CN106678054A - 一种深海采矿矿浆泵的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深海采矿矿浆泵的设计方法，所述方法包括如下：第一步，矿浆泵的设计扬程分析，根据流体的动量方程、连续方程和能量方程得固液两相流的伯努利方程；第二步：矿浆泵的设计流量分析，根据大洋多金属结核中试采矿系统的技术指标中给定的湿结核矿石开采量，推算出扬矿硬管内矿石的体积流量；第三步：矿浆泵的几何参数计算，对叶轮及空间导叶的几何参数进行计算；第四步：矿浆泵设计参数的计算结果与分析。本发明的深海采矿矿浆泵的设计方法，适当增大叶片进口角可改善矿浆泵的抗气蚀性能；通过试验验证了数值分析方法用于预测矿浆泵的工作性能的准确性。

Description

一种深海采矿矿浆泵的设计方法

技术领域

本发明涉及一种采矿矿浆泵的设计方法，具体涉及一种深海采矿矿浆泵的设计方法，属于深海采矿技术领域。

背景技术

海洋占整个地球面积的71%，约3.6亿平方公里。调查结果表明，陆地上的许多金属和非金属矿在海洋中都已发现，而且有些矿藏的储量巨大。海底矿产资源主要分为海水中溶解的矿物、海底表层矿床和海底基岩矿床； 海水中溶解的矿物，世界海洋中约有13.7亿立方公里海水，其中含有80多种元素，目前人们较为熟悉的有60多种；海底表层矿床，海底表层矿床大都呈散粒状或结核状，存在于海底各类松散沉积层中，可以用采矿船进行开采，这种矿床根据所处位置又分为大陆架资源、大陆坡大陆裙底资源和深海底资源三种；在大陆架上的海底表层矿床中，非金属矿物如贝壳或砂砾的数量占矿床总体积的50%以上，重矿物如钛铁矿和锡石数量仅占矿床总体积的10%以下，稀有和贵重金属如金刚石或金只占矿床体积的百万分之几，在深度范围为200～3500m的大陆斜坡上有两种重要的自生矿物资源，呈砂粒状、结壳状或结核状的磷钙土以及呈软泥状或块状的热液矿床，在3500～6000m的深海，最重要的矿物资源是遍布各处的锰结核，在洋底呈不连续分布，有的密集，有的稀疏，北太平洋被认为是密集区，其它深海的软泥中含有不同数量的二氧化硅、碳酸钙、铜和锌；海底基岩矿床，海底基岩矿包括非固态的石油、天然气和固态的硫磺、岩盐、钾盐、煤、铁、铜、镍、锡和重晶石等，海底石油和天然气分布范围最广，石油可采储量估计为1350亿吨，海底煤矿分布广储量丰富；海洋采矿是从海水、海底表层沉积物和海底基岩下获取有用矿物的过程，海洋采矿一般分为三个方面：一是海水化学元素中含有大量的有用金属和非金属元素，如钠、镁、铜、金、铀和重水等，可以从海水中提取食盐、镁、溴、钾、碘和重水等多种有用元素；二是海底表层矿床开采，即海底基岩以上的沉积矿层或砂矿床；目前已经进行开采的有海滨砂矿、砂、砾石和贝壳等；三是海底基岩矿开采，指那些存在于海底岩层中和基岩中的矿产；目前已经开采的有海洋石油和天然气，海底煤、铁、硫、岩盐和钾盐等。

发明内容

（一）要解决的技术问题

为解决上述问题，本发明提出了一种深海采矿矿浆泵的设计方法，适当增大叶片进口角可改善矿浆泵的抗气蚀性能；通过试验验证了数值分析方法用于预测矿浆泵的工作性能的准确性。

（二）技术方案

本发明的深海采矿矿浆泵的设计方法，所述方法具体如下：

第一步，矿浆泵的设计扬程分析，根据流体的动量方程、连续方程和能量方程得固液两相流的伯努利方程；

第二步：矿浆泵的设计流量分析，根据大洋多金属结核中试采矿系统的技术指标中给定的湿结核矿石开采量，推算出扬矿硬管内矿石的体积流量；

第三步：矿浆泵的几何参数计算，对叶轮及空间导叶的几何参数进行计算；

第四步：矿浆泵设计参数的计算结果与分析。

（三）有益效果

与现有技术相比，本发明的深海采矿矿浆泵的设计方法，将多金属结核从1000m和6000m海底提升至海面，矿石体积分数为10%时，所需泵扬程为130.05 m和735.17m，所需矿浆泵的级数较多，带来矿浆泵制造上的困难；矿石体积分数为5%时，所需泵扬程为78.04m和440.63 m，矿石开采效率较低，采矿成本升高；因此，输送矿石体积分数控制在8%时较为合理；叶轮叶片数为4~5，叶片太少，难以达到系统所需泵的扬程；叶片太多，泵水力效率过低，适当增大叶片进口角可改善矿浆泵的抗气蚀性能；通过试验验证了数值分析方法用于预测矿浆泵的工作性能的准确性。

具体实施方式

一种深海采矿矿浆泵的设计方法，所述方法具体如下：

第一步，矿浆泵的设计扬程分析，根据流体的动量方程、连续方程和能量方程得固液两相流的伯努利方程；

第二步：矿浆泵的设计流量分析，根据大洋多金属结核中试采矿系统的技术指标中给定的湿结核矿石开采量，推算出扬矿硬管内矿石的体积流量；

第三步：矿浆泵的几何参数计算，对叶轮及空间导叶的几何参数进行计算；

第四步：矿浆泵设计参数的计算结果与分析。

本发明的深海采矿矿浆泵的设计方法，根据深海中试采矿系统的工作特点以及矿浆泵的特殊使用环境，矿浆泵必须具备高扬程、低流量和通过大颗粒的能力，为此矿浆泵采用极大流量水力设计法设计，以扩大叶轮流道宽度，并使其在低流量下工作。

将多金属结核从1000m和6000m海底提升至海面，矿石体积分数为10%时，所需泵扬程为130.05 m和735.17m，所需矿浆泵的级数较多，带来矿浆泵制造上的困难；矿石体积分数为5%时，所需泵扬程为78.04m和440.63 m，矿石开采效率较低，采矿成本升高；因此，输送矿石体积分数控制在8%时较为合理；叶轮叶片数为4~5，叶片太少，难以达到系统所需泵的扬程；叶片太多，泵水力效率过低，适当增大叶片进口角可改善矿浆泵的抗气蚀性能；通过试验验证了数值分析方法用于预测矿浆泵的工作性能的准确性。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (1)

1.一种深海采矿矿浆泵的设计方法，其特征在于：所述方法包括如下：

第一步，矿浆泵的设计扬程分析，根据流体的动量方程、连续方程和能量方程得固液两相流的伯努利方程；

第二步：矿浆泵的设计流量分析，根据大洋多金属结核中试采矿系统的技术指标中给定的湿结核矿石开采量，推算出扬矿硬管内矿石的体积流量；

第三步：矿浆泵的几何参数计算，对叶轮及空间导叶的几何参数进行计算；

第四步：矿浆泵设计参数的计算结果与分析。