浅谈长距离输煤管道输送泵的选用

马鸿森

陕西神渭煤炭管道运输有限责任公司 陕西 西安 710016

引言

管道输煤是适合我国国情的新型煤炭运输方式,而浆体管道输送泵是管道运输工程的核心设备。

1 离心泵和柱塞泵

1.1 离心泵 离心泵排出流量大,但对浆体的重量浓度有一定要求。其输送扬程过低,一般在100m～150m,只能适用于短距离输送。采用离心泵输送需要离心泵串联使用,这在很大程度上影响了整个系统的稳定性,增加了故障点。另外,由于离心泵是靠叶轮高速旋转通过离心作用提供泵输压力,而煤的颗粒硬度低,叶轮高速旋转将对浆体中的固体颗粒产生细化现象,改变浆体流变性能,影响输送安全性和可靠性,也会严重磨损泵叶、泵壳,降低泵的工作效率,加大更换泵叶及配件的频繁程度,而且离心泵本身效率只有70%～75%。故离心泵并不适用于长距离输煤管道。

1.2 柱塞泵 柱塞泵属于往复式容积泵的一种,通常用于中长距离浆体管道输送。目前,由德国开发的双柱塞泵已广泛用于我国金属、非金属尾矿坝的输送和煤矿井下充填。这种柱塞泵采用油压传动,两个缸组为一组,即一个排出,一个缸同时吸入输送的浆体,间歇式轮流做功。可以输送浓度较高的粗颗粒浆体,受浓度和颗粒限制性小,最大输送颗粒可达15mm,工作压力可达15MPa。它的缺点是活塞同输送浆体直接接触,对活塞的磨损严重。由于其单缸的容积有限,因此输送流量受到限制。同时,双柱塞泵的喂料是通过一个缓冲槽体,泵站接力输送技术还不成熟。

2 隔膜泵

2.1 往复式活塞隔膜泵 隔膜泵也属于往复式容积泵。其结构特点是借助隔膜将被输矿浆与活塞和缸体隔开,以保护活塞和缸体。当活塞作往复运动时,迫使隔膜交替向两侧弯曲,将被输矿浆吸入和排出。弹性隔膜系采用耐腐蚀橡胶制成。神渭管道输煤项目选用的隔膜泵的容积效率在90%以上,压力可达13MPa,流量可达385m3/h。由于隔膜泵是通过隔膜将输送介质同活塞隔离开,这样可以保证输送浆体在通过输送泵时性质不发生改变,有效提高了浆体输送的稳定性。使用隔膜泵进行接力输送时,只需要预留0.35MPa～2MPa压力作为泵的入口压力,便可以打开泵的入口阀门达到接力输送的目的。目前,隔膜泵技术已经非常成熟,在很多领域的矿浆输送都有应用,特别是在浆体长距离输送领域应用广泛。该类型泵的设计、制造涉及机械、电子、液压、橡胶等多学科技术。同时,隔膜泵是所在工艺系统的心脏设备,对其运行的可靠性有很高的要求。目前只有荷兰、中国、德国等少数国家生产制造,进口产品价格昂贵。

2.2 工作原理 往复式活塞隔膜泵的工作原理如图1所示,电机通过减速机驱动曲轴、连杆、十字头使旋转运动转化为直线运动,带动活塞进行往复运动。当活塞向左运动时,活塞带动液压油将隔膜室中橡胶隔膜拉到左方向,使隔膜室工作腔体积增大,同时出料阀关闭,待输送的料浆借助喂料压力打开进料阀,进入并充满隔膜室。当活塞向右运动时,关闭进料阀,活塞推动液压油将隔膜室中橡胶隔膜推向右方向,并借助压力开启出料阀,将料浆输送到管道。由于矿浆不接触活塞等运动部件,避免了这些部件的磨蚀,减少了维修次数和运行成本。同时,通过设置灵敏、可靠的自动化检测系统,保证了橡胶隔膜的长使用寿命。往复式活塞隔膜泵一般有3个隔膜室,每个隔膜室的起始排料相位相隔120°,可使矿浆输送量均匀。以上优点使往复式活塞隔膜泵成为煤浆管道化输送的理想设备。

2.3 运行规律 往复式活塞隔膜泵为并联运行,所以要求系统运行的所有活塞在一个周期内交替运行(如果系统有6台泵同时运行,即有18个活塞在一个系统中,如图2所示,要求18个活塞在一个周期内交替运行)。对于1台泵,具有3个活塞,即每个活塞交替运行相差120°,如果6台泵的18个活塞要交替运行,在一个泵系统,活塞交替运行相差为120°/6＝20°。即活塞运行一个周期整体运行顺序为：11,21,31,41,51,61,12,22,32,42,52,62,13,23,33,43,53,63,且活塞交替运行周期为20°(曲轴转一圈为360°)。

图1 往复式活塞隔膜泵工作原理图

图2 泵系统示意图

往复式活塞隔膜泵的流量与排出压力并无直接关系,只与活塞的面积、行程和往复次数有关,因此,在任何排出压力下其流量基本不变。其流量的调节,理论上可通过改变活塞的截面积、冲程和冲程次数来实现,但是活塞截面积与冲程两个因素为泵的固有参数,无法调节。因此,可以通过改变冲程次数进行流量调节。即通过改变电机频率调节电机转速,从而调节曲轴转速,改变冲程次数,达到调节流量的目的。如6台泵组成的泵系统,由6套变频器分别拖动1台活塞泵,具体启动运行方式为：①变频器做好启动前的准备工作；②上位控制机给出启动命令,6台变频器依照命令时序相继启动；③上位控制机分别给出运行频率,系统进入稳定运行后再给出下个运行频率。以此逻辑,变频器在交替加速－稳定－交替加速－稳定,逐渐将频率上升到所需工况。可以通过上位控制机再给出加速命令的时序的改变,来调整变频器稳定频率后之间的运行时序,从而达到隔膜泵系统活塞交替运行的目的。

结语

目前,在浆体管道输送工程中,输送泵的选择类型主要是往复式活塞隔膜泵。往复式活塞隔膜泵可以实现物料输送的大流量、高压力。其主要优点是利用隔膜将被输送煤浆与活塞缸隔开,使活塞等动力端部件得以保护,同时也减少了对输送煤浆的污染。这种隔膜的设计可以有效提高输送泵的运行寿命。