CN110360165B - 一种双级射流泵设计方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了双级射流泵设计方法及装置，基于高排压结合、效率最优的双级射流泵的水力设计方案、两级射流泵间实施工作水流量分配调节方案。双级射流泵装置包括入口增压泵、总管流量计、调节阀、一级流量计、一级射流泵、二级射流泵、出水压力传感器、排出管、进料管、控制中心。入口增压泵分别与一级射流泵、二级射流泵的入口相连(进水并联)，并在泵出口管路上设置总管流量计，一级射流泵的出口与二级射流泵的吸入口相连(排水串联)，一级射流泵喉口连接进料管，二级射流泵的出口管路出水水压传感器，一级射流泵的进口管路上设置调节阀、一级流量计；总管流量计、一级流量调节阀、一级流量计、出水水压传感器与控制中心连接。

Description

一种双级射流泵设计方法及装置

技术领域

本发明涉及射流引流领域，具体是一种双级射流泵设计方法及装置。

背景技术

以矿井岩盐为原料的无机物提纯生产过程中，卤水净化后产生的钙镁泥进入燃煤电厂烟气湿法脱硫系统，脱硫后的浆液(浆液中固体颗粒坚硬，具有磨砺性)进入高压注井系统注入深度≥1500米的超厚地下岩盐层填充，并循环利用部分有用物质。为了保证井壁、地下溶腔的地质安全，注水系统管道内需始终保证一定高压。这种情形下使用多级离心式渣浆泵往往不能满足生产要求。

利用高压离心泵或柱塞泵泵出的清水作为动力源，用射流泵吸取含磨砺性渣浆溶液，可避开流道复杂的泵腔受到破坏。射流泵的核心件几何形状较简单，易用硬质合金等高硬度高耐磨且耐蚀的材料加工成型，受颗粒冲刷最严重的喉管易设计为快速更换的形式。

射流泵包括的基本形式包括三个对外接口：进口、出口、喉口，喉口也称为射流泵吸入口，喉口在射流泵上更加地接近射流泵喉部，从进口进入射流泵内的液体在喉部高速流动，在喉部造成相对于进口液体压力的负压状态，从喉口吸入浆液，混合后从射流泵出口高压排出。

单级射流泵的排出压头往往达不到高压工况需求，或者需要较大的流量比才能到达做功高效区，但较大的流量比意味着装置所需的工作水流量较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双级射流泵设计方法及装置，以解决现有技术中的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

为方便描述、适应行业术语或在特定语境下描述更加准确，本申请中首级射流泵、一级射流泵、第一级射流泵意义相同，末级射流泵、二级射流泵、第二级射流泵意义相同。

一种双级射流泵设计方法，设计方法包括如下步骤：

S1：以工艺需求的额定吸入流量确定工作水流量，工作水流量为额定吸入流量的6～10倍；

S2：选取两级射流泵的面积比，第一级射流泵的面积比选取为2.5～3.3，第二级射流泵的面积比选取为1.8～2.5；

S3：以工艺需求的的最小额定出水压力P3确定工作水入口压力P2,P2为最小额定出水压力P3的1.4～1.8倍；

S4：本领域内的相关基本公式有：

射流泵的流量比：

射流泵的压力比：

射流泵的水力效率：

射流泵的面积比：

双级射流泵最高水力时流量分配点：

以行业内一些通用的经验系数，以及流体力学中的流动状态方程等为基础，获得

理想流量比值公式：q₀＝(5m-0.9445)²-1.75；

理想压力比值：h₀＝2.667-0.00253(m+26.07)²；

实际压力比与实际流量比相关：

综合上述公式与双级射流泵中的相关连续性条件(第二级的进口流量加喉口流量等于出口流量、第一级的出口流量等于第二级的喉口流量、第一级入口流量加第二级入口流量等于装置总工作流量，在没有流量调节阀等阻力件的情况下，装置入口压力等于第二级的入口压力、第一级的出水压力等于第二级的喉口入水压力)，可以获得双级射流泵第二级泵出口的压力值：

以上公式中：q₀为单级的理想流量比比值、h₀为单级的理想压力比比值、m为单级的面积比、q为单级的流量比、h为单级的压力比、φ为流量系数，φ与射流泵的结构形式相关且在本发明计算中取值为0.94；

将S2确定的第一级、第二级射流泵的面积比分别代入上述公式，分别求取两级射流泵的流量比、压力比、效率关系图：

两级射流泵的总效率为单级效率相乘，获得总效率与总流量比的关系曲线，确定双级射流泵的流量比高效区的端点值；

S5：双级射流泵的两路进水管路中的至少一路增加流量调节装置，以S4确定的流量比高效区端点值作为第一级射流泵进水管路上流量调节的调节条件，在工艺吸入流量变化、出水压力需求变化后，通过控制中心达成流量比与总效率的联锁控制，保持双级射流泵运行在高效区。

根据前述公式，射流泵的排出压力出水与射流泵的面积比反向相关，本发明分析计算的两级射流泵均采用较小的喉嘴面积比，二级射流泵的喉嘴面积比小于一级喉嘴的值，目的在于一级射流泵侧重于较高吸入比，二级射流泵侧重于较高排压比，以求满足高排压结合效率最优的向超厚地下岩层填充沙浆用双级高压射流泵的设计和应用。

步骤S1确定的工作水流量为额定吸入流量的8倍。

步骤S2中，第一级射流泵的面积比M1选取为2.9～3.1，第二级射流泵的面积比M2选取为2.2～2.3。

步骤S3中，工作水入口压力为最小额定出水压力的1.5～1.7倍。

步骤S5中，双级射流泵的两路进水管路共用同一压力水源，在第一级射流泵的进口管路上加入流量调节装置。

一种双级射流泵装置包括入口增压泵、总管流量计、一级流量调节阀、一级流量计、一级射流泵、二级射流泵、止回阀、出水水压传感器、排出管、进料管和控制中心，

入口增压泵的泵出口通过管路分别与一级射流泵、二级射流泵的入口相连，入口增压泵的泵出口管路上设置总管流量计，一级射流泵的出口与二级射流泵的喉口相连，一级射流泵的喉口连接进料管，二级射流泵的出口连接排出管，排出管上设置止回阀和出水水压传感器，一级射流泵的进口管路上设置一级流量调节阀、一级流量计；

总管流量计、一级流量调节阀、一级流量计、出水水压传感器分别与控制中心电连接。

作为优化，出水水压传感器位于止回阀与二级射流泵出口之间；双级射流泵装置还包括安全阀，安全阀设置在排出管上，安全阀位于止回阀与二级射流泵出口之间。

作为优化，双级射流泵装置还包括工作水压传感器，工作水压传感器设置在入口增压泵的泵出口管路上，工作水压传感器也与控制中心电连接。

入口增压泵用于为后续的两个射流泵提供工作液，其出口同时连接一级射流泵、二级射流泵的进口，在一级射流泵的进口管路上设置一级流量调节阀和一级流量计，控制中心能通过一级流量计以及总管流量计所发过来的信号得知两级射流泵分别的实时流量，当流量比偏离图中的高效区时，控制中心通过一级流量调节阀调节一级射流泵路线上的流量，从而更改装置中两级的流量配比，使得装置重新回到高效区。双级射流泵的两路进水管路共用同一压力水源，方便控制中心只从一处位置上进行流量调节即可达到工作水流量分配目的。安全阀防止系统压力过高导致破坏，出水压力传感器用于监测出水压力是否达到需求，而工作水压传感器用来监视入口增压泵是否正常工作，防止是由于入口增压泵的出水压力降低导致的装置出水压力降低，这种情况下无法通过一级流量调节阀调节工作水流量分配比例来提高装置出水压力。

作为优化，进料管上设置现场流量计。方便现场监视入料情况。

作为优化，一级射流泵、二级射流泵均为泵芯和泵壳分体形式。泵芯和泵壳分开分材制作，联合装配；喷嘴、喉管及扩散管前段联合体采用钨钢合金制作，部件耐磨且方便更换维护。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明确定基于高出水压力并结合效率最优的同工作水源的双级高压射流泵工作水流量与额定吸入流量最优倍数关系，每一级射流泵的优选面积比，工作水压力与额定出水压力优选倍数关系；本发明确定基于高出水压力并结合效率最优的同工作水源的双级高压射流泵间实施工作水流量分配调节方案，通过流量调节来保持装置工作在高效区；在较小的流量比下实现较大的排出压头和做功效率，节省装置的工作液消耗量，节省双级射流泵增压泵的能源消耗；本发明中的双级射流泵装置能够满足向超厚地下岩层填充沙浆等高压工艺管路输送磨砺性渣浆溶液的需求，相比于单级射流泵不仅出口排压高，而且装置效率大大提高；装置中两级射流泵的各部件根据工作环境和精度需求，采用泵芯和泵壳分开分材制作，联合装配，便于后期更换易损件。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明双级射流泵(一级射流泵面积比为3,二级射流泵面积比为2.25时)和单级射流泵(射流泵面积比2.25时)的泵出口压力比对比分析图；

图3为本发明双级射流泵(一级射流泵面积比为3,二级射流泵面积比为2.25时)和单级射流泵(射流泵面积比2.25时)的效率对比分析图。

图中：1-入口增压泵、2-总管流量计、3-一级流量调节阀、4-一级流量计、5-一级射流泵、6-二级射流泵、7-安全阀、8-止回阀、9-出水压力传感器、10-排出管、11-进料管、12-控制中心、13-工作水压传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：某燃煤电厂烟气脱硫后产生一种含有石灰石和石英砂等固体颗粒物的石膏浆液，经初步澄清后的浆液中固体物体积含量达30％，其中石灰石和石英砂等固体颗粒物体积含量达一半，固体物粒径分布在0.01～0.5mm范围内。需将该部分浆液(8～12m³/h)经高排压射流泵注入深度≥1500米的超厚地下岩盐层填充，并循环利用部分有用物质，要实现混合液注入，并考虑地下溶腔的地质安全，需要混合液压力达5.5MPa以上。

选取压头为10MPa、流量为85m³/h的清水作为动力源，双级射泵第一级面积比3、第二级面积比2.25。

根据：

理想流量比值公式：q₀＝(5m-0.9445)²-1.75；

理想压力比值：h₀＝2.667-0.00253(m+26.07)²；

实际压力比与实际流量比相关：

双级效率相乘得装置效率。

使用Excel进行数据处理与图表绘制，得图2的泵出口压力比对比分析图，图3的效率对比分析图。

在一级射流泵的进口管路上设置进水量控制阀，调节高压清水源在一二级射流泵间的流量分配量。在工况有波动的情况下进行调节：当第二级射流泵出口压力不能满足要求或需要提高第二级射流泵出口压力时，降低第一级射流泵的工作水流量，提高第二级射流泵的工作水流量，保证装置的出口压力满足工艺要求，保证注井的最低安全压力要求；当第二级射流泵出口压力满足工艺要求时，力求保证第一级射流泵工作水进水流量趋向于总工作水流量的1/8，以保证总体水力效率的最大化。从图3也可得知，双级射泵第一级面积比3、第二级面积比2.25时，装置的最高效率位于流量比为0.125时，返回重新设定清水动力源参数，以更加精确的浆液吸入量(一级射流泵的喉口吸入流量)乘以8来确定清水动力源的流量。

如图1所示，当出口压力P2不能满足要求或需要提高出口压力时，降低Q2，提高第二级射流泵工作水流量，从而提高P2，使P2趋近P1，保证装置的出口压力满足工艺要求，保证注井的最低安全要求；当出口压力P2满足工艺要求时，力求双级射流泵整体效率的最大化，通过调节Q1和Q2比例，保证Q2趋近1/8Q1，达到图3中的装置效率最大化。

能实现上述调节原理的具体结构装置是：

如图1所示，双级射流泵装置包括入口增压泵1、总管流量计2、一级流量调节阀3、一级流量计4、一级射流泵5、二级射流泵6、止回阀8、出水水压传感器9、排出管10、进料管11和控制中心12。

入口增压泵1的泵出口通过管路分别与一级射流泵5、二级射流泵6的入口相连，入口增压泵1的泵出口管路上设置总管流量计2，一级射流泵5的出口与二级射流泵6的喉口相连，一级射流泵5的喉口连接进料管11，二级射流泵6的出口连接排出管10，排出管10上设置止回阀8和出水水压传感器9，一级射流泵5的进口管路上设置一级流量调节阀3、一级流量计4；

总管流量计2、一级流量调节阀3、一级流量计4、出水水压传感器9分别与控制中心12电连接。

出水水压传感器9位于止回阀8与二级射流泵6出口之间；双级射流泵装置还包括安全阀7，安全阀7设置在排出管10上，安全阀7位于止回阀8与二级射流泵6出口之间。

双级射流泵装置还包括工作水压传感器13，工作水压传感器13设置在入口增压泵1的泵出口管路上，工作水压传感器13也与控制中心12电连接。

入口增压泵1用于为后续的两个射流泵提供工作液，其出口同时连接一级射流泵5、二级射流泵6的进口，在一级射流泵5的进口管路上设置一级流量调节阀3和一级流量计4，控制中心12能通过一级流量计4以及总管流量计2所发过来的信号得知两级射流泵分别的实时流量，当流量比偏离图3中的高效区时，控制中心通过一级流量调节阀3调节一级射流泵5路线上的流量，从而更改装置中两级的流量配比，使得装置重新回到高效区。双级射流泵的两路进水管路共用同一压力水源，方便控制中心只从一处位置上进行流量调节即可达到工作水流量分配目的。安全阀7防止系统压力过高导致破坏，出水压力传感器9用于监测出水压力是否达到需求，而工作水压传感器13用来监视入口增压泵1是否正常工作，防止是由于入口增压泵1的出水压力降低导致的装置出水压力降低，这种情况下无法通过一级流量调节阀3调节工作水流量分配比例来提高装置出水压力。

进料管11上设置现场流量计。方便现场监视入料情况。

一级射流泵5、二级射流泵6均为泵芯和泵壳分体形式。泵芯和泵壳分开分材制作，联合装配；喷嘴、喉管及扩散管前段联合体采用钨钢合金制作，部件耐磨且方便更换维护。

对比例一：

将装置制作为单级的射流泵形式，面积比取为2.25，其余参数均与实施例一相同；制作得图2的泵出口压力比对比分析图，图3的效率对比分析图。

使用压头为10MPa、流量为85m³/h的清水作为动力源，当装置吸入浆液流量在12m³/h时，双级射流泵装置的排压可达5.9MPa，装置效率约为0.29，此时单级射流泵只能达到5.1MPa，装置效率只有0.15；当一级射流泵吸入浆液流量在8m³/h时，双级高排压射流泵排压可达6.5 MPa，装置效率约为0.27，此时单级射流泵只能达到5.3MPa，装置效率只有0.11。

对比例二：

装置结构形式与实施例一中相同，射流泵的面积比作如下改变：

使用压头为9.6MPa、流量为85m³/h的清水作为动力源，第一级射流泵的面积比取为3.5，第二级射流泵的面积比取为2.6。

通过前述公式可计算分析得出，相比于实施例一中的结构参数，出水压力比降低比例为5.8％，相同流量比下效率降低比例为2.2％。当面积比改变后，压力比改变更明显。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (9)

1.一种双级射流泵设计方法，其特征在于：所述设计方法包括如下步骤：

S1：以工艺需求的额定吸入流量确定工作水流量，工作水流量为额定吸入流量的6～10倍；

S2：选取两级射流泵的面积比，第一级射流泵的面积比选取为2.5～3.3，第二级射流泵的面积比选取为1.8～2.5；

S3：以工艺需求的的最小额定出水压力P3确定工作水入口压力，为最小额定出水压力的1.4～1.8倍；

S4：以第一级射流泵的面积比、第二级射流泵的面积比的确定值，分别求取两级射流泵的流量比、压力比、双级射流泵效率关系图：

进水并联且排水串联的双级射流泵的总效率为首级射流泵吸入流量/工作水总流量×(末级出水压头－首级吸入压头)/(总进水压头－末级出水压头)，获得总效率与总流量比的关系曲线，确定双级射流泵的流量比高效区的端点值；

S5：双级射流泵的两路进水管路中的至少一路增加流量调节装置，以S4确定的流量比高效区端点值作为第一级射流泵进水管路上流量调节的调节条件，在工艺吸入流量变化、出水压力需求变化后，通过控制中心达成流量比与总效率的联锁控制，保持双级射流泵运行在高效区。

2.根据权利要求1所述的一种双级射流泵设计方法，其特征在于：步骤S4求取两级射流泵的流量比、压力比、双级射流泵效率关系图使用如下公式：

q₀＝(5m-0.9445)²-1.75、

h₀＝2.667-0.00253(m+26.07)²、

中，

式中：q₀为单级的理想流量比比值、h₀为单级的理想压力比比值、m为单级的面积比、q为单级的流量比、h为单级的压力比、φ为流量系数、η为单级效率。

3.根据权利要求1所述的一种双级射流泵设计方法，其特征在于：所述步骤S1确定的工作水流量为额定吸入流量的8倍；所述步骤S2中，第一级射流泵的面积比M1选取为2.9～3.1，第二级射流泵的面积比M2选取为2.2～2.3；所述步骤S3中，工作水入口压力为最小额定出水压力的1.5～1.7倍。

4.根据权利要求1所述的一种双级射流泵设计方法，其特征在于：所述步骤S5中，双级射流泵的两路进水管路共用同一压力水源，在第一级射流泵的进口管路上加入流量调节装置。

5.一种根据权利要求1所述双级射流泵设计方法设计的双级射流泵装置，其特征在于：所述双级射流泵装置包括入口增压泵(1)、总管流量计(2)、一级流量调节阀(3)、一级流量计(4)、一级射流泵(5)、二级射流泵(6)、止回阀(8)、出水水压传感器(9)、排出管(10)、进料管(11)和控制中心(12)，

所述入口增压泵(1)的泵出口通过管路分别与一级射流泵(5)、二级射流泵(6)的入口相连，入口增压泵(1)的泵出口管路上设置总管流量计(2)，所述一级射流泵(5)的出口与二级射流泵(6)的喉口相连，一级射流泵(5)的喉口连接进料管(11)，所述二级射流泵(6)的出口连接排出管(10)，所述排出管(10)上设置止回阀(8)和出水水压传感器(9)，所述一级射流泵(5)的进口管路上设置一级流量调节阀(3)、一级流量计(4)；

所述总管流量计(2)、一级流量调节阀(3)、一级流量计(4)、出水水压传感器(9)分别与控制中心(12)电连接。

6.根据权利要求5所述的一种双级射流泵装置，其特征在于：所述出水水压传感器(9)位于止回阀(8)与二级射流泵(6)出口之间；所述双级射流泵装置还包括安全阀(7)，所述安全阀(7)设置在排出管(10)上，安全阀(7)位于止回阀(8)与二级射流泵(6)出口之间。

7.根据权利要求5所述的一种双级射流泵装置，其特征在于：所述双级射流泵装置还包括工作水压传感器(13)，所述工作水压传感器(13)设置在入口增压泵(1)的泵出口管路上，工作水压传感器(13)也与控制中心(12)电连接。

8.根据权利要求5所述的一种双级射流泵装置，其特征在于：所述进料管(11)上设置现场流量计。

9.根据权利要求5所述的一种双级射流泵装置，其特征在于：所述一级射流泵(5)、二级射流泵(6)均为泵芯和泵壳分体形式。

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