矿用水泵扬程的测量方法研究

刘兆瑞

（新疆哈巴河阿舍勒铜业股份有限公司，新疆 哈巴河县 836700）

矿用井下水泵承担着井下排水的作用，其运行效率直接影响了采矿作业的安全稳定性。在长期运行过程中，由于采矿作业环境的影响，矿用水泵实际运作效率也在不断的变化。依据《矿用主排水系统安全监测检验规范》的相关要求，对无真空表测量扬程方法进行了简单探究。通过矿用水泵扬程误差修正测量，可以有效提高矿用水泵扬程测量精度。

1 矿用水泵扬程测量原理

矿用水泵扬程主要指单位重量流体经过水泵所获得的能量。具体矿用水泵扬程主要由泵叶轮直径、叶轮转速、叶轮弯曲程度等结构参数决定。在现阶段矿用水泵扬程测量环节，主要综合考虑单位质量水性能水柱高度、水重量、相对压力、单位质量水具有压能产生水柱高度、管道内水流速、单位质量水具有平均动能产生水柱高度等因素，进行稳定流能量方程设置。即为：1断面任一点单位质量水具有总机械能产生水柱高度=2断面任一点单位质量水具有总机械能产生总水柱高度。上述公式表明在流体运动环节，若假定无水头损失，则矿用水泵各断面机械能项目守恒。这种情况下，1断面与2断面的高度差就为矿用水泵扬程。而由于实际矿用水泵管路结构较复杂，其需要在现场测试环节进行吸水管、压水管连续流能量检测点的增设，从而保证整体压差测量的准确性。

2 矿用水泵扬程测量公式

在矿用水泵运行环节，水泵实际扬程为水泵运行时排水高度或净扬程与管道水头损失、进出水流速水头差的和，由于矿用水泵管道流量与管径具有一致性，则在管道扬程计算过程中，管道进出水流速水头差可忽略不计。依据管道扬程计算公式可得，在矿用水泵扬程测量计算过程中，需要对管道沿程损失、管道局部损失、管道排水高度进行逐步测量。

3 矿用水泵扬程测量方式

3.1 矿用水泵扬程测试准备

依据《矿用主排水系统安全检测检验规范》的标准检测方法，需要采用压力表、真空表，或者压力传感器、负压传感器等装置，进行测试真空压力表或者无真空压力表的设置。在运行环境一定的情况下，矿用水泵扬程测量人员可同时进行压力表、真空表等流量测量装置读数。由于矿用井下作业空间的限制，在真空矿用水泵检测环节，管道侧易出现端口无法连接情况，因此在实际测试阶段可选择无真空表测量模式作为矿用水泵扬程测量方式。

3.2 矿用水泵扬程测量误差修正及测量

通过对扬程计算公式进行分析，可得出矿用水泵扬程测量误差影响因素。为了最大限度控制矿用水泵扬程测量误差对矿用水泵扬程测量准确度的影响，可以选某一矿用断面为基准，分别进行叶轮叶片入口截面、水面截面的合理设置，在得出吸水管路水头损失计算公式、吸水管路对扬程误差计算公式后，可得出吸水管路水头损失=带真空装置测量扬程-无真空表测量测量扬程。吸水管路水头损失主要依据水力学公式进行计算，即吸水管路水头损失=吸水线上直管段阻力系数×[(吸水管段等值管长+吸水线直管段长度)/吸水管直径]。

由于矿用水泵扬程具有多种检测措施，且不同检测方法所得出的相对误差变化范围较小，因此测量相对误差主要由矿用水泵扬程决定，且矿用水泵扬程与矿用水泵测量相对误差变化频率成反比。一般来说，若矿用水泵扬程测量总误差在±3.50%以上，为了保证矿用水泵扬程测量准确度，需要采用适当的误差修正措施。在具体矿用水泵扬程计算过程中，除了需要确定净管道排水高度，还需要对管道局部水头损失及管道沿程损失进行逐一核算。其中在管道沿程损失计算过程中，可依据沿程阻力系数、雷诺系数与管壁绝对粗糙程度之间的联系，进行莫迪曲线分析。其中雷诺系数主要为在20℃时管道内流体运动粘度与运动速度之间的比值，为固定值2.99×105；而矿用水泵管壁绝对粗糙程度可根据具体矿用水泵材质，通过管道材质对应粗糙度列表得出管壁绝对粗糙度，如在矿用排水管道中常选择新型冷拔无缝钢管，其管壁绝对粗糙程度就为0.015mm。同时依据莫迪曲线运行情况，可得出矿用排水水泵管道沿程阻力系数，即0.0155。

若无法在莫迪曲线中获得沿程阻力系数，则可以依据具体管道构件参数，进行管道运行沿程阻力系数计算。在紊流光滑区域，若雷诺系数在105-2.99×106之间，则依据尼古拉兹经验公式，可得出沿程阻力系数为0.0142；若雷诺系数大于4×103，则依据阿里特苏里经验公式，可得出管道沿程阻力系数为0.01459。综合以上数据，可得出莫迪曲线计算数值误差概率较大，因此可选择莫迪曲线所得数值为最大沿程阻力系数，这种情况下，矿用水泵沿程损失就为0.0155×0.015/100×2.9 9×105=69.5m。

而矿用水泵管道局部水头损失计算需要依据实际矿井给排水设计参数，结合生产厂商给定的数值，即在该矿用水泵管道运行过程中，其弯头弯度为390°，共4个，阻力系数为0.34；焊接弯管在45°时的直径为100mm，共8个，阻力系数为0.33；止回阀直径为100.00mm，共3个，阻力系数为0.19；闸阀直径为100mm，共2个，阻力系数为1.02。依据上述数据，结合管道局部水头损失计算公式，可得出最终管道水头局部损失数值，为2.50m。

3.3 矿用水泵扬程测量实践分析

无真空压差测量方式主要是依据稳定流连续方程理论，进行的压差测量措施。在矿用水泵扬程实际测量过程中，首先可选择三台压力传感器作为一次仪器，选择一台显示仪器作为二次仪器，在仪器准备完毕之后，可依据扩散硅压阻原理，结合微机械加工制造技术，设定整体压力测量范围为0~0.39MPa之间，并采用4~18mA电流信号作为数据传输频率。依据管道运行特点，为了保证矿用水泵扬程测量作业顺利进行，应在泵房前池储备充足的水资源，并在在线监测作业进行时，控制其他水泵处于停止运行状态。在具体单泵扬程测量环节，可在开启测量泵阀门的基础上，通过对相应阀门的合理调控，将管道相邻段阀门进行闭合设置，结合电动阀流量调节措施，可保证矿用水泵扬程在线测量效率。

其次在间隔一定距离的两个测量端点，分布安装对应的传感设备，并采用屏蔽线、显示仪表进行连接。需要注意的是，为了保证矿用水泵扬程测量准确度，需控制矿用管道测量两点间距离在100~999m之间，便于最终显示压力数据的合理对比分析，压力仪表可显示管道两点间压差值在±19.99MPa之间。无真空压差测量设备在整体测量过程中，精确度为0.049%FS，其最大允许误差为0.20kPa。通过无真空压差测量装置的使用，可得出吸水管道、压水管道等不同管道测量点之间的压差值，进而得出对应的高程差值。

最后矿用水泵扬程测量数据核算。为了保证矿用水泵扬程数据准确性，可采取每个数据多次读数的方式，间隔2min读取一次数值。然后结合不同工况相对运行误差2.50m、69.5m，利用进出口压力差与出水管、进水管内径数值，可获得对应水泵实际扬程数值。假定该矿用水泵排水高度为300m，长度为1059m，直径为100.00mm，流量为84m3/h，且整体管道用材质为新型冷拔无缝钢管，排水管径为4寸，则该矿用水泵在抽排作业环节所需扬程为300+69.5+2.50=372.00m。

3.4 矿用水泵扬程测量效益评估

通过对某矿排水泵扬程测量数据评估，可得出不同工况测量点参数及折算后额定转数扬程误差，即在扬程参数为1479m3/h时，矿用水泵扬程测量相对误差为0.279%；而在矿用水泵扬程参数为85.6m3/h时，矿用水泵扬程测量相对误差为0.132%。

4 结语

综上所述，依据现场矿井开设情况，可在对应检测管道一定距离两点进行感应设备安装，在获得压力值后，可利用伯努利方程，得出对应管道测量点高度差值，并将各个工况点测量所获得的数据整合，最终得出矿用水泵扬程。在这个基础上，可依据数据拟合原理进行额定环境扬程特征曲线绘制。通过额定环境水泵扬程特征曲线与以往特征曲线对比分析，可得出矿用排水系统效率及吨水百米资源损耗效率影响因素，便于进行对应工况改进方案的设置，以保证矿用排水系统运行效率。