海洋采矿扬矿电泵的研究

邹伟生，李哲奂，陈爱黎

(湖南大学 流体力学及其装备研究所，湖南 长沙，410082)

摘要：我国从大洋协会成立就开始进行海洋采矿扬矿技术的研发，在多种扬矿方案试验室研究和相应扬矿技术经济比较的基础上，将矿浆泵水力管道提升确定为我国海上试采的扬矿方法并进行了扬矿参数扩大试验。扬矿电泵作为矿浆泵水力管道扬矿系统的核心设备，具有通用性，其研究成果是海洋矿产资源研究开发的重要技术储备之一。通过对1 km水深海试扬矿电泵的研究，完成了四级扬矿电泵的设计和两级扬矿电泵的加工制造，获得了扬矿电泵研究的关键技术。本文从扬矿电泵的技术要求、设计理论与方法、整体结构、CFD仿真和工作特性试验验证等方面对该电泵进行了详细介绍。

关键词：海洋矿物资源；海洋采矿；扬矿技术；扬矿电泵

中图分类号：TH313          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2011)S2-0221-05

Lifting motor pump in deep sea mining

ZOU Wei-sheng, LI Zhe-huan, CHEN Ai-li

(Institute of Fluid Mechanics and Equipage, Hunan University, Changsha 410082, China)

Abstract: China has started the research on deep-sea mining technology since COMRA was founded. Based on the comparison of lift methods and analysis of lift technique economy, slurry pump hydraulic pipe lift method was determined for deep sea mining pilot test and enlarged experiments for lift parameters were carried on. Lift motor pump is the main equipment of slurry pump hydraulic pipe lift system and its research result is one of the important technique reservations. By the research of lift motor pump for test in the sea at the depth of 1 km, the design for 4 stage lift motor pump was completed and the 2 stage lift motor pump was manufactured, and its key technique was obtained. In this paper, a detailed description will be given of the lifting motor pump. It includes: technical requirements for lift motor pump; design theory and method; whole construction; CFD emulating real; and the test of the characteristics of the two-stage motor pump.

Key words: ocean resources; deep sea mining; lifting technology; lifting motor pump

在国际上开发的3种主要海洋矿产开采系统中，目前公认矿浆泵水力管道扬矿采矿系统最具有商业开采应用前景。扬矿电泵是该采矿系统的关键设备之一，但迄今为止只有德国KSB公司、日本荏原公司研制加工出深海采矿扬矿电泵、我国加工了1台两级扬矿电泵。1978年，OMI财团在中太平洋进行的开采试验，使用了德国KSB研制的2台六级潜水扬矿电泵^[1]，泵流量为500 m³/h，泵压为3 MPa，扬矿电泵出口内径为200 mm，提升体积分数为5%。该泵流道的当量内径为75 mm，通过结核最大粒径为25 mm，停泵后结核能回流通过泵。在试采后发现该泵存在一定的磨损问题。KSB公司认为：如果对泵的结构进行某些合理的改进和采用耐磨材料，扬矿电泵可达到较好的抗磨效果，满足泵寿命的要求。该泵型代表了海洋采矿扬矿电泵研究发展的方向，并一直是KSB公司引以为荣的核心技术。日本在研制两级潜水电泵及其试验的基础上，研制了50 t湿结核生产能力的2台8级离心式矿浆泵^[2]，该泵由上部泵和下部泵组成，潜水电机装在2个水泵中间，上、下泵均为4级，下部泵的出口和上部泵的入口用短管连接，泵流量为450 m³/h，总扬程为7.6 MPa，扬矿泵出口直径为200 mm，但该泵尚未进行过海上试验。从泵型和结构分析，该泵可能存在停泵后结核矿浆回流不顺畅的问题。目前，韩   国^[3]、波兰、国际海洋金属联合组织(IOM)、鹦鹉螺公司^[4]等新兴工业国家或国际组织均将矿浆泵水力管道提升作为自已采矿系统的扬矿方法，韩国、波兰等正在开展扬矿电泵的研究工作。

1  深海采矿系统对扬矿电泵的主要技术要求

1.1  扬矿电泵的主要技术要求

根据结核1 km水深中试采矿扬矿系统的要求，计算确定了以下提升电泵的主要技术参数。

(1) 扬矿电泵的主要基础参数。扬矿能力为43 t/h湿结核，设计扬矿体积分数为5%，最大扬矿体积分数为10%，通过的结核粒径满足集矿机破碎后结核粒级组。

(2) 扬矿浓度为5%时电泵的作业参数。根据扬矿系统43 t/h扬矿能力、扬矿管径194 mm和扬矿体积分数为5%的扬矿作业工况，计算出扬矿流速为3.962 m/s，电泵提升流量为420 m³/h，扬矿系统总扬程为160 mH₂O(即1.568 MPa)；

(3) 最大提升体积分数为10%的作业参数。为保持足够的安全提升速度和泵的运行效率，选定扬矿流速为3.4 m/s，电泵扬矿流量为360 m³/h，计算出扬矿能力为72 t/h(湿结核)、扬矿系统总扬程为182 mH₂O (即1.784 MPa)。

1.2  扬矿电泵的设计参数

通常情况下泵的设计参数与作业参数是一致的，也就是按照实际作业参数进行设计优化，但商业开采前的海试扬矿提升泵的工作特点是流量小、扬程高、扬程变化大、提升物料粒径大^[5]。为了保证粗颗粒结核能顺利通过泵的工作叶轮，其流道必需具有足够大的断面。为此必需适当提高泵的设计流量，采用放大流量设计法，应用混流泵或高比转数离心泵的工作叶轮。经分析确定泵的设计参数为：Q₀=800 m³/h，H₀=120 mH₂O(即1.176 MPa)，级数n=4，每级扬程为30 m，转速为1 450 r/min，相应的比转数n_s=194.6。图1所示为电泵的流量-扬程的设计曲线。

图1  电泵的流量-扬程设计曲线

Fig.1  Quantity-head design curves of motor pump

2  扬矿电泵的结构设计

2.1  扬矿电泵的整体结构

电泵采用筒装式整体结构,泵与电机联接后装入到泵外筒体中。泵为节段式多级泵，空间导叶承受泵压力及泵与电机的重力，泵外筒体承受外加静载荷及动载荷。泵的两端为带有法兰的过渡段与泵联接，过渡段的另一端带有与硬管相同的接头,以实现电泵与硬管的串接。图2所示为电泵的整体结构图^[6]。

根据对流道试验结果、集矿机破碎后结核粒级组成、电机的长径尺寸和泵叶轮的形状与尺寸的综合考虑，电机外壳环形流道采用三通道，通道尺寸为90 mm×120 mm，环形流道内结核矿浆流速大于最大颗粒结核沉降速度的3倍(2.7 m/s)。

2.2  叶轮与导叶

叶轮设计参数包括叶轮进口直径、外径、出口宽度、叶片数、叶片进口安放角、出口安放角及叶片包角；导叶设计参数包括导叶内流线最大直径、外流线最大直径、导叶环形空间宽度、导叶片数、导叶轴向长度、导叶进口安放角及出口安放角。叶轮与和导叶如图3所示。

图2  电泵的整体结构图

Fig.2  Over-all structure of motor pump

图3  电泵一级叶轮与导叶的剖面图

Fig.3  One pump stage cross-section

2.3  潜水电机的结构设计

2.3.1  潜水电机的基本结构

电机为内外压力平衡的充水式潜水电机，见图4。电机机壳的外径尺寸根据泵及流道的设计要求择优确定为520 mm。潜水电机采用橡胶调节囊作为均压平衡装置调节电机内外压力平衡，均压平衡装置具有耐海水腐蚀，在0~90 ℃时有较强的机械强度；电机的密封包括静密封和动密封2种方式，静密封采用“O”型橡胶密封圈，动密封考虑到介质中有泥沙，采用机械密封，结合立式潜水电机轴向有窜量的特点，选用带橡胶波纹管的机械密封；止推轴承是立式潜水电机的关键部件，在承受电机、泵的转子重力及水力轴向力的情况下高速旋转，经计算电泵的轴向力为65.5 kN，在德国RITZ公司止推轴承的基础上，设计采用油润滑球面滚子止推轴承，允许电机倾斜或卧用，并参照有关规范进行轴承止推试验。

图4  电机总装图

Fig.4  Structure of motor

2.3.2  电机的基本参数

额定电压为3 kV，频率为50 Hz，额定功率(轴功率)为500 kW；满载负荷时转速为1 450 r/min；电流为120 A，启动电流/额定电流为1 000 A/120 A；直径为520 mm，长度为2.5 m。

2.4  电泵的CFD仿真

应用计算机对水泵内部的流动进行数值模拟，采用计算流体力学软件CFD预测、计算泵的效率及扬程，以检查、预测水力设计的正确、合理性，为泵的水力设计及其改进提供依据^[7]。图5所示为电泵全流道网格划分，图6所示为电泵性能曲线预测结果。

图5  电泵流道全部网格

Fig.5  Grids of motor pump passage

图6  预测性能曲线

Fig.6  Numerical results

3  两级扬矿电泵的试验验证

3.1  两级扬矿电泵的制造

按照四级扬矿电泵的设计，加工制造了1台两级扬矿电泵并对该泵进行完整的性能试验。两级电泵的流道、叶轮、导叶与四级扬矿电泵的完全一致；泵的加工工艺性良好。通过对两级电泵的工作特性进行试验，获得两级扬矿电泵完整的工作特性曲线及相关数据，验证泵的水力计算模型及泵的结构设计，并为四级扬矿电泵设计的改进与完善提供指导。

3.2  两级扬矿电泵的特性试验

为了获得扬矿电泵完整的工作特性曲线及相关数据，需进行以下参数测量：泵的转速、流量、扬程、功率、电机电压、电流、功率因素等。泵测试在石泵30 m水深的泵试验水池进行，管路直径为204 mm，测试仪表主要包括泵进、出口压力传感器、电磁流量计、泵转速传感器以及电流、电压、功率因数测量仪表等。两级电泵试验将按泵的试验规程在5种转速下进行，即额定转速n=1 450 r/min，变频转速n在600，900，1 200和1 350 r/min。每一转速下测量泵的10个工作点，计算机采样求平均值。图7所示为额定转速下两级扬矿电泵的实测特性曲线。

从图7可以看出：两级电泵在流量为420 m³时，泵的扬程为79 m水柱，这表明泵的特性试验曲线与泵的设计特性曲线、CFD预测性能曲线基本相一致，泵的特性参数完全达到了设计的要求；从图7还可以看出泵的功率-流量曲线变化非常平缓，在工频转速下流量从0上升到885 m³/h，泵功率只从174 kW增加到210 kW，功率变化较小，达到了泵的等功率设计的目的。这样就避免了结核浆体从最大提升体积分数(C_v=10%)降至0(即清水)时，扬矿泵的扬程变化造成过大的流量变化致使电机的功率变化太大甚至过载的危险。泵的性能试验结果还表明：电泵的运行非常平稳，噪声很小，泵的性能稳定。

图7  两级电泵的特性曲线(n=1 450 r/min)

Fig.7  Characteristic curve of pump (n=1 450 r/min)

4  结论

 (1) 根据深海采矿扬矿工艺及扬矿管线管道阻力特性对扬矿电泵性能的要求，进行了扬矿泵的工作特性设计、水力设计、结构设计和CFD仿真。

(2) 根据四级扬矿泵的设计研究结果，加工了1台两级电泵并进行了泵的性能试验，获得了泵的5种转速条件下的流量-扬程、流量-效率、流量-功率曲线。试验结果表明：泵的性能完全达到了设计的要求，泵的加工工艺性良好。该扬矿电泵的成功研制，填补了国内空白，初步使我国成为继德国、日本之后第3个能设计制造这种设备的国家。

(3) 鉴于扬矿电泵在海洋采矿系统中的重要作用，建议继续开展扬矿电泵的研究。

参考文献：

[1] Kuntz G. The technical advantages of submersible motor pumps in deep sea technology and delivery of manganese nodules[C]// Proc of the 11th Annual Offshore Technology Conference. Houston, Tex, 1979: 85-91.

[2] TRAM R & D of manganese nodule mining systems[R]. Japan, 1991: 24-29.

[3] Yoon C H, Kim Y J. Three dimensional solid-liquid flow analysis for design of two-stage lifting pump[C]//The 7th (2007) ISOPE Ocean Mining Symposium. Lisbon, Portugal, 2007: 171-176.

[4] Nautilus Minerals Inc. Placing and admission to London stock exchange’s alternative investment market (AIM) by numis securities limited[R]. 2007: 112-114.

[5] 邹伟生. 扬矿硬管系统工艺与参数研究[R]. 湖南: 长沙矿冶研究院, 2000: 76-78.
ZOU Wei-sheng. Study on lifting technology and parameters in deep-sea mining[R]. Hunan: Changsha Research Institute of Mining and Metallurgy, 2000: 76-78.

[6] 邹伟生. 深潜硬管提升电泵的研制[R]. 长沙: 长沙矿冶研究院, 2006: 18-20.
ZOU Wei-sheng. Study on motor pump for lifting pipeline[R]. Changsha: Changsha Research Institute of Mining and Metallurgy, 2006: 18-20.

[7] 邹伟生. 深海采矿扬矿参数与扬矿泵的研究[D]. 北京: 北京科技大学土木与环境工程学院, 2005: 102-118.
ZOU Wei-sheng. Study on lifting parameters and pump[D]. Beijing: University of Science and Technology Beijing. School of Civil and Environmental Engineering, 2005: 102-118.

(编辑 陈灿华)

收稿日期：2011-06-15；修回日期：2011-07-15

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51079054)；国家深海技术发展专项资助项目(DY105-03-02-08)

通信作者：邹伟生(1965-)，男，湖南浏阳人，博士后，教授，从事海洋采矿和浆体管道输送技术研究；电话；0731-88822330；E-mail: zouweisheng@sina.com