基于双泵并联的膏体输送特性研究.pdf

分类号TD853 密 级 公 开 UDC 单位代码 10076 工学硕士学位论文 基于双泵并联的膏体输送特性研究 作者姓名 要清波 指导教师 刘杰辉副教授 申 请 学 位 级 别 工学硕士 学科专业 机械工程 所在单位 机电工程学院 授 予 学 位 单 位 河北工程大学 万方数据 A Dissertation ted to Hebei University of Engineering For the Academic Degree of Master of Engineering Based on the double pump parallel paste Based on the double pump parallel paste transfer characteristics of the researchtransfer characteristics of the research Candidate Yao Qingbo Supervisor Prof. Liu Jiehui Academic Degree Applied for Master of Engineering Specialty Mechanical engineering College/Department College of Electrical and Mechanical Engineering Hebei University of Engineering May，2016 万方数据 独创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得河北工程大学河北工程大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名 签字日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 河北工程大学河北工程大学 有关保留、使用学位论文的 规定。 特授权 河北工程大学河北工程大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名 签字日期 年 月 日 导师签名 签字日期 年 月 日 万方数据 摘要 I 摘 要 膏体充填可以使煤矿解决现存的“三下”压煤，并且增强了煤矿的开采率， 防止地表塌陷，达到煤矿的绿色生产，改变了以前无法开采和污染环境的现状， 使煤矿形成一个从开采到环境治理新理念的技术发展[1] 。虽然膏体管道输送技 术解决了工业固体废弃物资源化利用的输送瓶颈， 但是膏体属于固液存在的两相 流，对于充填站制备的料浆在管道输送过程中压力损失是难以解决的问题，相关 经验公式也不能直接应用到工程中。 本论文提出了一种检测料浆在管路输送中压力损失的方法， 通过应变片的形 变转换为电阻的变化，将其运用到膏体充填的实际工程中，同时建立基于双泵并 联的膏体管道输送阻力计算模型， 并能够在设计煤矿膏体充填系统时能应用到工 程中，其主要内容如下 1通过对工业泵的结构、性能特点、工作原理的介绍，并对膏体充填料浆 进行了可泵性研究， 而且对充填材料的坍落度和泌水率实验分别从实验目的和实 验步骤进行了理论研究，分析了影响水力坡度的主要因素。 2建立双泵并联的优化模型，采用数值分析方法进行曲线拟合，应用 MATLAB 等仿真工具求解出约束条件的最优解。基于双泵并联的膏体充填对输 送管路的直径、参数以及布置进行设计和选择，并且分析料浆在管路输送的可靠 性。 3建立膏体充填系统的料浆在管道输送过程中的压力损失计算模型以及方 法，对压力损失公式进行误差分析。 4在满足煤矿开采充填量要求的情况下，预计算出膏体充填系统的料浆在 管道运送过程中的压力损失，探究影响其压力损失的关键因素，为实际工程中有 效降低料浆在管路泵送时的压力损失提供理论基础， 为今后设计实际充填系统提 供重要参考价值。 关键字双泵并联；膏体充填；工业泵；管路输送；压力损失 万方数据 Abstract II Abstract Paste filling mining can liberate “three under“ pressure coal, increase the rate of coal mining, the green production of coal change the status quo of the treatment after pollution, promote the coal mine from extraction to the development of environmental governance process control technology. Although paste pipeline technology has solved the utilization of industrial solid wastes transportation bottlenecks, but paste belongs to the solid liquid two phase flow, the paste filling system of slurry pipeline pressure loss is hard to solve the problem, have no direct application of relevant experience ula.. This paper puts forward a measurement of pulp in the pipeline pressure loss, through the analysis of experimental data in actual engineering, and based on the double pump in parallel of paste pipeline resistance calculation model, and can be applied to the coal mine actual paste filling system, its main content is as follows 1Through to the filling pump structure, perance features, working principle is introduced. To paste the pumpability of the filling pulp, the slump of filling material and exudation rate experiments respectively from the purpose of experiment and the experimental steps of theoretical research, analyses the main factors influencing the hydraulic gradient. 2Double pump parallel optimization model is established, using the numerical analysis , the optimal for curve fitting, using MATLAB simulation tools such as solving the optimal solution of the constraints. Based on double pump in parallel of the diameter of the pipeline, the parameters of the paste and the layout design and choice, and to analyze the reliability of pipeline. 3Establish paste pipeline resistance calculation model and of resistance calculation ula of a kind of error analysis is put forward.. 4In situations that could satisfy the requirement of filling amount, is expected to calculate the pipeline resistance paste filling, it is concluded that the influence degree of the key factors on the pressure loss, to reduce slurry in practical engineering conveniently, pressure in the pipeline for the paste filling system design provides the main adjustment reduces the pipeline pressure loss. Key words double pump in parallel; paste filling; filling pump; pipeline; the 万方数据 Abstract III pressure loss. 万方数据 目录 I 目 录 摘 要............................................................................................................................ I Abstract ......................................................................................................................... II 第 1 章 绪论.................................................................................................................. 1 1.1 研究的背景及意义......................................................................................... 1 1.1.1 研究的背景......................................................................................... 1 1.1.2 国内外研究概况................................................................................ 1 1.1.3 膏体管路泵送的特点......................................................................... 2 1.2 双泵并联的概述............................................................................................ 3 1.3 膏体充填管道输送特性研究存在的现状.................................................... 4 1.4 本课题主要研究的内容................................................................................ 5 1.5 本章小结........................................................................................................ 5 第 2 章 膏体工业泵泵送设备及料浆的可泵性.......................................................... 6 2.1 工业泵选择原则............................................................................................ 6 2.2 液压柱塞式工业泵........................................................................................ 7 2.2.1 下料仓................................................................................................ 8 2.2.2 推送机构............................................................................................ 8 2.2.3 液压驱动装置.................................................................................... 9 2.3 泵压管道输送原则...................................................................................... 10 2.4 浆体原材料的选择....................................................................................... 11 2.5 充填膏体的可泵性...................................................................................... 12 2.6 料浆可泵送性研究及影响因素................................................................... 13 2.7 本章小结...................................................................................................... 16 第 3 章 基于双泵并联的膏体管道输送.................................................................... 17 3.1 充填工作能力的确定.................................................................................. 17 3.2 建立双泵并联的模型.................................................................................. 17 3.2.1 双泵并联的约束条件...................................................................... 17 3.2.2 工业泵的最优解............................................................................... 19 3.2.3 双泵并联的优点............................................................................... 23 3.3 管道输送参数计算....................................................................................... 23 3.3.1 基本参数........................................................................................... 23 万方数据 目录 II 3.3.2 充填管直径的选择........................................................................... 24 3.3.3 管路参数选择................................................................................... 24 3.4 料浆输送管路布置的实例........................................................................... 25 3.4.1 料浆输送管路的选择....................................................................... 25 3.4.2 充填管路设置................................................................................... 26 3.5 管路设置....................................................................................................... 27 3.6 管路输送可靠性分析................................................................................... 28 3.7 本章小结....................................................................................................... 29 第 4 章 料浆管路输送阻力计算模型的研究............................................................ 30 4.1 影响料浆阻力特性的颗粒性质................................................................... 30 4.2 物料粒级密度............................................................................................... 30 4.3 膏体浓度....................................................................................................... 30 4.3.1 质量浓度........................................................................................... 31 4.3.2 体积浓度........................................................................................... 31 4.4 粘度............................................................................................................... 31 4.5 水力坡度....................................................................................................... 32 4.6 屈服应力....................................................................................................... 34 4.6.1 料浆的屈服应力............................................................................... 35 4.6.2 屈服应力的测量方法....................................................................... 35 4.7 料浆的管路输送阻力计算模型................................................................... 36 4.7.1 直管沿程阻力计算思路................................................................... 36 4.7.2 阻力计算模型的建立....................................................................... 38 4.8 料浆阻力计算模型建立方法....................................................................... 41 4.9 阻力计算公式的误差分析........................................................................... 42 4.10 本章小结..................................................................................................... 42 第 5 章管路输送压力试验分析.................................................................................. 44 5.1 概述............................................................................................................... 44 5.2 试验系统....................................................................................................... 44 5.2.1 膏体充填系统测试参数................................................................... 44 5.2.2 实验材料........................................................................................... 45 5.3 测试管道的方法........................................................................................... 45 5.3.1 应变片的原理................................................................................... 45 5.3.2 应变片型号的选择........................................................................... 46 5.3.3 被测位置表面的清洁处理............................................................... 47 万方数据 目录 III 5.3.4 选择应变片数量............................................................................... 47 5.3.5 应变片的粘贴................................................................................... 48 5.3.6 应变片的接线................................................................................... 49 5.3.7 应变片的防潮处理........................................................................... 49 5.3.8 应变片的温度补偿........................................................................... 49 5.4 泵送试验过程............................................................................................... 51 5.5 料浆的流量计算........................................................................................... 52 5.6 料浆物料的基本特性................................................................................... 52 5.7 整理数据....................................................................................................... 52 5.7.1 在管道输送中料浆压力损失在不同频率随时间的变化情况....... 53 5.7.2 浆体浓度为 81的流速对压力损失的影响.................................... 54 5.7.3 工业泵输送频率对压力损失的影响............................................... 54 5.7.4 浆体流速对压力损失的影响........................................................... 55 5.8 本章小结....................................................................................................... 56 结论与展望.................................................................................................................. 57 致谢.............................................................................................................................. 58 参考文献...................................................................................................................... 59 作者简介...................................................................................................................... 62 攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果.............................................................. 63 万方数据 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 1.1 研究的背景及意义 1.1.1 研究的背景 我国现煤炭开采存在着“三下”压煤以及难开采问题。因煤炭开采堆积大量 的矸石不仅浪费大量土地，而且导致周围环境的污染，因此实施膏体充填是未来 必然的大趋势，可以将废弃的煤矸石和粉煤灰加以利用，也能保护土地使用和环 境保护。煤矿选用充填采煤工艺时，许多企业都选择了膏体充填。膏体充填将会 对未来的煤炭行业带来革新和发展 [2]。 膏体充填系统的工业泵是确保浆体的输送速度与物料的搅拌速度配合得当， 保持工业泵连续的工作，保证煤矿开采的充填量要求。由于单泵系统一般存在着 许多问题，比如效率低，能耗大，成本高等不足[3]。为了提高煤矿开采的能力， 采用将单泵并联在一起的方式进行充填，即双泵并联。对泵送系统进行最优化联 合，使工业泵的工作状态一直在一个最大效率里，然后对浆体在管道输送过程中 的压力损失测量和研究，使压力损失降低到最少，并且结合现场场地大小，根据 泵送的能力等现场作业要求的限制，合理选择出双泵并联的最优组合，可以很大 程度上提高煤矿的充填效率，为煤矿的生产提供保障[5]。 完善膏体这种难测流体特性的测试和研究，可以对膏体充填的料浆颗粒特 性、水力坡度以及压力损失的影响因素等方面进行实验和分析，说明这种固液两 相流压力损失的原理和在管路的流动状态， 加强了固液两相流在管道输送中的研 究[6]。探究得出的关键因素对压力损失的影响程度，为今后有效减小管道输送阻 力提供了依据， 为未来工程设计中有效减少料浆在管路的压力损失提供了理论基 础。其中，流动阻力是料浆在管路输送中的关键性参数，其测定值会大大地影响 到煤矿膏体充填系统的成本。完善膏体管路输送阻力计算，可以运用到实际项目 中，能够给实际工程中选用合适的设备及工况，减少投资运行成本，达到节能减 排的目的[7]。 1.1.2 国内外研究概况 在 20 世纪 80 年代初，我国对浆体在管道长距离输送才开始研究，并且对煤 矿膏体的管路运送做了大规模的探究， 在长沙矿冶研究院对于煤矿的充填开采作 了铁精矿矿浆管路输送实践，为 90 年代中期的远距离管路输送的建造和运用奠 万方数据 河北工程大学硕士学位论文 2 定了夯实的基础[8]。在当时阶段，膏体管路输送技术从过去的工艺研究时期进入 到应用现实工程时期，取得可应用性的进步。上世纪 80 年代末到 90 年代，我国 才准备计划远距离膏体运送的研发和实验，那时计划的干线包括太钢尖山铁矿 100 千米的矿石管路、昆钢大红山铁矿 170 千米矿石管路、宜昌 110 千米的矿石 管路；长城输送煤炭的线路约 995 千米，每年的输送量 3 千万吨；长江输送煤炭 的线路约 838 千米， 每年的输送量达到 1.5 千万吨； 山西到山东的输煤管线等[9]。 现今被广泛应用的膏体充填都是由固体或者液体的管路输送基础发展起来 的，膏体充填的料浆是固液相存的两相流，与一般两相流相比，其浓度和粘性都 比较大，料浆层之间存在着屈服应力，其管路输送特性与单相流也不同，其管路 输送的各个方面都有很大的不同。 但是单相流技术发展对膏体充填料浆在管路泵 送特性方面提供了一定的理论基础[10]。 随着近几十年以来对膏体管路泵送工艺在许多方面的进展， 膏体充填已经在 煤炭开采上被广泛的应用，但是在现实工程中却碰到了许多难题，例如膏体在管 路泵送流动时，会夹杂着空气进入管路内，产生变化的、错综的两相流，浆体对 管路内壁的损耗，堵塞管路，破损管路等现象[11]。此外，如果管路出现破损，所 有的管路需要马上停止运作，因而会降低运送成效。管路输送的物料比较简单， 而且不可以任意变动运送线路 [12]。因此，还需要进行更深入的研究。 现在，德国、美国、日本、意大利等国家在膏体充填各个方面的工艺水平都 处于领先地位。国内外对充填技术越来越被广泛的关注和研究[13]。管路运送的 思想启发于美国人把煤块破碎成小颗粒依靠管路加水运走， 从此专家对于管路运 送技术的许多方面做了研究和试验，而且获得了非常大的成果[14]。为未来管路 输送工艺运用到现实作业中提供了坚实的基础。 真正用在工程作业是英国的某个 电厂公司，通过管路的水力输送煤炭，但这个管路的长度只有 604 米，长度比较 短[15]。管路长距离输送理念是在 1957 年的美国固本煤炭公司在俄亥俄州投建的 长约 174 千米、直径 254mm 的管道以后才真正提出。后来美国的亚利桑那州和澳 大利亚各自投建了黑莓萨管路与萨凡奇河矿石输送管路，总长约为 440 千米和 85 千米，管道的直径都实现了 457mm 和 244mm，而每年突破 230 万吨运送量[16]。 这个具有代表的管路输送在现实工程中的发展提供了坚