CN106969263B - 膏体矿浆管道沿程输送阻力动态修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种膏体矿浆管道沿程输送阻力动态修正方法，首先对沿程阻力进行理论计算，得到理论计算值；然后在现场选择具有代表性的一段水平输送管段和竖直输送管段，测定计算上述两个输送管段的输送阻力，根据输送阻力分别计算水平输送管段和竖直输送管段的沿程阻力；将沿程阻力的理论计算值与测定值进行比较，得到输送动态修正系数；利用动态修正系数对沿程阻力理论计算值进行动态修正，得到整个系统的实际输送阻力。本发明根据实时监测得到的参数进行计算，随时修正程阻力理论值，从而得到实时的沿程阻力值，根据实时的沿程阻力不同，利用控制器自动调整输送泵适宜的输送压力，从而保证最大程度的节约能源并延长输送泵及配套电机的寿命。

Description

膏体矿浆管道沿程输送阻力动态修正方法

技术领域

本发明涉及矿山膏体输送技术。

背景技术

在矿山中，为防止采空区地表沉降，有的采取膏体矿浆充填开采方式。在膏体矿浆充填过程中，膏体状高浓度矿浆的输送是充填过程中的重要一环，其中输送阻力是非常关键的参数。该参数既影响管道、输送泵的选型，也会影响生产过程中的能耗，若处理不当甚至会影响正常的生产秩序。

目前，关于膏体输送沿程阻力损失的确定方法，通常是采用仪器测试矿浆流变参数，然后再利用理论公式进行计算。研究表明，高浓度矿料浆可近似地视为宾汉(Bingham)黏塑性体，其管道输送的流变方程可用布金汉方程描述。料浆管道输送的流体阻力损失计算公式为：

式中：i_cal——由理论计算得到的沿程阻力损失，Pa/m；

τ₀——料浆屈服应力，Pa；

v——料浆流速，m/s；

μ——料浆黏度，Pa·s；

D——管径，m。

通过公式(1)可以看出，膏体料浆的流体阻力损失取决于料浆本身的性质参数，即料浆屈服应力τ₀、料浆黏度μ，以及料浆流速v和管道的直径D。通过测量τ₀和μ就能够确定管流沿程阻力，在相同输送管径D和速度v下，料浆的屈服应力τ₀和粘度μ越大，料浆的阻力损失i_cal就越大。在实际应用中，由于仪器精度、实验操作以及公式本身的局限性等问题，公式(1)计算的i_cal值会存在一定的误差。

除了上述方法，还有管道输送试验测定法。管道输送试验测定法是直接通过测定水平直管段的压差，进而计算沿程阻力损失，试验结果相对准确，但仍存在不足；这是由于在高浓度矿浆输送过程中既存在水平管道输送，也存在竖直管道输送过程，对于竖直管道输送，通常是将竖直压差与水平沿程阻力相加，但是与水平管道相比，竖管的输送条件会发生变化，主要体现在矿浆中固体颗粒与矿浆中水的相对速度发生了改变。因此沿程阻力与实际数值并不一致。

事实上，高浓度矿浆输送过程中，矿浆的流变性质会受多种因素影响，如温度、剪切速率、压力等。上述几方法得到的i_cal值都是固定的输送阻力值或者相关参数值，并未考虑实际生产中各参数会发生变化这一情况。综上可以看出，实际生产中的沿程阻力值是动态变化的，并且水平管段与竖直管段的沿程阻力并不一致。除此之外，管道材质也是影响输送阻力的因素之一。所以，必须通过实际测量和动态反馈修正相结合才能够获得较为准确的i_cal值。

发明内容

为了能够获得较为准确的确定膏体矿浆管道沿程输送阻力，需要对料浆管道输送的流体阻力损失理论计算i_cal值进行修正，本发明提出了i_cal值的动态修正方法。

一种膏体矿浆管道沿程输送阻力动态修正方法，其特征在于：具体步骤如下：

第一步，首先对高浓度矿浆流变参数料浆屈服应力τ₀和料浆黏度μ进行测定，然后利用布金汉方程对沿程阻力进行理论计算，得到理论计算值i_cal；式中：

i_cal——由理论计算得到的沿程阻力损失，Pa/m；

τ₀——料浆屈服应力，Pa；

v——料浆流速，m/s；

μ——料浆黏度，Pa·s；

D——管径，m；

第二步，在现场选择具有代表性的一段长度为L1的水平输送管段和长度为L2的竖直输送管段，测定计算上述两个输送管段的输送阻力ΔP_水平测定值和ΔP_竖直测定值；测定时在上述两个输送管段的两端处分别安装上压力变送器，同时测得水平输送管段两端处的压力值P1和P2，竖直输送管段两端处的压力值P3和P4，P1和P2之差为ΔP_水平测定，P3和P4之差为ΔP_竖直测定；在输送管段上安装浓度计以及流量计，可以实时测定矿浆密度ρ以及流速v；

第三步，根据ΔP_水平测定值和ΔP_竖直测定值分别计算水平输送管段和竖直输送管段的沿程阻力；

水平管段沿程阻力：

i_水平测定＝ΔP_水平测定/L1 (2)

式中：i_水平测定——水平管段沿程阻力测定值，Pa/m；

ΔP_水平测定——水平管段阻力测定值，Pa；

L1——测试过程中选取的水平管段长度，m；

竖直管段沿程阻力：

i_竖直测定＝(ΔP_竖直测定-ρ·g·L2·sinβ)/L2 (3)

式中：i_竖直测定——竖直管段沿程阻力测定值，Pa/m；

ΔP_竖直测定——竖直管段阻力测定值，Pa；

g——重力加速度，9.81m/s²；

ρ——矿浆密度，利用浓度计测定的数据计算得到，kg/m³；

β——竖直管段与水平地面的夹角(β≤90°)，度；

L2——测试过程中选取的竖直管段长度，m；

第四步，将第一步得到的理论计算值i_cal与第三步得到的水平管段沿程阻力测定值测i_水平测定和竖直管段沿程阻力测定值i_竖直测定进行比较，分别得出水平输送动态修正系数α_水平、竖直输送动态修正系数α_竖直，计算公式如下：

α_水平＝i_水平测定/i_cal (4)

α_竖直＝i_竖直测定/i_cal (5)

第五步，利用第四步得到的动态修正系数对沿程阻力理论计算i_cal值进行动态修正，得到整个系统的实际输送阻力P，计算公式如下：

P＝α_水平·i_cal·L_水平总+α_竖直·i_cal·L_竖直总+ρ·g·ΔH (6)

式中：P——输送管段总阻力，Pa；

L_水平总——水平管段总长度，m；

L_竖直总——竖直管段长度，m；

ΔH——整个系统中管道起止点之间的垂直高度差，m。

本发明的积极效果是，当现场料浆输送参数发生改变(如流量、浓度等)，计算机可以通过流量计、浓度计、压力计实时监测得到的参数进行计算，随时修正理论i_cal值，从而得到实时的沿程阻力值P，根据阻力P不同，利用控制器自动调整输送泵适宜的输送压力，从而保证最大程度的节约能源并延长输送泵及配套电机的寿命，为企业节约运行费用。数据采集、计算过程，本领域技术人员均能够通过计算机实时完成。

附图说明

图1是本发明实施例的测定系统布置示意图。

图中，1-第一压力变送器，2-第二压力变送器，3-第三压力变送器，4-第四压力变送器，5-矿浆输送泵，6-浓度计，7-流量计，8-第一水平管，9-竖直管，10-第二水平管，11-数据处理器。

具体实施方式

下面根据某钢铁股份有限公司细粒级尾矿浓缩胶结固化干堆现场的实施情况，进一步说明本方法。

现场情况：如图1所示，料浆管道输送系统共三段，其中水平管两段包括第一水平管8、第二水平管10和一段竖直管9，输送管道内径均为65mm。其中竖直管9与地面垂直(即β＝90°)。由于管道中的阀门、弯头等附属连接件会对矿浆输送泵5产生额外的阻力，因此需要对其进行长度折算，根据根据《选矿厂设计》(冯守本，冶金工业出版社)一书中相关的折算系数，现场管道折算后第一水平管段8长度L_水平1＝75m，第二水平管段9长度L_水平2＝30m，竖直管段10长度L_竖直1＝5m。

为了能够获得较为准确的膏体矿浆管道沿程输送阻力值，具体步骤如下：

第一步，在输送管段上安装浓度计6以及流量计7，可以实时测定矿浆密度ρ以及流速v；

首先对高浓度矿浆流变参数料浆屈服应力τ₀和料浆黏度μ进行测定，由浓度计测得的现场料浆浓度为55.1％(对应的密度ρ＝1625kg/m³)，此浓度下料浆的浆屈服应力和黏度分别为τ₀＝85.5Pa、μ＝0.48Pa·s，同时流量计测得料浆输送流量，转换为流速后得到流速v＝0.1m/s，然后利用布金汉方程

对沿程阻力进行理论计算，得到理论计算值i_cal＝7380.8Pa/m；

第二步，如图1所示，在现场选择具有代表性的管段，其中在第一水平管段8选取了一段L1＝20m，竖直管段9选取了一段L2＝4m，在所选取的水平输送管段的两端处分别安装上第一压力变送器1和第二压力变送器2，在所选取的竖直输送管段的两端处分别安装上第三压力变送器3和第四压力变送器4，将压力变送器的信号线连接到数据处理器11，同时测得水平输送管段两端处的压力值P1和P2，计算ΔP_水平测定＝P1-P2＝139.2kPa；同时测得竖直输送管段两端处的压力值P3和P4，计算ΔP_竖直测定＝P3-P4＝90.6kPa；

第三步，根据ΔP_水平测定值和ΔP_竖直测定值分别计算水平输送管段沿程阻力i_水平测定，和竖直输送管段的沿程阻力i_竖直测定；

水平管段沿程阻力：

i_水平测定＝ΔP_水平测定/L1＝139200/20＝6960Pa/m； (2)

竖直管段沿程阻力：

i_竖直测定＝(ΔP_竖直测定-ρ·g·L2·sinβ)/L2＝(92600-1625×9.81×4×sin90°)/4

＝(90600-63765)/4＝6708.8Pa/m； (3)

g——重力加速度，9.81m/s²；

第四步，根据第一步得到的理论计算值i_cal、第三步得到的水平管段沿程阻力测定值测i_水平测定和竖直管段沿程阻力测定值i_竖直测定进行比较，分别得出水平输送动态修正系数α_水平、竖直输送动态修正系数α_竖直，计算公式如下：

α_水平＝i_水平测定/i_cal＝6960/7380.8＝0.943 (4)

α_竖直＝i_竖直测定/i_cal＝6708.8/7380.8＝＝0.909 (5)

第五步，利用第四步得到的动态修正系数对沿程阻力理论计算i_cal值进行动态修正，得到整个系统的实际输送阻力P，计算公式如下：

P＝α_水平·i_cal·L_水平总+α_竖直·i_cal·L_竖直总+ρ·g·ΔH (6)

＝0.943*7380.8*(75+30)+0.909*7380.8*5+1625*9.81*5

＝844050Pa (6)

如按理论计算输送阻力P＝i_cal*(75+30+5)＝7380.8*110＝811888Pa，比本发明修正后低32162Pa。

当现场料浆输送泵5参数发生改变(如流量、浓度等)，数据处理器11及计算机可以通过流量计、浓度计、压力计实时监测得到的参数进行计算，随时修正，从而得到实时的沿程阻力值，根据阻力不同，利用控制器自动调整输送泵适宜的输送压力，从而保证最大程度的节约能源并延长输送泵及配套电机的寿命，为企业节约运行费用。

Claims (1)

1.一种膏体矿浆管道沿程输送阻力动态修正方法，其特征在于，具体步骤如下：

第一步，首先对高浓度矿浆流变参数料浆屈服应力τ₀和料浆黏度μ进行测定，然后利用布金汉方程对沿程阻力进行理论计算，得到理论计算值i_cal；式中：

i_cal——由理论计算得到的沿程阻力损失，Pa/m；

τ₀——料浆屈服应力，Pa；

v——料浆流速，m/s；

μ——料浆黏度，Pa·s；

D——管径，m；

第二步，在现场选择具有代表性的一段长度为L1的水平输送管段和长度为L2的竖直输送管段，测定计算上述两个输送管段的输送阻力ΔP_水平测定值和ΔP_竖直测定值；测定时在上述两个输送管段的两端处分别安装上压力变送器，同时测得水平输送管段两端处的压力值P1和P2，竖直输送管段两端处的压力值P3和P4，P1和P2之差为ΔP_水平测定，P3和P4之差为ΔP_竖直测定；在输送管段上安装浓度计以及流量计，实时测定矿浆密度ρ以及流速v；

第三步，根据ΔP_水平测定值和ΔP_竖直测定值分别计算水平输送管段和竖直输送管段的沿程阻力；

水平管段沿程阻力：

i_水平测定＝ΔP_水平测定/L1 (2)

式中：i_水平测定——水平管段沿程阻力测定值，Pa/m；

ΔP_水平测定——水平管段阻力测定值，Pa；

L1——测试过程中选取的水平管段长度，m；

竖直管段沿程阻力：

i_竖直测定＝(ΔP_竖直测定-ρ·g·L2·sinβ)/L2 (3)

式中：i_竖直测定——竖直管段沿程阻力测定值，Pa/m；

ΔP_竖直测定——竖直管段阻力测定值，Pa；

g——重力加速度，9.81m/s²；

ρ——矿浆密度，利用浓度计测定的数据计算得到，kg/m³；

β——竖直管段与水平地面的夹角，β≤90°，度；

L2——测试过程中选取的竖直管段长度，m；

第四步，将第一步得到的理论计算值i_cal与第三步得到的水平管段沿程阻力测定值测i_水平测定和竖直管段沿程阻力测定值i_竖直测定进行比较，分别得出水平输送动态修正系数α_水平、竖直输送动态修正系数α_竖直，计算公式如下：

α_水平＝i_水平测定/i_cal (4)

α_竖直＝i_竖直测定/i_cal (5)

第五步，利用第四步得到的动态修正系数对沿程阻力理论计算i_cal值进行动态修正，得到整个系统的实际输送阻力P，计算公式如下：

P＝α_水平·i_cal·L_水平总+α_竖直·i_cal·L_竖直总+ρ·g·ΔH (6)

式中：P——输送管段总阻力，Pa；

L_水平总——水平管段总长度，m；

L_竖直总——竖直管段长度，m；

ΔH——整个系统中管道起止点之间的垂直高度差，m。