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1、1 引言仓式泵作为一种常见气力输送装置，由于其结构简单、运转率高、布置灵活、维修方便、 对外界环境适应性强等优点，在水泥、冶金、化工、电力等行业的粉状物料输送中得到广泛 的应用。但仓式泵也存在能耗高、所需空间大、重量大、间歇式输送等缺点。为使之更经济 更有效运行，本文从能耗、布置方式及系统组合等方面着手，探讨仓式泵输送系统的优化设 计，并介绍其具体应用。2 工作原理仓式泵是在高压下（约700kPa以下）输送粉状物料的一种比较可靠的密相动压气力输送装置。仓式泵的卸料方式有两种，其中底部出料是最常用方式（见图 1）,罐内物料通过圆锥面 充气槽充气、喷嘴喷气或其它方法得以流态化;在底部设置流态化充气
2、板（层）可使物料在罐的 上部卸出（见图 1）。输送气体在罐中不同输入平面上分布情况取决于输送物料性质。图 1 仓式泵卸料方式仓式泵输送是一个不连续的输送过程（见图 2）。该图显示了一个带进出料阀、物料输送 管道、空气输入管道和料仓的标准仓式泵。在仓式泵进料以前，料仓内装有被输送物料，所 有阀门都是关闭的。整个工作过程如下：（1）打开进料阀和排气阀，仓式泵在常压下进料，直到水平料位计发出仓满指示信号为 止；（2）关闭进料阀和排气阀，然后打开高压气阀使罐内加压；(3) 当达到操作压力后，打开输送空气阀门和卸料阀，物料开始输送；(4) 由压力开关、料位计或时间继电器显示出输送结束。此时关闭高压气阀和
3、卸料阀 使全部压缩空气都用来清吹输送管道；同时打开排气阀，使罐内压力减至常压状态。一个工作周期完成后，另一周期继续进行。图 2 仓式泵工作程序图 3a 描述了不同压力下单仓泵的不连续输送过程。图中显示了四个工作阶段：常压下 进料；加压到操作压力；稳定压力下输送；减压换向。为了达到接近连续输送，使用了两个单仓泵的并联布置方式(见图3b)。在这个双仓系统 中，一个罐处在输送阶段时，另一个罐正处在排气和再进料阶段通过两个单仓泵的串联布置方式(见图3c)，可达到完全连续输送。在这个系统中，上层 罐象单仓泵那样工作，仅用于向下层罐供料。而下层罐一直处在操作压力下，以便它能连续 地把来自上层罐物料送入输送
4、管道。图 3 仓式泵布置方式和输送周期a.单仓泵；b.并联布置两个单仓泵；c.串联布置两个单仓泵图4 表示了单仓泵在整个输送过程中工艺流程。值得注意的是当每个输送周期结束时， 收尘系统在短时间内将面临一个很大的气量。这主要是由输送管道内气体减压引起的，其次 是由罐内减压引起的。通常必须把仓式泵系统平均和最大物料输送量值、平均和最大电耗值 加以区别。由于系统用于进料、加压、减压和开关切换所消耗的时间是无效时间,必然导致 整个周期内有效输送时间下降，因而输送阶段的物料输送量要乘以一个系数才等于平均物料 输送量。平均和最大物料输送量值、平均和最大电耗值在串联布置的双仓泵系统中是相等的， 而在单仓泵系
5、统中上述平均值和最大值有相当大的差别。设计仓式泵系统时应使其尽可能在 最大物料输送量下运行。低于此输送量下工作，将会延长仓式泵的进料时间，降低整个系统 工作效率。4 水诡库水泥库图 4 单仓泵输送系统工艺流程3 能量优化能量优化目的是寻找仓式泵输送系统中能耗最省的操作条件。3.1 输送压力不变时最佳操作速度图5 为用仓式泵输送粉煤灰时测定的特性曲线。该输送系统的压力罐有效容积为VB=2m3,管道直径为dR=83mm,当量输送距离为LR=472m，末端压力PG=100kPa。该图中 画出了在不同压力降APr条件下，空气初始速度VF,A与物料输送量ms之间函数关系。图中 单位理论电耗Pth,sp曲
6、线由公式算出(取指数n=1.3)。耳“佥k+矗%爲/右堆(1)式中:Pthsp单位理论电耗，Ws/(kg100m)Pth理论功率消耗,kWh；ms料输送量,kg/s；LR,sp单位当量管道长度,100m；At料气输送比,kg/kg；PR管道前点压力,Pa；Pg官道后点压力,Pa；pF G空气密度,kg/m3 ；n 一物料特性指数。上式仅考虑了输送管路中的能量消耗，并以100m当量管道长度作为基准输送长度。输送盘希胡巾 *图 5 输送粉煤灰时仓式泵特性曲线VF,A=f（ms，ApR,pth,sp）从图5可看出，沿着压力降APr为常数时任一曲线，空气初始速度Vf,a都能降低到它 的最低值，并且曲线
7、上有一个最大输送量值。本例中粉煤灰平均粒径ds,50=2Oym）和其它粉料 一样，从稀相输送状态转化到密相输送状态是连续和平稳的，因而对物料的任何输送量都存 在两个操作点，其中较低一点是在密相输送范围内。由公式a）可知，在压力降APr为常数 条件下，料气输送比“最大时其电耗最小。从图5中找出这个点的具体方法是从坐标原点引 一根直线与APr为常数时某曲线相切，其切点即为电耗最小值点。从作图中可以发现料气 输送比最大（电耗最低）处的输送空气速度VFA3max）位于物料输送量最大处的输送空气速度F,A maxVF A（ms max）下方，并且该值太接近对应空气最小初始速度VF A min因而不能作为
8、设计值考虑。 F A s maxF A min在实际操作中，仓式泵应尽量在VF A3max）和VF A（ms皿玄乂）之间密相输送区域内工作。3.2 输送过程中最佳操作点如果计算范围足够大的话，图5中画出的各条单位理论电耗Pth,sp曲线是封闭的。因此 在每一个输送条件下，都存在一个能耗绝对最小操作点和压降值APr。这个点位于APr为 常数每根曲线的料气输送比最大处的连线上。其具体数值取决于输送管道条件和物料特性 在已有输送管道条件(dR,LR)下，一个能耗最小操作点的存在，有助于我们从给定的输送条件 (ms,LR)找出能量优化的最佳操作条件(APR,dR)(见图6)。图 6 能量优化目的3.3
9、 最佳操作压力图 7为一个实际运行单仓泵输送装置的操作压力特性曲线。该装置的具体参数见表1。 图中描述了输送水泥和粉煤灰时单位电耗Psp与空压机输出压力PV之间函数关系。其中输 送水泥的压力罐有效容积为VB=5m3，输送粉煤灰的压力罐有效容积为VB=10m3。图中还定 性地画出了随着压力PV减少，对应管道直径dR变大的趋势。该图还表明这个装置输送水泥 和粉煤灰时测出最小电耗值和这些最小值的位置与理论计算值比较一致。它也说明通过设计 一个在最佳操作点(P/,dR町工作的装置，可以节省大量的能量。图 7 单仓泵操作压力特性曲线表 1 一个实际运行单仓泵输送装置特性参数输送量m (t/h)s50当量
10、输送长度L (m)R200垂直咼度H (m)R20垂直管段起始端L(m)15090弯管数量nk5物料温度t (C)s20空气最高温度t(C)F,max120海拔咼度H (m)u500末端压力P (kPa)G100速度差(VA-V)(m/s)F,F,A,min2输送气体空气输送物料水泥粉煤炭松散密度P (kg/m3)ss1100750颗粒密度P (kg/m3)s32002200平均粒径d(曲)s,50心22心204 系统优化设计选择单仓泵或双仓泵系统没有严格规定，但必须在下列设计准则下考虑各种组合优缺 点。(1)操作方法对需要连续输送的物料，应尽量采用双仓泵输送系统，以获得最小能量消耗。尽管单仓
11、 泵系统比双仓泵系统的投资费用要低，但它在输送周期中无效时间过多，导致电耗偏高。另 外，双仓布置系统中如果一个泵失效，整个系统仍能保持一定输送能力。(2)物料输送量按照仓式泵有效容积(最大可达20m3)和每小时允许输送周期次数，单仓泵系统的最大输 送量约为120m3/h。双仓泵系统的最大输送量约为250m3/h。(3) 输送距离为了保持尽可能低的输送压力和能耗，以及避免起动过程中若干问题，双仓泵系统更适 宜于中长距离输送。通常输送距离超过1200m时，使用单仓泵系统就不经济了。当然特殊 情况下也可以利用单仓泵系统进行超长距离输送。目前世界上最长的单仓泵输送线在埃及的 Claudius Pete
12、rs水泥厂，其水泥输送量为100t/h，输送距离为3500m。我们曾设计过最长单 仓泵输送线为 800m。(4) 能量消耗双仓泵系统的能量消耗比单仓泵系统要低，据粗略统计其平均单位电耗可降低 0.5kWh/(t 100m)。另外单位电耗也随输送距离的增加而减少。(5) 系统简化单仓泵系统是最简化的设计，它甚至可以不用料仓而直接进料。最复杂的设计是串联布 置的双仓泵系统，除系统本身复杂外它还需要第二台空压机和压力调整装置等附加设备。(6) 系统需要的高度和空间通常仓式泵比其它气力输送装置要高。仅就所需高度和空间而言，直接进料的单仓泵是 最适宜的设计。但在连续料流下(如生料或水泥),单仓泵就需预置
13、一个为压力罐尺寸1.21.4 倍的料仓。并联布置的双仓泵系统需要一个附加高度，以安装一个交替供料装置(如带斜槽 的物料分配器)。通常串联布置的双仓泵系统所需空间较小，但所需高度很高，因而很可能 需要提供附加进料设备。当然，通过把压力罐设计成水平形式可以降低系统的高度。(7)磨损 磨损随输送周期次数增加而增加。仅就减少磨损而言，双仓泵系统有较大的优势。因为 该系统各个阀的开启次数要比单仓泵系统少得多。另外，输送压力大小也影响系统元器件磨 损速度。通常进、出料阀和排气阀特别容易磨损，而压力罐本身磨损则很小。5 实例我们曾为某火力发电厂设计过两条类似单仓泵输送线，将粉煤灰分别输送到约400m处 一组
14、储库内，系统管线技术参数及设计和操作数据对比见表2。物料以密相状态输送。这是 一个空气输送速度变化对能耗产生明显影响的典型实例。本例中，通过减少输送空气流量(即 仅靠换用较小空压机)就使该系统能耗明显减少，而对系统本身不作任何改变。表 2 输送粉煤灰的单仓泵管线技术参数及设计和操作数据对比压力罐有效容积V (m3)R4当量输送长度L (m)R393管42垂直咼度H (m)R线垂直管段起始端L(m)338第一级管径d (mm)R1114技分级第二级管径d (mm)R2121术第三级管径d (mm)R3127第四级管径d (mm)R4140参弯头的规90弯头7数格和数30弯头6量15 弯头2弯曲半
15、径与管直径之比2.5两路阀数量2输送空气流量比100%74%设输送量(t/h)1515管路压力降(kPa)210200功率消耗(kW)84.658.2计单位电耗(kWh/(t 100m)1.440.99预期节省值26.4kW 或 31.2%操输送量(t/h)18.518.2管路压力降(kPa)170190150170功率消耗(kW)61.337.9作单位电耗(kWh/(t 100m)0.840.53实测节省值23.4kW 或 38.2%从表2 中可见，功率消耗计算值比实测数据要高，比设计时预期该装置的功率消耗可节省26.4kW(即节省了 31.2%)。由于实际运行所需能耗较低，实测结果功率消耗比设计值节省23.4kW(
