CN112667954A - 一种在深海采矿设备断电时防结核堆积的设备及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及深海采矿领域。目的是提出一种用于深海采矿设备紧急断电情况下的防止结核颗粒堆积的设计方法以及根据设计方法设计的一种相关设备，以减少海下作业的不便之处，提高泵体使用寿命。技术方案是：一种用于深海采矿设备紧急断电情况下防结核堆积的设备，其特征在于：包括与提升硬管可拆卸连接的总管以及均匀固定在总管外周的若干紧急使用储气罐；所述紧急使用储气罐上开设有出气口；所述紧急使用储气罐的出气口通过连接管道与总管相连通；所述连接管道上设置有进气调节阀门以及位于进气调节阀门出口的压力传感器；所述紧急使用储气罐上还安装压有压力监测仪，以监测紧急使用储气罐的内部压力。
Description
技术领域
本发明涉及深海采矿领域，特别是涉及一种应用于深海采矿设备紧急断电情 况下的防止硬管提升管道内结核堆积的设计方法及设备。
背景技术
近几十年的大洋勘探发现，在数千米深的大洋底部蕴藏着丰富的矿产资源， 其种类众多、储量巨大、品位极高，有巨大的开发利用前景。目前具有商业开 发前景的深海矿产资源主要有多金属锰结核、富钴结壳以及热液硫化物等；深 海矿石富含锰、钴、镍、稀土等工业生产的重要元素，储量远高于陆地储量。 如果可以实现安全、高效的商业开采，并且控制好对海洋生态环境的影响，丰 富的海洋矿产将成为陆上矿产资源的替代资源，满足未来一段时间内人类社会 的经济发展需求。
水力提升流动保障问题，特别是输送管道内颗粒堵塞的研究，是深海矿石 输送中需要着重关注的内容。如何保证矿石在长距离管道内安全、高效地提升， 是深海采矿系统需要解决的关键技术问题之一。数千米长的输送管道内一旦发 生堵塞，很可能造成输送系统的整体瘫痪。此外，深海采矿设备还有可能会发 生紧急断电情况，在这种情况下，如果不及时对输送管道内的矿石颗粒进行紧 急排出，则有可能会造成固体颗粒堵塞，这些沉积的固体颗粒会堵塞深海提升 矿浆泵的出口，恢复供电时造成提升体统无法重新启动，如果想要提升系统重 启，需要将堵塞的管道整体拆卸进行清理，这将给海下作业带来极大的不方便。 现有的深海采矿设备都是在管道上安装紧急排放阀，但是紧急排放阀的开启也 是需要一定的时间，在紧急排放阀开启的时间内也会有固体颗粒堆积在矿浆泵 的出口，在紧急排放阀开启的时间段里，如果管道堵塞严重也需要进行拆卸清 理。
发明内容
本发明的目的是克服上述背景技术的不足，提出一种用于深海采矿设备紧 急断电情况下的防止结核颗粒堆积的设计方法以及根据设计方法设计的一种相 关设备。
本发明提供的技术方案是：
一种在深海采矿设备断电时防结核堆积的设计方法，其特征在于：包括以 下步骤：
步骤S11：获取深海采矿设备及深海矿产的相关数据；所述相关数据包括我 国矿产资源分布地区、矿区的海底地形、矿区的结核粒径分布、结核的物理力 学性质、大洋金属结核开采中国中试采矿系统的立管提升矿浆浓度、硬管提升 矿浆泵的外形尺寸、提升硬管内径；
步骤S12：根据步骤S11中获得的所述相关数据，计算结核颗粒以及结核颗 粒群的临界沉降速度，来选取合适的提升硬管内海水提升速度；根据临界沉降 速度以及提升速度选择合理的供气量及供气压力，以实现深海采矿设备断电等 紧急突发情况下的结核颗粒不至于沉降太快或者能够缓慢上升，给紧急排放阀 以足够的开启时间；
步骤S13：根据海况以及采矿设备的实际情况，合理选择紧急使用储气罐的 台数并选择合适的紧急使用储气罐外径；根据步骤S12中选择的供气量以及供 气压力的大小，计算紧急使用储气罐的体积以及紧急使用储气罐的高度；根据 海况以及设备运行情况设计合适的紧急使用储气罐外形；根据矿浆提升泵以及 采矿设备的要求设计合适的进气调节阀门。
步骤S12中，不规则形状结核单颗粒临界沉降速度Wt根据公式(1)进行计 算：
结核颗粒群临界沉降速度Wgt根据公式(2)进行计算：
式中，Sf为结核颗粒形状系数，
a为结核颗粒三个相互垂直轴的 最长轴，c是最短轴，b是垂直于a、c的另一个轴；g重力加速度，取g＝9.8m/s2； d结核颗粒粒径；ρs为结核密度，ρsw为海水密度；e为自然对数；Cv硬管提升结 核颗粒体积浓度。
步骤S12中，提升速度Vm为结核最大颗粒临界沉降速度的2.5-3倍，最低 要求2.5m/s。
步骤S12中，紧急排放阀的开启时间共为40s。
步骤S13中，紧急使用储气罐的体积按照紧急用气情况，采用公式(3)进 行计算：
V＝1.15q/(P1-P2)(m3) (公式3)
式中，
q(m3)：一定时间内空气消耗量；
P1(MPa)：储气罐所充入的空气压力；
P2(MPa)：用户需要的工作压力即矿浆泵停运时出口压力。
一种用于深海采矿设备紧急断电情况下防结核堆积的设备，其特征在于： 包括与提升硬管可拆卸连接的总管以及均匀固定在总管外周的若干紧急使用储 气罐；所述紧急使用储气罐上开设有出气口；所述紧急使用储气罐的出气口通 过连接管道与总管相连通；所述连接管道上设置有进气调节阀门以及位于进气 调节阀门出口的压力传感器；所述紧急使用储气罐上还安装压有压力监测仪， 以监测紧急使用储气罐的内部压力。
各紧急使用储气罐的外周安装有一圈箍圈，从而将各紧急使用储气罐固定 在总管外周，使设备运行时更加安全。
所述紧急使用储气罐采用竖直设置的圆柱形；紧急使用储气罐的出气口设 置在紧急使用储气罐的底部。
所述连接管道包括竖直连接在紧急使用储气罐出气口的竖直管道、水平连 接总管的水平管道以及连接竖直管道与水平管道的90°连接弯管。
所述紧急使用储气罐的数量为四台。
本发明的有益效果是：
本发明提供的设计方法和设备通过向提升硬管中通入气体，使提升硬管内 形成固液气三相流，在固液气三相流中，当空气比较少时，产生的小气泡上升 到液体中，集聚成大气泡，最终充满管道全断面，使液体只沿管道壁形成一圈 环状薄膜，从而使管道内气体和液体成断续状态即“活塞流”，固体结核颗粒 在三相流中借助活塞流抑制其沉降速度或者能够缓慢提升，防止结核颗粒堆积 在矿浆泵的出口，在恢复供电重启系统时，不需要将堵塞的管道整体拆卸进行 清理，该发明不仅能减少海下作业的不便之处，还能提高泵体使用寿命。
附图说明
图1为本发明所述设计方法的流程图。
图2为紧急用气提升固体颗粒的原理图。
图3为本发明所述设备的立体结构示意图。
图4为本发明所述设备的主视图。
图5为本发明所述设备的仰视图。
图6为本发明所述设备的俯视图。
附图标号：
1.总管、2.总管连接法兰、3.紧急使用储气罐、4.箍圈、5.连接部件、6.进 气调节阀门、7.分管连接法兰、8.90°连接弯管、9.压力监测仪、10.压力传感 器。
具体实施方式
以下结合附图所示的实施例进一步说明。
如图1所示，发明提供的一种在深海采矿设备断电时防结核堆积的设计方 法，包括以下步骤：
步骤S11：获取深海采矿设备及深海矿产的相关数据，相关数据包括我国矿 产资源分布地区，矿区的海底地形，矿区的结核粒径分布，结核的物理力学性 质，大洋金属结核开采中国中试采矿系统的立管提升矿浆浓度、硬管提升矿浆 泵的外形尺寸、提升硬管内径。
具体实施时，以大洋多金属结核为例，获取深海采矿设备及深海矿产的相 关数据，数据来源参考文献:《深海固体矿产资源开发》，
1.我国矿产资源分布地区(P164)：我国大洋多金属结核矿区位于东太平 洋海盆，克拉里昂和克拉里帕顿两大断裂带之间，分为东、西两个区；
2.矿区海底地形(P168)：矿区水深一般为4800-5400m，因此采矿设备必 须承受60MPa压力；
3.矿区的结核粒径分布(P176)：根据在东区区域内取样详细分析的结果， 2-10cm的结核累计达99.4％，因此采集结核的粒径定为2-10cm是适宜的；
4.结核的物理力学性质(P176)：
由表可以看出，结核强度很低，极易破碎；
5.大洋金属结核开采中国中试采矿系统立管提升矿浆浓度(P375)：提 升硬管内矿浆体积浓度为5％-10％，选取体积浓度为7％；
6.硬管提升矿浆泵的外形尺寸(P375)：矿浆泵外径800mm，长11500mm；
7.提升硬管内径(P375)：提升硬管材料选用D75级API石油钢管，全长 5000m，单根长20m，内径206mm。
步骤S12：根据获得的相关数据计算结核颗粒以及结核颗粒群的临界沉降速 度以选取合适的提升速度；根据临界沉降速度选择合理的供气量及供气压力， 以实现深海采矿设备断电等紧急突发情况下的结核颗粒不至于沉降太快或者缓 慢上升，给紧急排放阀以足够的开启时间。
具体实施时，按照结核平均粒径为5cm计算：
不规则形状结核单颗粒临界沉降速度Wt根据公式(1)进行计算：
结核颗粒群临界沉降速度Wgt根据公式(2)进行计算：
式中，Sf为结核颗粒形状系数，
a为结核颗粒三个相互垂直轴的 最长轴，c是最短轴，b是垂直于a、c的另一个轴；g重力加速度，取g＝9.8m/s2； d结核颗粒粒径；ρs为结核密度，ρsw为海水密度；e为自然对数；Cv硬管提升结 核颗粒体积浓度。
其中，天然结核Sf约为0.8；ρs＝2000kg/m3；ρsw＝1028kg/m3；
代入数据计算得到Wt＝0.91m/s，Wgt＝0.92m/s；
正常情况下管道提升速度Vm一般为结核最大颗粒临界沉降速度的2.5-3 倍，最低要求2.5m/s，由前面计算得结核最大颗粒临界沉降速度为0.92m/s，故 选取提升速度Vm＝3m/s，即正常情况下管道内海水提升速度为3m/s，那么海水 流量为0.67m3/s。为了保证结核颗粒沉降速度不过快，紧急使用储气罐出口空 气流量要大约等于海水流量的2-10倍，选择设备出口空气流量为4m3/s；
紧急排放阀的开启时间大概为30s，按照10s的富裕时间，即紧急排放阀的 开启时间共为40s计算，一共需要的空气量为160m3；
中试采矿系统两台800kW四级硬管提升矿浆泵分别安装在水下400m和 800m处的硬管中间。矿浆泵出口压力按照固相体积浓度7％时计算，则水下 400m和800m处的硬管提升矿浆泵的出口压力为4.3MPa和8.6MPa；
参照德国商业性气力提升系统设计计算的原始数据：固料密度1097kg/m3、 固料临界沉降速度0.675m/s、固料粒径50mm时，压缩机出口压力为17MPa； 为了保证紧急使用储气罐供气压力满足要求，储气罐内初始空气压力设置为 100MPa，在紧急使用时通过调节进气阀门开度维持储气罐出气口压力在15MPa左 右。
步骤S13：根据海况以及提升设备的实际情况合理选择紧急使用储气罐的台 数以及布置方式，台数以及布置方式的选择要综合考虑安装的稳定性问题；综 合考虑硬管提升矿浆泵以及提升硬管的内外径，选取合适的紧急使用储气罐内 外径，根据供气量以及供气压力的大小计算紧急使用储气罐的体积以及储气罐 的高度；根据海况以及现实情况设计合适的紧急使用储气罐外形；根据矿浆提 升泵以及采矿设备的要求设计合适的进气调节阀门。
为了不使紧急使用储气罐体型过于庞大，现参照硬管提升矿浆泵的尺寸， 将紧急使用储气罐内部半径设为400mm。按照已有数据进行计算，如果选用单 数台的紧急使用储气罐，那么整套深海采矿系统将存在运行时不平稳的问题； 如果选用两台紧急使用储气罐，那么每台紧急使用储气罐的高度将达到5余米， 可能会对整个深海采矿设备的运行造成影响。所以为了紧急使用储气罐的运行 安全并将对矿浆泵的运行影响降至最小，每台硬管提升矿浆泵上方对称安装四 台紧急使用储气罐，那么每台紧急使用储气罐内的空气量将约为40m3；
紧急使用储气罐的体积按照紧急用气情况，采用公式(3)进行计算：
V＝1.15q/(P1-P2)(m3) 公式(3)
其中，
q(m3)：一定时间内空气消耗量；
P1(MPa)：储气罐所充入的空气压力；
P2(MPa)：用户需要的工作压力即矿浆泵停运时出口压力；
矿浆泵停运时出口压力按照4.3MPa和8.6MPa计算,则储气罐容积分别为 0.48m3和0.50m3；
为了将海水的流动阻力降低到最小，紧急排放阀的开启时间大概为30s，按 照10s的富裕时间即时间为40s，那么紧急使用储气罐的高度分别大约为0.955m 和0.995m。
上述设计方法采用紧急用气提升固体颗粒，其原理如下：在固液气三相流 中，当空气比较少时，产生的小气泡上升到液体中，集聚成大气泡，最终充满 管道全断面，使液体只沿管道壁形成一圈环状薄膜，从而使管道内气体和液体 成断续状态即”活塞流”，固体结核颗粒在三相流中借助活塞流抑制其沉降速 度或者能够缓慢提升，防止结核颗粒堆积在矿浆泵的出口，提高泵体使用寿命。
根据上述设计方法，本实施例提供了一种用于深海采矿设备紧急断电情况 下防颗粒堆积的设备，包括总管1和若干(图中为四台)紧急使用储气罐3。所 述总管的两端分别设置有总管连接法兰2；由于提升硬管是分段安装，因此可根 据实际需要，将总管通过总管连接法兰可拆卸地安装在提升硬管相应位置；作 为优选，总管与提升硬管的内外径、材质均相同。
四台紧急使用储气罐通过连接部件5均匀固定在总管外周，并且在四台紧 急使用储气罐的外周安装有一圈箍圈4，从而将各紧急使用储气罐牢牢固定在总 管外周，使设备运行时更加安全。所述紧急使用储气罐采用竖直设置的圆柱形， 以便将海水的流动阻力减小至最小。所述紧急使用储气罐上开设有出气口；紧 急使用储气罐的出气口通过连接管道与总管相连通。为了使整个设备布置更加 紧凑，紧急使用储气罐的出气口设置在紧急使用储气罐的底部。
所述连接管道包括竖直管道、水平管道和90°连接弯管8；所述竖直管道 竖直连接在紧急使用储气罐出气口；所述水平管道水平连接总管；所述90°连 接弯管两端分别设置有分管连接法兰7，以便将竖直管道与水平管道进行连接。 所述竖直管道上设置有进气调节阀门6，紧急使用时可以通过调节进气调节阀门 的开度，来维持总管的进气压力保持在一定数值不变。所述进气调节阀门的出 口设置有压力传感器10，可监测紧急使用储气罐的出气口压力，以便与进气调 节阀门相互配合，调节总管的进气压力维持在需要的大小。
所述紧急使用储气罐上还安装压有压力监测仪9，以监测紧急使用储气罐的 内部压力。
在紧急断电情况下，提升矿浆泵停运，会触发紧急排放阀的阀门开关，同 时，紧急使用储气罐的阀门开关也被触发，进气调节阀门打开，紧急使用储气 罐内储存的紧急用气溢出，刚开始时的气泡会很小，随着气泡的增多和上升， 小气泡会合并成大气泡，直到气泡充满整个提升管内壁，使液体只沿管道壁形 成一圈环状薄膜，从而使管道内气体和液体成断续状态的活塞流，固体结核颗 粒借助活塞流抑制其沉降速度或者能够缓慢提升；随着用气量的增加，储气罐 内气压降低，进气调节阀门出口处的压力传感器检测出气口压力的变化，将压 力信号传给进气调节阀门，通过控制进气调节阀门的开度，可维持紧急使用储 气罐出口压力在15MPa，从而保证出气压力和出气量能抑制固体结核颗粒的沉降 速度或者使之缓慢提升。
最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发 明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明 公开的内容中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 (10)
1.一种在深海采矿设备断电时防结核堆积的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S11：获取深海采矿设备及深海矿产的相关数据；所述相关数据包括我国矿产资源分布地区，矿区的海底地形，矿区的结核粒径分布，结核的物理力学性质，大洋金属结核开采中国中试采矿系统的立管提升矿浆浓度、硬管提升矿浆泵的外形尺寸、提升硬管内径；
步骤S12：根据步骤S11中获得的所述相关数据，计算结核颗粒以及结核颗粒群的临界沉降速度，来选取合适的提升硬管内海水提升速度；根据临界沉降速度以及提升速度选择合理的供气量及供气压力，以实现深海采矿设备断电等紧急突发情况下的结核颗粒不至于沉降太快或者能够缓慢上升，给紧急排放阀以足够的开启时间；
步骤S13：根据海况以及采矿设备的实际情况，合理选择紧急使用储气罐的台数并选择合适的紧急使用储气罐外径；根据步骤S12中选择的供气量以及供气压力的大小，计算紧急使用储气罐的体积以及紧急使用储气罐的高度；根据海况以及设备运行情况设计合适的紧急使用储气罐外形；根据矿浆提升泵以及采矿设备的要求设计合适的进气调节阀门。
2.根据权利要求1所述的在深海采矿设备断电时防结核堆积的设计方法，其特征在于：步骤S12中，不规则形状结核单颗粒临界沉降速度Wt根据公式(1)进行计算：
结核颗粒群临界沉降速度Wgt根据公式(2)进行计算：
式中，Sf为结核颗粒形状系数，
a为结核颗粒三个相互垂直轴的最长轴，c是最短轴，b是垂直于a、c的另一个轴；g重力加速度，取g＝9.8m/s2；d结核颗粒粒径；ρs为结核密度，ρsw为海水密度；e为自然对数；Cv硬管提升结核颗粒体积浓度。
3.根据权利要求1所述的在深海采矿设备断电时防结核堆积的设计方法，其特征在于：步骤S12中，提升速度Vm为结核最大颗粒临界沉降速度的2.5-3倍，最低要求2.5m/s。
4.根据权利要求1所述的在深海采矿设备断电时防结核堆积的设计方法，其特征在于：步骤S12中，紧急排放阀的开启时间共为40s。
5.根据权利要求1所述的在深海采矿设备断电时防结核堆积的设计方法，其特征在于：步骤S13中，紧急使用储气罐的体积按照紧急用气情况，采用公式(3)进行计算：
V＝1.15q/(P1-P2) (m3) (公式3)
式中，
q(m3)：一定时间内空气消耗量；
P1(MPa)：储气罐所充入的空气压力；
P2(MPa)：用户需要的工作压力即矿浆泵停运时出口压力。
6.一种在深海采矿设备断电时防结核堆积的设备，其特征在于：包括与提升硬管可拆卸连接的总管(1)以及均匀固定在总管外周的若干紧急使用储气罐(2)；所述紧急使用储气罐上开设有出气口；所述紧急使用储气罐的出气口通过连接管道与总管相连通；所述连接管道上设置有进气调节阀门(6)以及位于进气调节阀门出口的压力传感器(10)；所述紧急使用储气罐上还安装压有压力监测仪(9)，以监测紧急使用储气罐的内部压力。
7.根据权利要求6所述在深海采矿设备断电时防结核堆积的设备，其特征在于：各紧急使用储气罐的外周安装有一圈箍圈，从而将各紧急使用储气罐固定在总管外周，使设备运行时更加安全。
8.根据权利要求7所述在深海采矿设备断电时防结核堆积的设备，其特征在于：所述紧急使用储气罐采用竖直设置的圆柱形；紧急使用储气罐的出气口设置在紧急使用储气罐的底部。
9.根据权利要求8所述在深海采矿设备断电时防结核堆积的设备，其特征在于：所述连接管道包括竖直连接在紧急使用储气罐出气口的竖直管道、水平连接总管的水平管道以及连接竖直管道与水平管道的90°连接弯管(8)。
10.根据权利要求9所述在深海采矿设备断电时防结核堆积的设备，其特征在于：所述紧急使用储气罐的数量为四台。
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Also Published As
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