水力采煤与管道运输第1期(1).pdf

2 0 0 4年 3月 水 力 采 煤 与 管 道 运 输 第 1期 客 客 蛊 客 客 盎瘩 奢 ＆ 专题 述评3 g 亭 水 力 输 砂 试 验 研 究 刘 晓东 煤 炭 科 学 研 究 总 院 唐 山分 院 ； 可北 唐 山 0 6 3 0 1 2 [ 摘要] 在粗粒砂的水力输送中， 还没有普遍适用的水力参数计算公式， 需要由管道 输 送试验 提 供 设计依 据 。 本 文通 过 对砂 样 浆体 系列模 型 管道输 送 试验 结果 的 分析 ， 提 出 了砂 浆管道 临 界 流速 和摩 阻损 失 的计 算公 式 ， 对 类似 砂 样水 力管 道 工程 设计 有重 要 的 实 用 价 值 。 [ 关键词] 管道输送 砂 临界流速 摩阻损失 [ 中图分类号] U1 7 1 [ 文献标识码] A[ 文章编号] 0 0 6 0 8 9 8 2 0 0 4 0 1 0 0 0 3 0 5 1 前 言 固体 物 料 的水 力 输 送 具 有 投资 少 、 见效 快 、 系统简 单灵 活 、 适 应 性强 、 输送 量大 、 对 环 境 污 染 小等 显著 优 点 ， 已在 煤矿 的 采掘 与 矿 井充填 、 冶 金矿 山的尾 矿输送 、 港 口与 河道 的 疏浚 、 电厂除 灰等 方面 得到 广泛 应 用 。 随着 输 送距 离 的 不 断增 加 ， 对 于 输 送 设 备和 技 术 也 提 出 了更高 的要 求 。 为 了开 发 海砂 资源 ， 在 重 量浓 度 为 1 5 9 ／ 6 ～ 4 O 9 ／ 5 范 围 内对 三种 不 同管径 的 钢管进 行 海 砂 水 力输 送 试 验 ， 测 定 临 界 流速 和 不 同 流 速 下 的 沿程 阻 力 损 失 ， 并 根 据 试验 结 果 总 结 出 这 两个 主要 水 力参数 的经验 公式 。 2砂样 的 物理 特性 2 ． 1砂样 的粒 度组 成 取 自海南 砂样 的 粒度 组成 如表 1 。 表 1综合砂样的粒度组成 2‘ 2 ． 。． 一、． 3管道输 送试 验 装置 砂 样 的 平 均 真 密 度 为 2 ． 6 7 4 一⋯ ⋯⋯一 1 0 。 k g ／ m。 。 本试 验在 煤科 总院 唐 山分院 管 道输送 试 验 中心进 行 。 根据 现场 工程 实际 和试验 要 求 ， 3 维普资讯 水 力 输 砂 试 验 研 究 第 1期 选择 试验 管道 输 送装 置如 图 l1 。 本试验要进行三种不同直径管道参数的 测定 。在渣 浆 泵 1出 口后面 并 排安装 三种 直 径 的测 试 用 钢管 2 ， 其 后 分 别 装 有 直 径 相 近 的玻璃 管 3进行 观 察 。三条 测 试用钢 管 内径 分别 为 7 6 、 1 O O 、 1 3 3 ， 三 条 钢管 在 末端 汇 集于 一条 垂直 钢 管 。在测 试 用钢管 上分 别装 有 阀门 ． 以便 进行 不 同直径 试 验管 段的 切换 ， 实 现 每 一 管 径 管 线 系 统 的 单 独 运 行 ， 如 图 1 所 示 。 管 道 始 端 设 有 混 合 仓 l l以 及 清 水 仓 1 O 、 固体 料仓 9 。 为 了保证 所输送 浆 体 中固体 浓 度和 粒度 的均 匀性 ， 在 固体 料仓 出 口 即混 合 仓进 口 处设 有 电磁振 动给 料机 1 2 。 为 了准 确 地 测 定输 送 浆 体 浓 度 ， 在输 料 管末 端 设有 三通 切 换 装置 分配 器 6及 容积 称重 法 的 流 量 和浓 度 标 定 装置 ． 包括 不锈 钢 标定桶 7 、 磅秤 8 、 液位测针等。 图 1 管道输送试验装置 l 一渣浆泵 ； 2 一 钢管； 3 ～玻璃管 ； 4 ～阀门 ； 5 一流量计 ； 6 一分配器 ； 7 一标定桶 8 ～磅秤 ； 9 一 固体料仓 ； l O 一清水仓 ； U一 混台仓 ； l 2 一 电磁振动给料机 4管道 输 送试验 结 果分 析 本 试验 在三 条 不 同内径 的管道 上 测定 了 浓 度 为 1 5 ～ 4 O 9 ／ 6 的 砂 浆 在 不 同流 速 下 的管 道 阻 力 损 失 ， 并 在 试 验 流 速调 解 过 程 中观 察 管 内砂 浆 的流 动状态 ， 确 定管 道 临界流 速 。 4 ． 1临界 流速 通 过透 明玻 璃管 来观 察管 路 内浆体 的流 动 状 态 ， 逐渐 降低 泵 的转 速来 缓 慢地 降低 管 道 中浆体 流速 。当浆 体 中部分 颗 粒沿管 道底 4 部滑 动 或 滚 动 ． 开 始 形 成移 动 床时 的 流 速 为 临界 流速 。通 过玻 璃 管观察 流 态和对 阻 力曲 线 见 图 2 的最 低点 或拐 点 相结 合 以最 终 确 定临 界流 速 。 表 2 ～4给 出了临界 流速 与浆 体 重量浓 度 的关 系 。 由表 2 ～4可 以看 出 ， 同 一管 径 下 ． 临界 流速 随浆 体浓 度的 增加 而增 大 ； 同一 流速下 ， 临界 流速 随管径 的增加 而增 大 。 根 据 上 述 试验 结 果 ． 考虑 到 影 响 临界 流 速 的 主要 因素 为砂 浆浓 度和 管径 ， 经 回归分 维普资讯 2 0 0 4年 3月 水 力 采烘 与管 道 运 输 第 1期 ￡ 0 尉 2 析 得 出如下公 式 V 一 8 ． 0 2 0 4 CI 。 。 D。 ‘ 式中 一 临 界流速 m／ s ； D一管 道 内径 m ； Cu ， 一 输送 浆 体的重 量 浓度 。 按上式所得临界流速的计算值与实测值 的相 对 误差在 一3 ～6 之 间 ， 详 见表 2 ～4 。 4 ． 2管道阻 力损 失 4 ． 2 ． 1 清 水试 验 在 输送 浆 体 之前 ， 细 致 测 定 了 输送 清 水 的管 道 阻力损 失 ， 试 验结 果 见表 6 ～8 。 清 水 的管 道 阻 力 损 失 按达 西 公 式 计算 ． 其水 力坡度 为 ， 、 0 用尼古 拉兹 粗糙 管公 式 计 算 1 ． 7 4 2 lg 云 、 ， 式 中△ 一 管 道 内壁 的 绝对 粗 糙度 ； ， ．一 管道 半径 。 根 据 清水 阻 力试 验 结果 计 算 ， 得 出试 验 管 段的 绝对粗 糙度 ， 结 果 见表 5 。 表 5 各种直径钢管的绝对粗 糙度 4 ． 2 ． 2 砂 浆试验 砂 浆 输 送 的管 道 阻 力 损 失 是 试 验 的 重 点 。在 三种 不 同的管 径 下 ， 分 别 进 行 了浓 度 1 5 ～4 O ％的 砂 浆输 送 试 验 ， 测 出管 道 的阻 力 损 失与 平均 流速 的关 系 。试验 结 果 见 表 6 ～ 8。 根 据管 道 输送 试 验 结 果 可 知 对 同一 种 5 维普资讯 水 力 输 砂 试 验 研 究 第 1期 管径 ， 当浆体浓度一定时 ， 管道阻力随着工作 速相等时 ． 浆体浓度越高 ， 管道阻力越大 。 流 速 高 于 临 界 流 速 时 的 提高 而 增 大 ； 当流 根 据 上述 砂浆管 道输 送试 验结 果 及长 期 表 6 中7 6钢管管道 输送试验结果 压力坡度 mH2 O／ l O O m 浓度 断面平均流速 v m／ s 表 7 I l O 0钢管管道 输送试验结果 6 维普资讯 2 0 0 4年 3月 水 力 输 砂 试验 研 究 第 1期 从 事管 道 输 送试 验 研 究 和工 程 设 计 的经 验 ． 参考 国外 输 砂试 验 ， 并 进 行 了 详 细的 分 析 计 算之 后 ， 推荐 下 列 公 式 作 为管 道 阻 力损 失 计 算公式 一 0 i z 0 ． 1 】 9 6 [ c ] D一 0 z 3 。 C 0 l ／ K D ’ 式 中 V2 为 清 水 阻 力 ； K A 、 ／ ／ BC △为粗 糙 度 系 数 ， △为 管 壁 的 绝对 粗 糙 度 m 。 其 中 ， A 一 0 ．2 0 5 4 1 4 ， B 一 0 ． 0 0 1 6 3 4 3 7 ， C一 1 9 2 ． 5 1 8 。V 为流 速 m／ s 。 ． 为浆体 重量 浓度 ． D 为管道 内径 m ， V c 为临 界流速 m／ s ， g为重 力加 速 度 g 一9 ． 8 1 m／ S 。 ， ， 为清 水 阻 力 系 数 ， i z为 由于 管 壁 粗 糙 度 引起 的 附加阻 力 ， 当 △ ≤O ． 0 0 0 1 m 时 ， i z 一 0； 当 △一0 ． 0 0 0 1 ～0 ． 0 0 0 2 IT I 时 ， z 一0 ． 0 2 5 3 。 5结论 通过 大量 的砂 浆管 道输 送试 验 和对试 验 数 据 的仔 细分 析 研 究 ， 得 出 了试验 砂 样 在 重 量 浓 度 为 1 5 ～4 0 ％范 围 内 管 道 输 送 的 临 界 流 速 和阻 力损 失 的 经验 公 式 ， 该 公 式 与试 验 管 道 输 砂 实测 临 界 流 速 及 水 力 坡 降 吻 合 较 好 ， 计 算 值 与 实 测 值 的 相 对 偏 差 在 5 9 ／ 5 及 1 O ％以内 ， 可 以应用 于管 道输 砂工 程设 计 。 [ 作者简介] 刘晓 东 1 9 7 0 一 ， 男 ， 河 北 遵 化 人 ， 煤 科 总 院 唐 山分 院 水 力 采 煤 研 究 所 工 程 师 ． 1 9 9 5年 毕 业 于 江 苏工 学 院 水 力机 械 专 业 ， 现 主要 从 事渣 浆 泵 的 设 计 度 管 道运 输 研 免 。 [ 收槁 日期 ] 2 0 0 3 1 2 0 9 7 维普资讯