束德方，孫西歡，李永業(yè)，許 飛，張樂元

（太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024）

管道水力輸送是以壓力水流作為載體，通過封閉管道來輸送物料的一種輸送方式。相對于鐵路、水路、航空、公路等運(yùn)輸方式，具有運(yùn)行成本低、效率高、占地少、管道布置易于適應(yīng)地形變化、不受氣候影響、無污染和安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。柱狀型煤管道水力輸送作為一種新型的管道水力輸送技術(shù)，代表了管道水力輸送技術(shù)的最新理論與科研成果。下文簡述了該種新型運(yùn)輸方式在技術(shù)、理論等方面的研究現(xiàn)狀。

1 概念的提出

柱狀型煤管道水力輸送是實(shí)現(xiàn)管道水力輸煤的新技術(shù)，其基本思想是將散體煤顆粒壓制成剛性圓柱狀密實(shí)體——煤柱，然后注入有壓輸送管道，以具有一定濃度的煤漿作為動力載流體進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送。

管道輸送技術(shù)大致經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段：流體管道輸送、漿體管道輸送和水力密封容器管道輸送。柱狀型煤管道水力輸送正是在水力密封容器管道輸送的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。在結(jié)構(gòu)上，它類似于密封容器管道，但因無需裝載散體的密封容器，也不必另建返送空密封容器管道，故比通常概念的密封容器管道更經(jīng)濟(jì)、更易操作處理。此外，柱狀型煤水力輸送方式比煤漿管道具有煤輸送量大、水需求量少、能耗小、末端脫水簡單等優(yōu)點(diǎn)，因而更經(jīng)濟(jì)、更具市場競爭力[1]。

水力密封容器管道輸送首先由加拿大研究人員在20世紀(jì)60年代提出，之后日本、南非、荷蘭、澳大利亞、美國等國家都對其進(jìn)行了研究。在此基礎(chǔ)上，美國密蘇里大學(xué)哥倫比亞校區(qū)密封容器管道研究中心在20世紀(jì)90年代提出了柱狀型煤管道輸送的概念，Henry Liu等人在水力特性及經(jīng)濟(jì)可行性等方面對其進(jìn)行了研究[2]。

2 理論研究

國外的Henry Liu于1982年在量綱分析的基礎(chǔ)上，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了平直管段的起浮速度；在1992年，提出了囊體（可理解為柱狀型煤）運(yùn)動的四個(gè)典型區(qū)域[3]；1992—1994年，又結(jié)合引入的一些特定系數(shù)，運(yùn)用能量、動量連續(xù)性方程，在量綱分析的基礎(chǔ)上得到了囊體的起動速度[4-5]。

國內(nèi)的林愉、閻慶紱、李元宗等人也對其運(yùn)動特征、懸浮機(jī)理及能耗進(jìn)行了研究，并取得了一定的進(jìn)展。文獻(xiàn)[6]介紹了以煤漿為載流體在管道中輸送煤柱的實(shí)驗(yàn)研究，包括煤柱的起動、懸浮、運(yùn)動速度及煤漿濃度和煤柱形狀比對管道流的影響，揭示出煤柱在煤漿管道內(nèi)的運(yùn)動特征及進(jìn)一步研究開發(fā)的意義。文獻(xiàn)[7]就這種管道輸煤技術(shù)的水力學(xué)原理，即壓制成圓柱形的煤柱在管道中的流動性狀進(jìn)行了分析討論。文獻(xiàn)[8]在假設(shè)條件下，參照管道水力學(xué)理論，分別引入運(yùn)動型料表面和靜止管道壁面的摩阻系數(shù)，建立了水平同心型料管道流的簡易數(shù)學(xué)模型。文獻(xiàn)[9]在動量定理和能量定理的基礎(chǔ)上，建立了靜止圓柱狀型料在漿體管道內(nèi)起動的動量方程和能量方程，并由此導(dǎo)出靜止型料在漿體管道內(nèi)的起動速度計(jì)算公式。文獻(xiàn)[10]通過對煤柱在煤漿管道中的輸送機(jī)理進(jìn)行研究，建立了煤漿管道輸送煤柱的水力學(xué)方程和參數(shù)計(jì)算公式，通過實(shí)驗(yàn)，探討了參數(shù)間的關(guān)系，并對理論方程和計(jì)算公式進(jìn)行了驗(yàn)證。文獻(xiàn)[11]在煤錠水力輸送實(shí)踐裝置上，對相對密度為1.3×103kg/m3、長度和直徑比為135/85的柱形煤錠，在不同工況下的平均能耗、沖擊能耗和煤錠的運(yùn)動速度等進(jìn)行了測試研究，分析了影響能耗的因素，并指出平均能耗有一個(gè)合理范圍，應(yīng)在滿足輸煤量要求的前提下通過優(yōu)化組合來得到。文獻(xiàn)[12]和[13]分析了煤柱管道輸送中煤柱在不同運(yùn)動狀態(tài)下的受力情況，通過大量試驗(yàn)測出了靜止于管中的煤柱表面的壓強(qiáng)分布，繪制出了反映煤柱表面壓強(qiáng)分布規(guī)律的壓強(qiáng)系數(shù)曲線，為研究煤柱管道輸送的力學(xué)機(jī)理提供了必要的試驗(yàn)依據(jù)。

3 技術(shù)研究

3.1 煤柱成型

長距離的水力管道輸送對煤柱的強(qiáng)度性能提出了較高要求：一是耐磨；二是防水性能好，即煤柱經(jīng)過長距離輸送不被磨損破碎、不吸水膨脹。因此，研究煤柱壓力成型的機(jī)理、設(shè)計(jì)煤柱成型的工藝、探討影響煤柱強(qiáng)度的因素、制備防水耐磨的煤柱對柱狀型煤管道輸送技術(shù)至關(guān)重要。此外，為了實(shí)現(xiàn)煤柱的潔凈燃燒，在模壓成型過程中，還需考慮如何選用粘結(jié)劑、固硫劑等問題。

文獻(xiàn) [14]從散體煤顆粒模壓成型的機(jī)理研究出發(fā)，闡述了煤柱模壓成型的制備工藝環(huán)節(jié)，分析了煤柱在模壓過程中的壓強(qiáng)分布以及模壓力和壓頭位移間的關(guān)系，建立了煤柱強(qiáng)度和密度的理論表達(dá)式，通過實(shí)驗(yàn)探討了模壓力、添加材料和成型坯料含水量對煤柱抗壓強(qiáng)度的影響。文獻(xiàn)[15]針對管道輸送性和燃燒固硫高度匹配的潔凈煤柱的制備，研究煤柱成型方法和固硫機(jī)理，分析比較多種粘結(jié)劑和固硫劑，設(shè)計(jì)出了合理的潔凈煤柱制備工藝，配制出了兼具粘結(jié)和固硫作用的復(fù)合固硫粘結(jié)劑。

3.2 試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

美國密蘇里大學(xué)密封容器管道研究中心為開展柱狀型煤管道輸送技術(shù)研究，建成的測試管線系統(tǒng)值得借鑒。在國內(nèi)，南方冶金學(xué)院（今江西理工大學(xué)）林愉等人自20世紀(jì)90年代起，設(shè)計(jì)建立了型料管道輸送試驗(yàn)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[16]根據(jù)煤柱管道水力輸送特點(diǎn)，對管道輸送系統(tǒng)各個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)，如煤柱注入和排出、管道泵動力增壓、管線折轉(zhuǎn)和彎轉(zhuǎn)等提出了可行的設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)參數(shù)。文獻(xiàn)[17]針對圓柱狀型料管道水力輸送的特點(diǎn)，提出了實(shí)驗(yàn)管道輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，并就管線布置、動力裝置、型料注入和排出機(jī)構(gòu)、測試裝置等設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[18]專門就煤柱輸送管道系統(tǒng)中注入裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。文獻(xiàn)[19]專門就型料輸送管道動力驅(qū)動裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。文獻(xiàn)[20]在對型料砂漿管道輸送控制系統(tǒng)進(jìn)行總體分析的基礎(chǔ)上，對試驗(yàn)現(xiàn)場中的測試儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了具體選型和設(shè)計(jì)，并利用模塊化設(shè)計(jì)方法，從硬件和軟件兩方面分別對控制部分進(jìn)行了具體的構(gòu)思和設(shè)計(jì)。此外，為了將其應(yīng)用于生產(chǎn)，閻慶紱、李元宗等人在太原理工大學(xué)水流試驗(yàn)大廳建立了測試管路總長達(dá)46 m的煤錠輸送試驗(yàn)管道系統(tǒng)，開展了以應(yīng)用為目標(biāo)的試驗(yàn)研究。張曉東等對柱狀型煤水力管道輸送和現(xiàn)有的煤運(yùn)輸方法進(jìn)行了比較，對試驗(yàn)研究系統(tǒng)進(jìn)行了介紹[21]。

3.3 輔助設(shè)備

在試驗(yàn)和研究過程中，為提高試驗(yàn)精度和準(zhǔn)確性，便于工業(yè)應(yīng)用，一些必要的輔助設(shè)備的研發(fā)也應(yīng)運(yùn)而生。

文獻(xiàn)[22]介紹了型煤管道輸送系統(tǒng)中用于測量型料（可直接理解為煤柱）與管道底壁之間間隙的一種電感間隙儀的設(shè)計(jì)思路和工作原理，并對儀器信號的處理和實(shí)驗(yàn)參數(shù)的標(biāo)定進(jìn)行了討論。文獻(xiàn)[23]根據(jù)型料砂漿管道的輸送特點(diǎn)和超聲波傳感器的特性，結(jié)合型料注入管道的計(jì)數(shù)及注入速度的要求，設(shè)計(jì)了一種以超聲波傳感器檢測型料管道注入數(shù)和型料運(yùn)行速度的型料砂漿管道超聲波計(jì)數(shù)器。

4 結(jié)語

柱狀型煤管道水力輸送技術(shù)作為一種新型的管道運(yùn)輸方式，從誕生到現(xiàn)在僅有30多年的歷史，大量的研究還主要集中在試驗(yàn)研究階段，雖然在基礎(chǔ)研究和技術(shù)參數(shù)的確定等方面取得了較為長足的進(jìn)展，但在理論體系、系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立、管道減阻、管道磨損、系統(tǒng)自動控制、流動狀態(tài)等方面還有待進(jìn)一步研究和完善，以便為其早日實(shí)現(xiàn)工業(yè)化奠定理論基礎(chǔ)。

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