CN111322253A

CN111322253A - 深海采矿陆上浆料提升实验平台

Info

Publication number: CN111322253A
Application number: CN202010077495.3A
Authority: CN
Inventors: 王润堃; 朱祖超; 宿向辉; 李昳; 林德生
Original assignee: Zhejiang Sci Tech University ZSTU
Current assignee: Zhejiang Sci Tech University ZSTU; Zhejiang University of Science and Technology ZUST
Priority date: 2020-01-30
Filing date: 2020-01-30
Publication date: 2020-06-23
Anticipated expiration: 2040-01-30
Also published as: CN111322253B

Abstract

本发明涉及一种深海采矿设备技术领域，具体公开了一种深海采矿陆上浆料提升实验平台，包括料仓，料仓的底部设有落料机；下行输送管、下连接管依靠三通阀Ⅰ相连，料仓通过三通阀Ⅰ以旁路形式与下行输送管相连通，下连接管与落料机的出口通过三通阀Ⅱ汇总后与水包相连；水箱通过给水水管分别与料仓的进水口和水包的进水口相连接；水包通过三通阀Ⅲ后分成两路，此两路分别与立式离心泵及卧式离心泵的进口相连通，立式离心泵及卧式离心泵的出口通过三通阀Ⅳ汇总后与上行输送管相连通；位于高处的稳压水箱通过稳压水管与水包相连。利用该实验平台，能对立式离心泵/卧式离心泵进行循环工况/背压工况的浆料提升实验。

Description

深海采矿陆上浆料提升实验平台

技术领域

本发明涉及一种深海采矿设备技术领域，具体涉及一种深海多金属结核开采的陆上浆料提升实验平台。

背景技术

海洋是人类拥有的巨大的资源宝库，国际海底区域蕴含丰富的矿产资源。随着人类对资源需求的不断增加以及陆上资源的枯竭，开采蕴藏在深海海底的矿产资源成为未来世界解决能源问题的一个方向。目前，深海中具有商业开采价值的矿产资源包括多金属结核、富钴结壳、热液硫化矿等。

多金属颗粒多存在于3000-6000米的深海表层，需要维护简单、可实现长期运行的采矿系统。目前国际上已经开发出的采矿系统有：拖网采矿系统、连续索斗采矿系统、往返潜水采运车系统等。但以上采矿系统其可靠性、稳定性均无法得到保障、效率不高、经济性更差。近几十年来，管道水力输送技术由于其运行成本低，可靠性相对较高的优点，广泛应用于固体矿浆输送领域，成为目前国内外研究最多的一种深海采矿系统。为最终实现管道水力输送在深海采矿领域的成功应用，需要对管道内浆料在输送过程中的输送特性进行分析。在输送过程中，由于矿石颗粒浓度，输运速度、矿石颗粒粒径、矿石颗粒形态等对输送管道输送性能及提升系统的离心泵工作特性有着十分明显的影响，容易导致输运效率低下等问题。

因此，建立一个模拟深海采矿的陆上浆料提升实验平台就显得十分必要。通过该实验平台，可以分析不同颗粒浓度，颗粒浓度、颗粒粒径、颗粒形态、速运速度对输送管道中流体形态及离心泵工作状态的影响，还可以对管道的震动、噪音、受力等进行分析，以获得更好的输送参数和深海采矿系统设计数据，有效解决现有系统无法保证其可靠性、稳定性、效率低下等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种深海采矿陆上浆料提升实验平台及相应的实验方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种深海采矿陆上浆料提升实验平台，包括料仓，料仓的底部设有落料机；

下行输送管、下连接管依靠三通阀Ⅰ相连，料仓通过三通阀Ⅰ以旁路形式与下行输送管相连通，

下连接管与落料机的出口通过三通阀Ⅱ汇总后与水包相连；

水箱通过给水水管分别与料仓的进水口和水包的进水口相连接；

水包通过三通阀Ⅲ后分成两路，此两路分别与立式离心泵及卧式离心泵的进口相连通，立式离心泵及卧式离心泵的出口通过三通阀Ⅳ汇总后与上行输送管相连通；

位于高处(位于整个装置的最高处)的稳压水箱通过稳压水管与水包相连；在稳压水管和水包之间设置球阀II；

上行输送管的顶端与背压水管的顶端通过三通阀Ⅴ汇总后与顶部连管的一端相连，下行输送管的顶端与顶部连管的另一端相连，在顶部连管上设有排气阀，背压水管的底端通过与背压补偿器相连；

背压补偿器与水箱相连。

作为本发明的深海采矿陆上浆料提升实验平台的改进：下连接管通过三通Ⅵ后分成两路，一路与测量装置相连，另一路与落料机的出口通过三通阀Ⅱ汇总后与水包相连。

作为本发明的深海采矿陆上浆料提升实验平台的进一步改进：在料仓的进水口前设置有球阀I，给水水管通过球阀I与料仓的进水口相连。

作为本发明的深海采矿陆上浆料提升实验平台的进一步改进：在给水水管上设有单向阀。

作为本发明的深海采矿陆上浆料提升实验平台的进一步改进：从卧式离心泵的出口至三通阀Ⅳ的管路上分别设有压力传感器、有机玻璃可视段和流量计；

从立式离心泵的出口至三通阀Ⅳ的管路上也分别设有压力传感器、有机玻璃可视段和流量计。

作为本发明的深海采矿陆上浆料提升实验平台的进一步改进：在立式离心泵及卧式离心泵各自的进口前端分别设有用于动态测量各自进口压力变化的压力传感器。

作为本发明的深海采矿陆上浆料提升实验平台的进一步改进：背压补偿器通过带有球阀III的管道与水箱相连。

作为本发明的深海采矿陆上浆料提升实验平台的进一步改进：立式离心泵及卧式离心泵的内置电机转轴上均装有扭矩仪；水箱)、稳压水箱、称量装置均带有液位计。

本发明还同时提供了利用上述深海采矿陆上浆料提升实验平台进行的实验：对立式离心泵/卧式离心泵进行循环工况/背压工况的浆料提升实验。

针对深海采矿中管道水力输送矿石颗粒输送管道中流体流动特性和离心泵工作特性的问题，本发明提供了一种模拟深海硬管矿石颗粒提升作业的深海采矿陆上浆料提升实验平台。

本发明具有如下技术优势：

1.本发明的试验平台可以实现立式离心泵和卧式离心泵实验的快速转换。

2.本发明的实验平台可以实现料仓的快速接入实验循环和脱离实验循环，保证实验平台运行过程中，矿石大颗粒的加料，实现连续运转的要求。

3.本发明的实验平台可以实现不同颗粒粒径、颗粒形态的实验。

4.本发明的实验平台可以实现不同流动速度的实验(通过对立式离心泵5及卧式离心泵6进行调节)。

5.本发明的实验平台可以实现不同颗粒浓度的实验。

6.本发明的实验平台可以通过调节背压补偿器(电动球阀III163)出口开度调节背压补偿器，实现对离心泵出口压力的调节。

7.本发明的实验平台采用电动控制和传感器测量，可以实现控制台上所有控制的实时调节和多参数的实时采集统计。

8.本发明的实验平台装置制作成本低，操作自动化程度高，操作简单，适用范围广等优点。

综上所述，本发明的深海采矿陆上实验系统设有立式离心泵支路和卧式离心泵支路，可以实现对立式离心泵和卧式离心泵的测试与实验，可以实现快速切换；本发明的深海采矿陆上实验系统备有稳压水箱和背压补偿器，可以分别调整离心泵的入口压力和出口压力，实现对离心泵工作状态的调整，可以有效模拟粗颗粒矿物的输送，获得准确的离心泵和管道输送参数，为海试提供有效经验。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是深海采矿陆上浆料提升实验平台的主视图；

图2是图1的俯视图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：

实施例1、一种深海采矿陆上浆料提升实验平台，如图1和图2所示，包括料仓1，料仓1的底部设有落料机2；料仓1为封闭式料仓，并设置快开式加料口。

下行输送管7、下连接管23和料仓1分别与三通阀Ⅰ151相连，即，料仓1通过三通阀Ⅰ151以旁路形式与下行输送管7相连通；下连接管23通过三通Ⅵ156后分成两路，一路与测量装置3相连，另一路与落料机2的出口通过三通阀Ⅱ152汇总后与水包4相连；

测量装置3的作用是测量下行输送管7内流动液中颗粒物(粗矿石固体颗粒)的体积浓度；

在料仓1的进水口前设置有球阀I161，水箱12通过给水水管21后分成两路，一路与水包4的进水口相连接，另一路通过球阀I161后与料仓1的进水口相连；在给水水管21上设有单向阀17；单向阀17的作用是防止在实验过程中管路中水在压力作用下倒灌进水箱12。

水包4通过三通阀Ⅲ153后分成2路，这2路分别与立式离心泵5及卧式离心泵6的进口相连通，立式离心泵5及卧式离心泵6的出口通过三通阀Ⅳ154汇总后与上行输送管9相连通；在立式离心泵5及卧式离心泵6各自的进口前端分别设有压力传感器18(为了图面简洁，图1中没有标注)，分别用于对应的动态测量立式离心泵5和卧式离心泵6的进口压力变化。

从卧式离心泵6的出口至三通阀Ⅳ154的管路上分别设有压力传感器18、有机玻璃可视段19和流量计20；从立式离心泵5的出口至三通阀Ⅳ154的管路上也分别设有压力传感器18、有机玻璃可视段19和流量计20；上述位于泵出口处的压力传感器18分别用于对应的动态测量立式离心泵5和卧式离心泵6的出口压力变化。有机玻璃可视段19可以直接观察任意时刻相应管道内流体及固体颗粒流动形态变化，或通过高速相机及PIV测试系统对流场分析。流量计20可以动态监测相应管道内流速变化。

位于整个装置的最高处的稳压水箱13通过稳压水管8与水包4相连。在稳压水管8和水包4相连处设置球阀II162。稳压水箱13的作用是在循环工况下，模拟离心泵处于海底工作时入口存在一定水位造成的入口压力，此时球阀II162处于开启状态；当实验处于背压循环工况时，无需稳压水箱13参与实验，因此球阀II162处于关闭状态，防止带颗粒流体进入稳压管道，影响实验可靠性、准确性。

上行输送管9的顶端与背压水管10的顶端通过三通阀Ⅴ155汇总后与顶部连管22的右端相连，下行输送管7的顶端与顶部连管22的左端相连，在顶部连管22上设有排气阀16(为电动排气阀)，背压水管10的底端与背压补偿器11相连。

水箱12为开放式水箱，背压补偿器11内的水通过带有球阀III163的管道进入水箱12，进行循环使用，颗粒则留在背压补偿器11中。球阀III163作用是通过调节其开度，从而使得背压补偿器11为背压工况下对离心泵的出口压力进行调节。

在本发明中，立式离心泵5及卧式离心泵6的内置电机转轴上均装有扭矩仪，扭矩仪用于测定电机扭矩，实现对离心泵电机的工作状态的实时监测。水箱12、稳压水箱13、称量装置3均带有液位计，水箱12、稳压水箱13中的液位计用于实便于实时观察该水箱的液位变化，防止缺水导致实验失败等问题；称量装置3中的液位计用于实现称量过程中保证每次测量的体积容积是固定的。料仓1选用带有快开式进料口的封闭型料仓。

在本发明中，除了稳压水箱13、稳压水管8外，整个装置形成一个循环系统。

该实验平台还配备噪音传感器和震动传感器，噪音传感器为手持式噪音检测仪，便于检测分析实验过程中噪音的大小和产生位置。振动传感器为夹持式振动传感器，可以灵活加持在所需测量振动的管路上，便于检测分析实验过程中噪音的大小和产生位置。

其工作过程如下：

料仓1内装有粗矿石固体颗粒；

一、循环工况

1)、清水的流动：

水箱12中的清水经过给水水管21流入水包4内；同时水箱12中的清水经过给水水管21、球阀I161后进入料仓1，使得料仓1中的空气通过三通阀151进入下行输送管7，最终通过排气阀16排出；三通阀Ⅰ151选用180°T型三通阀(可以实现三条管道的相互连通或两条管路的互通)，此时，下行输送管7、下连接管23、料仓1入口均相通；

流入水包4中的清水经过立式离心泵5进入上行输送管9或经过卧式离心泵6进入上行输送管9(说明：若实验是针对立式离心泵5进行研究，清水流经立式离心泵5；若实验是针对过卧式离心泵6，清水流经卧式离心泵6)；通过调节三通阀Ⅴ155，使得清水向左流动依次经过顶部连管22、下行输送管7、三通阀Ⅰ151、下连接管23、三通Ⅵ156、三通阀Ⅱ152到达水包4，从而实现对整个循环系统的充水；经过一定时间充水，当顶端的排气阀16不再排气，参与实验的离心泵工作状态正常稳定，则认为整个循环充满水，可进行后续步骤2)。

2)、带颗粒流体的流动：

关闭球阀I161，从而切断给水水管21与料仓1的通路；

调节电动三通阀门Ⅰ151，使得下行输送管7仅仅与料仓1入口相通；

调节电动三通阀门Ⅱ152，使得落料机2的出口与水包4相连，而下连接管23不再与水包4相连；

下行输送管7中的清水流经料仓1，开启落料机2，料仓1中的粗矿石固体颗粒连通清水形成的带颗粒流体经过落料机2、电动三通阀门Ⅱ152进入水包4中；然后通过电动三通阀门Ⅲ153和电动三通阀门Ⅳ154的配套调节，进一步经过立式离心泵5或卧式离心泵6到达上行输送管9；

具体如下：

若实验是针对立式离心泵5进行研究，需要调节电动三通阀门Ⅲ153和电动三通阀门Ⅳ154从而关闭卧式离心泵6的相关支路，使带颗粒流体流经立式离心泵5相关支路；

同理，若实验是对卧式离心泵6的研究，则需要相应调节电动三通阀门Ⅲ153和电动三通阀门Ⅳ154从而关闭立式离心泵5的相关支路，使带颗粒流体流经卧式离心泵6相关支路。

上行输送管9内的带颗粒流体经过电动三通阀门Ⅴ155、顶部连管22到达下行输送管7，然后经过电动三通阀151回到料仓1，从而实现将存储在料仓1中的粗矿石固体颗粒逐渐加入到循环系统中。

当浓度达到设定值时(即，料仓1中设定的粗矿石固体颗粒进入循环系统后)，调节料仓1和落料机2两端的电动三通阀----电动三通阀门Ⅰ151、电动三通阀门Ⅱ152，使循环不再经过料仓1和落料机2，即，调节电动三通阀门Ⅰ151，使得下行输送管7仅仅与下连接管23相通；调节电动三通阀门Ⅱ152，使得下连接管23与水包4相连；从而确保循环工况运行中固体颗粒体积浓度的恒定，含颗粒流体经过水包4到达立式离心泵5和卧式离心泵6前的电动三通阀门Ⅲ153，通过同时调节立式离心泵5和卧式离心泵6前后的电动三通阀门(即，电动三通阀门Ⅲ153和电动三通阀门Ⅳ154)可以实现立式离心泵5和卧式离心泵6的快速切换，以实现对不同离心泵实验分析，含颗粒流体经过立式离心泵5或卧式离心泵6后进入上行输送管9，通过电动三通阀门Ⅴ155、顶部连管22后进入下行输送管7，从而实现含颗粒流体的循环。

经过一定时间的循环，保证固体颗粒在整个循环中分布均匀，此时可以调节电动三通阀VI156，使一定体积的带颗粒流体流入称量装置3，三通阀VI156选用180°T型三通阀(可以实现三条管道的相互连通或两条管路的互通)，此时，电动三通阀VI156处于三通状态，即，位于电动三通阀VI156上下两端的下连接管23、以及称量装置3这三者之间均相通，测量颗粒物的体积浓度；当称量装置3能够给出相应数据后，则调节三通阀VI156，使得称量装置3不再与下连接管23相连通；即，除了需要测定颗粒物的体积浓度时，其他时间带颗粒流体不经过称量装置3。

此循环工况下，电动球阀II162处于打开状态，从而使得稳压水箱13为循环工况提供一定的水压，模拟离心泵处于海底工作时的入口存在一定水位造成的入口压力。由于稳压水箱13位于最高处，因此，水包4内的水不会通过稳压水管8倒流。

通过该实验平台，可以分析不同颗粒浓度、颗粒粒径、颗粒形态、速运速度对输送管道中流体形态及离心泵工作状态的影响，还可以对管道的震动、噪音、受力等进行分析，以获得更好的输送参数和深海采矿系统设计数据，有效解决现有系统无法保证其可靠性、稳定性、效率低下等问题。

二、背压工况

与循环工况的区别在于：

1)、清水的流动：

清水经过立式离心泵5进入上行输送管9或经过卧式离心泵6进入上行输送管9后(说明：若实验是针对立式离心泵5进行研究，清水流经立式离心泵5；若实验是针对过卧式离心泵6，清水流经卧式离心泵6)；通过调节电动三通阀门Ⅴ155，使得清水向右流动经过背压水管10到达背压补偿器11，经过一定时间充水，当背压补偿器11上方出口管路有水流入水箱12，认为整个循环系统充满水；可进行后续步骤2)。

2)、带颗粒流体的流动：

带颗粒流体经过立式离心泵5或卧式离心泵6到达上行输送管9后，经过电动三通阀门Ⅴ155、背压水管10到达背压补偿器11，从而实现将存储在料仓1中的粗矿石固体颗粒逐渐加入到循环系统中。此时，由于固体颗粒的沉积作用，因此，流体中的颗粒留在背压补偿器11中，流体中的清水则通过背压补偿器11上方出水口回到水箱12，从而实现流体的循环。

此背压工况下，电动球阀II162处于关闭状态，这是由于背压循环研究的是离心泵出口压力的影响，通过背压补偿器11调节离心泵出口处的压力，无需稳压水箱13参与实验，因此电动球阀II162处于关闭状态，防止带颗粒流体进入稳压管道，影响实验可靠性、准确性。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims

1.深海采矿陆上浆料提升实验平台，其特征在于：包括料仓(1)，料仓(1)的底部设有落料机(2)；

下行输送管(7)、下连接管(23)依靠三通阀Ⅰ(151)相连，料仓(1)通过三通阀Ⅰ(151)以旁路形式与下行输送管(7)相连通，

下连接管(23)与落料机(2)的出口通过三通阀Ⅱ(152)汇总后与水包(4)相连；

水箱(12)通过给水水管(21)分别与料仓(1)的进水口和水包(4)的进水口相连接；

水包(4)通过三通阀Ⅲ(153)后分成两路，此两路分别与立式离心泵(5)及卧式离心泵(6)的进口相连通，立式离心泵(5)及卧式离心泵(6)的出口通过三通阀Ⅳ(154)汇总后与上行输送管(9)相连通；

位于高处的稳压水箱(13)通过稳压水管(8)与水包(4)相连；在稳压水管(8)和水包(4)之间设置球阀II(162)；

上行输送管(9)的顶端与背压水管(10)的顶端通过三通阀Ⅴ(155)汇总后与顶部连管(22)的一端相连，下行输送管(7)的顶端与顶部连管(22)的另一端相连，在顶部连管(22)上设有排气阀(16)，背压水管(10)的底端与背压补偿器(11)相连；

背压补偿器(11)与水箱(12)相连。

2.根据权利要求1所述的深海采矿陆上浆料提升实验平台，其特征在于：

下连接管(23)通过三通Ⅵ(156)后分成两路，一路与测量装置(3)相连，另一路与落料机(2)的出口通过三通阀Ⅱ(152)汇总后与水包(4)相连。

3.根据权利要求2所述的深海采矿陆上浆料提升实验平台，其特征在于：

在料仓(1)的进水口前设置有球阀I(161)，给水水管(21)通过球阀I(161)与料仓(1)的进水口相连。

4.根据权利要求3所述的深海采矿陆上浆料提升实验平台，其特征在于：

在给水水管(21)上设有单向阀(17)。

5.根据权利要求1～4任一所述的深海采矿陆上浆料提升实验平台，其特征在于：

从卧式离心泵(6)的出口至三通阀Ⅳ(154)的管路上分别设有压力传感器(18)、有机玻璃可视段(19)和流量计(20)；

从立式离心泵(5)的出口至三通阀Ⅳ(154)的管路上也分别设有压力传感器(18)、有机玻璃可视段(19)和流量计(20)。

6.根据权利要求5所述的深海采矿陆上浆料提升实验平台，其特征在于：

在立式离心泵(5)及卧式离心泵(6)各自的进口前端分别设有用于动态测量各自进口压力变化的压力传感器。

7.根据权利要求5所述的深海采矿陆上浆料提升实验平台，其特征在于：

背压补偿器(11)通过带有球阀III(163)的管道与水箱(12)相连。

8.根据权利要求5所述所述的深海采矿陆上浆料提升实验平台，其特征在于：

立式离心泵(5)及卧式离心泵(6)的内置电机转轴上均装有扭矩仪；水箱(12)、稳压水箱(13)、称量装置(3)均带有液位计。

9.利用如权利要求1～8任一所述深海采矿陆上浆料提升实验平台进行的实验，其特征在于：对立式离心泵(5)/卧式离心泵(6)进行循环工况/背压工况的浆料提升实验。