水煤漿管道輸送特性的研究

1、水煤漿管道輸送特性的研究,rff多7996年9月水力采煤與管道運(yùn)輸?shù)?期漿的賓漢塑性體流型;以管道居流流動為基礎(chǔ)分析水煤漿管道輸送摩阻捐失計算方法,并根據(jù)系列模型管線輸送試驗(yàn)賽測結(jié)果進(jìn)行7修正;探索7溫度對管道摩阻損失關(guān)鍵詞1前言水煤漿是本世紀(jì)70年代石油危機(jī)中開發(fā)的煤基流體燃料.它所含煤粉粒度細(xì),煤漿濃度高.由于加入一定量的化學(xué)藥劑,具有較好的流動性和穩(wěn)定性,可以像石油一樣直接噴燒.水煤漿工業(yè)應(yīng)用中,運(yùn)輸是一個重要環(huán)節(jié).目前,水煤漿用量不大,主要用罐車運(yùn)輸.隨著工業(yè)應(yīng)用的擴(kuò)大,對水煤漿的需要量將大大增加.由于我國交通運(yùn)輸能力不足和管道運(yùn)輸?shù)膬?yōu)越性,管道將成為水煤漿的主要運(yùn)輸方式.為了掌握水煤

2、漿的流動規(guī)律,以便為管道運(yùn)輸提供可行性研究或工程設(shè)計依據(jù),近來對水煤漿的流變特性,管道輸送水力參數(shù),溫度對水煤漿管穩(wěn)定性等進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)研究,取得了初步結(jié)果.2水煤漿的基本性質(zhì)水煤漿管道輸送參數(shù)與漿體的物理性質(zhì)有直接關(guān)系,如水煤漿的固體密度,粒度組成,漿體濃度和漿體流變特性等.2.1煤的密度水煤漿用太同煤制備,煤的密度=1.369t/m.2-2粒度組成水煤漿比較有代表性的粒度組成是煤粉粒徑一般在0,2o.3mm以下,其中小于200目的顆粒重量占80左右.本次試驗(yàn)所用水煤漿的粒度組成如表1.衰1()355180154<d的臺量(%)looeg.g99.8(m)3728,224-1<

3、;的音量(%)78474668.42.3水煤漿流變特性水煤漿的流變性質(zhì)不僅影響噴燃時的霧化質(zhì)量,而且是管道運(yùn)輸中摩阻損失高低的一個決定性因素.均質(zhì)懸浮流體產(chǎn)生變形時剪應(yīng)力和切變率的關(guān)系決定它的流型,根據(jù)不同的流型可把流體分類本次水4煤漿的流變試驗(yàn)使用同軸旋轉(zhuǎn)粘度計,幾種水煤漿的剪應(yīng)力和切變率的關(guān)系(參見圖1)與下式相符:f一一輩(1)式中r為剪應(yīng)力;為屈服應(yīng)力為剛度系數(shù);du/dr是切變率.式(1)表明,只旁:j.水煤漿管道輸送特性的研定第3期有在剪切力超過屈服應(yīng)力時,水煤漿才開始產(chǎn)生剪切變形而發(fā)生流動.水煤漿的流型由r0和這兩個參數(shù)確定du/dr圖1賓沮塑性業(yè)小意本次水爆漿管道輸送試驗(yàn)內(nèi)容較

4、多,每項(xiàng)試驗(yàn)所甩水煤漿的粒度組成不變,但漿體濃度,溫度和藥劑添加量不同,所以其流變參數(shù)ro和不盡相同,具體數(shù)據(jù)在后面分別給出.3水煤漿管道輸送參數(shù)一般漿體管道工程設(shè)計中,首先需要確定管道輸送摩阻損失和輸送流速而水媒漿因其粒度細(xì)濃度高和粘度大等特點(diǎn),再加上加入一定的化學(xué)藥劑后具有較好的穩(wěn)定性,可作為均質(zhì)懸液對待,摩阻損失則成為水煤漿管道輸送的晟重要水力參數(shù)因此,重點(diǎn)對此進(jìn)行試驗(yàn)測量和分析研究.3.1管道輸送試驗(yàn)裝置長期以來,管道輸送摩阻損失都是采用模擬試驗(yàn)方法確定.這種方法是在實(shí)驗(yàn)室用較小管徑的試驗(yàn)系統(tǒng)測量一定流速下的管道摩阻損失,根據(jù)幾種不同規(guī)格管道的試驗(yàn)結(jié)果,進(jìn)行回歸分析,得到唪阻損失計算經(jīng)

5、驗(yàn)公式如果試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較充分,則由此得出的計算公式提供放大數(shù)據(jù)是比較可靠的尤其對外延范圍不太大的情況(如管徑放大2倍或稍多一些)則更有把握.當(dāng)然,如果對輸送介質(zhì)管道流動進(jìn)行理論分析,求得水力參數(shù)的計算模型,然后再由充分的模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證并進(jìn)行必要的修正,使計算公式更符臺實(shí)際.那么,再進(jìn)行放大計算則會更加可靠.本次水煤漿管道輸?shù)鼌?shù)試驗(yàn)使用4種不同管徑的管道系統(tǒng).試驗(yàn)管道內(nèi)徑分別為75.9,148.2,204.7,305.8inm.試驗(yàn)用泵為美國mayer公司制造前曲桿泵,額定流量為227m/h,壓力2.1mpa.3.2.管道試驗(yàn)水煤漿流變參數(shù)制漿用煤屬難制漿煤種,故水煤漿濃度不高,其重量濃度

6、分別為62.7和60.兩種水煤漿的流變參數(shù)測量結(jié)果見表2和表3衰2不同沮疫下水煤漿流變參數(shù)泉體溫度()rops)7/(raps?s)r0(pa)(mpa?s)5lol52025304.322j502,33g984.3322002.2882540819173070639916902.2o6414o515042.216123.981346水煤漿的屈服應(yīng)力ro在溫度變化時基本不變,而漿體的剛度系數(shù)隨溫度增加麗減小.表3管輸試驗(yàn)中水煤裝流變參數(shù)5水力采堞與管道運(yùn)輸?shù)?期3.3水煤漿管道阻力損失分析試驗(yàn)所用水煤漿細(xì)粒度含量高,基本上屬于均質(zhì)懸浮流體,管道試驗(yàn)中可看作均質(zhì)流,原則上可以以任何流速進(jìn)行管道輸

7、送.由于水煤漿粘度高,輸送流速則不宜過大,一般流速下為層流.現(xiàn)根據(jù)賓漢塑性體的管道層流流動進(jìn)行摩阻損失分析.賓漢流體管道層流流速分析如圖2所示.固管壁剪切力>,則在某一半徑r.處有剪切力等于屈服應(yīng)力.所以在管道中心半徑為的范圍內(nèi)牟1.流速相等圖2管中賓漢塑性體流速分布和受力分析的核心流區(qū).對長l半徑為r(r.<r<r)的圓柱表面進(jìn)行受力分析,有:聲一,(聲一凸聲)一2rr(2)式中p為壓力,為兩斷面問壓力差,r為圓柱表面的切應(yīng)力.由上式可得:r=號?a_lpp【3)考慮到r=r-o和r時,分別有r:0和以及水煤漿為賓漢塑性體和通常有告?可d?詈<1的條件,可以得到水煤漿

8、管道輸送壓力損失的近似計算公式為:譬.(+6v)(4)ld式中y為管道斷面平均流速,d為管道內(nèi)徑.34管道摩阻損失計算值與實(shí)測結(jié)果對比兩種水煤漿分別在4種規(guī)格管道系統(tǒng)上進(jìn)行輸送試驗(yàn),每次試驗(yàn)中都取樣測量水煤漿的流變參數(shù)(數(shù)據(jù)見表3).試驗(yàn)中6通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)泵出流量.由于泵的額定流量一定,內(nèi)徑為305.8re1131管道輸送試驗(yàn)流速較低,只在00.65m/s間變化,其他三條管線試驗(yàn)系統(tǒng)流速都超過1.5m/s.在每個流速下測量管遭阻力.測量結(jié)果表明,管道輸送摩阻損失與流速的關(guān)系均呈線性規(guī)律變化,所以僅給出一次試驗(yàn)結(jié)果以資說明,即圖3所點(diǎn)繪出的是水煤漿a在內(nèi)徑為305.8film管道上的輸送試

9、驗(yàn)數(shù)據(jù)._葉一1.螭1,1ji.:f一-liluuul競逗tm圖3阻力損失實(shí)測結(jié)果與計算值實(shí)測管道輸送試驗(yàn)數(shù)據(jù)很多,現(xiàn)只取幾個不同流速對應(yīng)不回管道的摩阻損失列于表4和表5.由表中可以看出,水煤漿管道輸送摩阻損失公式(4)的計算值i,比實(shí)測結(jié)果i低,但相對偏差都在15以內(nèi).因此,對公式(4)進(jìn)行修正,即將其乘以1.15的系數(shù)后作為水煤漿管道輸送實(shí)際摩阻損失可用于工業(yè)管道的計算.4溫度對管道輸送參數(shù)的影響長期以來,我國各實(shí)驗(yàn)室的管道輸送試驗(yàn)都是在室溫下進(jìn)行,不能模擬不同季節(jié)工業(yè)管道的實(shí)際運(yùn)行條件.特別是在冬季,由于天氣寒冷,介質(zhì)溫度降低,導(dǎo)致管道輸送阻力增加,對輸送能耗和管道安全運(yùn)行都極為不利.為

10、了開展介質(zhì)溫度對管道輸送水力參數(shù)影響的研究,我們籌建了國內(nèi)第一個可以調(diào)控溫度的管道輸送試驗(yàn)fi.言g;三j;1996年9月水煤漿舌道輸送特性的研究第3期裝置,并進(jìn)行了不同溫度水煤漿的管道輸送試驗(yàn).4.1管道調(diào)溫試驗(yàn)裝置本裝置由管道內(nèi)徑為75.9mm的管道輸送試驗(yàn)系統(tǒng)和制冷調(diào)溫系統(tǒng)構(gòu)成.制冷系統(tǒng)包括標(biāo)準(zhǔn)制冷量為26.75kw的兩臺氨壓縮冷凝機(jī)組,氪蒸發(fā)器,冷卻水系統(tǒng)等.制冷系統(tǒng)加工的低溫冷液通過換熱套管冷卻管道試驗(yàn)系統(tǒng)中的被測介質(zhì),由控制裝置調(diào)控到所要求的溫度,在該溫度下進(jìn)行管道輸送參數(shù)試驗(yàn).試驗(yàn)介質(zhì)溫度可在室溫至+1范圍內(nèi)調(diào)控.4.2水煤漿流變參數(shù)進(jìn)行調(diào)溫管道輸送試驗(yàn)使用了兩種不同的水煤漿.在

11、每一調(diào)定溫度下,進(jìn)行水煤漿管道阻力試驗(yàn)中都取樣分析漿體流變特性水煤漿仍都是賓漢塑性體,各個溫度下水煤漿的流變數(shù)據(jù)在表6和表7中給出.表6水煤禁c的試驗(yàn)溫度和流變數(shù)據(jù)表7水煤禁d的試驗(yàn)溫度和流變數(shù)據(jù)水煤漿c和d不同溫度下的屈服應(yīng)力變化不大,而剮度系數(shù)隨著溫度降低而增大,而且溫度愈低,其變化率愈高.4.3不同溫度水煤漿的管道阻力非均質(zhì)漿體管道輸送主要水力參數(shù)為管道葷阻損失和運(yùn)行流速.在漿體中,溫度越高,固體顆粒的沉速增大,令其懸浮所需7水力采煤與管道運(yùn)輸?shù)?期管道運(yùn)行流速較大.所以,在管道工程設(shè)計時按較高溫度考慮,如zo.反之,溫度偏低,漿體粘度升高,管道輸送消耗的壓力增加.為保證管道系統(tǒng)正常運(yùn)行

12、,設(shè)計時管道輸送摩阻損失應(yīng)在較低溫度下選取,如8.上述做法已在管道工程設(shè)計中逐步趨向規(guī)范化.水煤漿管道輸送主要水力參數(shù)為摩阻損失,所以其調(diào)溫試驗(yàn)的重點(diǎn)應(yīng)放在較低溫度區(qū)段在調(diào)定某一溫度并基本保持不變的條件下,測量不同流速下的管道壓力損失.不同溫度水煤漿管道摩阻損失和流速之間的關(guān)系與常溫下的試驗(yàn)結(jié)果相同.水煤漿c和d的管道摩阻損失隨溫度的變化規(guī)律也基本一致,故在此只以水煤漿d的試驗(yàn)結(jié)果加以說明.為了更直觀地表達(dá)摩阻損失與溫度的關(guān)系,我們根據(jù)實(shí)測結(jié)果摘取相同流速下摩阻損失隨溫度變化的數(shù)據(jù)列于表8中,并在圖4中點(diǎn)繪摩阻損失和溫度的關(guān)系線.褻8承煤漿d水力坡降與溫度關(guān)系l()v(cm/s).一14.51

13、2.o9.2,8.o7.o8.7513.ool5019-4921.423.7528.2534.189.33l38418.262i.5024.13z6.9031.1837.85l0.oo14-942o.6923.1225.7428.1833.164m5ol1.38l7.1822.4325.2628-1431.013e.6445.58l274r9.1926.0529.4032.8335.8043.1352.4o由表8和周4可知,溫度對水煤漿管道輸送阻力損失肴顯著影響.溫度降低則阻力損失增加,以流速im/s為例,溫度由14.5降至f,而表示管道流動摩阻損失的水力坡降則提高約50;圖4中水力坡降和溫度

14、的關(guān)系曲線隨著溫度的升高漸趨平緩,表明管道阻力損失在低溫段對溫度變化比較敏感,而隨著進(jìn)入較高溫8度區(qū)段,管道阻力損失受溫度的影響減弱.因此,為了減少摩阻損失,如有可能,應(yīng)盡量避開水煤漿管道的低溫運(yùn)行.4tied姍孤m【n一田l蚤.哆m一,k一5.01o.015.o越ot1圈4水煤漿d管道t關(guān)系曲線5水煤漿管道輸送動態(tài)穩(wěn)定性一般地說,漿體的穩(wěn)定性是指它阻止其中固體顆粒沉降的能力,然而,這又很難用定量的方法表示.水煤漿在應(yīng)用過程中會遇到通過管道或車船長途運(yùn)輸?shù)那闆r,當(dāng)受到重力外的其他外力作用不產(chǎn)生很難重新散開的硬沉淀時壩4說它具有很好的動態(tài)穩(wěn)定性.但是,水煤漿在罐車運(yùn)輸和管道輸送中也有喪失動態(tài)穩(wěn)定

15、性的情況.5.1管道輸送動態(tài)穩(wěn)定性評價方法水煤漿靜態(tài)穩(wěn)定性測量比較簡單,把漿體放入容器靜止存放即可.但是,這是十分耗費(fèi)時間的辦法.人們試圖采用的許多快速測量漿體穩(wěn)定性的其他方法所提供的結(jié)果在預(yù)估漿體的穩(wěn)定性時,往往產(chǎn)生較大偏差.因此,對漿體的穩(wěn)定性,尤其是動態(tài)穩(wěn)定性的評價,常用實(shí)際模擬辦法.由于實(shí)驗(yàn)室管道輸送試驗(yàn)系統(tǒng)管線太短,連續(xù)運(yùn)行時有限的漿量使?jié){體頻繁通過泵體而反復(fù)遭受高速剪切擠壓,不同于長距離管道中的流動狀態(tài),所以不能作為管道運(yùn)輸動態(tài)穩(wěn)定性的試驗(yàn)裝置.采用輪式試驗(yàn)臺作為水煤漿輸送動態(tài)穩(wěn)定性模擬試驗(yàn)裝置.i-如加舯蚰瑚m啪i水煤漿管道輸送特性的研究第3期的方案能夠克服上述弊病該方法是通過在

16、鉛直平面內(nèi)環(huán)形管道的等速旋轉(zhuǎn),使管內(nèi)漿體(略少于環(huán)管容積的一半)在自重作用下始終處于環(huán)管下半部而與管道產(chǎn)生相對運(yùn)動,以模擬漿體的管道流動.輪式試驗(yàn)臺由管輪(包括環(huán)管,輪轂,輪輻),電機(jī)和變速傳動裝置及支架等構(gòu)成.環(huán)管用內(nèi)徑為148.2nlm鋼管彎制,輪環(huán)直徑為3620mm,其轉(zhuǎn)動線速度可在0.12.3m/s范圍內(nèi)調(diào)節(jié).5.2水煤漿動態(tài)穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果在輪式試驗(yàn)臺上進(jìn)行西種水煤漿的運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn).環(huán)管線速度調(diào)定0.91m/s,以不變速度連續(xù)運(yùn)行時間分別為100h和95h,水煤漿在管道中相對流動距離相當(dāng)于300km以上.運(yùn)行中定時取樣分析水煤漿的流變參數(shù),運(yùn)行終了還對所取試樣進(jìn)行了粒度分析,檢驗(yàn)長距離輸送

17、中水煤漿粒度碎化情況.試驗(yàn)結(jié)果如下:兩種水煤漿分別經(jīng)過100h和95h連續(xù)運(yùn)行,煤漿的粒度組成變化很小,所以在長距離管道輸送中可不考慮水煤漿的碎化問題;水煤漿在連續(xù)運(yùn)行期間溫度變化不大,雖然它們還都保持賓漢塑性體的流型,但其流變參數(shù)的變化情況不同.1號水煤漿的屈服應(yīng)力和剛度系數(shù)都大幅度上升,流動性變壞.試驗(yàn)臺驅(qū)動電機(jī)電流顯著增大;而i號水煤漿的流變參數(shù)基本上沒有變化.試驗(yàn)臺運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn).根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以判定:1號水煤漿的動態(tài)穩(wěn)定性不好,不適于長距離管道轄送;i號水煤漿具有較好的動態(tài)穩(wěn)定性,長距離管道運(yùn)行中不會發(fā)生因沉淀造成堵管事故.試驗(yàn)結(jié)果表明,采用輪式試驗(yàn)臺的模擬試驗(yàn)方法,能夠?qū)λ簼{管道運(yùn)輸?shù)?/p>

18、動態(tài)穩(wěn)定性做出評價.但是,對水煤漿動態(tài)穩(wěn)定性破壞機(jī)理有待深入探索.6結(jié)語通過對水煤漿流變特性和管道系列模型輸送試驗(yàn)研究,可以得到幾點(diǎn)認(rèn)識:水煤漿的流變特性符合賓漢塑性體流型水煤漿的粘度較高,宜在層流下進(jìn)行管道輸送.管道流動哮阻損失按式(4)的計算結(jié)果比相應(yīng)的實(shí)測值偏低.但規(guī)律明顯,若將(4)式計算值乘以1.15的系數(shù)作為水煤漿管道的實(shí)際阻力損失用于工程設(shè)計應(yīng)是可靠的;水煤漿溫度對管道輸送阻力的影響與漿體剛度系數(shù)和溫度的關(guān)系基本一致,在低溫區(qū)段,管道阻力隨溫度降低增幅較大,而較高溫度下,管道阻力隨溫度升高下降較少;采用輪式試驗(yàn)臺試驗(yàn)方案可以對水煤漿管道運(yùn)輸?shù)膭討B(tài)穩(wěn)定性做出評價.我國對水媒漿管道運(yùn)輸?shù)难芯窟€剛剛開始,水煤漿的流變特性和管輸參數(shù)比較復(fù)雜,其流動性和穩(wěn)定性與漿體的粒度組成,煤種,