寧輝棟 陶志賓 梁福全 陳 敘

(內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司巴潤(rùn)礦業(yè)分公司)

孔板是一種應(yīng)用十分廣泛的水力裝置，最常見的應(yīng)用是孔板流量計(jì)。同時(shí)，孔板因其自身特性，也可作為一種消能裝置。這種裝置在水利水電、石油化工、金屬冶煉等領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。本文介紹一種應(yīng)用在長(zhǎng)距離礦漿管道系統(tǒng)中的消能孔板裝置。由于管道系統(tǒng)運(yùn)行工況發(fā)生變化，為保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，對(duì)消能孔板裝置進(jìn)行了優(yōu)化。

1 消能孔板應(yīng)用情況介紹

某鐵精礦礦漿管道全長(zhǎng)143 km，管徑355.6 mm，設(shè)計(jì)年輸送鐵精礦550萬(wàn)t/a，在國(guó)內(nèi)第1次應(yīng)用消能孔板控制加速流。

1.1 加速流的產(chǎn)生及危害

管道敷設(shè)于地形崎嶇的山區(qū)，由于管線中某段高度落差較大或批量輸送時(shí)漿與水存在比重差等原因?qū)е履芰糠植疾痪?，?dāng)管道內(nèi)漿體能量急劇改變時(shí)，多余的能量自行被消耗，此時(shí)滿管流逐漸演變成不滿管流，不滿管流的流速通常是滿管流流速的數(shù)倍甚至數(shù)十倍[1-2]。這種現(xiàn)象若發(fā)生在未做防護(hù)的管道內(nèi)，將嚴(yán)重磨損管道，縮短管道使用壽命。某鐵精礦礦漿管道地形見圖1，壓力檢測(cè)站附近極易出現(xiàn)加速流，造成管道嚴(yán)重磨損。為避免該問(wèn)題，在距終點(diǎn)站約4.7 km的位置設(shè)置孔板站，內(nèi)設(shè)消能孔板裝置。

1.2 孔板站簡(jiǎn)介

孔板站設(shè)于管線末端，距終點(diǎn)站約4.7 km，站內(nèi)設(shè)有9個(gè)消能孔板，其中3個(gè)固定孔板，6個(gè)活動(dòng)孔板分布于3個(gè)U型環(huán)路，通過(guò)控制閥門閥1、閥2、閥3使活動(dòng)孔板串入或剝離管線?？装逭竟に嚥贾靡妶D2?？装褰M件固定于兩片法蘭之間，孔板后的短管帶內(nèi)襯?？装褰M件直徑471 mm，厚100 mm，其核心為孔徑不等的陶瓷環(huán)?？装逭竟灿?種孔徑的孔板，分別是67.3、76.2、81.3 mm。孔板結(jié)構(gòu)及安裝示意見圖3。

圖1 某鐵精礦礦漿管道地形

圖2 孔板站工藝布置

2 孔板運(yùn)行優(yōu)化

某鐵精礦礦漿管道已運(yùn)行9 a，由于管道結(jié)垢、磨損、腐蝕等原因造成系統(tǒng)運(yùn)行工況不斷發(fā)生變化，為保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，避免壓力檢測(cè)站區(qū)域產(chǎn)生加速流，需要對(duì)孔板孔徑的組合及運(yùn)行方式不斷進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 第1次優(yōu)化

原孔板站至終點(diǎn)站的4.7 km管道管徑為273 mm，該管段流速約為設(shè)計(jì)流速的兩倍，導(dǎo)致該管段磨損嚴(yán)重，多次出現(xiàn)泄漏。為解決該問(wèn)題，將孔板站至終點(diǎn)站的4.7 km管道管徑更換為356 mm。更換完成后孔板站壓力也由原2 000 kPa 降低至約700 kPa。由于這一工況的改變，致使孔板站失去調(diào)節(jié)壓力檢測(cè)站壓力的能力。因此，對(duì)孔板孔徑及運(yùn)行方式進(jìn)行第一次優(yōu)化。

圖3 孔板結(jié)構(gòu)及安裝示意(單位：mm)

根據(jù)趙慧琴[3]、李琳[4]等人的研究，影響孔板消能系數(shù)的因素主要有雷諾數(shù)、孔徑比、距徑比、孔板形狀、孔板組合等，并且當(dāng)雷諾數(shù)大于105時(shí)，相鄰孔板之間消能系數(shù)基本無(wú)影響。該項(xiàng)目雷諾數(shù)約為1.7×105。因此，可以不考慮雷諾數(shù)的影響。

根據(jù)艾萬(wàn)政[5]提出的孔板后回流區(qū)長(zhǎng)度的經(jīng)驗(yàn)公式：

L回=-5.071 8a-0.172 4b2+(-10.432a+4.666 2)b+6.125a2-1.529 3a+3.276

式中，L回為回流區(qū)長(zhǎng)度；a為厚徑比；b為孔徑比。

代入孔板站孔板的參數(shù)，得出孔板后回流區(qū)長(zhǎng)度至少為3.198 m，而孔板站兩孔板之間距離僅為2.1 m。因此，孔板站各孔板之間必定相互影響。并且，根據(jù)歷年孔板運(yùn)行情況，過(guò)流流體密度、流量也影響孔板消能系數(shù)。

結(jié)合實(shí)際情況綜合考慮，認(rèn)為影響孔板消能量的主要是過(guò)流流體密度、流量及孔板孔徑?；诖?，根據(jù)歷年孔板運(yùn)行參數(shù)估算出不同流體、不同孔徑的孔板前后壓差見表1。然后根據(jù)孔板站前后、終點(diǎn)站、壓力檢測(cè)站壓力要求限值，采取簡(jiǎn)單的加減算法對(duì)孔板的孔徑進(jìn)行調(diào)整。最后，通過(guò)實(shí)際運(yùn)行情況驗(yàn)證調(diào)整效果，不斷優(yōu)化。

表1 第1次優(yōu)化不同流體、不同孔徑的孔板前后壓差統(tǒng)計(jì)

工藝上要求壓力檢測(cè)站的壓力必須大于300 kPa，為滿足此要求，無(wú)論孔板站過(guò)水或過(guò)礦(過(guò)流流體為水，簡(jiǎn)稱過(guò)水；過(guò)流流體為礦漿，簡(jiǎn)稱過(guò)礦)孔板站進(jìn)口壓力必須大于4 000 kPa；并且，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，孔板站進(jìn)口壓力大于4 500 kPa時(shí)，壓力檢測(cè)站的壓力在400 kPa以上。孔板站至閥門站的管道更換后，過(guò)水時(shí)孔板站后壓力介于250～280 kPa；過(guò)礦時(shí)，孔板站后壓力介于600～700 kPa。按過(guò)水時(shí)控制閥閥1、閥2、閥3全關(guān)，過(guò)礦時(shí)關(guān)閉閥2或閥3計(jì)，得出調(diào)整后孔板孔徑見表2。

由表2可知，調(diào)整完運(yùn)行后效果良好，過(guò)水時(shí)閥1、閥2、閥3全關(guān)，壓力檢測(cè)站的壓力約500 kPa；過(guò)礦時(shí)，泵速高流量大時(shí)關(guān)閉閥3，壓力檢測(cè)站的壓力約400 kPa；泵速低流量小時(shí)關(guān)閉閥2，壓力檢測(cè)站的壓力約700 kPa。

表2第1次調(diào)整前后孔板孔徑統(tǒng)計(jì)

mm

孔板編號(hào)調(diào)整前調(diào)整后孔板167.367.3孔板267.367.3孔板367.367.3孔板467.367.3孔板581.367.3孔板681.376.2孔板776.267.3孔板876.267.3孔板976.281.3

2.2 第2次優(yōu)化

由于管道結(jié)垢，導(dǎo)致起始站的壓力不斷升高。為降低起始站壓力，對(duì)系統(tǒng)全線進(jìn)行機(jī)械除垢，除垢完成后，沿程阻力損失減小，起始站壓力降低。同時(shí)，孔板站運(yùn)行工況也發(fā)生變化，必須對(duì)孔板站進(jìn)行第2次優(yōu)化。

基于第1次優(yōu)化的參數(shù)及經(jīng)驗(yàn)，主要分析孔板站前后壓力變化。同時(shí)，由于第1次優(yōu)化時(shí)，管道系統(tǒng)受起始站壓力限制，泵速小，流量介于470～490 m3；而第2次優(yōu)化時(shí)，管道系統(tǒng)不受起始站壓力限制，泵速可大可小，流量介于470～520 m3；相同孔徑的孔板，流量越大，孔板前后壓差也越大(見表3)。

表3 第2次優(yōu)化不同流體、不同孔徑孔板前后壓差統(tǒng)計(jì)

機(jī)械除垢后，過(guò)水時(shí)，孔板站后壓力介于200～220kPa；過(guò)礦時(shí)，孔板站后壓力介于500～600kPa；無(wú)論孔板站過(guò)水或過(guò)礦，孔板站前壓力必須大于4000kPa；按過(guò)水時(shí)控制閥閥1、閥2、閥3全關(guān)，過(guò)礦時(shí)閥1、閥2、閥3全開或關(guān)閉閥2或閥3計(jì)，得出調(diào)整后孔板孔徑，見表4。

表4第2次調(diào)整前后孔板孔徑統(tǒng)計(jì)mm

孔板編號(hào)調(diào)整前調(diào)整后孔板167.367.3孔板267.367.3孔板367.367.3孔板467.367.3孔板567.376.2孔板676.276.2孔板767.367.3孔板867.367.3孔板981.381.3

由表4可知，調(diào)整完運(yùn)行后效果良好，過(guò)水時(shí)閥1、閥2、閥3全關(guān)，壓力檢測(cè)站壓力約450 kPa；過(guò)礦時(shí)，泵速高流量大時(shí)閥1、閥2、閥3全開，壓力檢測(cè)站的壓力約350 kPa；泵速低流量小時(shí)關(guān)閉閥2，壓力檢測(cè)站的壓力約700 kPa；中等泵速正常流量時(shí)關(guān)閉閥3，壓力檢測(cè)站的壓力約800 kPa。

3 結(jié) 論

(1)成套、固定的孔板消能裝置中，影響消能系數(shù)的主要因素是孔板過(guò)流流體密度、流量及孔徑大小，優(yōu)化的手段主要是改變孔板孔徑及孔板組合。

(2)通過(guò)兩次對(duì)孔板站內(nèi)孔板孔徑及運(yùn)行方式進(jìn)行調(diào)整，使壓力檢測(cè)站的壓力滿足工藝要求，保證了系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行。

(3)通過(guò)采用估算法對(duì)孔板站進(jìn)行優(yōu)化雖然滿足了工程需要，但存在較多弊端，僅適用于有歷史數(shù)據(jù)支撐的成型系統(tǒng)，對(duì)于新建系統(tǒng)，還需要尋求更為科學(xué)的方法。