远距离浆体管输送系统工程设计及水锤研究

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1、远距离浆体管输送系统工程设计及水锤研究第1章绪论1.1长距离浆体管道输送概述铁路、公路、水运、空运是交通运输业中传统的运输方式，继这些传统的交通运输方式之后，近几十年出现了新型的运输方式管道输送，并越来越发挥着其不可替代的作用。在管道输送中，浆体管道输送是以液体（通常为水）为载体通过管道输送固体颗粒状物料的一种输送方式[1]，它通过管道将固体粒状物料以固液混合的两相流浆体形式，运用泵送设备输送到指定地点[2，3]。浆体管道输送技术主要用于输送煤、铁矿石、磷矿石、铜矿石、铝矾土、高岭土、硬沥青、石灰石和铜、铁、镍

2、等金属与非金属矿山物料。长距离浆体管道输送是一种运送距离超过10km而浆体的浓度不发生变化的浆体管道输送方式[4]，我国金属与非金属矿产资源大多分布在交通不便的偏远山区，离运输干线较远，重新建设或改建铁路、公路等运输干线往往投资较大，而且需要占用日渐稀少的可用土地资源，同时增加对环境的影响。在此种情况下，长距离浆体管道输送方式显示了与其他运输方式相比特殊的优越性，例如投资少、运营费用低、占地少、运行的可靠度高、建设速度快、效率高、操作简单、易于实现全自动化、且对环境产生非常低限度的影响等等。发展固体物料浆体的管

3、道输送技术特别是长距离固体物料浆体管道输送技术，可以在很大程度上完善和补充现有的运输体系。不仅运量大，且运距与提升的深度也大的多种矿物资源以及废弃物的输送，采用浆体管道输送技术其经济效益和社会效益令人注目。1.2浆体管道输送技术发展动态1932年吉斯通汽油管道公司首次实验应用顺序输送来输送多种成品油取得成功，有些金属选矿厂与选煤厂所产出的精矿产品和不同煤质的煤的产量是不等的，若对每一种精矿和煤都应用单独的管道进行输送，这显然是不经济的，因此顺序输送方式的产生有其巨大的合理性与前途。冶金部、有色总公司和煤炭部的有

4、关科研设计部门对此都做过试验研究工作[30]。CLP（CoalLogPipeline）是一种以有压水为载体、以压制的圆柱煤棒为输送物料的长距离管道输煤系统。CLP技术不仅有浆体管道输煤的优点，而且仅仅需要浆体管道输煤的50%至20%的水就可以输送等量的煤。浆体本身作为两相流流体，在管道中输送时存在多种流型，不同的流型有其自有的特性，高浓度浆体是一种非牛顿流体，它不易产生沉淀，在管道中流动时其表现为固体物料的颗粒之间很少有相对位移，大概近似于膏体的流动。随着浓度的提高，电能会随之节约，一般浓度提高10%~20%，

5、电能可以相对节约30%~80%。根据大量的实验研究，煤炭粒度组成比较合理的高浓度煤浆的管道输送浓度可达62%~64%，具有很好的脱水性，很高的节水效益与管道输送效率。清华大学费祥俊提出，管道的输送浆体浓度越高能保持悬浮运动的固体颗粒的粒度就越大，这样就大大节约了浆体制备中的费用。由于生产的需要，一些固体物料需以特高浓度管道输送的方式输送至用户，这种输送方式称为膏体管道输送。第2章长距离浆体管道输送特性分析2.1物料的基本性质在长距离浆体管道输送的工程实际中，并不能直接采用上表中数值，物料的比重一般是通过实验测量

6、，与上表中相对应的物料的比重进行比较，并不直接采取表中所列数值。浆体两相流的管道摩阻损失的研究相对于一相流的摩阻损失的研究存在极大的难度，不只是因为其摩阻损失计算的复杂性，还有影响因素的多样性。浆体管道输送中的摩阻损失是浆体输送中非常重要的参数之一，它决定着浆体管道输送中泵型的选择、泵站数量的确定与管道运行的能量损耗。影响管道摩阻损失的因素（物料种类、颗粒大小、浆体浓度、浆体流型、流速等等）的多样性使得对浆体管道摩阻损失的研究的进展一直缓慢，说明浆体物理性质的完整理论还没有出现。目前，比较有说服力的理论只要有扩

7、散理论、重力理论和能量理论。2.2浆体的基本性质当条件不同时，颗粒物料的分类和运动状态也会改变，浆体颗粒并不是由单一的粒级组成的，大颗粒与微小颗粒在浆体中很多时候都同时存在，这样浆体在管道中流动时，不同粒级颗粒的运动状态就会像图2.2中所示存在差异。浆体在管道中处于固体颗粒与水混合的悬浮状态，粘度大于清水，浆体的粘性与水的粘性完全不同。浆体的流型指的是浆体在剪切力作用下的切应力与切变率的关系，流型有两种：牛顿体和非牛顿体，非牛顿体有与时间有关和与时间无关两种。浆体是固体与液体特殊混合的两相流体，这种两相流体在管

8、道中流动时，许多方面与一相流都存在很大的差异。浆体的两相流特性使得对它的描述不像一相流那样简单，原因有两点：一，不仅仅要考虑液体（一般为水）的性质，还要考虑固体颗粒的性质和固体颗粒对固液混合体的性质的影响。二，不同的条件，浆体的流动特性不同。浆体的流动有两个极端的情况，对它们的考察在一定程度对浆体的特性描述有一定帮助。由于固体颗粒的比重一般大于输送载体（水）的比重，所以固体颗粒在混合流