肖　克　熊　新　吳建德

(1.昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院　昆明　650500)(2.云南省礦物管道輸送工程技術(shù)研究中心　昆明　650500)

鐵精礦管道輸送在彎管處流量的檢測(cè)研究

肖克1,2熊新1,2吳建德1,2

(1.昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院昆明650500)(2.云南省礦物管道輸送工程技術(shù)研究中心昆明650500)

摘要由于鐵精礦漿體具有高濃度、顆粒粒徑分布不均以及漿體組成成分相對(duì)復(fù)雜等特殊的物理性質(zhì),流量的測(cè)量和計(jì)算在長(zhǎng)距離礦漿管道輸送過(guò)程中一直是行業(yè)內(nèi)難以解決的問(wèn)題。尤其當(dāng)漿體在流經(jīng)彎管道處的流量計(jì)算更是復(fù)雜?，F(xiàn)已有專(zhuān)家對(duì)彎管處漿體的流量與彎管壓差之間的關(guān)系進(jìn)行了研究,得出彎管壓差與鐵精礦在流經(jīng)彎管處的流量具有非常好的線性關(guān)系。論文結(jié)合國(guó)內(nèi)某知名管道有限公司實(shí)時(shí)工業(yè)數(shù)據(jù),初步研究了長(zhǎng)距離礦漿管道輸送過(guò)程中漿體流經(jīng)彎管道處流量的測(cè)量與計(jì)算。

關(guān)鍵詞彎管; 流量; 壓差; 流量系數(shù)

Class NumberTP274

1引言

鋼鐵材料在國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和工業(yè)化的迅猛發(fā)展中的需求日益增加。鋼鐵生產(chǎn)的主要材料是鐵礦石,其來(lái)源和運(yùn)輸直接影響到鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)的生存與發(fā)展。但是,國(guó)內(nèi)某些礦山交通不夠便利,地面環(huán)境復(fù)雜,運(yùn)輸難度很大。如何降低運(yùn)輸成本,提高運(yùn)輸效率,將數(shù)百萬(wàn)噸的鐵礦石運(yùn)輸?shù)戒撹F冶煉廠將是一個(gè)很難解決的問(wèn)題。更加困難的是,還要避免鐵精礦原料由于在運(yùn)輸過(guò)程中所造成的對(duì)環(huán)境的污染和資源浪費(fèi)。而管道運(yùn)輸具有效率高、價(jià)格低廉、節(jié)約資源、環(huán)保和密封性好等眾多優(yōu)勢(shì)。因此,采用管道方式運(yùn)輸鐵精礦是有重大意義的。

在鐵精礦管道輸送中,常用彎管來(lái)改變精鐵礦漿體的流動(dòng)方向。當(dāng)漿體流經(jīng)彎管時(shí),流線會(huì)有急速?gòu)澽D(zhuǎn)。該彎曲現(xiàn)象,導(dǎo)致漿體產(chǎn)生一個(gè)較大慣性力沿管截面,由于慣性力的延伸,在彎管內(nèi)外壁將產(chǎn)生壓力差,該壓力差與流經(jīng)彎管處的流量具有關(guān)聯(lián)性,若能研究得出流量與彎管內(nèi)外側(cè)壓差的關(guān)系數(shù)學(xué)模型,就可以通過(guò)已有的彎管內(nèi)外側(cè)壓差的方法來(lái)測(cè)算彎管流量,這將是一種非常漸變的測(cè)算彎管流量的方法。用彎管對(duì)流量進(jìn)行計(jì)算的方法早在1911年就有研究。彎管作為管道的一部分,其作用是改變流體的流向,且它的特點(diǎn)是不會(huì)形成附加阻力,具有價(jià)格低廉且耐用、便于安裝檢測(cè)等其它流量檢測(cè)裝置所不具有的優(yōu)點(diǎn)。但由于其流量系數(shù)的離散度很大,致使這種測(cè)量方法一直得不到廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)有溫良英,張正榮等專(zhuān)家通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究,得出管道流量與彎管壓差的關(guān)系及彎管流量系數(shù)穩(wěn)定的重要條件[1]。

針對(duì)鐵精礦管道輸送特點(diǎn),國(guó)內(nèi)某知名管道有限公司通過(guò)采用通信網(wǎng)絡(luò)原理、自動(dòng)化控制技術(shù)、計(jì)量等技術(shù)并結(jié)合管道輸送基礎(chǔ)工藝以及管道運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)了鐵精礦管道輸送計(jì)量系統(tǒng)[2～3],為鐵精礦的管道輸送降低了成本并且使管道輸送的安全性有了更好的保障[4～5]。本文以該公司開(kāi)發(fā)建立的運(yùn)量計(jì)量數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ),通過(guò)鐵精礦管道輸送運(yùn)行的相關(guān)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)初步實(shí)現(xiàn)了鐵精礦管道輸送在彎管道處流量的檢測(cè)研究。

2鐵精礦管道輸送流量數(shù)學(xué)模型

單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的流體體積流段(Volume Flow rate),稱(chēng)為流量,以Q來(lái)表達(dá)[6]。

Q=∫AdQ=∫AudA

(1)

假設(shè)橫截面上的每個(gè)點(diǎn)的流速是相等的,這被稱(chēng)為平均流速V(Mean Velocity),這是相同的流量[7～8],則

Q=∫AudA=V·A

(2)

礦漿濃度在不同條件下,從數(shù)學(xué)方面來(lái)講,漿體的流動(dòng)特性是連續(xù)的,所以可以建立礦漿濃度ρ漿與時(shí)間t的數(shù)學(xué)模型ρ漿(t)。對(duì)于一個(gè)固定排量的位移活塞隔膜泵,可以使用一個(gè)活塞往復(fù)次數(shù)的不斷增加(認(rèn)為S的增加是連續(xù)變化的),而不是時(shí)間t,因此ρ漿(t)可以改寫(xiě)為ρ漿(S)[9]。

隔膜泵活塞所做的是往復(fù)式相同幅度的活塞運(yùn)動(dòng),假設(shè)現(xiàn)在活塞經(jīng)過(guò)dS次的往復(fù)運(yùn)動(dòng),并記下時(shí)間dt,那么可以通過(guò)已有數(shù)據(jù)推算出泵送的礦漿體積為

dV漿=εV0dS

(3)

式中,V0為一個(gè)理想的隔膜泵往返一次的推送體積,經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ε為泵推送體積的經(jīng)驗(yàn)系數(shù);因此,往復(fù)式活塞隔膜泵在推送的總體積和總質(zhì)量分別為

(5)

用來(lái)計(jì)算V漿的隔膜泵活塞往復(fù)次數(shù)S計(jì)算所需次數(shù)是通過(guò)主泵活塞往復(fù)頻率連接到現(xiàn)場(chǎng)PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)采集,計(jì)算M漿所需的實(shí)時(shí)測(cè)量礦漿濃度ρ漿(S)并不是由字節(jié)推出的。

3流量與壓差的關(guān)系

本節(jié)在國(guó)內(nèi)某著名管道有限公司實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上,結(jié)合現(xiàn)有專(zhuān)家對(duì)于流量及壓差之間關(guān)系的研究成果,初步研究了鐵精礦管道輸送在彎管處流量與壓差之間的關(guān)系,并通過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真,在彎管直徑為220mm和210mm處,得到了彎管處流量與壓差的關(guān)系曲線圖。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)現(xiàn)整理流量及彎管的壓差部分列于下表。

表1　測(cè)算流量與實(shí)測(cè)流量對(duì)照表

3.1流量與壓差Pa的關(guān)系

現(xiàn)采用國(guó)內(nèi)某知名管道有限公司鐵精礦管道實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),在管道內(nèi)徑D=220mm的條件下,對(duì)流量與壓差的關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證。在流量-壓差的關(guān)系坐標(biāo)系中標(biāo)出相關(guān)數(shù)據(jù)點(diǎn)(如圖1所示)。由圖中可見(jiàn)鐵精礦在流經(jīng)彎管處的流量與壓差并非線性關(guān)系。

3.2流量與壓差關(guān)系式之間的關(guān)系

精鐵礦漿體在流經(jīng)彎管處的流量與壓差之間并非線性關(guān)系,而流量與壓差關(guān)系式之間有著良好的線性關(guān)系,本節(jié)在工業(yè)管道流體輸送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)之上,結(jié)合已有專(zhuān)家在實(shí)驗(yàn)室級(jí)別上的研究成果初步研究并驗(yàn)證了流量與壓差關(guān)系式之間存在著良好的線性關(guān)系。

圖1　流量Q與壓差Pa之間的關(guān)系

圖2　流量Q與壓差關(guān)系式的關(guān)系曲線

(6)

4彎管流量系數(shù)確定

(7)式中,μ為流量的修正系數(shù),也稱(chēng)為彎管流量系數(shù);Kr是和彎管的結(jié)構(gòu)參數(shù)(彎曲曲率比)相關(guān)系數(shù)[10];圓管的彎曲的橫截面面積A=πd2/4,彎管直徑d。因此,彎管流量系數(shù)μ可通過(guò)試驗(yàn)確定,即

(8)

彎管的流量系數(shù)不受管道材質(zhì)、直徑以及管道內(nèi)流體速度等因素影響,可視為一確定的值,可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)和彎管的結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算彎管處流體的流量系數(shù)和平均速度。證明實(shí)驗(yàn)所用的彎管結(jié)構(gòu)參數(shù)可以使彎管的流量系數(shù)有非常好的一致性。因此,可以通過(guò)測(cè)算彎管壓差得出流量。流量系數(shù)與平均速度的分析曲線如圖3所示。

圖3　彎管的流量系數(shù)與管道內(nèi)流體速度的關(guān)系

5實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在國(guó)內(nèi)某知名管道公司建立的礦漿管道輸送的運(yùn)量計(jì)量數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)之上,利用流量與壓差關(guān)系表達(dá)式的關(guān)系測(cè)算出的流量值與該公司實(shí)測(cè)流量值的比較如表2所示。由表2中知,測(cè)算值與實(shí)測(cè)實(shí)誤差相對(duì)較小,相對(duì)誤差在0.36%～1.70%之間。

表2　測(cè)算流量與實(shí)測(cè)流量對(duì)照表

6直管段對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

為了研究彎管的直管段對(duì)彎管壓差的影響,以尺寸為220mm直徑管為例,在彎曲前不同直管段過(guò)程的實(shí)驗(yàn)變化,3D,5D和彎曲后直管段直徑分別2D,5D來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),與彎管的直管段足夠長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較(圖4),可見(jiàn),在不同條件下的直管段,流壓Q和壓差關(guān)表達(dá)式之間的關(guān)系具有很好的一致性。作為檢測(cè)元件,彎管流量對(duì)前后只管段無(wú)嚴(yán)格要求,相關(guān)專(zhuān)家學(xué)者猜想可能是流體流經(jīng)彎管時(shí)并沒(méi)有發(fā)生節(jié)流現(xiàn)象。由流體在流經(jīng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大變化的管口處時(shí),流體會(huì)受到彎管內(nèi)壁給其施加的90°的流向制約,并使得流體沿著彎管作規(guī)律的曲線運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)力的作用,正是由于離心力產(chǎn)生的原因和對(duì)管內(nèi)壁牽引力和外壁牽引力,內(nèi)壁負(fù)方向的流體,且外壁施加的擠壓力是積極的。所以有,彎管段顯示造成了壓力和慣性力量平衡壓力的不均勻分布,并且與管壓差和流量大小,流體密度和曲率等有一定的關(guān)聯(lián)性。

圖4　直管段對(duì)流量與壓差關(guān)系的影響

7結(jié)語(yǔ)

2) 彎管的結(jié)構(gòu)參數(shù)在一定范圍內(nèi),彎管流量系數(shù)與彎管的材質(zhì)、大小無(wú)關(guān)且彎管流量系數(shù)不會(huì)隨著管內(nèi)流速的變化而改變,由此可證明彎管的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定了彎管流量系數(shù)的穩(wěn)定性。

3) 本文在結(jié)合國(guó)內(nèi)某知名管道公司鐵精礦管道輸送運(yùn)行的相關(guān)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)初步研究了鐵精礦管道輸送在彎管道處流量的檢測(cè)研究。并測(cè)算出了鐵精礦管道輸送在彎管道處的流量。

參 考 文 獻(xiàn)

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Detection and Research of Iron Ore Pipeline Flow in Curved Pipe

XIAO Ke1,2XIONG Xin1,2WU Jiande1,2

(1. Faculty of Information Engineering and Automation, Kunming University of Science and Technology, Kunming650500)(2. Engineering Research Center for Mineral Pipeline Transportation of Yunnan Province, Kunming650500)

AbstractDue to the special nature of the physical properties of the pulp slurry, flow measurement and calculation in the transportation process of long distance slurry in the industry is difficult to solve, especially when the slurry flows through the bent pipe flow calculation is even complex. Now slurry pipeline expert studied the relationship between flow and differential pressure between the elbow, and reached the conclusion that elbow pressure and iron ore in flow through the elbow was at a very good linear relationship. Based at a leading domestic pipeline co., LTD. Pulp conveying capacity measurement mathematical model, a preliminary study of slurry in the process of long distance slurry pipeline transport through the flow measurement and calculation of bend pipe is conducted.

Key Wordselbow, flow, pressure, flow coefficient

收稿日期:2015年12月7日,修回日期:2016年1月26日

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào):51169007);云南省科技計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào):2012CA022,2013DH034);云南省中青年學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人后備人才培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào):2011CI017)資助。

作者簡(jiǎn)介:肖克,男,碩士研究生,研究方向:礦漿管道輸送控制檢測(cè)。熊新,男,高級(jí)工程師,研究方向:工業(yè)過(guò)程檢測(cè)技術(shù)、傳感器等。吳建德,男,博士,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向:工業(yè)控制、工業(yè)過(guò)程數(shù)據(jù)分析與建模等。

中圖分類(lèi)號(hào)TP274

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.06.004