在地浸采铀钻孔中检测潜水泵性能

王亚安，苏学斌，张 翀，姚益轩，李学忠，孙鹏敏，胥国龙

(1.核工业北京化工冶金研究院，北京 101149；2.中国铀业有限公司，北京 100010；3.南方泵业股份有限公司，浙江 杭州 311100)

砂岩铀矿是中国主要的天然铀资源类型，原地浸出采铀(简称地浸采铀)是砂岩铀矿开发的首选工艺[1-2]，该工艺具有建设周期短、生产效率高、环境友好等优点[3-6]。潜水泵[7-10]是地浸采铀工艺中最常用的设备之一，由潜水电机和单吸多级立式离心泵通过联轴器连接而成，其作用是从抽液井将浸出液提升到地表并输送至集控室的浸出液汇流管。作为浸出液的提升设备，其额定电流、功率、流量、扬程等参数是设备选型时须特别关注的指标。

《潜水电泵试验方法》(GB/T 12785—2014)规定了潜水泵的性能试验方法，要求试验介质为清洁冷水或理化性质与之相同的液体；试验应在电泵淹没于水中进行且保证试验过程不发生汽蚀[11-12]；同时，试验应在经过认证的制造厂试验台或第三方试验台上进行。目前市场上不锈钢深井潜水泵品牌较多，质量参差不齐。由于用户通常缺少《潜水电泵试验方法》所要求的试验平台和试验人员，而且标准规定的检测项目和仪器仪表繁多，不便于现场实施，导致用户无法对潜水泵性能进行检测验收。

部分学者研究了现场检测潜水泵性能的可行性。张胜等[13]设计了1种潜水泵的现场试验装置，并基于PLC技术搭载了测控系统。于淑珍等[14]关注潜水泵在实际应用时的性能参数变化情况，基于LabView建立了水泵性能检测专家系统。胡旭晓等[15]针对整泵出厂试验的检测精度提出了总体方案。然而，地浸铀矿山一直以来并没有对所选潜水泵性能进行现场检测验收，从而也不能对不同品牌型号的潜水泵进行性能比较和客观评价。

鉴于此，笔者提出1种在地浸采铀钻孔中、实际工矿条件下检测潜水泵性能的方法，利用矿山常用的设备材料，集成现代先进的检测手段，通过在地浸采铀现场对4种品牌的潜水泵进行性能检测，获取泵的性能参数，绘制流量-扬程(Q-H)曲线，并与厂家提供的参数和性能曲线进行对比，为矿山优选和精准配置潜水泵提供依据。

1 试验方法

1.1 试验产品

检测的潜水泵涉及GF、TW、SD和NF品牌，生产厂家提供的性能参数见表1。

表1 试验用潜水泵厂家提供的性能参数Table 1 Performance parameters provided by the manufacturer of submersible pump for test

1.2 检测系统

流量和扬程是潜水泵最重要的指标，可通过流量计和压力表获取。其他参数如频率、转速、电流、转矩、输出电压、功率等需配备变频器获取。因此，在地浸采铀钻孔中进行潜水泵性能检测，检测系统至少要包含这3种仪器仪表，并配置地下水水位记录仪和必要的管线配件。

根据检测目的和实际运行条件，设计并搭建了潜水泵性能现场检测装置(图1)，在某地浸铀矿山对前述4种品牌潜水泵进行性能检测。现场检测装置类似于抽液钻孔浸出液提升系统，在地表安装流量计、调节阀、压力表、变频器等，通过流量、扬程(由压力换算)和变频器数据评价潜水泵性能。提升管的内径为50 mm。

图1 潜水泵性能检测系统安装示意图Fig.1 Installation diagram of submersible pump performance test system

1.3 试验步骤

按照以下步骤开展试验：1)设置地下水水位自动记录仪开始记录的时间点和记录间隔。记录仪最大量程应大于钻孔内记录仪所在位置到静水位的高度，一般每间隔1 min记录存储1次水位数据。2)潜水泵出水口连接提升管，电机电缆连接潜水电缆，一并下入钻孔内。潜水泵以最大流量抽水时，地下水可能急剧下降，要保证潜水电机及水位自动记录仪处于足够的深度位置。3)提升管连接地表排水管道，顺水流方向依次安装压力表、调节阀、电磁流量计。排水管平地摆放，将抽出的地下水妥善处置，压力表和电磁流量计的量程应满足检测要求。4)潜水电缆连接变频器，再连接380 V供电线，电磁流量计连接220 V供电线。5)向电器供电，全开阀门，开启变频器，在40 Hz左右启动潜水泵试抽水，在确定设备仪表正常、系统无泄漏的情况下开始试验；否则应重新连接或安装。6)提高潜水泵运行频率至50 Hz，调节阀门开度，从小流量开始逐渐提高流量，对每个预设的流量点，同步读取稳定的流量、压力和潜水泵运行数据。7)提出钻孔内全部检测设施，下载水位自动记录仪数据，整理流量-扬程(Q-H)数据，在厂家Q-H曲线上叠加实测的Q-H曲线，对比分析。

被测介质为地下水，测试设备的扬程按照公式(1)计算。

(1)

式中：H—潜水泵扬程，m；p—压力表示数，MPa；ρ—被测介质密度，kg/m3，取1 000 kg/m3；g—重力加速度，m/s2；H1—水位自动记录仪所在位置到地表的高度，m；H2—水位自动记录仪记录的水位数据，m。

需指出，利用公式(1)计算潜水泵的扬程只考虑了位置水头和压力水头，而没有考虑速度水头。因本例中速度水头对扬程的占比较小(不到2%)，故未考虑速度水头。

2 试验结果与分析

2.1 潜水泵性能检测结果

按照试验流程及步骤，在各泵规定的流量范围内开展试验，得到了4种品牌潜水泵的性能参数(表2)。在潜水泵性能中，有额定功率、轴功率和有效功率等概念。为防止概念混淆，现区分如下：额定功率指潜水电机的功率，也称作最大功率；轴功率是电机通过轴传递给潜水泵的功率，也称作潜水泵输入功率；有效功率指液体从叶轮获得的能量，也称作潜水泵输出功率。

表2 试验所测4种潜水泵的性能参数Table 2 The performance parameters of four kinds of submersible pumps measured in the test

表2中，转速、电流及有效功率通过变频器读取，转矩根据公式(2)计算:

(2)

式中：T—转矩，N·m;Pr—额定功率，kW;n—转速，转/min。

结合表1、表2可知，对于流量范围而言，GF产品基本与其出厂参数一致，为3～18 m3/h；TW产品流量下限为5 m3/h，大于厂家提供的流量下限(0 m3/h)；SD产品测试所得流量上限为14 m3/h，小于厂家提供的流量上限(19 m3/h)；NF产品的测试结果大于厂家提供的流量范围，从安全性考虑，该产品存在一定的流量裕量。

在额定流量下(表2加粗行)，各品牌潜水泵转速基本维持在2 800转/min左右；GF潜水泵性能最优，其有效功率占额定功率的86.67%；TW潜水泵的有效功率占额定功率的93.33%；SD潜水泵性能最差，在该工况下，功率已达到满值；NF潜水泵性能略低于GF潜水泵，有效功率占额定功率的80%。

从额定流量对应的扬程来看，GF与TW潜水泵的扬程均为36～37 m，额定功率均为3 kW；SD潜水泵的额定功率为3.7 kW，其扬程，不到25 m；NF产品额定功率为5.5 kW，其扬程可达70 m。

基于表2数据综合评判，可初步得到4种品牌潜水泵的优劣排序为GF>NF>TW>SD，这与内蒙古某地浸铀矿山统计的不同品牌潜水泵损坏情况一致，佐证了本检测方法的可靠性。

2.2 潜水泵流量-扬程对比分析

为进一步评价厂家提供性能曲线的可参考性，将试验所得4种潜水泵的Q-H曲线同厂家提供的性能曲线进行对比分析，结果如图2所示。Q-H曲线是评价潜水泵性能和设备选型的重要依据。一般认为，该曲线应为无驼峰、无拐点的光滑曲线，且需要一定的坡度，以实现压力和水力控制[16]。平坦性Q-H曲线的潜水泵，在流量变化较大时，扬程变化不大；陡降形Q-H曲线的潜水泵，流量的小范围增大会引起扬程的大幅降低；驼峰形Q-H曲线的潜水泵，在小于峰值流量时易产生不稳定工况，如设备的喘振现象。在潜水泵的操作中，可以用改变扬程来调节流量，生产中常采用开启或关闭泵出口阀，改变管路阻力损失，进而使泵的扬程发生变化，以达到调节流量的目的。

图2 被检测潜水泵流量-扬程曲线对比Fig.2 Comparison of Q-H curves of tested submersible pumps

由图2可知，在检测流量范围内，GF潜水泵实测性能曲线与厂家提供的性能曲线分布趋势一致且基本平行，厂家性能曲线可信；在实际工况和额定流量条件下，除额定扬程存在系统误差外，其他性能指标均优于厂家的指标(表1～2)。TW潜水泵实测性能曲线也与厂家提供的性能曲线分布趋势一致；但与GF潜水泵相比，其转矩大(表2)，电耗较大。SD潜水泵实测性能曲线与厂家提供的性能曲线存在大角度交叉，随流量增大，扬程大幅降低，9 m3/h以下实测扬程高于厂家曲线扬程；9 m3/h以上则相反，最大流量达不到预期值，厂家性能曲线不可信。同时，在实际工况和额定流量条件下，SD潜水泵和GF潜水泵相比，尽管其额定功率高23.3%；但其电机转矩高达47.5%，设备比较耗电。对于NF潜水泵，其实测性能曲线与厂家提供的性能曲线存在交叉；但交叉角度小，且其流量范围更宽，随流量增大，扬程降幅也不大。

3 结论和建议

3.1 结论

利用地浸采铀钻孔和矿山常用的设备材料，集成先进的检测手段，搭建了潜水泵性能现场检测系统，并建立了检测方法。相比国标规定的检测方法，本方法简单易行，检测成本低、结果可靠。本方法可为矿山优选和精准配置潜水泵提供依据，也可为建立相关检测规范提供参考。

虽然因检测介质的理化性质、供电电源等与《潜水电泵试验方法》要求的不同，实测的性能参数与厂家提供的数据相比存在系统误差；但现场检测贴近潜水泵运行工况，其结果更具实际意义。在额定流量条件下，GF潜水泵性能最好，SD潜水泵性能最差。

3.2 建议

为了检测全流量范围的性能参数，建议建立潜水泵性能地表检测系统，制定相关监测规范，以指导潜水泵的选型、验收、运行状态的性能检测。