基于机理分析法的煤泥输送管道压力分布数学建模研究

第4 6 卷第1 0 期 2 0 1 4 年第1 O 期 煤炭工程 CO AL ENG I NE ER I N G Vo 1 4 6 No 1 0 No 1 0 2 01 4 do i 1 0 1 1 7 9 9 c e 2 Ol 41 00 5 8 基 于机理分 析法 的煤泥输送 管道压 力 分布数学建模研究 杨学存 侯媛彬 洪卫林 1 西安科技大学 电气与控制工程学院 陕西 西安7 1 0 0 5 4 2 黄陵煤矸石热电有限公司 陕西 黄陵7 2 7 3 0 7 摘要 煤泥输送管道的压力分布与多种 因素有关 且呈现复杂非线性关 系 文章分析 了煤 泥输送管道压力损失的机理和影响因素 并考虑到煤泥输送管道 的压力损失是剪切应力和摩擦 阻 力共 同作用的结果 建立 了水平直管 倾斜管道和垂直管道 的压力分布模型 测试结果表明 该 模型能较准确的计算出煤泥输送管道的压力分布 关键词 机理分析法 压 力分布 煤泥 建模 中图分类号 0 3 3 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 4 1 0 0 2 0 5 0 4 M a t h M o de l i n g St u dy o n Pr e s s u r e Di s t r i b ut i o n o f S l i me Tr a n s po r t a t i o n Pi pe l i n e Ba s e d o n M e c h a n i s m Ana l y t i c M e t h o d YANG Xu e c u rt HOU Yu a n b i n HONG W e i l i n 1 S c h o o l o f E l e c t r i c a n d C o n tr o l E n g i n e e r i n g X i U n i v e r s i t y of S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y X i a n 7 1 0 0 5 4 C h i n a 2 H u a n g L i n g C o a l R e j e c t s F i r e d T h e r m a l and E l e c t r i c P o w e r C o m p a n y L i mi t e d H u a n g l i n g 7 2 7 3 0 7 C h i n a Ab s t r a c t T h e p r e s s u r e d i s t rib u t i o n o f s l i me t r a n s p o r t a t i o n p i p e l i n e i s r e l a t e d t o man y c t o m wh i c h p r e s e n t s c o mp l i c a t e d n o n l i n e a r r e l a t i o n s h i p Th e me c h a n i s m a n d i n fl u e n c e c t o m of t h e p r e s s u r e l o s s i n s l i me t r a n s p o rta t i o n p i p e l i n e w e r e a n a l y z e d P r e s s u r e d i s t ri b u t i o n mo d e l s o f h o riz o n t al s t r a i g h t p i p e l i n e i n c l i n e d p i p e l i n e a n d v e rti c al p i p e l i n e we r e e s t a b l i s h e d c o n s i d e rin g t h a t the p r e s s u r e l o s s o f s l i me t r a n s p o r t a t i o n p i p e l i n e w a s t h e o c o me o f c o mb i n e d a c t i o n o f s h e ar s t r e s s a n d f ri c t i o n r e s i s t an c e T h e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e mo d e l c a n a c c u r a t e l y c a l c u l a t e t h e p r e s s u r e d i s t r i b u t i o n o f s l i me t r a ns p o r t a t i o n p i p e l i n e Ke y wo r d s me c h a n i s m a n aly t i c me t h o d p r e s s u r e d i s t rib u t i o n s l i me mo d e l i n g 煤炭洗选过程中分离出来的煤泥是矿区主要污染源之 一 利用循环流化床锅炉燃烧煤泥进行发电是工业大量利 用煤泥的最佳手段 目前很多电厂将煤泥作为循环流化床 锅炉的燃料 其环保节能效果远优于任何其他方式 但煤 泥大量有效利用问题还没有真正解决 原因在于煤泥如何 才能从选煤厂直接输送到坑 口电厂锅炉 通常距离为几百 米 高度为几十米 并能根据锅炉温度闭环控制煤泥流 量 煤泥采用湿法输送技术 可解决煤泥输送过程中造成 的二次污染问题 但煤泥属于非牛顿流体 需要一定的 泵送压力才能在管道中流动 同时由于剪切应力和摩擦阻 力的作用 压力沿管线存在一定的压力损失 即压力沿管 道存在一定的压力分布 因此 研究对输送管路的设计和 膏体泵的选型具有重要意义 1 煤泥输送管道阻力损失机理及影响因素分析 煤泥属于典型的 高固多相黏稠物料 且能够在管道 中输送 其外观特性与高浓度水煤浆和其他膏体类物质 如 钻井泥浆液 水泥浆等 的流动特性相似 均属于非牛顿流 体 J 试验表明 较低水分的洗煤泥在施加一定的泵送压 力之后 煤泥才会开始流动 这说明洗煤泥在管道中流动 收稿 日期 2 0 1 3 1 0 2 6 基金项 目 西安科技大学培育基金项 目 2 0 1 2 0 9 陕西省科技厅项目 2 0 0 9 J M8 0 0 2 作者简介 杨学存 1 9 7 9一 女 河南平顶山人 在读博士 讲师 主要从事故障诊断方面的研究工作 E m a i l x k d y a n g x u e c u n 1 6 3 c o rno 引用格式 杨学存 侯嫒彬 洪卫林 基于机理分析法的煤泥输送管道压力分布数学建模研究 J 煤炭工程 2 0 1 4 4 6 1 O 2 0 5 2 0 7 2 1 0 2 05 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 煤炭工程 2 0 1 4年第 1 0期 有一个屈服值 其剪切应力与剪切速率非线性变化 其幂 函数 的表达形式 为 r 0 1 式 中 r为剪切应力 为屈服剪切应力 K为均匀 系 数 Y为剪切速率 n为流态特性系数 另外 煤泥属于高粘稠物料 在管道中流动时 会产 生一定的摩擦力 所以 在煤泥通过管道进行输送的过程 中 管道中的沿管线 的压 力损 失是 剪切应 力和 摩擦 阻力共 同作用产生的 影响煤泥输送管道阻力损失 的因素很多 有些因素和剪切应力有关 有些因素和摩擦阻力有关 其 主要因素有粘稠物料特性及管道特性等 4 J 粘稠物料特性 包括 同体颗粒 的粒径 固体颗 粒 的粒度 级配 粘稠物 料 的 浓度 温度 粘性等 管道特性包括管径 管壁粗糙度 管道倾斜角和管道流速等 J 所以 有多种因素影响煤泥输送管道的阻力损失 需 要 同时考 虑粘 稠物 料 特性 和 管道 特性 对 阻力 损 失 的影 响 研究煤泥输送管道沿线压力分布 但是对某一个矸石电厂 来说 当煤泥输送系统方案确定了以后 煤泥颗粒的粒径 粒度匹配 已经确定 其对管道阻力损失的影响不再变化 所以 煤泥输送管道阻力损失主要考虑管壁粗糙度 粘稠 物料浓度 温度 粘性 管径和管道倾斜角和管内流速六 个因素 其中粘性和剪切有力有关 剪切应力与管 内流速 有关 所以 粘性和管内流速可以合二为一 而管内平均 流速 可以用流量来表示 如式 2 所示 V 4 Q 2 3 6 001 T 口 式中 9为物料的输送流量 m h 所以 煤泥输送管道阻力损失可以表示为 P F Q W P o D t 3 式 中 W为煤 泥的含水量 P 为泵出 口压力 P为输送 管道在 处的压力 r 为摩擦阻力系数 D为管道直径 t 为煤泥温度 0为管道倾斜角度 是管道距离泵出口处的 距离 2 基于机理分析法的煤泥输送管道压力分布建模 机理 分析建模 方法 是指从 生产 过程 机理 出发 遵 循生 产过程中的物理 化学规律建立关键变量与其他可测变量 之 间的数 学方 程 经推 导建 立起 来 的描述过 程 的方程 组 的 数学模型 该方法需要对所研究的系统具有充分 可靠的 先验知识 和大量的 实际 经验 需要 对 生产过 程 的机理具 有 深刻的认识 全面把握实际系统中所牵涉到的基本规律 并用严格的数学方程加以描述 因此建模难度大 周期长 且模型中众多的结构参数和物性参数难于求取 其方法 的 应用受到限制 但是模型建立以后 使用简单方便 洗煤泥在进行管道输送时综合考虑管道阻力损失和锅 炉燃烧效率 其最佳体积浓度一般为 7 0 3 呈膏体 状 其特征介于固体一流体之间 本文将根据煤泥输送管 道铺设的类型 综合考虑影响管道压力损失的因素 建立 2 06 煤泥输送管道的压力分布模型 2 1 水 平 直管输 送 管道压 力分 布 管道内一段煤泥的受力情况如图 l 所示 图 1 煤泥在水平直管管道的受力分析 在一 定的泵送压力下 该 段 的煤 泥受到三个 力 的作 用 由压力差产生的推动力 P 煤泥滑动的摩擦力 以 及煤 泥截面的剪切应力 其 中推动力 为 r 2 P p一 p d p 4 式 中 d为管道直径 摩擦力R 由两部分产生 一部分是由径向压力 P产 生 记为 R 一部分南该段煤泥的重力产生 记为R 其 中径向压力P在管道各点的压力都相同 所以 由径向压 力产生 的摩擦力 为 R p p D d x 5 由重 力产 生的摩擦 力 的计算 示意 图如 图 2所 示 0点 为管道 中心 A B为管壁 上 的两点 O B与 O M 的夹角 为 f 图 2 煤泥管道管壁压强 示意 图 A点压强为 p p g Os i n s 0 7 6 B点所受压 强为 0 所 以该段 煤泥 重力 对 整个 下 半 圆周产生的摩擦力为 R p g D d x 7 同时 重力对上半圆周产生的摩擦力为 0 所 以 总摩 擦力为 R F R p R p 叮 r p g D D d x 8 而 r指的是相切于管道截面的单位面积上的内力 F x 1 T D x d x 9 所 以由力的平衡方 程 P r R F s 1 O 将式 4 8 9 代入 1 O 并化简得 生 d x 一 一 4 u o g O a 1 1 一 1 T 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2 0 1 4 年第l 0 期 煤炭工程 当 巡 相对 为常数时 求解一阶非其次微分方 程 1 1 得 P P o e 一 f 三 1 一 一簪 1 2 一 f 三 一 e 一 1 2 1 T 由式 1 2 可以看出 煤泥物料沿管道输送时 管线内 压力 P的压力分布不是线性的 而是服从复杂的指数关系 2 2 向上倾斜 管道压力分布建模 向上倾斜管道内 段煤泥 的受力分析如图 3所示 在一定的泵送压力下 该 段的煤泥受到四个力的作用 由压力差产生的推动力 P 煤泥滑动的摩擦力 煤泥截 面的剪切应力 和该段煤泥重力在斜坡的分量 mg s i n 0 p r r D d X g s i n 0 其受力分析同水平直管分析类似 其中推动力 为 P 见式 4 由径向压力产生的摩擦力 见式 5 图 3煤泥在 向上倾斜管道 的受 力分析 由重 力 严 生 的 摩 擦 力 与 水 半 互 管 的 分 析 方 法 类 似 区 别在于计算 液面高度时 由水平直管的圆变成椭 圆 短轴 D 2 长轴 D 2 c o s 0 即 p p g D s i n a 1 3 其中 0 重力形成摩擦力为 h u o g D2 d x 1 4 其o o 一 n I i sin 15 于是 总摩 擦力 D d x 1 6 Fs Jr t r D d x 所以由力的平衡方程 F s g s i n 1 7 将式 1 5 1 6 代人 1 7 并化简得 血 d x 一 一 4 T 2 h u f p g p g s in 1 8 当 4 T 2 h 1 T u o g p g s i n O相对 为常数时 求解式 1 8 得 p e 一 宅 U c 一 e 一 9 M 2 3 垂直向上管道压力分布建模 煤泥在垂直向上管道运行时受力分析同以上管道分析 类似 如图 4所示 在一定的泵送压力下 该 段的煤泥 受到四个力的作用 由压力差产生的推动力 P 煤泥滑动 的摩擦力 煤泥截面的剪切应力 和该段煤泥的重力 mg p g D 2 d x 不同的是 此时重力不产生摩擦力 此时 力的平衡方程变为 Pr Fs pg r t D 2 d x 2 0 其 中 R R 流速V 图4 煤泥在垂直向上管道运行时的受力分析 代 八 瓦 2 0 开 化 倘 得 业 d x 一 4 u 一 4 T b P g 2 1 一一 一 l J r2 l 在百4 T p g 相对 是常数时 可求解式 2 1 得 p 一簪一 4 u c 1 一 一簪 2 2 y 通常情况下是 1 0 I 4 的数量级 其值较小 所 以利用 数 学 的 等 效 性 质 可 将 1 一 e 一等 等 效 为 鲁 因 此 水 平 直 p 每一 水 平 直 管 每一 2 u f h p g p g sin 0 倾 斜 向 上 管 道 一 簪一 鲁 p g 垂 直 向 上 管 道 其中剪切应力 r和距离管道起始处的距离 为变量 与煤泥的输送速度有关 摩擦阻力系数 u 管道直径 D 煤泥密度P 管道倾斜角 0 泵出口压力p 都为常数 可以 通过实验的方法测得 以一段水平直管段为例 在管道相距 9 6 m处安装两个 压力传感器 并改变煤泥流量 体积流量从 3 0 到 7 0 以测点 1压力为初始压力 剪切应力 测点 2压力的实测 值及计算值及验证结果见表 1 从验证结果可以看出 测点的实测压力与计算值非常 吻合 精度在 5 以内 能满足工程要求 下转第2 1 0页 2 0 7 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 煤炭工程 2 0 1 4 年第 1 0期 实际灰分含量 图3 校正集中煤灰分预测含量与实际含量关系图 表 2 预测集结果评价 3 结语 本文利用从 L I B S系统输出的光谱数据提取特征建立了 定量分析模型 通过利用预测样本可以定量输出灰分含量 的预测值 对于文中预测样本的预测平均相对误差在 1 0 以内 其预测含量的相对误差要小于传统的定量分析方法 具有较高的预测精度以及可靠性 验证 了激光诱导击穿光 谱技术结合偏最小二乘法定量分析煤质灰分含量的可行性 该方法是一种准确 有效的分析手段 具有重要的实际在 线应用价值 参考文献 1 李瑞峰 中国煤炭市场分斫与研究 J 煤炭工程 2 0 1 3 1 1 3 2 徐昌润 姚有升 赵育杰 等 榆家梁矿 煤炭洗选 加工方 案探讨 J 煤炭工程 2 0 0 3 3 3 6 3 7 3 张泽琳 杨建国 煤灰分在线监测方法及设备 J J 选煤 技术 2 0 1 2 2 5 9 6 3 7 2 4 崔敬媛 焦红光 陈清 如 等 煤 比磁化 率随煤 中灰分变 化关系的研究 J 煤炭工程 2 0 0 8 8 9 3 9 5 5 袁 冬青 周 明 刘 长 隆 等