（环境工程专业论文）粉煤灰浓浆管道流动特性与阻力特性的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 在目前水资源日益紧张的情况下，稀浆改浓浆已经成为电厂水力除灰系 统发展的必然趋势。本文对电厂的浓浆输灰系统作了详细的用水剖析，找出 输灰过程中节水的关键技术，详尽论述了粉煤灰颗粒的物化特性、浆体特性， 并首次提出了浆体的稳定性和不稳定性的概念，在此基础上系统地分析管道 特性、颗粒特性、浆体特性对管道阻力损失的影响效果，并采用多因素分析 法对其主要影响因素进行敏感性分析，找出其影响程度的大小关系。根据对 管内浓浆流动过程的分析，本文进而提出了浓浆输送阻力计算模型，并建立 了相应的水力坡度计算公式，通过广泛的实验验证，证明了该方法的可行性。 关键词：固液两相流，浓浆输灰，流动特性，阻力特性 a b s t r a c t u n d e rt h ec o n d i t i o no fr e s o u r c e so fw a t e ri si n c r e a s i n g l yn e r v o u sc u r r e n t l y , i th a s b e e na ni n e v i t a b l ed e v e l o p m e n tt r e n dt h a tt h ed i l u t ew e ta s hc h a n g e si n t oc o n d e n s e d w e ta s hi nt h ep o w e rs t a t i o nh y d m t r a n s p o r ts y s t e m i nt h i sp a p e rt h ew a t e r u s i n gi n t h ec o n d e n s e dw e ta s h h y d r o t r a n s p o r ts y s t e mo f t h ep o w e rs t a t i o ni sa n a l y z e di nd e t a i l a n dt h ek e yt e c h n i q u eo ft h ew a t e rs a v i n gi nh y d r o t r a n s p o r ti sf o u n do u t t h e nt h e s o l i dc h a r a c t e r i s t i c sa n ds l u r r yc h a r a c t e r i s t i c so ft h ef l ya s ha r ed i s c u s s e d ，a n df o rt h e v e r yf i r s tt i m et h ec o n c e p ta b o u tt h es t a b i l i t ya n di n s t a b i l i t yo ft h es l u r r yi sp u t t e d f o r w a r d o nt h i sb a s i st h er e l a t i o n s a m o n g t h e p i p i n g c h a r a c t e r i s t i c ，s o l i d c h a r a c t e r i s t i ca n dt h e s l u r r y c h a r a c t e r i s t i cw h i c ha f f e c t e dr e s i s t a n c el o s si n h y d r o t r a n s p o r ti sa n a l y z e ds y s t e m a t i c a l l y , a n dt h em u l t i f a c t o ra n a l y z i n gm e t h o do n m a i nf a c t o r st l l a ti n f l u e n c er e s i s t a n c el o s so fw e ta s h t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m i s e m p l o y e dt of i n dt h es e n s i t i v i t i e so fv a r i o u sf a c t o r so nr e s i s t a n c ei o s s ，f i n d i n go u tt h e d e g r e ew h i c hh a v ei n f i u e n c e d o nt h eb a s i so ft h i s an e wm e t h o di sp r o p o s e dt o p r e d i c tr e s i s t a n c el o s sf o rs e t t i n gc o n d e n s e ds l u r r yf l o w , a n dah y d r a u l i cg r a d i e n t f o r m u l ai so b t a i n d e d b yw i d ee x p e r i m e n t a lc o n f i r m a t i o n ，t h em e t h o di sp r o v e dt ob e c o r r e c ta n df e a s i b l e x i eh a i w e i ( e n v i r o n m e n t a l e n g i n e e r i n 曲 d i r e c t e db y p r o f y i nl i a n q i n g k e y w o r d s ：s o l i d l i q u i dt w o - p h a s ef l o w , c o n d e n s e dw e t - a s ht r a n s p o r t a t i o n ， f l o w p r o p e r t i e s ，r e s i s t a n c ep r o p e r t i e s 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文粉煤灰浓浆管道流动特性与阻 力特性的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的 研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大 学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文巾作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 糁 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅： 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：鞔 翩躲2 堕 日 期：兰生壁生2 2 1 7 日 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究背景和意义 1 。1 1 全球水资源状况 第一章绪论 水是宝贵的自然资源，是工农业生产和人民生活必不可少的物质。近年来随着 人口的增长和工业的发展，全球资源、环境都日益面临着巨大的压力。人类自身生 存不仅消耗巨量水资源，而且还向环境中排放大量的污染物，造成水环境的明显恶 化，使全球可利用的淡水资源日益减少，供需矛盾加剧。据有关统计“1 ，过去5 0 年全世界淡水使用量增加了将近4 倍，而且还在急剧增长，水资源日益短缺已成为 全球性问题，现今8 0 余个国家正面临水资源不足，约有1 2 亿人严重缺少饮用水。 我国水环境和水资源利用问题相当严重。虽然我国水资源总量约2 8 1 0 g m 3 ，屠 世界第六位。但人均占有量仅为2 3 5 0m 3 ，为世界人均占有量的2 6 ，居世界第1 0 9 位，已被列为世界上1 3 个最贫水国家之一“1 。目前在全国6 0 0 多座城市中，有3 0 0 多座缺水，其中严熏缺水的有1 0 8 座。1 。因此，如果说上世纪末中国经济发展的瓶 颈是基础设施和能源问题。那么，新世纪中国经济发展的瓶颈将是水资源问题。 1 1 2 输灰用水情况 火力发电厂是用水量大户，其用水量约占工业总用水量的2 0 。在我国北方缺 水比较严重的地区，就有些电厂由于缺水而不能满发，许多新建电厂在选址时也不 得不“以水定电”，影响和限制了电力工业的发展。并且我国8 0 年代以前建设的电 厂大多采用水力除灰系统，灰水比在1 ：1 5 左右，有的电厂灰水比甚至高达1 ：5 0 ， 不仅水耗、电耗大，而且给环保工作带来很大的压力。以个百万电厂为例，每小 时产生灰渣约1 5 0 t h ，如采用灰水比为1 ：1 5 进行输送，每小时将有2 2 5 0m 3 灰渣 浆输送到灰场，耗水量为2 1 0 0i n 3 h ，占电厂总耗水量的一半。因此，输灰节水改 造是电厂节水的关键所在。 一般来说冲灰水由以下三部分组成：循环冷却系统排污水、生活污水和补给水。 其中循环冷却系统排污水占冲灰水总量的5 0 7 0 ，生活污水占5 1 5 ，补给水 占2 0 3 0 “1 。用作冲灰水的循环冷却系统排污水一般不需经过特殊处理；而生 活污水也只需经简单处理( 如一级沉淀处理) 后即可直接用于冲灰。此外，锅炉排 污水、锅炉及设备清洗废水、煤场排水等电厂废水经一定处理后，也可用于冲灰。 由于水冲灰系统选用灰水比的不同，电厂的用水损失( 即电厂耗水经回收后， 最终变成汽态进入大气，或被送入环境水体的部分) 中，冲灰水损失可达总损失的 1 0 4 5 。冲灰水的大量排放不仅浪费水资源，而且由于冲灰水中含有大量的重金 1 华北电力大学硕士学位论文 属，还会对环境水体造成污染。因此，减少输灰水用量和灰水回收再用成为电厂节 水研究的重要课题。 1 1 3 课题研究的意义 水力输灰对输送不同的灰渣适用性强，运行比较安全可靠，操作维护简便。并 且在运输过程中灰渣不会扬散，因此我国多数电厂都采用水力输灰作为电厂的主体 输灰系统。在目前水资源日益紧张的情况下，输灰用水节水改造是电厂节水的关键 所在。稀浆改浓浆( 1 ；1 5 ) 已经成为水力除灰系统发展的必然趋势。 浓浆输灰作为一种新兴的输灰方式，在理论和技术上都存在一些不够成熟的地 方，这主要体现在：1 ) 理论方面。浓浆是典型的宾汉塑性体，它的研究进展依赖 于紊流理论的完善，然而目前，这一领域的研究大多停留在工程近似和试验研究的 水平上，因此浓浆输灰的理论研究有待进一步加强；2 ) 系统设备方面。目前电厂 采用的浓浆输灰方法包括：浓缩池、搅拌桶、喷射泵等，这些方法虽然能提高浆体 的浓度，但是从实际运行的情况来看输灰用水节水的潜力仍然很大。所以有必要在 改造旧设备的同时推出新产品；3 ) 设计计算方面。目前有关浓浆输灰设计计算的 基础大多是稀浆输灰或管道输沙理论的修正，由于对粉煤灰的浓浆特性考虑的不够 全面，因此存在很大误差。以上这些都严重影响了粉煤灰浓浆管道输送技术的推广 应用和应用效果，所以开展粉煤灰浓浆管道输送的理论与实验研究，特别是阻力计 算的实验研究，对于完善浓浆管道输送技术理论基础，提高浓浆管道输送工程的运 行水平，促进浓浆管道输送技术的工业化应用，具有深远的意义。 1 2 国内外研究现状 作为一门新兴的综合技术，管道水力输送涉及到流体力学、固液两相流动、流 变学等多门学科。目前，无论是从理论研究还是实验研究方面，许多问题远未得到 很好的解决，特别是对管道输送中固液两相流动机理的研究还有待于进一步深化。 因此，关于管道水力输送的理论和应用就成了近年来国际上的一个热点研究领域。 1 2 1 管道水力输送技术应用概况 管道水力输送技术早在1 9 世纪中叶就开始形成。但作为浆体管道输送的理论 基础一固液混合物的流动理论，则是国外3 0 年代初才开始研究的。半个多世纪来， 随着理论研究的不断深化，管道输送技术的应用得到迅速的发展，已成为当今世界 上五大运输手段( 铁路、公路、水运、空运、管道输送) 之一，在国民经济建设中 有重要的地位。表1 1 是国外几条有代表性的商业浆体管道”1 。 相比之下，我国的浆体管道输送技术的研究和应用是从7 0 年代后期才开始起 2 华北电力大学硕士学位论文 步的。但近3 0 年来发展迅速。目前，已在冶金、煤炭、化工、建材、电力和核工 等部门得到大量的应用。表i 一2 是我国已建成和规划建设中的一些大型浆体管道 输送工程。 表1 一i 国外几条有代表性的商业浆体管道 输送物料管路名称长度( k m )管径( m )投入运行时间 煤美国黑密萨4 4 04 5 71 9 7 0 精铁矿阿根廷格兰德3 22 0 31 9 7 6 糖铁矿巴延萨马科4 1 05 0 81 9 7 7 精铜矿新几内亚波甘维尔2 71 5 21 9 7 2 石灰石美国卡拉维拉斯2 71 7 81 9 7 l 表1 2 我国已建成和规划建设中的一些大型浆体管道输送工程 长度管径 输送物料管路名称设计单位 ( k m )( m ) 煤长城输煤管路8 3 86 1 0石油管道设计院与美国柏克特公司 煤长江输煤管路 9 9 59 6 5 北京煤炭设计院与美田柏克特公司 幸青铁矿尖山铁矿 1 0 2 32 2 9 7鞍山黑色冶金矿山设计院 精铁矿大红山铁矿 1 9 71 6 8 3长沙黑院与美国p s i 公司 精铁矿平川铁矿 6 01 5 6 长沙黑院与美国柏克特公司 精铁矿攀西二基地铁矿 5 8 04 2 6长沙黑色冶金矿山设计院 精磷矿翁福磷矿 4 42 2 8 6 连云港化工矿山设计院与p s l 公司 精磷矿宜川磷矿 1 1 02 8 5连云港化工矿山设计院 1 2 2 理论研究 i 2 2 1 固体物料的悬浮机理 固体物料的悬浮起因和动力主要有以下几个方面“1 ： 1 ) 紊流的脉动分速 紊流流场中任意一点的流速大小和方向都是瞬息变化的，这是从微观上来看 的：但从宏观上看，在一定时段内任意一点的平均流速和方向又是固定不变的。 水平方向的瞬时流速为v 。t + v ： 垂直方向的瞬时流速为v 。一t + v ： 式中疋、瓦：流场中任意一点水平、垂直方向的平均流速，且= 0 v x 、v ；：流场中任意一点水平、垂直方向脉动速度，且瓤v ：出- 0 、酃”；出- o 因此不能用时间平均值来反映水平、垂直方向的脉动速度，丽应用脉动速度的 均方差的平均根来反映。我们感兴趣的是垂直方向的脉动速度或叫脉动分速，其均 3 华北电力大学硕士学位论文 方差的平均根为 1 厂i 一c = = = 6 。，2 亭“( v j ) 2 d t 。( v ；) 2 公式( 1 一1 ) 可以证明瞬时流速匕和平均流速t 越大，其脉动分速均方差平方根6 。越大。 只要6 。大于固体颗粒的沉降速度v 。，固体颗粒即可悬浮。 2 ) 管壁较高的粗糙度引起的漩涡运动 在水流接近粗糙壁面时会产生游移不定的漩涡，促使物料被卷起和旋转。 3 ) 水流的速度梯度和物料形状的不规则性 由于水流在垂直方向存在速度梯度及物料形状的不规则性，因此固体颗粒在不 同方向的受力不平衡，造成物料在水流中旋转，此外水流对固体颗粒的绕流( 环流) 又会加强这种旋转。 4 ) 速度梯度与旋转运动造成颗粒上下流速不同。上部流速大，下部流速小， 因而上下压强也不同。上部压强小，下部压强大。从而形成上举力而浮起。 以上诸种因素中，主导因素是脉动分速，其余是辅助和加强因素。其主要特征 是水平方向的平均流速越大，脉动分速也越大，漩涡运动越强，上举力越大。这就 是浆体管道输送之所以要具有足够流速，以保持固体颗粒处于悬浮状态的原因。 1 2 2 2 管道流动的物理模型 浆体在管道输送过程中的流型变化主要取决于输送速度和输送浓度。一定浓度 的浆体随着输送速度的变化，可能出现的流型主要有均质悬浮流动、非均质悬浮流 动、移动床流动、固定床流动等四种。如图】1 所示。 嚣1 一l 管道中固体颗粒运动的基本形式 1 ) 均质悬浮流动。在流速很大时，强烈的紊动使固体颗粒完全处于悬浮状态 且在横断面上的分布比较均匀，这时的流动可以看作单相流来处理。 2 ) 非均质悬浮流动。随着流速的降低和紊流强度的减弱，固体颗粒在在横断 4 华北电力大学硕士学位论文 面上的分布己不复均匀，特别是管道的下半部具有更多的大颗粒，结果是越近底部 浓度越大。 3 ) 移动床流动。流速再次降低以后，近管底的颗粒以滑动、滚动或跳跃的方 式运动，先是呈个别的沙丘的形式，然后形成连续的移动床。沙丘或床层顶部的颗 粒移动的比下部的更迅速，这时管道上部的液体是纯净的。对于混合大小颗粒系统， 床层是由沉降速度最大的颗粒组成，具有中等沉降速度的颗粒处于非均匀悬浮中， 最小沉降速度的颗粒处在均匀悬浮中。 4 ) 固定床流动。流速降低到一定程度以后，床层最底部的颗粒几乎停止运动， 开始堆积于管底，形成不动的床底。由于床层上部的颗粒相互翻滚的原因，使床层 发生运动，形成淤积，其结果是流体有效断面减小。较小的颗粒在床层上处于非均 匀悬浮状态。最后当连续降低流速并且建立床层时，流动的压力降急剧增加，即阻 力增大。如果流动减弱，可能导致管道阻塞。 1 2 2 3 流型的分类“1 不同的流型区别见图1 2 。 图l 一2 切应力t 与切变率车关系 d v 打f 咖 i ) 牛顿体。如图中曲线1 所示，通过原点的直线。 。；u 盟公式( 1 2 ) 西 式中u ：液体的动力粘度( n s m 2 ) t ：切应力( n m 2 ) 2 ) 宾汉塑性体。如图中曲线2 所示，在t 轴上有截距的直线 t ：t 。+ n d r ,公式( i - - 3 ) 咖 5 华北电力大学硕士学位论文 式中t 。：起始切应力( 静切应力) ( n m 2 ) r i ：宾汉体的刚度系数( n s m 2 ) 3 ) 膨胀体。如图中曲线3 所示，通过原点的上翘曲线。 一x 公扪叫) 式中k ：稠度系数 。 n ：流动指数，n l 。 4 ) 伪塑性体。如图中曲线4 所示，通过原点的下跌形曲线。流变关系式仍为 公式( 1 4 ) ，只是n l 。 1 2 2 4 临界流速的概念 在讨论临界流速的概念以前，我们先来分析一下管道流动的阻力特性。3 。 v 。 v 图l 一3 两相流阻力变化曲线 i 一清水；2 一沙子的混合流；3 一粘土的混合流 清水的阻力损失与流速的1 2 次方成正比变化，也就是随着流速的增加，阻 力逐渐增大，如图l 一3 中的曲线1 所示。 但对管道两相流来说，阻力与流速的关系与清水不同，图中的曲线2 是一种非 均质流，阻力变化可分为a b 段、b c 段和e d 段等三个阶段- 当流速v 达到一定程度后，固体颗粒开始运动。此时，固体颗粒的运动主要是 6 示所 5，j黻陆 中 慢 图 h 如 ， 。 i i 体 ， 性塑伪服 。 屈 m 中式 华北电力大学硕士学位论文 滑动，部分是滚动，颗粒形成推移质状态。随着水流速度的增加，一方面水流本身 的阻力要增加，另一方面固体颗粒与水流的相对速度也随之增加。因此，运输固体 颗粒消耗的能量也要增加。这样，总的阻力是随流速的增加而增加的。如图l 一3 中的a b 段。 当流速继续增加时，使大部分固体颗粒具有半悬浮的运动状态，减少了固体颗 粒沿壁滑动而消耗的能量。随着流速的增加，颗粒的悬浮程度也要增加，因而，运 送固体所消耗的能量逐渐减小。总之，这一阶段的阻力随着流速的增加而减小，如 图1 3 中的b c 段所示。 当流速进一步增加时，颗粒处于完全悬浮状态，砟满整个横断面。随着流速的 增加，混合液的阻力也逐渐增加，如图l 一3 中的c d 段所示。 图l 一3 中的曲线3 实际上相当于一种均质流，其阻力的变化规律与清水类似。 只是粘度比清水大，因而产生的阻力也较大。 图1 3 中的曲线2 、3 所代表的阻力特性曲线，是两条具有代表性的典型阻力 特性曲线。在实际中，固体颗粒多是由粗细颗粒混合而成，其混合流的阻力特性曲 线也多介于图1 3 中的曲线2 、3 之间。 由上述分析可知，两相流的阻力和固体颗粒的运动状态均与流速有窟接关系。 因此水力输送的最佳流速( 即临界流速) 自然就成为了水力学的一项重要参数。目 前，关于临界流速的定义不尽相同“”1 。但普遍认同的观点是：管道恰好处于无沉 积的悬浮工作状态时的流速，如图1 3 中的点v 。临界流速是水力输送过程中与 运行的安全性、经济性密切相关的重要指标，当采用过高的流速时会引起阻力的增 加，即电能的过多消耗，采用较低的流速会导致管道内形成沉积层，如果流动进一 步减弱，将导致管道的阻塞。 临器流速的计算对两相流水力输送来说具有非常重要的意义，但日前对临界流 速的研究尚处于经验阶段，国内外研究者如d a v i e s “、c a v e “、o r o s k a r “”、 k a z a n s k ij n 7 1 、s h a hn 。3 、刘德忠m 1 、王可钦汹、丁宏达m 3 、李培芳m 1 、费祥俊1 等人都提出过经验或半经验的公式。由于这些研究者的实验手段各异，不可避免的 导致了这些公式的应用具有一定的局限性，使用时应注意其应用条件。 1 2 2 5 阻力损失理论及其计算 阻力损失是管道水力输送中最重要的水力参数之一，因为它直接关系到动力设 备的选型和运行的能耗。由于两相流是在紊流理论的基础上发展起来的，而目前紊 流理论的发展还不够充分，所以还没有能够充分说明两相流物理性质的完整理论， 但比较流行的有扩散理论、重力理论和重力扩散理论船”。这几种理论都是在特定的 条件下，通过局部的实验研究来考证的，如果离开这些特定的条件，所提出的理论 也就不能成立。 华北电力大学硕士学位论文 1 ) 扩散理论。认为两相流体是由固体颗粒和水混合成的一种悬浊液体，固体 颗粒在流动中和水一样，仅发生扩散作用，虽然在大流速时产生紊流，也只是增加 固体颗粒的扩散次数，而水和固体颗粒不会相互作用，在流动中水和固体具有相同 的速度，因此，可以将固体和水的混合物视为粘度和密度比水大的单一流体。其阻 力损失计算的基本形式为： i = ja r 公式( 1 - - 6 ) 式中i ：浆体水力坡度( m h ：o m ) ：i 。：清水水力坡度( m h ：o m ) ：r ：浆体重度 扩散理论的主要缺点是完全忽略了固体颗粒与液体的相互作用以及固体颗粒 的扩散与液体质点间扩散的不同，把复杂的两相流体简单地视为均质流体。因此该 理论只适用于浓度较大、粒径较小( d l 0 2 5 m m 时考虑：d 3 0 的浆体，其误差常常超过5 0 ，我们从后面的误差分析 中可以清楚的看到这一点，因此可以认为此公式不适合于浓浆的管道的阻力计算。 目前，针对粉煤灰浓浆输送理论及阻力计算的研究鲜有报道，这些不能满足实 际工程应用的需要，因此有必要在这一领域作深入的研究。 1 2 3 实验研究 表l 一3 国外有代表性的管道实验系统 管路系统 单位 主要设备及仪表 管路布置管径( r a m )管长( m ) 闭式循环管路 帝国理工学院2 52 6砂浆泵、u 型差压计 水平、垂直 闭式循环管路3 0 、4 3 、泥浆泵、电磁流量计、u 型 t o h o k u 3 “”) 水平、垂直、倾斜( 0 3 0 。)5 0 、5 6差压计、闪烁计数器 闭式循环管路射流泵、电磁流量计、差压 肯塔基大学。15 1 4 0 水平、倾斜( 0 - 3 3 。)计、y 射线密度计 闭式循环管路2 5 、5 0 、 隔膜泵、离心泵、电磁流 卡尔斯鲁大学。1 5 0 量计、膜片差压计、y 射线 水平8 0 、1 0 0 密度计 s a s k a t c h e w a n闭式循环管路 5 0 、1 0 0 、1 5 0 w a r m a n 泵、a s h 泵、螺杆泵、 2 0 0 、2 5 0 、 1 0 0 1 5 0 电磁流量计、文丘里管流量 研究所水平 3 0 0 、5 0 0计、压力传感器 密苏里大学管道输闭式循环管路 5 5 、2 0 4 2 3 射流泵、超声波流鬣计、压 送技术中心水平 1 3 1力传感器、激光测速仪 对管道两相流动现象的探讨，纯理论的分析方法只能适用于一些有限的情况， l o 华北电力大学硕士学位论文 而大多数情况下需用实验手段来加以研究。因此，实验研究在管道水力输送的发展 中起着举足轻重的作用。 国外发达工业国家从5 0 年代开始即投入大量的人力物力进行管道水力输送的 研究工作。其中实验研究占了相当大的比例，一批现代化的实验设施相继建成( 见 表1 3 ) 。根据研究课题的特点，规模大小不一，系统繁简各异。研究内容几乎涉 及到了管道输运的各个方面：如流型实验、阻力特性实验、临界流速实验、铺设坡 度实验、浆体水击实验、管道磨损实验等等。输送的固体物料也相当广泛，有钾盐、 石灰石、铁矿粉、动力煤、褐煤、焦煤、焦煤、盐、铁精矿粉、锌粉、石油沙、砾 石、石英砂、泥土、胶料块以及各种矿井回填料等。 从2 0 世纪7 0 年代中期以后，由于生产的需要，我国也开始了定规模的管道 输送实验研究的工作( 见表i 一4 ) 。 表l 4 我国有代表性的管道实验系统 管路系统 单位 主要设备及仪表 管路布置管径( r a m )管长( m ) 清华大学闭式循环管路 5 l 、9 4 、 7 0 9 0 4 p s 、6 p s 砂浆泵、电磁流量计、 泥沙研究实验室”1水平 1 4 8 、2 0 5y 射线密度计、差压变送器 闭式循环管路 1 5 、2 0 曲杆泵、电磁流量计、精密压 北京科技大学1 水平2 5 、3 2力表 闭式循环管路2 n p 泥浆泵、电磁流量计、u 水电科学研究院 8 02 5 水平型差压计 闭式循环管路 4 4 、1 0 0 、8 6 e a h 、6 4 e 一 i 渣浆泵、 长沙矿冶研究院“1 1 2 4 、1 5 4 、电磁流量计、差压变送器、y 水平 2 0 3 、2 5 5射线密度计、热敏式v d 仅 唐山煤炭研究院闭式循环管路4 6 、7 6w a r m a n 泥浆泵、油隔离泵、螺 管道运输研究所1水平、由7 6 管道设有可调1 0 0 、1 5 0 7 4 - 1 4 3 0杆泵、电磁流量计、差压变送 倾角( 0 - 2 0 。) 的u 型段2 0 0 、2 5 0器、y 射线密度计 闭式循环管路 5 7 、l o s 、6 p b 灰渣泵、电磁流量计、电 北京电力建设研究所 1 5 9 、2 1 97 5磁流量计、u 型差压计、差压 水平 变送器、y 射线密度计 1 3 研究目的和内容 国内外学者对浆体管道输送特性的研究主要是针对输沙、输煤模型的研究，而 关于粉煤灰浓浆管道输送特性研究的文献较少。根据此情况，确定本课题研究内容 如下： 1 、浓浆输灰系统分析。 对电厂的浓浆输灰系统作详细的用水剖析，找出输灰过程中节水的关键技术， l l 华北电力大学硕士学位论文 为电厂的输灰用水节水提供参考。 2 、粉煤灰输送特性的研究 这主要包括：1 ) 粉煤灰颗粒的物化特性，如颗粒粒径、密度、形状和粒度级 配；2 ) 浆体特性，如流变特性、沉降特性，尤其浓浆输送时表现出的宾汉塑性流 体的特性是本课题研究的重点。在研究粉煤灰的物化性质的基础上，分析其流变特 性，从而找出粉煤灰浓浆管道输送对阻力的影响规律。 3 、阻力计算模型的建立及经验公式分析 1 ) 单因素分析 采用单因素法系统地分析管道特性、固体物料特性、浆体特性对管道阻力损失 的影响效果，并作出各单因素对摩擦阻力的影响曲线。 2 ) 多因素分析 从已发表的有关文献来看，研究者多是采用孤立因素的方法研究某些参数对阻 力损失的独立效果。但对于各因素的影响程度大小，尚未见到有关报道，而这往往 是工程设计中比较关心的问题。本课题在己取得的实验成果的基础上，采用多因素 分析法对主要影响因素进行敏感性分析，找出其影响程度的大小关系。 3 ) 整理经验公式 本课题的核心问题是摩擦阻力系数 的数学模型的建立与经验公式的获得。 在以上工作的基础上，根据北京电力建设研究所和煤炭科学研究总院唐山分院提供 的实验数据，用数学回归的方法获得x 的经验公式。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 第二章浓浆输灰系统分析 目前国内外采用的高浓度水力除灰系统主要有灰渣混除和灰渣分除两种。灰渣 混除是除尘器分离下的飞灰和炉膛排出的炉渣，在灰渣输送设备之前混合在一起 的。灰渣分除是将细灰和炉渣分别用单独的系统输送。 2 1 灰渣混除系统 对于灰渣混除系统一般采用的是： 图2 1 灰渣混除系统 灰渣泵 焉 即全厂灰渣浆通过灰渣沟进入前池，再由灰渣泵提升至震动筛，通过震动筛后 直径大于2 m m 的渣经脱水后落入渣斗用汽车转运；灰渣浆进入浓缩机，浓缩后的灰 渣用灰渣泵或柱塞泵送至灰场存放，浓缩机溢流水重复除灰使用。本系统灰浆浓度 可达1 ：5 。我国从七十年代开始已经有几十家电厂采用了这套系统，如河北省的石 家庄电厂、马头电厂、天津军粮城电厂等。本系统的缺点是占地面积大、系统维护 工作量大、振动筛容易堵塞。 2 2 灰渣分除系统 对于灰渣分除系统有： 1 、除渣系统： 图2 2 灰渣分除系统的除渣系统 1 3 筹篙 华北电力大学硕士学位论文 2 、除灰系统： 匡困匾h 匝圜 臣h 囊卿 3 ) 图2 3 灰渣分除系统的除灰系统 图2 3 中的系统1 ) 在灰渣混除高浓度水力除灰系统上取消了震动筛，如大同 第二发电厂。系统2 ) 采用的是干灰集中高浓度制浆，如引进技术安徽平圩发电厂、 山东石横发电厂。系统3 ) 采用的是在每个灰斗下装一个搅拌槽，制浆浓度一般为 l ：7 。 灰渣分除系统由于把引起设备和管道剧烈磨损的炉渣分出，因此输送灰的系统 磨损大大减轻，而分出的炉渣因量不大，其输送渣的系统磨损也比较容易解决，这 部分渣也有利于综合利用。但采用灰渣分除系统的主要问题有：脱水仓放渣门漏水、 渣管道磨损等问题。 近年来国内研制的浓缩设备及干灰制浆设备有：高效浓缩机、水力喷射泵、搅 拌桶等：为实现远距离大高差的输送设备有：油隔离泵水隔离泵喷水柱塞泵以及多 级离心泵的串联泵组；为达到防磨防垢目的而出现各种耐磨防垢的管材及技术有： 钢橡复合管、钢陶复合管、稀土耐磨合金管、中频淬火耐磨管等等。 虽然近几年在单个设备方面的研究取得了一些成果，但在系统方面的研究还很 不够，使电厂水力除灰系统五花) t f 7 ，运行效果不够理想，水力除灰系统成了电厂 的用水、耗电大户。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 2 3 输灰系统节水改造 在当前水资源日益匮乏的情况下，水力输灰系统的水资源浪费更显严重，因此， 必须对原水力输灰系统进行节水改造。节水改造的根本原则是：在保证电厂运行安 全性的前提下，最大限度的实现其经济性。具体措施包括： 2 3 ，1 灰场回水循环使用 回收灰场冲灰水是大薰减少电厂用水的重要措施。对于稀浆输灰系统，灰场有 大量表面水可回收利用，利用率可达3 0 左右。其工艺为：将灰场灰水回收池内的 溢流水经过回水泵送至厂内的冲灰水池，用于冲灰或作其它应用。根据粉煤灰化学 成分、除尘冲灰方式的不同，冲灰的回收水可用于以下几个方面： ( 1 ) 作为循环冷却水系统的补充水。灰水回收的水质呈酸性或p h 8 8 p m 颗粒含量， 2 2 go 5 8 9 细度4 5 8 8 um 颗粒含量，2 3 99 1 4 8 6 2 0 时不出现，即t 。= 0 b ：均匀沉降区。在此时段，沉降速度为常数，沉速稳定。一般浆体沉速用此 段速度作为特征沉降速度。 c ：过度区。由于混液面a b 下降的同时底部游面a b 上升，两者靠近时 互相影响，因而沉速减小。 d ：密实段。图中t t ，时，混液面与游面重合，沉降过程是一压缩过程，沉速 极慢。 3 2 2 2 实验研究 1 、不同浓度灰浆浑液面沉速实验 北京电力建设研究所对不同浓度灰浆浑液面沉速进行了实验。实验是在长i 1 米，内径5 0 毫米的有机玻璃管中进行的。本次实验浓度采用重量浓度c 表示，这 与一般计算公式的体积浓度c ，概念有所不同。这样做的目的是为了在实验中便于配 浆和测试浓度。两者的换算关系如下式所示： ，1u w l u 。c + s o - c ) 实验发现灰浆浓度c 4 0 时，沉降速度随浓度的变 化不明显因此可以得出结论，仅从沉降特性的角度考虑，浓浆输送的浓度应大于 此值。 2 4 兰j ! 垒查奎兰堡主兰垒笙茎 2 、沉降速度影响因素分析 1 ) 浓度的影响。水流中如果同时存在许多粉煤灰颗粒，则对任一颗粒来说， 其它颗粒的存在将对它的沉降产生影响。当一颗粒在沉降过程中。将会引起周围 的水流也发生运动。在i e 时存在其它颗粒时，由于该颗粒和液体比较起来是坚实不 易变形的，因此在它们的附近水流就会受到阻尼而不能自由流动，这样就等于增加 了液体的粘滞性，从而使颗粒沉速降低；粉煤灰颗粒在水体中下沉时，颗粒之间 的相互阻尼使每一粒颗粒的沉速都将减慢，浆体浓度越高，颗粒的沉速越小；此 外，大量颗粒的存在将使浑水的密度加大，从而也使每个颗粒所受的浮力加大，影 响它的沉速。 这里需要特别指出的是，当浆体浓度较高( c 4 0 ) 时，颗粒沉降运动的力学 结构类似水流通过颗粒之间的无数束毛细管向上运动；随着浓度的继续增大，颗粒 的沉降运动已与渗流现象无异，在物理规律上具有一定的共同性( 如图3 8 中c d 段所示) 。浓度对沉降速度的影响是显著的， 2 ) 化学活性物质的影响( 浆体的不稳定性) 。这是粉煤灰区别于其它物料的一 个显著特点。粉煤灰的化学性质是不稳定的，许多成分都能溶于水，并且溶于水后 对灰水的性质影响很大。这主要体现在两个方面：一方面粉煤灰颗粒起絮凝剂的作 用；另一方面粉煤灰颗粒的加入增大了水的粘性。稀浆时( c 2 0 ) ，粉煤灰颗粒使水的粘性增大占 优势，因此随着浓度的增加，沉降速度变化率较大( 如图3 8 中b c 段所示) 。 3 2 3 浆体的稳定性 浆体的稳定性是指粉煤灰浓浆沉降层维持流动性的能力。经研究发现粉煤灰浓 浆在密实段( 如图3 7 中的d 段) ，沉降层在一定时间内仍保持流动性。浆体的这 种特性是稀浆和其它一切物料( 例如泥沙、尾矿等) 所不具有的。 浆体的稳定性可以用沉降层维持流动的时间和流动性程度表示。表3 3 是我 们的实验结果。 表3 3 浆体的稳定性实验 卜1 5 小时 1 0 沉降层失去流动性 3 0 6 0 的沉降层保持流动性 4 5 9 5 的沉降层保持流动性 粉煤灰浆体的稳定性取决于浆体浓度和粉煤灰粒度。浓度越高、粒度越细，稳 华北电力大学硕士学位论文 定性越好。 3 3 粉煤灰水力输送机理的特性 由于粉煤灰具有的区别于其他一切物料的独特的物化性质，因此有必要对粉煤 灰水力输送机理作进一步的讨论。 1 、从粒径上分析 由于粉煤灰粒径大部分在1 0 um 1 0 0i im 之间，从杜兰特理论来说，这是伪均 质混合物，可以产生离析现象，在高流速的情况下，即在紊流输送时，可以把这种 复杂的两相流体简单地视为均质流体。 2 、从颗粒形状上分析 粉煤灰的粗颗粒为不规则形状，细颗粒多为是球形颗粒，且细颗粒较多，因此 总体上来说粉煤灰是细物料，这就使粉煤灰的管道输送能耗较小。 3 、从比重上来分析 不同粒径的粉煤灰具有不同的比重，粒径越大，比重越小，这一点同砂的区别 很大。对于粉煤灰而言由于大颗粒比重小，所以不易沉降，而小颗粒受紊流的影响 很大，这样在一定流速下，就可以全部悬移，而且达到均质也比较容易，这也是粉 煤灰与砂极不相同的地方。 4 、从流变特性上分析 浆体的粘度不同，则其流态就不一样，这对于输送是有很大影响的，粉煤灰浆 体在低浓度时为牛顿体，高浓度时呈非牛顿性，一般认为是宾汉体。呈现非牛顿性 的一个显著特点是粘度急剧增加，浆体的粘度对管道阻力损失所起的作用得到加 强。 5 、从浆体浓度上分析 在低浓度下，浆体重度小，细颗粒受到的浮力小，易沉降；而在高浓度下，浆 体重度大，粉煤灰颗粒受到的浮力大，不易沉降。因此提高浓度不仅提高了输送量， 而且有利于输送。但是我们应看到另一方面，浓度越高，非牛顿性越强，而且是呈 指数性提高，这就意味着能量的巨大消耗，因此选择适当的浓度是很必要的a 华北电力大学硕士学位论文 第四章粉煤灰浓浆输送阻力特性影响因素分析 根据以上的讨论，对于粉煤灰浓浆输送阻力特性的影响因素主要包括：管道特 性( 管径、流速、粗糙度) 、粉煤灰特性( 密度、直径、形状、级配) 和浆体特性 ( 浆体重度、粘度) 。本章将根据北京电力建设研究所和煤炭科学研究总院唐山分 院提供的大量实验数据，系统地论述各因素的单独作用效果，并采用多因素分析法 对主要影响因素进行敏感性分析。 4 1 单因素分析 4 1 1 管道特性的影响 4 1 1 1 管径的影响 如图4 1 所示，在流速和浓度一定的条件下，管道阻力损失与管径呈反比， 即管径越大，阻力损失越小，其关系式可表示如下； i 一d 公式( 4 1 ) 这一点是易于理解的，因为管径越小，浆体流动时与边壁相互作用丽产生的漩 涡程度及紊动的强度都会增加，由此而产生的能量损耗也会相应增加，从而阻力损 失增大。 4 1 1 2 流速的影响 图4 1 管径对阻力损失的影响曲线图 2 7 华北电力大学硕士学位论文 流速对管道阻力特性的影响关系比较复杂。从图中可以看出，随着流速的增加 管阻迅速增大。由于流速很小时，容易发生颗粒沉积，而流速很大时，管阻会很大， 因此实际运行时选择一个合适的流速至关重要。 图4 - - 2 流速对阻力损失的影响曲线图 4 1 1 3 粗糙度的影响 管壁粗糙度对流动阻力损失的影响只有在流动处于水力粗糙状态时才会显现 出来，粗糙度越大，阻力损失越大，这一点与清水管流一致。但与一般流体管道不 同的是，两相流管道的绝对粗糙度e 除了与管材有关外，很大程度上还取决于输送 的固体物料。因为实际工程中在管道投用以后，固体物料会象磨料一样对管壁进行 持续不断的研磨，管道内壁将被磨光，新管的粗糙度很快降低为光管的粗糙度，因 此管壁的粗糙度对阻力损失的影响将大大减弱。这一观点前苏联学者柯别尔尼克等 人曾有论述，对直径为5 1 0 m m 和7 0 0 m m 水力输沙和尾砂的钢管所作的实测表明， 由于固体物料的磨光作用，其绝对粗糙度仅为新钢管的2 0 2 5 。因此在两相流实 验中，对于新管必需要有一段时间的调试期，以消除管壁粗糙度的变化带来的影响。 由于管壁粗糙度对阻力损失的影响很小，在r e 不是很高的情况下，甚至可以近似 认为i 与e 无关而按水力光滑管计算，在很多文献“2 “3 1 中会见到这种情况。 4 1 2 粉煤灰特性的影响 4 1 2 1 颗粒粒径和密度( 比重) 的影晌 这种影响主要体现在粉煤灰颗粒在液体中浮重的大小，也即表现在使颗粒悬浮 所作之功而影响到管阻。根据前面我们对两相流输送机理的分析可知，固体颗粒的 粒径和密度越小，维持其悬浮所需的能量也就越小，因而管道的阻力损失也就越小 这就是说，固体颗粒越细越轻，越易于水力输送。 2 8 华j b 电力大学硕士学位论文 4 1 2 2 颗粒形状的影响 目前尚无充分的证据可以证实颗粒形状的影响，然而有一点是肯定的，颗粒形 状对于沉降速度v 。有影响，而阻力损失与颗粒沉速是有关的。根据前面的分析，颗 粒沉速越大，所需的输送流速越大，阻力损失也就越大。为了便于描述颗粒形状的 特征，引入形状系数由来表述不规则形状的固体物料。其定义为： 中：垒 s 扣 公式( 4 2 ) 式中s 。一圆球体的表面积( n 1 2 ) s 。一颗粒的表面积( m 2 ) 上式只是形状系数巾的理论计算式，颗粒的表面积s 。是很难求出确切解的， 为此，工程上一般以球形颗粒的沉速为衡量标准，近似的来描述形状系数由，其定 义如下： 中：堕 公式( 4 - - 3 ) 其中，“为不规则形状的颗粒粒径在静水中的沉速；v 。为粒径相同的球形颗粒 在静水中的沉速。 当然，和其它因素比较起来，颗粒形状对管道阻力损失的影响是次一级的。 4 1 2 3 颗粒级配的影响 对于工业上被输送的粉煤灰固体物料来说，其粒度通常是由粗细不均匀的颗粒 组成，因此存在一个粒度级配问题。一些研究表明“”，当颗粒级配较细，组成不均 匀性加大( 粒径分散较广) 时，阻力损失有明显减小的趋势。因此，颗粒级配对 浆体黏度有影响，级配合理其粘度最小，对于一种浆体存在一个最佳级配，它对应 一个极限输送浓度。 4 1 3 浆体特性的影响 4 1 3 1 浆体浓度的影响 浆体浓度的增加，意味着单位体积内固体含量的增加，这一方面会使颗粒间相 互作用的程度加剧，另一方面使得水流紊动能量中用于支持颗粒悬浮的能耗也增 大，从而导致管道阻力损失增加。 华北电力大学硕士学位论文 图4 3 浓度对阻力损失的影响曲线图 4 1 3 2 浆体重度的影响 图4 4 重度对阻力损失的影响曲线图 浆体的重度与浆体的浓度之间有如下关系式： r = ( , s - - 1 ) c ，+ 1 公式( 4 4 ) 由此看见，浆体的重度对阻力损失的影响与浆体的浓度对其影响的规律大致相 同。比较图4 - - 3 与图4 - - 4 ，我们也可以定性的描述两者对阻力损失的影响a 4 1 3 3 浆体枯度的影响 浆体粘性的变化在很多情况下对浆体的流变特性产生重要影响- 粉煤灰的浆体 在浓度较低时呈现牛顿特性，而在高浓度时则是典型的宾汉塑性体以前的研究者 3 0 华北电力大学硕士学位论文 往往忽略了这个问题，企图将两种流型统一到一种模型下，用一个公式来描述管道 阻力特性，这种方法势必会造成较大的误差。因此有必要对浓浆特性作进一步的研 究( 见第三章) 。 4 2 多因素敏感性分析。5 管道阻力损失直接关系到动力设备的选型