浆体长距离管道输送全过程压力变化分析.pdf

第3 6 卷第1 期 2 0 1 6 年0 2 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM 匝T A L L U R G I C A LE N G D 疆藏R I N G V o I ．3 6 №I F e b r u a r y2 0 1 6 浆体长距离管道输送全过程压力变化分析① 吴优，秦德庆，夏建新 中央民族大学生命与环境科学学院，北京1 0 0 0 8 1 摘要为了确保管线安全运行，对长距离浆体管道输送过程中管道沿程压力变化进行了分析。将全过程划分为全水、浆推水、全 浆和水推浆4 种工况，结合具体工程案例，计算了4 种工况下管道内部压力的变化情况，并对可能产生的危害提出了防护措施。 关键词浆体；管道输送；压力变化；摩阻损失 中图分类号T P 0 2 8 ．8文献标识码A d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 - 6 0 9 9 ．2 0 1 6 ．0 1 ．0 0 4 文章编号0 2 5 3 - 6 0 9 9 2 0 1 6 0 1 - 0 0 1 5 - 0 5 A n a l y s i so fP r e s s u r eV a r i a t i o ni nL o n gD i s t a n c eS l u r r y P i p e l i n eT r a n s p o r t a t i o n W U Y o u ，Q I ND e q i n g ，X I AJ i a n - x i n C o l l e g eo fL i f ea n dE n v i r o n m e n t a lo fS c i e n c e s ，I 班n z uU n i v e r s i t yo fC h i n a ，B e i j i n g1 0 0 0 81 ，C h i n a A b s t r a c t T h ep r e s s u r ev a r i a t i o na l o n gt h ew h o l ep i p e l i n ed u r i n gt h el o n gd i s t a n c es l u r r yt r a n s p o r t a t i o nw a sa n a l y z e dt o e n s u r et h es a f e t yo p e r a t i o n ．T h ew h o l ep r o c e s so fs l u r r yt r a n s p o r t a t i o nw a sd i v i d e di n t o4s i t u a t i o n sw i t hf u l lw a t e r ，w a t e r p u s h e db ys l u r r y ，f u l ls l u r r ya n ds l u r r yp u s h e db yw a t e r ．W i t hap r a c t i c a lp m j e c ta sa ne x a m p l e ，t h ep r e s s u r ev a r i a t i o n s i n s i d et h ep i p eu n d e rs u c h4s i t u a t i o n sw e r ec a l c u l a t e d ，a n ds o m ec o r r e s p o n d i n gp r e v e n t i v em e a s u r e sw e r ep r o p o s e df o r t h ep o t e n t i a lh a z a r d s ． K e yw o r d s s l u r r y ；p i p e l i n et r a n s p o r t a t i o n ；p r e s s u r ev a r i a t i o n ；f r i c t i o nl o s s 管道输送具有投资少、建设周期短、占地少、对环 境破坏性小等诸多优点，已经成为继公路、铁路、航空、 水运之后的第五大运输方式⋯。其中，浆体管道输送 更是矿产资源长距离输送的主要方式，尤其是西部交 通欠发达的山区。当前，西部大开发过程中，大量的矿 产资源需要输送，但地形复杂，山高谷深、高差较大，给 管道输送系统设计带来困难。在利用管道进行矿石浆 体输送时，地形变化和输送介质变化等都可能导致管 道内部压力变化较大，甚至可能出现加速流、空蚀等现 象[ 2 q ] 。这些现象对系统安全危害极大，可能使管道 发生剧烈振动，管线纵、横向移动，管线附属设施和基 础松动或位移。破坏性进一步扩大时，易产生管道扭 曲、断裂或破裂等哺J 。 为了确保管线安全运行，防止加速流、空蚀等现象 的产生，在进行管道输送参数设计时，必须深入分析管 道输送全过程的沿程压力变化，并对可能产生的危害 采取防护措施。 1 浆体管道沿程压力计算方法 在长距离管道输送中，浆体主要受到重力、泵送压 力以及摩擦阻力的作用，其中泵送压力是根据沿程阻 力以及管道安全性来确定的。因此，摩擦阻力的计算 尤为重要。摩擦阻力的影响因素众多，包括地形，管线 长度、管径、管道粗糙度，流体的密度、浓度、粘度，输送 流速，输送浆体中颗粒的粒径等。计算摩阻损失的经 验公式很多，需要根据工程实际选择合适的计算公式。 对于浆体输送管道，根据能量守恒定律，取管道的 任意两点a 、b 分别为起点和终点，两点压力变化的计 算公式为 丝 『c ，f 生一1 1 1 1z 。一P b i L 曲c 。s 0 y o L 、P o ／J 7 0 M 生一1 1 1 1Z 。 1 L 、P o ，J 式中P 小P 6 分别为a 、b 点的压能；％为水的容重， ①收稿日期2 0 1 5 - 0 9 2 5 基金项目国家自然科学基金项目 5 1 1 7 9 2 1 3 ，5 1 3 3 9 0 0 8 ，5 1 4 3 4 0 0 2 作者简介吴优 1 9 9 3 - ，女，湖北黄冈人，硕士研究生，主要从事环境工程研究。 通讯作者夏建新 1 9 6 9 - ，男，湖北黄冈人，教授，博士，主要从事浆体管道输送技术研究工作。 万方数据 矿冶工程 第3 6 卷 7 0 p o g ，P o 为清水的密度，g 为重力加速度；Z 。、Z 。分 别为口、b 点的管道高程；L 曲为口、b 两点间管道的距 离；口为管道倾斜度；c ，为流体的体积浓度；风为固体 密度；i 为摩阻损失。 若令丝H a ，丛H b ，C ， 生一1 y 。，则式 1 可化 T oT oP o 简为 H o H b i L 曲c o s 0 7 。 z 6 一z 。 2 这里以和巩的单位为m H 0 。 2 管道浆体输送全过程管内压力变化 管道浆体输送从启动、输送到停止全过程中须经 历4 种工况 或阶段 全水工况 清洗管道或试运行 阶段 、浆推水工况 由送水向送浆过渡，开始运行阶 段 、全浆工况 运行阶段 、水推浆工况 再次清洗管 道，由送浆向送水过渡，停止运行阶段 ，见图l 。由于 管道里的输送介质不同，每种工况下所出现的问题也 有所差别。 全水工况 - - - ；C ．￡三 ；C 。；o ． ；三主‘I - 0 一- B ．- - m 。f f ，．、一- - 全浆工况 ．- - ． 一一一 。々 - ．一一一 浆推水工况 二 。二_ 研 一二赴- - ，’ - ．_ 一一． 一一一 - - 。 水推浆工况 图1 管道浆体输送工况 全水工况下，由于水的密度、粘度等比浆体的要 小，因而其摩阻损失也较小。但是，由于是长距离输 送，摩阻损失与距离乘积的变化巨大，导致其沿程压力 变化较大。在管道高程差较大的情况下，极易形成负 压，产生空蚀、空化等危害。空蚀会对阀门和管道产生 冲击力，破坏阀门和管道，直接威胁安全生产∽。1 1 I 。 全浆工况下，浆体输送沿程阻力损失远大于全水 工况，所需的泵压也较大，在运行过程中需要及时调节 泵压若泵压过小，输送速度可能会达不到临界流速， 致使浆体中的固体颗粒沉降堆积2 。15 1 ；若泵压过大， 管道局部则会形成高压，致使管道发生剧烈振动，甚至 出现爆裂现象。 浆推水和水推浆的工况较为复杂，管道中同时存 在两种输送介质一部分是水，另一部分是浆体。水和 浆的密度、浓度、粘度等参数的差别使得输送介质为水 的管段所需的压力较小，而输送介质为浆的管道所需 的压力较大。如果处理不当，则会同时出现负压和高 压的状况，极易形成空蚀和加速流等现象。另外，压力 的不同导致流体流速变化较大，容易产生水击现 象‘1 6 - 1 s ] ，对管道系统造成巨大伤害。因此，在整个浆 体输送过程中，沿程压力是处于不断变化中的，需要对 其进行动态分析。 3 工程应用 3 ．1 工程概况及输送参数 某输煤管线总长约1 3 0k m ，全线地形起伏较大， 最低标高与最高标高相差约10 0 0m ，管线地形变化见 图2 。 图2某输煤管道经过路线地形示意 该管线设计流量为17 7 5m 3 ／h ，管径5 9 0 ．0m m ，输 送速度1 ．8 0m ／s ，固体密度13 2 0k g ／m 3 ，设计输送浆 体的质量浓度分别为4 5 ％，5 0 ％和5 5 ％。管道输送系 统使用的清水密度P o 10 0 0k g ／m 3 ；粘度叼o 0 ．0 0 1 P a s ；在速度I - - - - 1 ．8 0m ／s 时，雷诺数R e 1 ．0 6 2 x 1 0 6 ， 阻力系数A 0 ．0 1 3 1 。浆体输送参数见表1 。 表1浆体管道输送工艺参数 3 ．2 摩阻损失计算公式的选择 由上述分析可知，应用式 2 需要确定摩阻损失。 案例中的摩阻损失分清水摩阻损失和浆体摩阻损失 两种。 3 ．2 ．1 清水摩阻损失计算公式清水摩阻损失可采 用下式计算 ，，2 i o A 意 3 , ￡g l J 式中i 。为清水阻力损失；A 为沿程阻力系数；“ 为输送 速度；g 为重力加速度；D 为管道直径。 在紊流中，阻力系数A 与雷诺数m 、管壁相对粗 糙度△等因素相关。可采用阿里特苏里公式计算 万方数据 第1 期 吴优等浆体长距离管道输送全过程压力变化分析 A 。． 会 笔 0 ’2 5 c 4 ， 3 ．2 ．2 浆体摩阻损失计算公式浆体摩阻损失的 主要影响因素有管径、输送速度、浆体浓度、颗粒粒 径等。 国内外诸多学者进行了大量的试验研究，并基于 各自的实验数据和理论分析提出了不同的计算公式， 其中比较著名的公式如表2 所示㈦1 9 彩3 。 表2 摩阻损失经验公式 从表2 可以看出，这些公式适用范围可能有所差 异。表中公式 2 一 4 均适用粗颗粒的浆体输送，而 该案例中的粒径较小 平均粒径为O ．3 5m m ，这些公 式均不适用。虽然表中公式 5 的使用条件没有粒径 的要求，但其所适用的浓度较低，而案例中输送的浆体 浓度为4 5 ％一5 5 ％，与该公式适用的浆体浓度相差较 大。表中公式 6 中的颗粒干涉力以及浆体的极限浓 度很难确定；公式 7 适用于沉降性浆体。因此，本工 程案例可以选择表2 中公式 1 或公式 8 。 公式 1 中有未知参数c D ，需要根据已有的参数 及其计算公式进行计算。C D 具体计算公式为Ⅲ。 C D 赢2 4 1 O ．1 5 R e s 。 6 7 8 1 ≤尺e s ≤7 0 0 0 ．4 9 a w o “ 式中R e s 竺，为颗粒雷诺数；I t 为沉速；d 为颗粒 田。 直径。 结合工程案例数据，利用表2 中公式 1 和公式 8 进行计算，结果见表3 。 表3 计算结果比较 o ．弭 R 。。n ∞ i 西击 】2i 以二出，在速度秽。．8H ∥。时，公式。。， 7 0 0 ≤R e s ≤1 ．5 1 0 5 所计算的所有浆体摩阻损失都非常接近清水的摩阻损 R e s ≥1 ．5 1 0 5 失0 ．0 0 3 7m H 2 0 ／m ；l 笙v 2 ．3 4m ／s 时，所有的浆体摩 5 阻损失也非常接近清水的摩阻损失0 ．0 0 7 1m H O ／m 。 万方数据 矿冶工程第3 6 卷 这两个值都远比公式 8 的计算值小。摩阻损失越 小，需要泵压就越小。若计算出的摩阻损失比实际工 程中小很多时，需要的泵压就相应地小很多，可能由于 压力太小而无法输送。而泵压较大，只要在管道许可 的压力内，在末端进行消能即可。因此，为了安全起 见，选择公式 8 来计算浆体的摩阻损失，即 p 鲋翕等 ㈤ 式中孝 1 ．0 8 ；A O ．1 1 净篙 晒肛等。 3 ．3 计算结果与分析 由于管线太长，地势变化较大，将全管线概化为 4 0 段。管道末端压力设定为某定值，以确保管内不会 出现负压，不会产生气蚀。浆推水和水推浆工况中浆 和水分界位置不同，会导致沿程压力差异较大。因此， 需要根据浆和水分界位置动态变化分别进行分析。根 据以上参数对全水、浆推水、全浆和水推浆4 种工况进 行计算分析，结果见图3 5 。浆推水和水推浆工况仅 给出5 0 ％浆体浓度条件下的沿程压力变化图。 图3 全水和全浆管道输送沿程压力变化图 图4 浆推水沿程压力变化图 从图3 可以看出，全浆的沿程压力随浓度增高而 增大，即浓度对流体的沿程压力变化具有显著影响。 在全水和全浆工况下，所有的沿程压力线均需往上平 移，即加大泵的扬程，使其翻越第一座山峰和第二座山 峰，确保管道内不会形成负压。其中全水工况需要消 能7 7 4 ．4 3m H 0 ，4 5 ％全浆需要消能6 5 0 ．2 6m H 2 0 ， 5 0 ％全浆需要消能6 3 3 ．4 6m H 2 0 ，5 5 ％全浆需要消能 5 4 9 ．7 6m H 0 。翻越两座山峰后，增加的扬程和重力作 用之和明显超过流体的摩阻损失，可能会形成加速流。 由于阻力较小，末端剩余压头较大，需要进行消能。 图5 水推浆沿程压力变化图 与全水和全浆工况类似，浆推水和水推浆所有的 沿程压力线均需向上平移，使得介质翻越两座山峰，且 管道内没有形成负压。浆体推水工况下，在桩号4 9 ．7 1 k m 处，需要提供最大压力7 7 8 ．4 3m H 0 才能使压力线 提高至管道高程处，消除管内负压。水推浆工况下，在 桩号4 9 ．7 1k m 处，需要提供最大压力7 0 2 ．6 6m H O 才 能使压力线提高至管道高程处，消除管内负压。 4 预防加速流的措施 由上述案例分析可知，浆体管道在实际运行中由于 地形、介质密度等差异会导致部分管段的势能与动力之 和大于阻力，产生加速流现象，进而形成负压，对管道造 成较大的伤害，甚至引发事故。因此，需要正确评估浆 体管道输送过程中管道的沿程压力，在预测到发生加速 流现象的管段采取防护措施，将其影响减到最小。产生 加速流的根源是管道中有多余的能量，所以预防加速流 实质就是把这多余的能量消除掉，解决措施如下 1 缩小管径。增加摩阻是消除多余能量的有效 途径之一。由摩阻计算公式可知，摩阻与管径成反比。 因此，缩小管径可直接增加摩阻。另外，在流量不变的 情况下，管径与流速成反比，即管径减小，流速反而会 增加。摩阻与流速的平方成正比，所以，减小管径也会 间接增加摩阻。因为管线的常态输送介质为浆体，管 径的减小需要依据全浆输送工况进行确定。考虑敷设 管线的地形地势，可在桩号5 0 ．0 5k m 处即翻越第二座 山峰后，缩小管径达到加大阻力，消除多余能量。综合 考虑设定的输送浆体的浓度，可将管径由5 9 0m l n 减 小到5 1 8m m 。这样能确保在原来的流量下，所有浓度 万方数据 第1 期 吴优等浆体长距离管道输送全过程压力变化分析 的浆体都能翻越第一座山峰，并且有一定的能量余量。 此处仅分析缩径后全水和全浆工况下沿程压力的变 化，如图6 所示。 缩径后清水的输送速度秽 2 ．3 4m ／s ，R e 1 ．2 x1 0 6 ． A 0 ．0 1 3 3 ，芘 O ．0 0 7 1m H 2 0 ／m 。浆体的输送参数见 表4 。 图6 缩径后全水和全浆沿程压力变化 表4 缩径前后浆体管道输送工艺参数 “D0 pP m可m 一、 l m ／ m s 一’ ／r a m ／％／ k s ．m - 3 ／ P 。s R e ／ n l H 2 0 * m - 1 4 5l l 笼0 ．0 1 67 44 7 2 ．7 5 O ．0 1 9 8O ．0 0 6 7 1 ．∞，9 05 0l1 3 80 ．∞O6 0 4 2 7 ．∞o ．伽o ．0 0 7 1 5 51 1 5 40 ．∞63 4 0 4 3 J D 0o ．0 2 3 6O ．0 0 8 3 4 5l l 丝0 ．0 1 68 49 9 9 ．9 2 O ．0 1 9 3o ．0 1 2 6 2 ．3 45 1 85 01 1 3 80 ．0 ∞ 6 89 6 9 ．6 3o ．0 加2 O ．0 1 3 4 5 51 1 5 4o ．0 3 63 88 5 5 ．1 80 ．0 2 3 00 ．仇5 4 从图6 可以看出，缩径后虽然使得全浆输送基本 都能翻越第一座山峰，但在全水工况下，仍然需要增大 泵压 约为4 8 3m H ，0 才能翻越第二座山峰。水推浆 和浆推水类似，也需要增大泵压。如果要满足所有工 况，需要继续缩小管径。然而，在相同的流量下，管径 越小，流速越大，对管道的冲击力和磨损就越大，紊动 也越强烈，在坡度较陡的地方容易发生事故。因此，只 是减少管径，并不能适应工况的变化。 2 安装孔板，采取末端孔板消能的方式。若只采 取此措施，需要调节的能量至少为7 7 8m H 0 。目前孔 板消能的最大值约为1 0 3m H 0 ，即需要8 块这样的孔 板。然而，孔板消能需要较高的自动化1 ，而且孔板 消能率越高，孔板紊动越强烈，越容易发生空化气 蚀协] 。因此，采用孔板虽然能消能，但在设计和控制 上很复杂，同时带来空化和气蚀的危险。 3 两种措施联合使用。根据以上分析，首先可以 将管径缩小。在桩号5 0 ．0 5k m 处将管径缩小至5 1 8 m m 。这样可将整个运行过程中能量缩小到约4 8 5 m H ，0 。其次，剩余的能量用孔板进行末端消能。采取 上述联合措施后，既可节约成本，减小能量浪费，同时 又能保证管道运行的安全性，防止加速现象的出现。 采取综合措施后全水和全浆输送管线的沿程压力变化 见图7 。 图7采取综合措施后全水和全浆工况下管线的沿程压力变化 5 结论 浆体管道输送是进行固体物料长距离输送的有效 方式，但是浆体管道输送的工况比较复杂，尤其是在地 形起伏较大的情况下。因此，管道设计时必须对沿程 压力进行深入的计算分析，并采取防护措施。结合具 体工程案例，在对管道浆体输送全过程输送介质进行 分析后，针对不同过程中管内压力进行了计算分析，并 根据分析结果探讨了预防加速流的具体对策。 参考文献 [ 1J 费祥俊．浆体与粒状物料输送水力学[ M ] ．北京清华大学出版 社。1 9 9 4 ． [ 2 ]陈光国，夏建新．我国矿浆管道输送技术水平与挑战[ J ] ．矿冶工 程，2 0 1 5 2 2 9 3 2 ． [ 3 ]秦德庆，曹斌，夏建新．不同颗粒物料管道水力输送不淤临界流 速的确定[ J ] ．矿冶工程，2 0 1 4 1 9 1 1 ． [ 4 ]肖红，唐达生．砂矿颗粒沉降运动规律试验研究[ J ] ．矿冶工 程，2 0 1 5 3 1 - 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