CN106948820B - 一种集成液力与空气提升的深海采矿提升系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于深海采矿技术领域，具体的是一种集成液力与空气提升的深海采矿提升系统。本发明包括海面采矿船、矿物存储容器、提升立管、液力提升源；所述提升立管由矿物存储容器向上敷设至海面采矿船，并在液力提升源的驱动下将混合物由矿物存储容器向海面采矿船输送；在海面采矿船安装有空气压缩容器，在提升立管上设有上管道接入点和空气注入管，所述空气注入管一端连接于上管道接入点，另一端连接于空气压缩容器的出口。本发明的有益效果是：无需大幅度增加液力提升源的功率和数量，简化了结构，并节约了输入能量。提升立管等管道采用柔性管道，更能适应恶劣海况环境下的海底采矿工作。
Description
技术领域
本发明属于深海采矿技术领域，具体的是一种应用于深海的海底采矿垂直提升系统。
背景技术
地球上大部分面积都覆盖着水，在海洋不同深处，蕴藏着大量的海底矿产，其储备量和含量，都是大陆无法比拟的，由于矿产不同于石油，这主要体现在把矿物从海底运输到陆地上的方式具有很大的不同。一方面，其输送方式完全不同，输送难度较大；另一方面，生产效率和经济性也是一个重要的考虑因素，同时，由于在深海开采，技术难度和复杂性都非常高，这就对技术要求方案提出了很大的挑战。
一般情况下，一套完整的海底采矿系统包括如下几个组成部分：
海底采矿车，包括深海矿物切削机器，研磨机器，收集机器等，负责海底矿产开采，矿物碎化颗粒成型及矿物收集，并将其输送到提升系统的矿物储存容器里。
垂直提升系统，负责将储存在提升系统底部的矿物储存容器里的矿物通过提升装置输送到海面船上。
海面采矿船：负责整个采矿系统的组织，操作，矿物收集，海底操作组织和控制等。是整个系统组织，管理及控制中心。
矿物转运船(系统)：将海面采矿船上的所采集的矿物，在经过初步处理后，再转运到岸上进行矿物加工。
海底采矿车工作在海底，进行矿产开采和收集，它通过专用软管和提升系统底部的矿物储存容器相连接，这就保证了在提升系统相对固定的位置上，开采车可以在四周一定范围内开展采矿活动，形成一定区域的采矿区。通常情况下，在同一提升系统的支撑下，可以部署多个采矿车进行采矿，以提高效率。它将所收集的矿物输送到提升系统底部的矿物矿物储存容器中；提升系统则负责将矿物储存容器中的矿物从海底提升到位于海面的海面支撑船中，提升系统顶部和海面采矿船相连接；而海面开采船则负责对整个采矿过程的控制、工作流程组织、管理及操作、能源输送、矿物初步处理及储存等功能：矿物转运船(系统)则将初步处理的矿物转运到岸基系统进行进一步加工。
关于海底采矿垂直提升系统，一般情况下，目前处于正在研究和实验验证，初步应用阶段所采用的提升系统主要包括：“空气提升系统”、“液力提升系统”、“机械式提升系统”等。
空气提升系统通过一个空气管道将高压压缩空气导入到位于矿物输送用的海洋立管底部，利用空气比重低的特点，在提升立管中形成上升流，从而带动矿物上升，目前，已经实验验证了可以对4500米深海的矿物进行有效提升，但所需要的能耗巨大，提升过程和出口状态难于控制，随着海底深度的增加，所需的能耗急剧增加。
液力提升系统通过在提升立管上安装液力泵，利用液力泵在工作时所产生一定压力输出，在提升立管中形成一定压力头，产生上升液体，从而带动矿物提升。一般情况下，可以较高效率实现对对深海矿物提升，该这样模式下，其对提升泵的性能要求高。目前主要采用离心泵和隔膜泵作为液力提升泵，为了实现可靠提升，确保提升压力足够，也可在提升立管上，串联一系列泵(如离心式泵)，以实现接力提升，这也是目前主流和有效提升方式。
机械式提升方式则是利用机械方式运载所开采的矿物，可将矿物装载于容器中，采用机械方式将其提升到海面支撑船内，其优点在于简单，效率较高，易于实施，成本较低，受矿物种类及切削开采的影响较小，在海底开采提升系统中，在一定的环境和要求下，是比较好的选择方案，特别适合于不太深的海洋采矿提升。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单并有利于节约输入能量的适合深海的海底采矿垂直提升系统。
本发明采用的技术方案是：一种液力提升与空气提升组合的深海采矿垂直提升系统，包括海面采矿船、矿物存储容器、提升立管、液力提升源；所述提升立管由矿物存储容器向上敷设至海面采矿船，并在液力提升源的驱动下将混合物由矿物存储容器向海面采矿船输送；在海面采矿船安装有空气压缩容器，在提升立管上设有上管道接入点和空气注入管，所述空气注入管一端连接于上管道接入点，另一端连接于空气压缩容器的出口。
进一步的，所述液力提升源包括位于海底的PD隔膜泵、安装于海面采矿船的海水注入泵、顶端与海水注入泵相连的海水注入管和海水排出管；所述PD隔膜泵隔膜的一侧为混合物腔室，另一侧为海水腔室；PD隔膜泵上设有：
连接混合物腔室与矿物存储容器的混合物进口阀；连接混合物腔室与提升立管底端的混合物出口阀；连接海水腔室与海水注入管底端的海水进口阀；连接海水腔室与海水排出管的海水出口阀。
进一步的，所述PD隔膜泵有多个，各个PD隔膜泵的混合物进口阀的入口端连接在一起；各个PD隔膜泵的混合物出口阀的出口端连接在一起；各个PD隔膜泵的海水进口阀的入口端连接在一起；各个PD隔膜泵的海水出口阀的出口端连接在一起。
进一步的，所述提升立管为柔性管道，在提升立管上安装有使提升立管形成驼峰状的浮筒。
进一步的，在提升立管驼峰形状下端设有下管道接入点和轻质液体注入管，所述轻质液体注入管一端连接于下管道接入点，另一端连接于船上轻质液体输出泵出口。
进一步的，所述海水注入管、海水排出管、轻质液体注入管、主提升管和空气注入管均为柔性管道，且海水注入管、海水排出管、轻质液体注入管与提升立管集束在一起。
进一步的，在上管道接入点处且在空气注入管入口下方安装有第一传感器；在提升立管的空气主入口处安装有第二传感器；在提升立管出口处安装有第三传感器；空气注入管的上端与空气压缩容器通过调节阀门连接；所述调节阀门与第一传感器、第二传感器以及第三传感器通讯连接，并根据其采样数据和控制模型进行控制调节。
进一步的，在提升立管的顶端安装有防喷涌装置。
进一步的，所述防喷涌装置包括防喷涌本体、泄压阀和消音器，贯通防喷涌本体设有与提升立管顶端连通的混合物提升通道，混合物提升通道的下段为入口区域，中段为小直径区域、上段为喇叭口扩展区；在防喷涌本体上设有与小直径区域连通的泄压孔，所述泄压阀入口端连接于泄压孔的末端，出口端与消音器相连接。
进一步的，所述PD隔膜泵和矿物存储容器载运于可驱动行走的履带式车体上。
本发明的有益效果是：本发明采用在提升立管上部适当位置，通过引入一个空气注入管来实现实现对提升立管的管道接入点位置处的海水及矿物混合物进行空气接力提升，从而可以增加海底矿物的提升深度，能够实现2000到5000米范围内的深海海底采矿。无需大幅度增加液力提升源的功率和数量，简化了结构，并节约了输入能量。提升立管等管道采用柔性管道，更能适应恶劣海况环境下的海底采矿工作。
附图说明
图1为本发明整体结构组成及原理图；
图2为PD隔膜泵提升结构示意图；
图3为PD隔膜泵的工作原理图；
图4为空气注入及提升压力调控系统原理图；
图5为基于空气提升系统中的防喷涌装置结构示意图；
图6为管道集束示意图。
海水注入泵1、防喷涌装置2、海面采矿船3、空气压缩容器4、空气注入管5、上管道接入点6、提升立管7、浮筒8、海底采矿车9、矿物存储容器10、压力泵11、PD隔膜泵12、混合物进口阀13、混合物出口阀14、海水进口阀15、海水出口阀16、海水注入管17、海水排出管18、第一传感器19、第二传感器20、第三传感器21、调节阀门22、履带式车体23、下管道接入点24、轻质液体注入管25、防喷涌本体210、混合物提升通道211、泄压孔220、泄压阀230、消音器240。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明如下：
如图1所示的一种液力提升与空气提升组合的深海采矿垂直提升系统，包括海面采矿船3、矿物存储容器10、提升立管7、液力提升源；所述提升立管7由矿物存储容器10向上敷设至海面采矿船3，并在液力提升源的驱动下将混合物由矿物存储容器10向海面采矿船3输送；在海面采矿船3安装有空气压缩容器4，在提升立管7上设有上管道接入点6和空气注入管5，所述空气注入管5一端连接于上管道接入点6，另一端连接于空气压缩容器4的出口。
液力提升源作为动力源，在工作时所产生一定压力输出，在提升立管7中形成一定压力头，产生上升液体，从而带动矿物提升，当液力提升源所提供的提升力不足以支撑对矿物在整个深度的输送时，通常采用增加液力提升源的功率和数量来完成，这势必造成整个动力源需要很大的输入能量，同时体积增加，控制复杂化，安装和使用可靠性变差。因此，本方案采用在提升立管7上部适当位置，通过引入一个空气注入管5来实现空气接力提升，该空气注入管5顶端与海面采矿船3上的空气压缩容器4的出口相连，并通过伺服阀门控制空气压缩容器4的输出压力和流量，当矿物和海水被提升到该高度位置时，通过注入一定压力和流量的空气，压缩的空气在空气中膨胀上行，从而带动矿物及海水一同上行，实现对提升立管7的上管道接入点6位置处的海水及矿物混合物进行空气接力提升，从而可以增加海底矿物的提升深度，能够实现2000到5000米范围内的海底采矿深度。无需增加液力提升源的功率和数量，简化了结构，并节约了输入能量。
如图2所示，优选的，所述液力提升源包括位于海底的PD隔膜泵12、安装于海面采矿船3的海水注入泵1、顶端与海水注入泵1相连的海水注入管17；所述PD隔膜泵12隔膜的一侧为混合物腔室，另一侧为海水腔室；PD隔膜泵12上设有：
连接混合物腔室与矿物存储容器10的混合物进口阀13；连接混合物腔室与提升立管7底端的混合物出口阀14；连接海水腔室与海水注入管17底端的海水进口阀15；连接海水腔室与海水排出管18的海水出口阀16。
矿物存储容器10通过一个压力泵11和PD隔膜泵12的入口相连，该压力泵11提供一个输入压力，将矿物存储容器10的矿物海水混合物泵入到PD隔膜泵12。在图3中，当与PD隔膜泵12相连接的海水出口阀16开启，同时混合物进口阀13也开启，此时，PD隔膜泵12处于混合物吸入状态时，矿物海水混合物被吸入到PD隔膜泵12的舱室中，直到完全充满该腔室；等待PD隔膜泵12进入到泵出状态时，此时，PD隔膜泵12的海水出口阀16关闭，同时混合物进口阀13也关闭，而海水进口阀15和混合物出口阀14开启，此时，在注入海水压力的作用下，隔膜移动，将舱室内的混合物挤压到到与之相连接的提升立管7中，并形成一定压力提升矿物海水混合物上行。PD隔膜泵的工作原理如图3所示，包括四个阶段：
1)：混合物进口阀13开启，矿物海水混合物从矿物存储容器10中被泵入到PD隔膜泵12的混合物腔室，在这个过程中，PD隔膜泵12的海水出口阀16开启，PD隔膜泵12海水腔室内的海水被压出到海洋中。
2)：当PD隔膜泵12混合腔室被混合物完全充满后，其混合物进口阀13关闭，海水出口阀16也同时关闭。
3)：PD隔膜泵12的海水进口阀15和混合物出口阀14打开，由于注入海水压力作用，推动隔膜阀移动，逐渐增加混合物腔室的压力，当压力达到一定值时，混合腔室内的混合矿物就开始流入到提升立管7；
4)：当PD隔膜泵12被持续注入海水，直到整个海水腔室充满海水，此时，海水进口阀15和混合物出口阀14关闭，舱室内的海水压力等于海面采矿船3上的海水注入泵1的压力，并大大高于海底四周的海水压力。
这四个阶段不断重复，确保了PD隔膜泵具有提升海底矿物的能力。
为了确保PD隔膜泵组提升矿物混合物的连续性和降低提升压力波动，保持一定较为恒定的提升压力。在实际应用中，通常采用多个PD隔膜泵12组成的PD隔膜泵组，即，所述PD隔膜泵12有多个，各个PD隔膜泵12的混合物进口阀13的入口端连接在一起；各个PD隔膜泵12的混合物出口阀14的出口端连接在一起；各个PD隔膜泵12的海水进口阀15的入口端连接在一起；各个PD隔膜泵12的海水出口阀16的出口端连接在一起。在图2仅示意出4个PD隔膜泵12，根据需要可以选用3个或者5个等PD隔膜泵12。每个PD隔膜泵12的工作过程均完全一致，只是在启动时间上，依次保持一定的时间滞后，从而保证其输出提升压力保持较为恒定，混合矿物输入也保持一定连续状态。
为了适应复杂恶劣海况下的采矿和管道运动耦合及额外相互作用力的影响，所述提升立管7为柔性管道。柔性管道可以自行抵消因波浪等因素造成海面采矿船3的运动，传统的重力补偿系统不再需要，增加了海底采矿提升系统的安全性和适应性；降低采矿提升风险；无需重力补偿系统的投入，从而在一定程度上简化了提升系统结构，在总体上降低了成本。
为了进一步确保柔性管道的可靠性和安全性。在提升立管7上安装有使提升立管7形成驼峰状的浮筒8。使得提升立管7成驼峰状，因此提升立管7有多余余量来抵消海底不同采矿平面高度变化而引起的垂直高度变化，不需要进行专门调整。
由于提升立管7采用柔性管并在提升高度空间山形成驼峰状，这就可能导致混合提升物在管道中可能出现一定的阻塞情况发生。特别是在驼峰状的峰底部分，更容易形成矿物阻塞效应，一旦阻塞形成，会严重的影响到整个提升效率，并难以消除。为了解决这一问题，在提升立管7驼峰最下端，通过设置一个下管道接入点24，并和轻质液体注入管25相连接。轻质液体注入管25上端连接于船上的轻质液体注入泵(图中未画出)。下管道接入点24的结构和上管道接入点6的结构相同。并在内部也同样布置有相应的压力检测传感器，轻质液体注入泵可以根据其下管道接入点24的压力传感器所检测的压力数据进行调节轻质液体输入压力控制，从而在整个过程中，通过控制注入轻质液体，来实现对该驼峰段堵塞预防和排除。
所述海水注入管17、海水排出管18和空气注入管5，轻质液体注入管25均为柔性管道，且海水注入管17、海水排出管18、轻质液体注入管25与提升立管7集束在一起。如图6所示，管道集束装置按一定间隔安装布置，确保所有被集束在一起的管道在海水中的配置形状也和提升立管7一致，这样可以保证其整个提升管道的一致性，方便安装和操作。
由于空气提升方式的压缩空气在提升立管7中上升，同时又和矿物海水混合，其体积及形态变化无常，难于控制，这就使得当采用空气提升时，矿物被提升到海面采矿船3后，喷出压力难于控制，出现一定的喷涌现象，导致矿物海水被高速喷出，造成噪声和危险。为了使得提升空气在提升过程中可控，需要结合空气对混合物的提升状况，对空气的输入压力进行调节控制，故，如图4所示，在上管道接入点6处且在空气注入管5入口下方安装有第一传感器19；在提升立管7的空气主入口处安装有第二传感器20；在提升立管7出口处安装有第三传感器21；空气注入管5的上端与空气压缩容器4通过调节阀门22连接；所述调节阀门22与第一传感器19、第二传感器20以及第三传感器21通讯连接。第一传感器19用于检测海水混合物到达该位置时的压力值，第二传感器20用来检测注入空气压力值，第三传感器21用于检测提升系统出口处的压力值。调节阀门22作为空气提升系统中空气注入流量控制机构，通过采集如图5中所示的第一传感器19、第二传感器20以及第三传感器21采集的压力值作为反馈信息，基于提升立管7中的混合流的动态模型，按一定的控制律来控制调节阀门22的开度，从而实现对注入空气流量及压力的控制，可在一定程度上实现对空气提升系统的压力和提升能力主动控制。一般来说，其控制的目标首先确保空气提升系统可以将矿物接力提升到海面采矿船3，满足功能要求，同时，也要确保整个提升过程安全可靠，防止出现大压力过大，及气体，液体和矿物混合物在急剧压力波动状态下的的喷涌现象。
尽管通过调节注入空气压力来确保空气提升系统在一定程度上可控，但由于整个空气提升过程的复杂性，以及难于对注入空气在提升过程中进行控制，这就使得仅仅依靠该手段，要完全控制好空气矿物海水混合物的出口状态，不一定可以完全控制喷涌，故，在提升立管7的最上端出口处安装有防喷涌装置2。
如图5所示，防喷涌装置2包括防喷涌本体210、泄压阀230和消音器240，贯通防喷涌本体210设有与提升立管7顶端连通的混合物提升通道211，混合物提升通道211的下段为入口区域，中段为小直径区域、上段为喇叭口扩展区；在防喷涌本体210上设有与小直径区域连通的泄压孔220，所述泄压阀230入口端连接于泄压孔220的末端，出口端与消音器240相连接。当空气提升压力过高时，该防喷涌装置2进行被动的泄压，并减少喷涌噪音。具体工作过程为：当压力超过设定压力时，防喷涌装置2上的多个泄压孔220在压力差作用下自动将泄压阀230打开，提升立管7中的部分空气在压力差的作用下通过这些泄压孔220泄压，同时，消音器240消除这些泄压气流产生的噪音；通过这次泄压后，混合物中的空气压力得到降低，压力值被限制在一定的范围内，此时，混合物仍在一定的压力下向上提升，很快进入到一个小直径区域，使其混物物提升受到一定阻力，压力增加，其结果使得空气进一步被压缩进泄压孔220进行泄压。通过该装置上的泄压孔220，在一定程度上控制提升到该位置的混合体特别是其气体的压力处于特定的范围，即满足提升条件，又不至于压力太大而出现喷涌。混物物继续提升进入一个喇叭口扩张区域，这就使得整个混合物的压力进一步下降到这个系统可以可控制的状态，在这个状态下，便可实现矿物和海水自然分离。
由于深海洋流影响，整个提升系统底部可能会发生一定的偏移，从而对整个提升系统造成一定的影响，因此，所述PD隔膜泵组和矿物存储容器10载运于可驱动行走的履带式车体23上。通过在整个提升系统底部采用可以驱动的履带式车体23并直接坐实海底的方式来减少整个提升系统在纵向偏移，确保了采矿底部位置可以尽量不受海底洋流的影响。当需要调整采矿区域时，可以通过履带式车体23调整采矿区域，带动PD隔膜泵组和矿物存储容器10一同移动，从而非常方便地实现在一定的采矿范围矿产开采。
Claims (1)
1.一种集成液力与空气提升的深海采矿提升系统，包括海面采矿船(3)、矿物存储容器(10)、提升立管(7)、液力提升源；所述提升立管(7)由矿物存储容器(10)向上敷设至海面采矿船(3)，并在液力提升源的驱动下将混合物由矿物存储容器(10)向海面采矿船(3)输送；其特征在于：在海面采矿船(3)安装有空气压缩容器(4)，在提升立管(7)上设有上管道接入点(6)和空气注入管(5)，所述空气注入管(5)一端连接于上管道接入点(6)，另一端连接于空气压缩容器(4)的出口；
所述液力提升源包括位于海底的PD隔膜泵(12)、安装于海面采矿船(3)的海水注入泵(1)、顶端与海水注入泵(1)相连的海水注入管(17)和海水排出管(18)；所述PD隔膜泵(12)隔膜的一侧为混合物腔室，另一侧为海水腔室；PD隔膜泵(12)上设有：
连接混合物腔室与矿物存储容器(10)的混合物进口阀(13)；连接混合物腔室与提升立管(7)底端的混合物出口阀(14)；连接海水腔室与海水注入管(17)底端的海水进口阀(15)；连接海水腔室与海水排出管(18)的海水出口阀(16)；
所述PD隔膜泵(12)有多个，各个PD隔膜泵(12)的混合物进口阀(13)的入口端连接在一起；各个PD隔膜泵(12)的混合物出口阀(14)的出口端连接在一起；各个PD隔膜泵(12)的海水进口阀(15)的入口端连接在一起；各个PD隔膜泵(12)的海水出口阀(16)的出口端连接在一起；
在上管道接入点(6)处且在空气注入管(5)入口下方安装有第一传感器(19)；在提升立管(7)的空气主入口处安装有第二传感器(20)；在提升立管(7)出口处安装有第三传感器(21)；空气注入管(5)的上端与空气压缩容器(4)通过调节阀门(22)连接；所述调节阀门(22)与第一传感器(19)、第二传感器(20)以及第三传感器(21)通讯连接，并根据其采样数据和控制模型进行控制调节；
在提升立管(7)的顶端安装有防喷涌装置(2)；所述防喷涌装置(2)包括防喷涌本体(210)、泄压阀(230)和消音器(240)，贯通防喷涌本体(210)设有与提升立管(7)顶端连通的混合物提升通道(211)，混合物提升通道(211)的下段为入口区域，中段为小直径区域、上段为喇叭口扩展区；在防喷涌本体(210)上设有与小直径区域连通的泄压孔(220)，所述泄压阀(230)入口端连接于泄压孔(220)的末端，出口端与消音器(240)相连接；
所述PD隔膜泵(12)和矿物存储容器(10)载运于可驱动行走的履带式车体(23)上。
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