定程度上减少人工的数量和工作量，而针对放煤回采方式，其缺点就在于放煤漏斗对煤炭的天然浪费和对回采煤的品质影响。
其次，坚持设备性能的配套，回采工作面机电设备的性能配套方面要能够一定程度上确保设备之间的协调作用，从而保证各机电设备之间的紧密配合。一边确保回采面的安全性，一边确保回采作业的工作效率。
然后，我们要坚持空间配套的原则，就如最开始说的那样，高效采煤工艺配合回采率高的人工采，这样即保证了工作的有效进行，又保障了采煤的回采效率。而空间配套在另一方面也体现在对回采区的采煤方式和留空方式。例如，留煤柱的空间位置，往往导致回采等的有序进程。
最后，维持采煤机械的寿命配套，要跟班推进，确保采煤机械的利用周期，从而进行有序的作业。一般井下采煤工作面的机电设备都是国标防爆型机械，有专门的电力配送中心，在维修中一定确保其安全性。
2.回采工作面“三机”的选择
（1）对于采煤机的选择，首先采煤机的选择，要針对煤层赋存条件来决定采煤机截割高度，采煤机截割深度以及煤壁硬度抗剪强度进行参照开产；然后选用较为简便、维修方便、价格便宜的采煤机；其次，选择功能最为健全的采煤机；最后采煤机要满足本煤层的进尺工作强度，使作业能够有序进行。
（2）对于刮板输送机的选择，首先要确保设备能够满足工作面落煤量的需求，其最大工作能力应该满足1.2倍采煤机生产能力；其次，刮板输送机的特征应该针对工作面的倾斜角度，根据铺设的长度等方面进行选择；最后所选择的刮板输送设备要完全能与采煤机配合使用，刮板输送机的结构及使用维护要方便。
（3）液压支架的选择一般来讲，首先要考虑的是所要支护的地质条件，确定支护的强度；其次结合液压支架的支护面对通风口的空间位置，进行配合，确保在采风量达标的情况下完成支护工作；然后，根据煤层赋存，选择价格合适的液压支架；最后液压支架的选择要和采煤机与刮板输送机相互配合，支架的宽度要和刮板输送机溜槽长度相等，这样在一定程度上才能完成回采工作面的生产任务。
3.机械选型
第一，采煤机的选型要考虑到采煤机的切割速度，结合实际情况在提高采煤的同时，根据煤矿开采的进度来选择合适的采煤机。而这个时候我们还应该考虑到采煤机的额定生产能力，根据我们采煤机的能力计算方程：Q=60VHBP（H是开采高度，V是进尺速度，B是滚筒横截面宽，P是所采煤质的密度），来确定采煤机的选型。采煤机的功率大小一般取决于煤层硬度和开采厚度和采煤机牵引速度决定，在我国还没有确切的计算采煤机功率的计算方法，而上面的方程也只是粗略的计算，国外先进国家，因为其高度机械化，其计算也比较合理，其推算出的数值也更为精确。
第二，液压支架的选型上，根据工作面的围岩压力进行选择，其中要考虑到的因素有巷道标高，围岩压力系数，顶板岩层垮塌率，底板冒底系数，煤层瓦斯储存量。这些都是我们选择液压支架的一项重要表准，是保证液压支架能在服务年限内正常工作的一项参照数据。而液压支架的支护强度计算公式，我们通常用的就是Q=K1H1og*0.001cosα（K1指的是支架上部顶岩厚度系数，Q是说所需支护强度，H指才高最大值，α就是煤层倾角）。根绝这个结算方法，计算出我们回采工作面所需要的是哪一类液压支架然后进行安排。
第三，采煤工作面刮板输送机的选择上，近年来综合采煤技术的进程不断加快，综合采煤即机械采和人工采的配合采煤法，所以对刮板输送机的要求也与日俱增，主要仍旧是刮板输送机的负载量和额定输送功率的不断增加，导致了对刮板输送机的选择。随着综合机械化装备技术和综合管理水平的提高，对刮板输送机的输送长度有了新的标准，所以在选型上就有了新的参数标准。
4.创新几点设备开发和使用
在采掘进程中，会有很多的临时性突发事件，针对这些，我们要做的还有很多，例如：
4.1采煤机的防滑处理
首先在采煤机开机过程中，现场需要对采煤机牵引组、行走组、液压制动组、运输机组等机组进行检查，看是否需要维修。
然后在割煤过程中，采用合适的回采工艺流程进行规范化的作业，进行轨道移驾，运输机弯曲尽量靠近采煤机。其中表现突出的就是双翼双向上行割煤，此割煤的时候，滚筒上下全部落地。
针对倾角较大的采煤工作面，通过对采煤机的PLC程序的调整，可以启动采煤机进行割煤进程，应当先牵引后松闸，从而防止机器下滑。而采煤机要及时检查实心花键轴是否需要更换，防止大倾角采煤中出现滑轨事件的发生。
最后，采用具有制动能效的四项变频技术进行采煤机的控制，可实现在恶劣作业环境下的均速割煤，启动前要检查制动系统的弹簧是否需要更换，从而确保采煤机的制动正常。
4.2液压支架的防滑处理
若要保障回采工作面的顺利和安全，防止液压支架的倒塌尤为重要，在实践中我们通过以下的有序操作和技术工艺来完成防倒滑工作。
首先对于支架底部进行防倒滑处理，一般采用在下侧锚链加固，顶部进行稳定点支撑，中间进行螺丝加固。
然后是工作面的机巷超前风巷回采，在根据回采工作面倾斜角度变化的情况下，不断的调整机巷的超前量，进而保证支架运输机的稳定。
再然后跟顶跟底回采，第一次来压和断层褶曲面以及严重冒底片帮区时，采高应该严格控制。
最后加强工程质量，嚴格控制顶底板切割线划分，同时保证液压支架和运输机的固定，进而保证各项作业不滞后。而针对顶底板起伏不稳定的地区，适当做出修正工作，确保液压支架的防滑工作。
4.3刮板输送机的安全治理措施
为实现有效的溜煤输送，在刮板输送机的刮板上适当的改进，应对大倾斜角度的运煤进程，而大倾斜角度的运输，往往是上下山运输，那么上坡时的功率就会加大，此时刮板输送机功率加大，就可能导致机械老化，或者起火，其液压润滑油要保证其充足，而电机负荷量应当在应对此类情况而进行更换，从而保证运输的安全性和稳定性。
刮板输送机严禁站人，此项制度在井下作业中已经提出了好些年了，期间对工人的伤害也不是一例两例，输送机皮带载人，不仅加重了皮带的符合，还会影响到所载人的生命安全。刮板输送机中部煤岩破碎装置，可以减小煤块大小，从而使输送机的负载降低。从而保障刮板输送机的安全进程。
5.结语
过滤与分离:设备选型 篇3
1 陶瓷过滤机试验分析
1.1 试验准备
1.1.1 矿样
试验矿样磨至-200目83.05%, 配制成50%和60%的浓度供试验使用, 以考查陶瓷过滤机对矿样的适应性。
1.1.2 设备
试验主要采用真空泵、抽滤瓶、真空表和陶瓷过滤板等。陶瓷板面积为0.02 m2, 微孔直径0.9~1.6µm, 透水量为4.6 t/m2·h (在1 kg/cm2的压力条件下) 。
1.1.3 试验条件
海拔为4 500 m, 温度为15℃。
1.2 试验结果
试验结果如表1所示。
由表1可知, 平均总过滤时间25 s/次, 平均浓度为55%, 平均产量为135.45 g/次 (湿) 。平均水分为25.61%, 平均湿效率为330 (kg/m2·h) , 平均干效率为246 (kg/m2·h) 。
矿样浓度、产量曲线和浓度、水分曲线如图1所示。
由图1可见, 此矿浆可使用陶瓷过滤机过滤, 但因细泥含量多、真空度低, 导致过滤效果差、产品水分含量高。
2 高能压滤机试验分析
2.1 试验过程
试验数据如表2所示。
2.2 试验结论
试验结果表明, 第一, 该物料在55%浓度以上时可有效过滤, 过滤后滤饼的平均水分为15%, 在工业生产中, 可将物料水分控制在15%左右, 可完全满足生产要求。第二, 物料浓度>55%时, 采用CJXA系列自动压滤机过滤该矿可实现以下运行效果: (1) 常温过滤 (0~40℃) ; (2) 形成30 mm厚的滤饼; (3) 滤饼密度为2 100kg/m3; (4) 单循环 (从压紧到卸料完成) 时间≤60 min; (5) 滤饼最终含水率约15%; (6) 压滤机进料需配置搅拌槽, 且要求搅拌槽内物料的上下沉浓度差<5%.
3 设备选型
根据陶瓷过滤机与CJXA系列高能压滤机的对比可得出, 陶瓷过滤机在高海拔地区过滤粒度较细、含泥较高的物料效果较差, 因此, 应选用高能压滤机。
3.1 选型条件
矿物为铜精矿, 过滤温度为常温 (0~40℃) , 日产量为24 h产量。
3.2 矿浆浓度>55%时的设备选型
单位产能计算公式为:
式 (1) 中:N为单位面积产能, kg/m2·h;A为产能系数 (设备过滤面积为理论计算值, 并确保选型按90%的产能系数修正) ;H为滤饼厚度, 0.03 m;S为过滤面积, 取1 m2;Q为滤饼密度, 根据试验确定为2 100 kg/m3;T为每次过滤循环的时间, 根据试验确定为60 min。
3.3 压滤机结构
3.3.1 压紧机构
压紧机构用于提供滤板工作密封力、支撑悬挂滤板、支撑拉开卸料机构。其包括固定压板、主梁、加强筋、横梁、活动压板、液压油缸和底座等。
3.3.2 过滤机构
滤板是压滤机的中心工作部件, 用户所需的脱水和洗涤功能均通过滤板实现。每块滤板垂直悬挂于水平压紧机构的主粱上。滤板上附加有滤布、压布盖和密封圈等附件。滤板包括过滤头板、过滤尾板、进料滤板和汇水滤板四种。
3.3.3 拉板机构
拉板机构以变频电机为动力, 通过链条带动拉板小车进行取、拉板动作。其包括变频电机减速器、链轮、链条、链盒、拉板小车、轴承座等部分。
3.3.4 液压站
液压部分是主机完成各种动作的动力装置, 在电气控制系统的控制作用下, 可提供油缸所需的高压油, 控制油缸的压紧、自动补压和拉开等往复运动。
3.4 工作过程
工作过程分为以下5步: (1) 压紧滤板。液压缸活塞杆伸出推拢顶紧滤板, 形成密闭的过滤和压榨吹干工作室。 (2) 给料过滤。悬浮液经砂泵压入滤室, 液相透过滤布外排滤液;颗粒被滤布截留, 形成滤渣。 (3) 压榨吹干脱水。压缩空气进入压榨吹干室, 先压缩滤饼体积, 迫使滤渣中的液相透过滤布外排, 并将滤渣压榨成密实的滤饼;当滤饼密实且滤腔稀浆干结后, 压缩空气透过滤饼间隙带走间隙水和颗粒表面的结合水, 并吹干滤饼。 (4) 洗涤 (需安装专门的洗涤工艺管路) 。洗涤介质 (清水、水溶液或其他液体) 进入压榨吹干室, 在压力下透过滤饼间隙, 洗涤滤饼。 (5) 压榨、吹干、脱水。压缩空气再次进入压榨吹干室, 以降低洗涤后滤饼的含水率。
4 结束语
高能压滤机适用于高海拔、高黏度、低磨细粒度、高泥含量、难过滤物料的过滤, 在相同的过滤条件下, 物料含水率比普通箱式压滤机、陶瓷过滤机低10%左右。
摘要：分析了细粒级含泥高的精矿在海拔4 500 m过滤时的问题, 并通过过滤试验得出了解决问题的办法, 值得同行在此领域借鉴和参考。
泵站水机设备选型与布置设计 篇4
我国西部地区干旱少雨, 农田灌溉主要依靠电力提灌工程完成。通常泵站单级扬程30～80 m, 水泵单机流量1～ 3 m3/s, 百万亩大型灌区泵站设计流量在30 m3/s左右。泵站设计在灌区规划设计中居于非常重要的地位, 而水机设备的选型及布置设计是泵站管网布局设计的一项重要内容, 它对于泵站技术改造, 安装施工, 运行管理等均具有非常重要的现实意义。
1 问题的提出
泵站安装施工及试运行期间曾经出现过一些问题, 有水机设备自身的问题也有选型不当或配置不合理出现的问题。主要反映在以下几个方面。①水泵流量、效率低于设计值, 叶轮、泵体密封环等过流部件使用寿命短;②水泵配套电动机过载;③进、出口阀门无法启闭;④出水缓闭止回阀发生爆裂;⑤运行期间水泵向进水侧位移致使水泵法兰拉裂, 水泵报废。以上问题给泵站安全运行造成困难。
2 原因分析
调研分析多年来泵站安装施工及运行统计资料发现, 许多问题与泵站水力机械设备选型及管网布置设计有直接关系。
(1) 水泵选型。
由于额定扬程低于装置扬程, 水泵运行时实际工况点左移, 引起流量下降, 达不到设计值;由于选用了切削叶轮外径的水泵, 引起水泵效率下降, 能耗上升;由于扬黄工程选用了清水泵, 叶轮的水力形线不符合黄河含泥沙水质流态, 材质抗汽蚀耐磨蚀性能较差, 导致叶轮、泵体密封环等过流部件使用寿命短;计算时未充分考虑黄河含泥沙水质特征及水泵运行时实际扬程, 流量, 效率的变化, 致使轴功率、配套功率偏小, 电动机运行时过载。
(2) 阀门选型。
泵站水泵进、出口选用了闸阀, 单面受压时摩擦阻力大, 致使铜螺母失效, 阀板脱落, 阀门无法启闭。出水缓闭止回阀由于慢关角度小, 行程短, 依靠水压缓闭机构控制慢关时间, 误差大, 无法有效控制水锤升压, 致使调试或运行期间躲不过水锤波, 引发阀门爆裂, 水淹泵房的重大事故时有发生。
(3) 装置布置设计。
由于未设计伸缩器, 无法消除管道安装焊接应力, 致使强度薄弱部位如水泵出水法兰拉裂;由于水泵进水侧设计了柔性穿墙套管, 水泵出水侧管道设置了自由式套管伸缩器, 水泵运行时在指向进水侧的推力作用下导致水泵发生位移, 造成水泵与电动机同轴度超差, 机组振动, 无法投入运行。以上这些看似简单的问题在运行中对提灌工程产生的整体影响却是重大的。
3 解决问题的途径
3.1 水力机械选型方面
3.1.1 水泵的选型
和其他形式的水泵相比, 单级卧式双吸中开式离心泵具有性能曲线平缓、高效区宽、运行平稳、安装检修方便等特点, 在高扬程泵站得到广泛应用。选型时应考虑下列技术内容。
(1) 性能参数。
水泵的额定扬程应等于或略大于水泵装置扬程, 此时, 水泵实际运行工况点处于额定点附近或右移, 在高效区, 水泵的实际流量等于或略大于额定流量, 有利于泵站流量的控制和调配。通过切削叶轮外径调节扬程的水泵效率会下降, 应尽可能避免选用或控制切削量[1]。水泵的额定流量应满足水泵装置流量的设计要求, 流量的调整应通过改变叶轮设计试验验证, 以不引起效率下降为宜。额定转速应优先选用较低转速, 有利于泵的安全经济运行[2]。技术改造的泵站选用额定转速时应结合水泵装置特征综合考虑, 提速应慎重。水泵效率高且高效区效率曲线平缓。水泵装置汽蚀余量NPSHa应大于水泵允许汽蚀余量NPSHr, 并留有0.5 m的余量[3], 技术改造的泵站选型时应校验此参数, 以防水泵运行时发生汽蚀。轴功率的计算应考虑水泵运行时实际扬程、流量、效率的变化及泵站流量调节需求, 通常随着运行时间的增加, 水泵的流量和效率是逐渐下降的, 为了确保流量, 水泵的实际流量要略大一些;扬黄泵站还应考虑水质的允许最大含泥沙量;并联运行的水泵应校验单机运行时轴功率, 为配套功率提高可靠依据, 确保电动机运行时不过载。
(2) 材料及结构。
泵体和泵盖材料应具有良好的抗汽蚀耐磨性能。壁厚除满足强度要求外, 应考虑一定的磨蚀量[4]。扬黄泵站水泵叶轮的形线应符合黄河含泥沙水质流态, 并经过实验验证, 应具有良好的抗汽蚀耐磨蚀性能和可修复性能。经过多次试验改进的钢板焊接叶轮[5]具有良好的技术经济性能。单蜗壳泵泵轴的设计在进行强度验算的同时, 应考虑提高泵轴的刚度, 校验零扬程大流量启动泵轴的挠度增加值[6], 以合理控制口环间隙, 既要防止运行时叶轮与泵体密封环接触摩擦抱轴, 还要确保容积效率。扬程在50 m以上、流量在1 m3/s以上的单蜗壳式离心泵由于零扬程大流量启动时, 作用在泵轴上的径向推力大, 应选用滑动轴承支承型结构。运行实践表明, 滚动轴承的使用寿命较短。
3.1.2 进水口阀门的选型
双偏心或三偏心蝶阀, 操作力矩小, 密封良好, 运行安全可靠, 克服了闸阀、拍门的固有缺陷, 适用于进水阀门, 选型时应考虑下列技术内容。
(1) 性能参数。
公称压力的选定应考虑运行实践中存在的实际问题, 既水泵检修关闭进水阀门期间, 由于水泵出水侧阀门密封故障会发生回水, 进水阀门阀后压力有可能会上升到水泵的工作压力, 甚至将并联的相邻机组关阀水锤波传递过来, 这种情况运行实践中已经发生过, 并且造成阀门爆裂。因此公称压力不得小于水泵的额定扬程。公称通径应按水泵进水管道经济流速1.5～2 m/s[7]选取, 流阻系数小。
(2) 材料及结构。
黄河水质工况下主密封副应具备良好的防锈蚀功能和密封性能以及可修复性能, 轴部密封应具备防泥沙防锈蚀功能, 运转灵活不卡轴。传动机构采用双蜗杆结构, 启闭灵活省力。
3.1.3 出水口阀门的选型
高扬程泵站的运行实践证明, 液控缓闭蝶阀具有良好的启闭性能, 良好的密封性能, 较小的流阻系数, 能够满足GB/T 50265-97《泵站设计规范》中关于停泵阀门关闭后, 主水泵最大倒转速度和最大历时, 阀后压力管道最大水锤波升压的相关要求。克服了电动闸阀单面受压时启闭力矩大、启闭行程难以控制、铜螺母脱落影响启闭、泵站事故失电时无法自动关闭等缺陷;克服了逆止阀流阻系数大, 不能有效控制启闭水锤波的缺陷;克服了缓闭止回阀慢关行程短, 慢关时间不稳定, 无法有效控制水锤波等缺陷;具有操作阀和安全阀的功能, 选型时应考虑下列技术内容。
(1) 性能参数。
公称压力应选择大于水泵额定扬程的压力等级。公称通径应按水泵出水管道经济流速2～3 m/s选取。流阻系数小。
(2) 材料及结构。
黄河水质工况下主密封副应具备良好的防锈蚀功能和密封性能以及可修复性能, 轴部密封应具备防泥沙防锈蚀功能, 运转灵活不卡轴。可靠的可调一阶段开启, 可调快、慢关两阶段关闭功能、泵站事故失电自动关闭功能, 有效控制泵站停机关阀引起的水泵倒转速度和历时以及阀后水锤波升压。
3.2 水泵装置布置设计
水泵装置布置设计应从设备安装, 安全运行, 检修维护等方面综合考虑。泵房前池挡墙设置刚性穿墙套管, 用来承受水泵运行时产生的指向进水侧的推力, 解决水泵运行时向前池方向位移问题。同时具有防渗作用。泵房后墙设置柔性穿墙套管使水泵出水侧压力管道沿管轴方向处于自由状态, 便于调整水力机械及金属压力管道温度应力引起的伸缩量。在进水阀门与水泵之间, 出水阀门与水泵之间设置半固定式套管伸缩器, 其作用:①在管道安装时松开调整螺栓, 使其处于自由状态, 以消除焊接应力, 解决由于焊接应力引起的设备位移或拉伤问题, 紧固调整螺栓可以使半固定式套管伸缩器处于刚性状态, 具备传递管轴方向的压力或拉力的功能;②便于水泵和进、出水口阀门的检修拆装。图1是水泵装置布置侧面图, 反应了水力机械选型及布置思路。
下面结合甘肃、宁夏、内蒙古部分高扬程泵站设计及技术改造, 简要介绍水力机械选型和水泵装置布置设计情况。
水泵采用了适合黄河含泥沙水质运行工况的黄河系列单级卧式双吸中开式离心泵, 配用了钢板焊接叶轮, 运行平稳, 安全可靠, 效率高, 使用寿命长。进水阀门设置了手动双蜗杆型双偏心法兰蝶阀, 替代了闸阀和进水拍门。出口阀门设置了液控缓闭蝶阀, 替代了电动闸阀, 缓闭止回阀。前池挡墙设置了刚性穿墙套管, 后墙设置了柔性穿墙套管, 水泵进、出水侧与进、出水阀门之间设置了半固定式套管伸缩器, 解决了设备安装, 安全运行, 检修维护等方面实际问题, 效果良好。
4 结 语
(1) 由于认识上的差异和运行经验的局限性, 在水力机械的选型上出现失误, 不能实现设计意图, 会给业主带来难以挽回的损失。因此, 高扬程泵站水力机械选型是一项技术性、综合性很强的工作。
(2) 高扬程泵站水力机械布置应综合考虑设备安装、安全运行、检修维护等方面。
(3) 以上观点是在总结多年来高扬程泵站水力机械的选型与装置布置设计及运行实践基础上形成的。对于泵站设计、技术改造、安装施工、运行管理均具有一定的借鉴作用。
参考文献
[1]栾鸿儒.水泵及水泵站[M].北京:中国水利水电出版社, 2007.
[2]关醒凡.现代泵技术手册[M].北京:宇航出版社, 1995.
[3]GB/T 5656-2008, 离心泵技术条件 (Ⅱ类) [S].
[4]刘宜.浅谈引黄工程水泵结构特点及参数的选择[J].甘肃水利水电技术, 1995, (2) .
[5]李效龙, 穆界天.抽黄河含砂水双吸离心泵采用钢板焊接叶轮的实验研究[J].水泵技术, 2007, (3) :32-34.
[6]赵万勇.大型离心泵的结构与运行[J].中国给水排水, 2001, (7) :56-61.
[7]GB/T 50265-97, 泵站设计规范[S].