（载运工具运用工程专业论文）多相流试验装置设计与关键技术研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要+ 管道运输是综合运输体系的重要组成部分，具有运行安全、平稳、可靠等优 点。在湖泊清淤、取土固堤以及对航道进行疏浚治理中，疏浚土的输送方式基 本是通过水力运输，即通过管道直接把泥浆运送到指定的排泥点。维持管道内 流体具有一定压力是流体输送的基本条件，就挖泥船而言，现在作业中的绞吸 式挖泥船以固一液两相流输送泥浆的，其不足之处是输运距离短、能耗高、易堵 管、排泥管磨损严重，特别是输送距离不够远使得某些工程无法施工。为延长 输运距离，传统的方法是采用中间接力泵站，但其投资费用大，而且调整不方 便。如何更有效地提高泥浆输送效率、减少能耗是人们一直关注的问题。随着 管道输送技术的发展和人们对多相流管道输送特性的研究，在提高泥浆输送效 率和远距离泥浆输送的问题上有了新的解决方案，就是加入压缩空气帮助输送。 为了弄清加气输送和二级泵站接力输送各自应用的泥质、浓度等参数范围， 需要进行大量的试验。因此研究和设计可行的试验管道系统，并以此进行泥浆 管道输送的试验研究具有重要的意义。论文首先从加气减阻和延长排距的机理 出发，研究了加气助送的可行性；然后，根据正交性原理用正交表科学的安排 试验方案，在短时间内，用较少的投资取得理想的试验效果；再次，根据试验 目的设计了多相流试验装置，试验装置由加气助送试验装置和中间接力泵输送 装置组成，加气助送试验装置主要完成加气延长排距试验，向排泥管内加入压 缩空气，利用气体的减阻和助推作用使泥质的输送距离得到延长，中间接力泵 站试验装置主要完成与加气助送的比较试验；论文详细介绍了试验装置的测控 系统，在测试系统中，从传感器、智能仪表、现场总线到上位机程序设计，每 一个环节都进行了详细的说明；在控制系统中，着重论述了可编程逻辑控制器、 变频器及网络通讯技术；并阐述了测控系统的调试过程；最后，根据试验数据 的处理流程，用v c + + 开发了专用的数据处理程序，减轻了数据处理人员的劳动 强度。 关键词：多相流数据采集控制系统管道运输挖泥船 + 本课题由天津航道局“绞吸式挖泥船加气助送试验研究”项目资助 i 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t p i p e l i n et r a n s p o r t a t i o ni sa ne s s e n t i a lp a r ti ni n t e g r a t i v et r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ， w h i c hh a sm e r i t so fs a f e t y , s t a b i l i z a t i o n ，c r e d i b i l i t yi no p e r a t i o n ，e t c i nt h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o n ，t h ew a yo fd r e d g e ds o i lt r a n s p o r t a t i o n i sr e a l i z e dv i aw a t e r p o w e r t r a n s p o r t a t i o n n a m e l yf e r r y 血em u db yp i p e l i n et r a n s p o r t a t i o n t h eb a s i cc o n d i t i o n o ff l o wt r a n s p o r t a t i o ni sb a s e do nc e r t a i ns u s t a i n i n gp r e s s u r eo ft h ef l o wi nt h e p i p e l i n e a sf o rt h ed r e d g e r ，t h es l u r r yi st r a n s p o r t e db ys o l i d - l i q u i dt w o - p h a s ef l o w s w h i c hc o n s i s to fs a n da n dw a t e r i tp o s s e s s e sc h a r a c t e r i s t i c sa sf o l l o w s ：s h o r t t r a n s p o r t a t i o nd i s t a n c e ，h i g he n e r g yc o n s u m p t i o na n ds e r i o u sp i p e l i n ea b r a s i o n ， e s p e c i a l l yi t c a l ln o tb eu s e di ns o m ep r o j e c t si ft h et r a n s p o r td i s t a n c ei sn o tf a r e n o u g h i no r d e rt ol e n g t h e nt h et r a n s p o r td i s t a n c e , t h et r a d i t i o n a lm e t h o di st oa d d a m i d d l er e l a yp u m p i n gs t a t i o n ，b u ti t si n v e s t m e n tc o s ti sl a r g e ，a n dt h ea d j u s t m e n ti s i n c o n v e n i e n t h o wt oi m p r o v et h es l u r r yt r a n s p o r te f f i c i e n c ya n dr e d u c et h ee n e r g y c o n s u m p t i o nh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tp r o b l e m w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h ep i p e l i n e t r a n s p o r t a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h es t u d yo f t h em u l t i p h a s ef l o wp i p e l i n et r a n s p o r t a t i o n ， t h e r ei san e ws o l u t i o no ni m p r o v i n gs l u r r yt r a n s p o r t a t i o ne f f i c i e n c ya n d t r a n s p o r t a t i o nw i t hl o n gd i s t a n c e ，w h i c hu s e sa i r - e j e c t i n gt oh e l pt r a n s p o r t a t i o n w en e e dt oe x p e r i m e n tf o rm a n yt i m e st om a k ei tc l e a rt h ea p p r o p r i a t e p a r a m e t e r so fa i r - e j e c t i n g s ot h ed e s i g no ff e a s i b l ea p p a r a t u sa n dt h ee x p e r i m e n t so f s l u r r yp i p e l i n et r a n s p o r t a t i o nb a s e do ni th a v ei m p o r t a n tm e a n i n g t h ep a p e r , w h i c h b e g i n sw i t ht h ep r i n c i p l e so fr e d u c t i o nf r i c t i o na n de x t e n to ft r a n s p o r t a t i o nd i s t a n c e b ya i r - e j e c t i n g ，d i s c u s s e st h ef e a s i b i l i t yo fa i r - e j e c t i n gt oh e l pt r a n s p o r t w eh a v e d e s i g n e dt h en m l t i p h a s ef l o wa p p a r a t u s ；i tc o n s i s t so fa i r - e j e c t i n ga p p a r a t u sa n dt h e m i d d l er e l a yp u m pa p p a r a t u s t h ea i r - e j e c t i n ga p p a r a t u sm a i n l ym a k et h ee x p e r i m e n t o fl e n g t h e n i n gt r a n s p o r td i s t a n c eb ya i r - e j e c t i n g t h em i d d l er e l a yp u m pa p p a r a t u s m a i n l ym a k et h ec o m p a r a t i v ee x p e r i m e n tw i t ha i r - e j e c t i n gt oh e l pt r a n s p o r t w e a r r a n g et h et e s t i n gs c h e m ea c c o r d i n gt ot h eo r t h o g o n a lp r i n c i p l e s ，a n dt h e nw ec a n t u s et h el e a s ti n v e s t m e n tt oa c c o m p l i s ht h ei d e a l i z e de x p e r i e n t i a lr e s u l ti nt i m e t h i s p a p e ri n t r o d u c e st h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mo ft h ea p p a r a t u si nd e t a i l i n i i 武汉理工大学硕士学位论文 d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，f r o mt h es e n s o r ，i n t e l l i g e n c ei n s t r u m e n t ，o n t h e s p o tb u st o t h ed e s i g no fp r o g r a m ，a l lc o m p o n e n t sh a sb e e ne x p l a i n e dc l e a r l y i nc o n t r o ls y s t e m ， w em a i n l yd i s c u s st h ep r o g r a n m l a b l el o g i c c o n t r o l l e r , f r e q u e n c yc o n v e r t e ra n d n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , a n de x p l a i n e dt h ed e b u gp r o c e s so f m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h ec e r t a i n p r o c e s so f e x p e r i m e n t a ld a t a , w ed e v e l o pt h es p e c i a ld a t ap r o c e s s i n gp r o c e d u r eo nt h ev i s u a l c 十+ 6 0p l a t f o r m w h i c hg r e a t l ya l l e v i a t et h ed a t ap r o c e s s i n g p e r s o n n e l sl a b o r i n t e n s i t y k e yw o r d s ：m u l t i p h a s ef l o w , d a t aa c q u i s i t i o n ，c o n t r o ls y s t e m ， p i p e l i n et r a n s p o r t a t i o n , d r e d g e r i l l 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 课题研究的目的和意义 运输是物流的主要功能之一，它实现物品在空间上的转移，创造“场所性效 益”。我l 虱运输主要有五种方式，即铁路运输、公路运输、水路运输、航空运输 和管道运输。在这五种方式中，过去总是把管道运输放在极次要的位置。随着 经济的发展，管道运输也迅速发展起来，在国民经济中起着越来越重要的作用。 在公路、水路、铁路、航空和管道运输五种运输方式之中，管道运输是一种 理想的运输技术。把运输途径和运输工具集中在管道中，具有许多突出的优越 性：( 1 ) 是一种连续运输技术，每天2 4 h 都可连续不断地运输，效率很高；( 2 ) 管道一般埋在地下，不受地理、气象等外界条件限制，可以穿山过河，不怕炎 热和冰冻；( 3 ) 环境效益好，封闭式地下运输不排放废气粉尘，不产生噪声， 减少了环境污染；( 4 ) 管理方便，运输成本低。但管道运输也有其固有的缺点： ( 1 ) 较长距离的管道运输主要适用于液体和气体的输送，一般固体物资不适宜 采用管道运输。( 2 ) 管道运输一般用于连续性运输的物资，对于运输量较小或 者不连续需求的物料( 包括液体和气体物资) ，也不适合于用管道运输。( 3 ) 管 道运输路线一般是固定的，管道设施的一次性投资也较大【1 2 1 。 为净化水库、改善湖泊水质，增大蓄水量，改善生态环境以及对航道进行疏 浚治理，工程上的主要方法是用挖泥船进行清淤疏浚。挖泥船作为一种常用的 工程船，能将挖泥、输泥等工序连续完成，其作用不仅仅是清淤，在修建港1 ：3 码头、取土固堤、兴修农田水利中都发挥了重要的作用。按照挖泥形式，可以 将挖泥船分成不同的种类，包括绞吸、耙吸、冲吸、链斗、斗轮、爬猫挖泥船 等。以冲吸式射流挖泥船为例，挖泥船疏浚的原理如图1 1 所示，它的工作原理 是利用离心式水泵将船外清水吸入，加压后沿工作水管输送到水下喷头及射流 式泥浆泵，前者将泥沙冲起，在射流泵吸入口附近形成高浓度泥浆，射流泵将 其吸入，并通过排泥管将它压送到船上的离心式泥浆泵，泥浆经过增压后，沿 输泥管压送到排泥地点。在疏浚土的输送方式上，除链斗式挖泥船有专门的泥 驳或水上皮带机运输外，其他的挖泥船都是用水力运输，即通过管道直接把泥 浆运送到指定的排泥点，一般来说管道输送距离相对比较长【卜5 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 图卜1 射流挖泥船工作原理图 】- 离心式泥浆泵2 - 离心式工作水泵3 埘流式泥浆泵 4 一冲沙喷头5 闸阀6 排泥管7 工作水管8 排泥管 旦坠p 5 维持管道内流体具有一定压力是流体输送的基本条件，当输送距离长或泵出 口压力不够时，则需对管道内流体增压。就挖泥船而言，现在作业中的绞吸式 挖泥船以固液两相流输送泥浆的，其不足之处是排泥距离( 以下简称为“排距”) 短、能耗高、易堵管、排泥管磨损严重，特别是输送距离不够远使得某些工程 无法施工。在泥泵性能不变的前提下，为延长排距，传统的方法是加入中间接 力泵站，但这样就必然会增加一条工作船及泵站工作人员，投资费用较大；并 且当排距改变时中间接力泵的调整极不方便。如何更有效地提高泥浆输送效率、 减少能耗和提高挖泥船的作业灵活性是人们一直关注的问题。许多疏浚公司和 科研机构都进行了一些研究，美国e l l i c o t t 公司是美国历史最长、规模最大的挖 泥船制造商，该公司的t h o m a s m t u r n e r 对疏浚作业作了一些研究，并著有水 力疏浚原理一书，该书对水力疏浚的原理和实践作了比较全面的论述，对影 响挖泥船作业优化的因素、泥泵的特性、排泥管路特性等方面进行了比较深入 的研究：荷兰i h c 公司也进行了相关研究，但其研究成果的数据并不对外公开： 上海航道局、天津航道局和长江航道局在这方面也开展了一些工作。 随着管道输送技术的发展和对多相流管道输送特性的研究，在提高远距离泥 浆输送效率的问题上有了新的解决方案，就是加气助送输泥。向输泥管中加入 空气，管道中的流体就成了气、固、液多相流。相是具有相同成分和相同物理、 化学性质的均匀物质部分，也可以说相是物质单一状态。如气相、液相和固相； 2 武汉理工大学硕士学位论文 而物理学中又将气体、液体和固体称为物质的三相。因此多相流中的相，既指 不同的热力学集态，也指同一集态下不同的物理性质或力学性质。多相流是指 两相或两相以上不相容( 或具有相界面) 物质的混合流。多相流是自然界、人 类生活和工程技术中常见的一种物质流动，挟沙水流、颗粒的水力输送、石油 的开采和输送，发动机排气和工业炉中的燃烧等都存在这种流动。加气助送输 泥，即以“液体输送为主，气体输送为辅”，变固、液两相流为固、液、气三相 流输送，是为了降低阻力以延长排距、减小磨损以提高排泥管寿命，同时可以 根据排距的长短来决定加气的流量和压力或者是否加气，提高挖泥船的工程作 业性能。一方面，气体进入管道后可以起到类似润滑剂的作用，减小固相、液 相与管壁的磨擦阻力；降低管道输送阻力同时减小管道的磨损：另一方面，加 入空气造成的管道内输送流体体积增大以及压缩空气的膨胀助推作用都会促进 延长排距。另外，由于应用加气助送输泥可提高输送泥浆的浓度，所以可以减 小残水对环境的污染。“”。 多相流管道输送技术除了应用在挖泥船输泥外，还可以应用于其他行业的管 道运输领域上，如矿石、石油、水煤灰、混凝土、自来水等方面的管道输送， 市场潜力具大，应用前景广阔“”1 。 1 2 多相流管道输送研究与应用概况 就管道输送而言，早在两千多年前，我们的祖先就在四川创造了用竹管输 送煮盐的方法。西方采用管道运输始于1 9 世纪中叶，1 8 6 5 年美国建成世界上第 一条原油管道，但大规模使用管道运输液体( 原油、成品油) 、气体( 天然气、煤 气) 、固体( 煤炭、矿石) 等是随着现代工业的发展而发展起来的。第二次世界大 战以后，各产油国大量兴建石油管道。n t2 0 世纪7 0 年代和8 0 年代时，新技 术、新材料，特别是电子计算机的应用，形成了智能化的监控终端和全线远程 数据采集和监控系统，实现了管道运输的现代化。 在管道输送领域上，单相、气固和液固两相流输送技术人们早有研究和应用， 气固、液圃两相流输送有了上百年的历史，如早在1 8 8 3 年俄国就出现了卸船散 装粮食的气力吸粮机。气、固、液三相流的空气助送技术则是很有发展潜力的 新技术。自二十世纪六、七十年代才有匈牙利、日本、美国和德国等少数几个 国家开展这方面的研究，并取得了一些成果，例如二十世纪六十年代末，日本 3 武汉理工大学硕士学位论文 将这项技术用于隧道工程中，用压缩空气将混凝土输送到浇注地；七十年代末 又建造了5 0 m 3 m 的空气送泥船，用于高浓度的软泥输送；八十年代束正式开始 了对适合熊本港建设工程需要的高浓度软泥疏浚船空气压送泥技术的开发研 究，并应用于熊本港建设；同时建造了3 0 0 m 的气流式泥沙输送船，其排距达 1 0 0 0 m ：1 9 9 4 年建造了1 0 0 m 3 h 的空气压缩送泥船，经过了几十年的发展，日本 建造的空气送泥船达几十艘，其中最大产量为1 0 0 0 m 3 h ，排距达4 0 0 0 m 。匈牙 利b a n h i d a 电厂采用以仓式泵为主要动力，先形成气、固两相流，然后再掺入 水，形成多相流输送系统，即以“气体为主，液体为辅”的工作方式，进行了工业 性试验，输送距离达1 8 0 0 m ，但由于管道中气体比例较大，气体在管道中沿程体 积膨胀严重，大大增加了管道输送的阻力，所以不利于长距离输送”。 在国内，原武汉水利电力大学管道输送科研组从二十世纪八十年代末开始， 也进行了一些多相流管道输送技术的研究工作，采用以泥浆泵为主，先形成固、 液两相流，然后由空压机向运输管道中掺气，形成以“液体为主，气体为辅”的输 送系统，并在湘潭和洛阳电厂的粉煤灰输送系统上进行了工业性试验，其研究 表明：输送重量浓度为3 0 时，可减阻2 0 左右，浓度为1 0 1 5 时可减阻6 - 1 0 ； 可实现远距离传输，还可节能、节水；石油大学郑永刚等人也作了一些研究， 所提出的计算模型的理论计算减阻效果可达3 0 “。 武汉理工大学在2 0 0 0 年左右进行管道加气输泥的试验研究，并应用于实船 试验。他们的研究成果表明在下列情况加气效果比较明显，在加气方式上采用 旋转射流水加气；加气点位于离主泵距离为整个管长的1 0 左右；加气压力为管 压的2 0 左右；加气量在1 5 2 0 之间；实船试验延长排距效果在4 0 以上”3 “。 1 ，3 论文研究目标和主要工作 本文的研究目标是根据多相流试验的试验目的设计并完善多相流试验装置， 并在此试验装置的基础上进行多相流试验。本文主要做了以下工作： 1 试验管道系统设计 进行管道输送的加气助送机理和多相流管道输送的研究，搭建合理的、功能 完善的的试验台的工作是必不可少的。多相流试验台包括管道输送系统、搅拌 系统和加气系统等；另外，加气工艺对减阻效果有很大影响，而喷嘴作为加气 装置的核心部件，关系加气试验的成败与否，本文对旋转射流加气方式的实现 4 武汉理工大学硕士学位论文 进行了研究。 2 试验方案设计 在科学研究和工农业生产的一切领域里，都存在多因素配合的试验问题。 如果进行完全组合试验则需要进行相当多次的试验，由于人力、物力、财力和 时间的限制，有时候不可能通过全面试验来达到认识事物内在规律的目的。正 交试验设计就是一种只需做少数次试验而又能反映出试验条件完全组合的内在 规律的科学试验方法。多相流试验的试验方案就是正交表来安排的，节省时间 的同时又能达到试验目的。 3 试验装置测控系统的设计与调试 测量、控制系统作为试验装置的神经中枢，对试验装置的性能和调节具有 十分重要的作用。在测量方面，采用智能仪表+ 上位机的集散型测控系统，实现 了本地和远程同时监测试验状况，并实现试验数据存储和打印输出；在控制方 面，采用以西门子公司的p l c 、变频器及其网络通信技术为主体的架构；测控 系统在设备的安装和布线等工作完成之后，还需要进行装置调试工作，因为调 试是整个系统完成的重要环节，只有调试后才能进行实地测试和调整控制电路 和控制程序，以适应测控系统的要求。 4 试验数据处理软件的开发 多相流试验得到大量的原始数据，要达到试验的预期目的，就要对这些原始 数据进行处理和分析。如果数据处理这项工作由人手工完成的话，那么数据处 理人员的工作量是非常太的，并且会有大量的重复性劳动，为此，开发了一套 针对本试验数据处理流程的软件，把这项工作由计算机来完成，实现数据处理 自动化，减轻了数据处理人员的工作量，也加快了数据处理进度，以便及时安 排下一轮试验。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章加气助送机理与试验装置设计 2 1 加气减阻机理分析 减阻又称粘性减阻，其定义是指靠某种技术措施，使相同量的物体或流体， 在相同的时间内，输送相同距离而消耗的费用或能源有所降低，就称这种技术 措施为减阻。当粘性流体在圆管中流动时，由于流体粘性的存在，使其无滑移 条件成立，壁面上流体与壁面的相对速度为零，这样必然在壁面附近出现速度 梯度区，这一速度梯度区就是所谓的边界层或附面层。根据牛顿摩擦定律，粘 滞系数与速度梯度的乘积构成了摩擦力。因此，要实现减阻，就必须减小速度 梯度或粘滞系数。可以说，基本上所有的减阻都是直接地或间接地围绕着研究 如何降低边界层内的速度梯度或粘滞系数而展开的。因此，减阻实现上是边界 层或附面层内的减阻。根据减阻的机理不同，现有固、液两相流管道输送的减 阻研究大致可分为两大类：型体减阻和静减阻。型体减阻是探索物质的流线型对 保持层流边界层的影响。这是人们在早期寻找减少流体阻力方法。静减阻是指 在流质中添加某种物质，使主流区与边界层之间形成一个缓冲层，相应地增加 了层流边界层的厚度而起到减阻作用。目前，静减阻在固、液两相流管道输送 中的应用最为广泛。常用添加物主要有：高分子稀溶液，细砂泥浆，压缩空气 等。空气的粘滞系数比水的小得多，通常情况下，仅为水的1 5 6 ，因此如果能 在近壁层内用空气代替水，那么将会使阻力大大下降，从而达到减阻的目的“。 关于两相流掺气的减阻作用，文献 1 7 1 认为是气体掺入后浆体水流内部结构 及运动发生了很大变化的缘故，其机理表现在两个方面：( 1 ) 固液两相流掺入 适量气体后，一方面助长了水流内部紊动强度，使浆体中较密实的絮凝网状结 构遭到破坏，颗粒间、层与层间、浆体与壁面之间被微小气珠掺入，浆体内部 粘度内摩擦阻力及边壁切应力变小；另一方面，雾状微小气珠的运动及小气泡 在紊动中掺混、破碎以及上浮作用，在阻滞固体颗粒下沉的同时易将管底较粗 的颗粒冲起向上悬浮，使浓度和颗粒在沿垂直管道轴线方向分布变得较均匀， 从而减小粗颗粒直接摩擦管壁的机会，其结果表现为管道输送阻力减小。( 2 ) 掺气后，管周壁形成一个封闭式环形水气薄膜，使管壁变得光滑。紧贴壁面边 界层厚度由水气膜取而代之，使整个边界层的质量密度、粘度及流速梯度变小， 6 武汉理工大学硕士学位论文 这时边界层内边壁切应力变小，这将导致输送阻力减小。 一般来说，圆管中心部分的掺气不会实现相同流量条件下的减阻，而对近 壁层，由于该区很薄，且流速很小，在此处掺气可以使其壁面阻力降低，而对 水流量的影响不是很大，可能实现相同流量条件下的减阻。注入气流在层流范 围才有较好的减阻作用，对于一定浓度和流量的两相流而言，随着气流流量的 增大，减阻效果愈好；当气流量大到某一定值时，减阻效果不再增加，反而减 小。对于一定流量( 或浓度) 的两相流来说。两相流的浓度( 或流量) 愈大，减阻效 率也愈大。对于段塞流，其含气量影响其阻力规律，减阻率随气体含量变化的 曲线如图2 - 1 所示，当减阻率0 d r t 时，表示段塞流减阻；当减阻率d r 0 时，表示段塞流增阻，所以，对于段塞流，其产生的减阻作用很小；而当气体 含量位于增阻范围内时，阻力增加很大。因此在管道输送过程中，若利用掺气 减阻，则应控制出现段塞流“”1 。 一o 皆一o * - o , 詈二? 一1 一1 气体古t r i 厂r 图2 - 1段塞流的减阻率随气体含量变化的曲线 对多相流而言，影响减阻效果的因素是多而复杂的，如浆体的浓度，浆体 的流速，加气量及加气压力，流体介质的物理化学特性，管道直径及相的粗糙 度等等。但是对于特定的浆体组成和浆体流速，存在一个最佳的加气量和对应 的加气压力。对于浆体的浓度，一般认为在高浓度和小流速的情况下，在适量 的加气量下，有较好的减阻效果，随浓度的降低或流速的提高，效果下降。这 可解释为边界层内气膜的生成改善了浆体的流动状况并破坏了浆体的絮凝网状 结构。 在多相流试验中，以泥浆泵为主要动力，先形成固、液两相流，然后由空 7 武汉理工大学硕士学位论文 压机向管道中加入少量气体，即以“液体为主，气送为辅”的工作方式运输。 气体进入管道后可以起到类似润滑剂的作用，使输送所需总压降减小。而且， 气体与浆体充分混合后，气体对浆体水流内部结构及运动机理发生的变化。当 加入少量空气时，气体一方面助长了水流内部紊动强度，破坏了浆体中较密实 的絮凝网状结构物。而边壁处以及浆体中气体的存在，使浆体质量密度减少， 粘度变小，使边壁切应力及浆体内摩擦阻力变小，同时，气体的运动及气体的 掺混、破碎及上浮作用，易将较大颗粒悬浮，使之沿垂直管轴线分布较为均匀， 从而减少它们直接与管底摩擦的机率o ”1 。 2 2 加气延长排距机理分析 如果加气方法得当，参数合理，空气的减阻作用使管道阻力减小。另外浆体 克服管阻在管道内前进的过程中压力会有损失，加入的压缩空气也会沿程膨胀， 释放能量对浆体做功，按等温膨胀计算，加进气体所具有的这部分能量能推动 浆体向前流动，这是延长排距重要的因素。 以绞i 吸式挖泥船为例，其排泥距离受临界流速”、泥泵扬程和主机功率的 限制。图2 2 说明了某挖泥船泥泵和排泥管路特性曲线与主机功率的关系。从图 中可看出，排距增长时管流阻力增大，这使得流量减小和泥浆流速降低。如果 - l b c ，啦n 黄” 。_k ， 一。 ， _ 9 0 0 誊捌y i b b 0 ，_ y - ， 蹩 、_ - i 一宣d 07 ， a t 椒雩墼。 。毋雾 -兹二一一。 涂、 ，- 矿。、 - 7 0 0 ：，_， z 一哆聋h- 孽弓口z 雾落 f - 一_奢砖= = 鲁， ；k h - 8 n ，h二 ； f 二一 f x h - 謇o 每一 啪黼 2 0 1 0 02 4 0 0 1 2 黼8 0 0q ( 赢p 图2 - 2 某挖船泥泵和排泥管路特性曲线 8 铲i 怫 ， 武汉理工大学硕士学位论文 泥浆流速低于临界流速圪就会造成堵管。因此工程中需要延长排距的时候，就 应该设法提高浆体流速，降低管流阻力或降低f 值啪1 。 管内泥浆临界流速k 的值可按式( 2 1 ) 计算。， k = 3 4 8 i g d ( s - 1 ) m ( 2 1 ) 式中：e 浆体的临界速度( m s ) ； j p 沙粒体积浓度( ) ； _ g 重力加速度( m s 2 ) ； s 沙粒比重； c 沙粒的阻力系数； d 管道内径( m ) ； 沿程阻力损失水头或扬程可按式( 2 2 ) 计算， 肚砂篆= 砂黪 z ， 式中：三管长( m ) ； q 浆体流量( m 3 s ) ； 阻力系数； y 浆体比重； 矿浆体流速( m s ) ； 其它符号意义与式( 2 。1 ) 相同； 由式( 2 1 ) 可知k 与d 尼成正比。如果缩小管径，虽然可以降低k 值并提 高管流速度，但从式( 2 - 2 ) 可知与成反比上升。在泥泵扬程一定的情况下， 管长增加时，管流阻力会造成流量减小而使流速大幅度下降，其结果可能会造 成堵管。如果加大管径，则要求k 值更大，当流量一定时流速会下降得更快， 这与扩大管径k 上升的要求相矛盾。所以缩小管径和扩大管径都不能有效地延 长排距。 空气与水相比，密度只有水的1 9 9 8 ，粘性系数为水的1 5 6 。它可以压缩、 储存能量，在管中沿程逐渐释放所储存的能量。正因为空气有上述特点，因此， 只要加气参数、加气方法控制得当，加气可使管流速度增加，阻力系数减小或 不增加，临界流速降到相当低的程度，这样能够通过扩大管径使流量保持不变 9 武汉理工大学硕士学位论文 来达到延长排距的目的。 据日本空气送泥船实船资料及试验数据介绍，排泥管径是普通挖泥船的1 5 倍，泥浆浓度一般在3 0 以上时，加气后的气、固、液三相流的速度最小可低 到o 1 0 ，2 m s 的程度。就固、液两相流而言，以泥管直径为5 6 0 毫米、细砂条件、 泥浆浓度1 5 为例，为不致堵管，临界滚速k 值要求不低于2 3 m s ，这个值远 高于日本试验所推荐的最低值。由此可见，加入适量气体后 值大幅度下降， 这样即使扩大排泥管管径，浆体流量也不会因为流速降低而减小，同时可提高 泥浆浓度，增加输泥量。由此可见，加气后k 值下降、管径扩大，按加气状态 进行优化设计，延长排距的效果是比较好的”1 。 仅从空气加进管道增大体积来分析，加入适量气体后三相流体的速度是比 原两相流速要大。如果阻力值保持不变，这时气体减阻的效果则与流速增加阻 力增大相抵消。但是，这种高速流动状态与原速状态相比，是一种排距可延长 的状态。如果阻力减小，则是排距可延长得更多。假设原速状态是一种临界状 态，虽然还可排泥，但排距增加时，就将堵管。但是加气后，排距即使增加， 平均流速仍比没加气时的流速要高。从加气点到泥管出口处，由于形成了三相 流，值将大幅降低，使得实际流速远高于e 值，所以不会发生堵管现象。 上述分析表明，如果原状态能够排泥，加入一定量的空气后，即使泵出口压 力不变，也能确保排泥而且排距可得到延长。空气可充当稀释剂、增大体积的 作用和减阻剂的作用，加进气体使体积增大就是延长排距的效果。“另一方面， 空气是一个可压缩的流体，可储存一定的能量。将以动能、热能交换的形式传 给浆体，随着管压下降，以等温膨胀的方式释放能量，推动浆体前进，因此气 体所提供的能量也可使排距延长。 如果忽略气体与浆体的动能交换、热能交换、气体的管流损失、推动功率及 加气后由于阻力系数下降推动浆体的能耗也降低等一系列因素，那么延长排距 的值是加气后体积增大值、气体能量推动浆体前进的值和减阻效果三者之和。 即排距被延长的百分比由以下三部分组成“”“1 ： a l = a l ：+ 址。+ 厶 ( 2 - 3 ) 式中：上排距被延长的距离百分比； 址气体平均占浆体流量的百分比： 虬，气体所释放的能量推动浆体前进的距离； 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 易加气减阻效果对排距的影响值； 而虬：、址。和k 分别可按式( 2 4 ) 、式( 2 - 5 ) 和式( 2 9 ) 计算， a l 一：垫鱼! 。1 0 0 2 q 式中：q l 气体初始状态加气流量( m 3 s ) ； q 广一气体膨胀终了状态流量( m 3 s ) ； q 一力1 1 气状态浆体的流量( m 3 s ) 皈= 学枷蝴 式中：眵主泵克服管流阻力消耗的功率( k w ) ； 睨压缩气体做等温膨胀释放的功率( k w ) ； 矿射流水所具有的功率( k w ) ； 其中、和可分别由式( 2 6 ) 、式( 2 7 ) 和式( 2 - 8 ) 计算 睨= 1 0 x 1 0 q 哌= 1 0 1 0 3 eq 1l n 鲁 睨= 1 0 x 1 0 3 只g 以上三式中：只未加气时管道总压降( m p a ) ； q 未加气时浆体流量( m 3 s ) ； 只气体初始状态压力( m p a ) ； 蜴气体初始状态加气流量( m 3 s ) ； 只气体膨胀终了状态压力( m p a ) ； 只射流水进出口压差( m p a ) ； q 射流水流量( m 3 s ) ： 舭d = ( a lr d + 址”d ) 1 0 0 式中：a l 。加气后管压变化对排距的影响值； ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 武汉理工大学硕士学位论文 l 。加气后流量变化对排距影响值，流量增加为正 其中a l d 和a l ”d 分别由式( 2 1 0 ) 和( 2 1 1 ) 计算： 甜。- ( 弘 l | d = ( 妒一 以上两式中：e o 未加气时管道总压降( m p a ) ； p 加气状态管道总压降( m p a ) ； q 加气状态浆体的流量( 历3 s ) ； q 0 未加气时浆体流量( m 3 s ) 。 2 3 试验装置结构设计 2 。3 1 总体结构设计 反之为负 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 试验台主要是模拟挖泥船在疏浚作业时泥质的管道输送，所以试验介质是 泥浆和细砂与水的混合物。试验目的是为了进一步研究加气助送机理，弄清管 道流量、泥浆浓度、加气压力及加气量等参数对助送效果的影响：通过加气与 不加气的对比试验，找出参数最佳匹配关系，说明加气对延长排距的效果和作 用；并比较在延长排距方面，加气与中间接力泵站的各自的效率问题；将试验 台的研究成果通过相似转换关系进一步推广到实船上，使之发挥经济效益和社 会效益。 根据试验目的，试验台由加气助送试验装置和中间接力泵站试验装置两大 部分组成。其中为了进一步推广到实船而进行相似转换的需要，每套试验装置 分为管道直径1 2 0 r a m 和2 2 0 r a m 的两组管道系统。试验装置主要卣管道输送系 统、加气系统、搅拌系统和测控系统等构成。 加气助送试验装置主要完成加气延长排距试验，向排泥管内加入压缩空气， 利用气体的减阻和助推作用使泥质的输送距离得到延长。首先利用变频措施改 变主泵的运行参数，了解泵的工作特性，确定主泵的试验运行参数，然后进行 加气试验。通过试验可以研究加气助送的内在机理，以及管道输送参数、加气 参数对助送效果的影响。根据试验场地、安全及各种现场条件，加气助送试验 装置结构如图2 ，3 所示。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 3 加气助送试验装置结构图 图2 - 4 中间接力泵站试验装置结构图 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 中间接力泵站试验装置与加气助送试验装置的区别是用中间接力泵站替代 加气系统装置。中间接力泵站试验装置主要完成与加气助送的比较试验，即首 先在一定的管道输送参数和加气参数下，测出管道的特性曲线，然后停止加气， 起用二级泥泵助送，用变频器调节二级泵运行参数，模拟出加气助送时的管道 输送特性，测出二级泵的功耗和运行参数；在相同管道阻力特性曲线下进行两 种输送方式的功耗的对比。中间接力泵站试验装置结构如图2 - 4 所示。 测控系统采用上、下位机形式，s i e m e n ss 7 3 0 0p l c 和各种智能仪表作为 下位机与变频器等控制电路安装在本地控制柜里，控制柜面板安装有各类监测 仪表和操作按钮，实现本地实时监控的目的。试验人员在本地控制柜可以控制 空气压缩机的启动、停止以及各级水泵的启动、停止和调速。工业p c 作为上位 机，是远程操作台的核心部件。远程操作台远离试验装置现场，避免受到噪声 等干扰。在远程操作台上除了能实现手动控制柜的所有功能之外，还要记录试 验数据，并进行试验数据的分析和根据需要进行数据报表打印等功能。 2 3 2 装置结构设计 加气助送试验装置主要由管道输送系统、加气系统和搅拌系统组成。其中 管道运输系统和搅拌系统是与中间接力泵装置共用的。 1 ) 管道输送系统：包括水池、泥管、玻璃管、泥泵、电机和控制阀等，主 要是完成泥质输送，本试验台为一闭式循环系统，即泥浆从泥池吸出仍排回泥 池中。为了观察多相流在管道中的流动状态，所以在泥管中安装了两段透明的 玻璃管。各组成部分的技术参数说明如下： ( 1 ) 泥池。内径由2 5 m ，高1 _ 8 m ，中间设有中1 m 的圆桶，与水池构成环 形水道，便于循环搅拌，在做2 2 0 m m 管道试验时需要增大泥池高度。 ( 2 ) 泥管。长度为1 5 0 m ，两组分别为由1 2 0 m m 和由2 2 0 m m ，包括两段长 为l m 的透明玻璃管。 ( 3 ) 主泵。管径1 2 0 m m 时型号为1 0 0 l x l n 1 1 5 1 9 ，功率为1 5 k w ，转速 1 4 5 0 r m i n ，总扬程1 9 m ，流量为“5 m 3 h ；管径2 2 0 m m 时型号为2 0 0 l x l n 一3 5 0 1 2 ， 功率为1 8 5 k w ，转速9 7 0 r m i n ，总扬程1 2 m ，流量为3 5 0 m 3 h 。 2 ) 搅拌系统：试验台的试验介质为固液混合物，它容易在静止状态下分离、 沉降，因此，为了使试验过程中保持试验介质的浓度均匀，特配备一台搅拌泵 来搅拌泥水，使泥池中的液体保持为悬浮液。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 搅拌泵。管径1 2 0 m m 时型号为1 0 0 n 1 9 ；管径2 2 0 m m 时型号为 2 0 0 l x l n 3 5 0 1 2 ，其余参数与主泵基本相同。 3 ) 加气系统：包括射流泵、空气压缩机、空气瓶、各种气阀和气液混合装 置。在泥管分出一路支流到射流泵，经射流泵增压后与压缩空气通过喷嘴重新 加入到泥管中。喷嘴安装在泥管9 0 。拐角处，通过喷嘴使压缩空气加入泥管并 与泥浆均匀混合。在喷嘴后的一段透明玻璃管可以看到压缩空气与泥浆混合的 状况。各组成部分的技术参数说明如下： ( 1 ) 射流泵。管径1 2 0 m m 时型号为5 0 z w l 5 3 0 ，流量1 5 m 3 m ，转速 2 9 0 0 r m i n ，扬程3 0 m ；管径2 2 0 m m 时流量为3 0 m 3 l l ，扬程3 0 m 。 ( 2 ) 空气压缩机。型号为w - 0 9 7 ，排气量0 9 m a h 。功率为7 5 k w ，额定 压力7 k g c m 3 。 ( 3 ) 空气瓶。试验压力为o 7 7 m p a ，容积o 1 2 4 m 3 。 中间接力泵站试验装置主要是由吸排泥系统构成，是在加气试验装置的基础 上，移除加气系统，加装一个二级泵，其余的保持不变，使两个试验更具有可 比性，二级泵的参数与主泵完全一致。 2 3 3 加气喷嘴设计 由加气减阻的机理得知，加气方法、加气参数得当可获得较好的减阻效果， 加气后较为理想的状态是在管道四壁形成一个封闭环形水气薄膜。而喷嘴作为 加气的关键装置，设计是否合理对加气的减阻效果有很大的影响。试验采用旋 转射流