深海采矿水力提升系统经济流速的研究.docx

1、总第125期西部探矿工程seriesNo.1252006年第9期WEST-CHINAEXPLORATIONENGINEERINGSept.2006文章编号：10045716(2006)09007203中图分类号:TD8文献标识码：B深海采矿水力提升系统经济流速的研究林愉，唐军(江西理工大学机电工程学院，江西敦州341000)摘要：通过对深海采甫水力提升系统m沉降速度的讨论，可知沉降速度与该系统的经济流ii有关。当沉降速度大于试算经济流速时，应将沉降速度作为该系统的经济流速，反之则取其本身。从经济因未由发，分析了影响经济流速的主要因素，建立了总费用敷学模型，指出当总费用取最4、值时，对应的各参敷

2、为深海朱，水力提升系统爰优参数遇过数位模拟表明由此得到的经济流速与生产实际相符.关词：沉降速度；经济流速：经济管径；水力提升1概述法国G.Herrouin博士1984年对深海采矿水力提升系统进行经济研究，认为深海采矿采用水力提升优于其它提升方法.最为经济.目前国内外深海采矿水力提升系统的投资决策主要采用3种模式，即财务模拟模式、成本模式和资金流动模式.它们仅从经济因素出发，讨论深海采矿水力提升系统的收益和回报率，而对深海采矿水力提升系统的设计帮助很小。当前，就深海采矿水力提升系统的设计而言，不仅要高效、节能，而且还要可靠、投资回报率高、管理运营费用低.因此人们更加关注的是提升系统的性价比和经济

3、性，其中经济流速是一个重要的衡量参数。从液固两相流管道输送的必要条件和投资运营成本两个方面探讨影响深海采矿水力提升系统经济流速的因素，从而建立关于深海采矿水力提升系统经济流速的数学模型，并通过数值模拟来验证模型的正确性和可行性.2%响深海采矿水力提升系统经济流速V的因素2.1话结核的沉降速度水力提升系统正常运转时，提升管道中的物料为固液两相流(候结核和海水的混合物)，只有当固液两相流的流速大于候结核在静水中的沉降速度时，才能实现话结核在垂直管道中的输送。链结核的沉降速度可根据楂结核的粒度及其在管中的流动状态确定.大址试验表明Di】，水力提升系统提升链结核时，固液两相流处于素流状态，雷诺数R般都

4、大于1000。因此，常用牛顿一雷廷格公式来计算铉结核的沉降速度：U=5.11C,Jd,(1)式中:U,铉结核在静水中的沉降速度,m/s；P»铉结核的密度,kg/nj山-储结核的粒径,m,C,形状影响系数，一般取0.8-0.9;海水的密度，kg/ml由式(1)可知，猛结核的沉降速度主要取决于其粒径山，采用不同粒径计算出的沉降速度也不同目前多采用提升管路允许通过的最大粒径dgx计算沉降速度.试验表明AD,只要提升管路中流体速度大于按d«5计算的最大沉降速度Ug,的10%,就可以实现候结核的水力提升.同样也可按候结核的统计平均粒径d仲计算铉结核的统计沉降速度U哼,然后在此基础上增

5、加40%50%。为了更贴近实际，利用数值计算方法对其处理得：U'1、+L5U®(2)2显然，为了保证系统的正常运作.经济流速必须大于或等于候结核颗粒的沉降速度U',即'Vt>U(3)可见，话结核的粒径分布情况及其大小直接影响水力提升系统的经济流速.2.2经济因素的影响2.2.1运营费运营费G是动力设备运营过程中消耗和维护费用的总称，它不仅与功率成正比(功率等于扬程与流量之积)，而且与运营时间成正比,故可表示为：Cy=kyHQt(4)式中:虹比例常数，t设备累计运营时间，H泵组的扬程：Q流量。2.2.2初投资初投资费用主要包括采矿船、集矿机、电缆、动力设备

6、(通常为泵和电机)购置费用和管道铺设费用(主要是管材费用)等.采矿船、集矿机、电缆等费用与深海采矿水力提升系统微小设计变动无明显关系，可认为是一常数G。动力设备购置费Cd是设备功率的函数，即：CjnHQ+G(5)式中:匕比例常数IG待定常数，随泵型的不同而不同.管道的铺设费以管材费用为主.以施工费用为辅。因此，管材费用是管道几何尺寸的函数，它与管道的长度以及管径的平方均成正比。施工资用G-般占管道初装资的1%3%,为一常数。由此可得管道的铺设费用G的数学模型为：G=kp出Ip+G(6)2006年第9期林愉，唐军:深海采矿水力提升系统经济流速的研究(15)(16)d27.ISngCkyt+kj)

7、土(17)式中:G>比例常数；黑-铺设管道的管径；1P一-铺设管道的长度；G待定常数，不同管材对应不同数值。2.2.3总费用总费用是衡址深海采矿水力提升系统优劣的一个综合参数,它等于初投资与运营费之和，即：SG+G+G+Cp(7)将式(4),(5),(6)代人式(7)得：灯dpp+G+G+G<8)令G+G+C3=G,则式(8)化简为：Ct=kdHQ-+-kyHQH-kpdill>4-Co(9)式(9)是深海采矿水力提升系统技术经济分析最基本的数学模型。深海采矿水力提升系统的摩阻损失为：h(=kQ2=64lpQ2/(K2dic2)(10)式中:k综合摩阻系数；管道铺设长度；Q一

8、一流:ft,c谢才系数,由满宁公式确定，c=(+)Ri/6=(+>(身(11)式中:n管道粗糙系数$R水力半径。将式(11)代人式(10)得：h(=644n2lpQ2/(n2dp1$/3)(12)设Ho为深海采矿水力提升系统的终端的出口压力，则泵组提供的扬程为：H=Ho+、=Ho+64西fQVSdp")(13)将式(13)代人式(9)得：C,=kdQCHo+64亦n21pQ2/(/d/s)+iQtH0+64籽nQVSdpS+kp再p+G(14)为了节省投资和能源，应使总费用最小。当总费用值最小时对应的参数为深海采矿水力提升系统的优化参数，此时对应的铺设管径就是最优经济管径。3经

9、济流速的求解Q=Av=0.25xdv式中;A管道的过流截面;v过流截面上的平均速度。由式(】5)可知，欲求经济流速必先求其经济管径，欲求经济管径必先使总费用值最小。因此由(14)式对山求导，使之为零即可求得经济管径的数学模型。沁64为k,子Q3Ipt(争妃-争冠=十64刀5Q3Ip*)dpT>卜2kpdplp=0解之得:由式(17)可以方便地求出深海采矿水力提升系统的最佳经济管径，将式(17)代入式(15).将过流截面上平均流速v用经济流速Ve表示可得理论经济流速的数学模型为：(18)综上所述在确定经济流速之前.既要考虑深海采矿水力提升系统颗粒的沉降速度，又要考虑系统的经济因索。只有将两

10、者同时考虑.才能合理地确定深海采矿水力提升系统的经济流速.即：U，_1.lUg+1.5U，e<V.NU(19)V4Q27.45r>g(ky+%_a由式(19)可知，当U'WVe时,取提升系统的颗粒沉降速度U't作为深海采矿水力提升系统的经济流速；当U'tUV.时，取式(18)结果为深海采矿水力提升系统的经济流速。4经济流速的数值模拟已知深海采矿水力提升系统的设计流量为200m3/h,提升高度为6000m,铉结核最大粒径为20mm,统计平均粒径为15mm,铉结核密度为2XIO,kg/m3，海水密度为1.05XIO,kg/m3，系统设计寿命为15年。试确定该系统

11、的经济流速。用某高扬程特种泵.其流址为200m3/h.功率为120kW,扬程为250m,利用同类泵回归线查出虹=8000元s/m4；铺设钢管长6000m,其粗糙度系数为0.0012,计划投资10亿元。将上述数值代人有关公式.则可以估算出各个比例常数：kt.=<Cp-C3)/<dilp)=2.5X10Sky=Cy/HQt=2.8X10-5o将1.知分别代人式(17).(18)得：dpRO.3m,V«=0.786m/s0由式(1)得:LJmvu=0.584m/s,Ue=0.506m/s。由式(2)得:U=0.701m/s。由式(19)得:Ve=0.786m/so根据沉降速度与

12、经济流速之间的关系，确定该系统的经济流速为:Ve=0.786m/s。5结论(1) 通过对候结核的沉降速度的讨论,得出沉降速度直接与深海采矿水力提升系统的经济流速相关，当话结核颗粒的沉降速度大于试算出的经济流速时，应将提升系统的颗粒沉降速度作为深海采矿水力提升系统的经济流速；反之则取其本身作为深海采矿水力提升系统的经济流速。(2) 从经济因素的角度考虑，建立投资、管理、运营等总费用数学模型，当总费用取得最小值时,深海采矿水力提升系统对应的各参数最优。(3) 通过数值模拟分别算出颗粒沉降速度、铺设管道的经济管径和理论经济流速，通过比较确定经济流速。参考文献：1 谢龙水.深海多金履结核采集方法的经济

13、评价J.湖南有色金属,1995,11(3):7-9.2 谢龙水.深海采矿经济模式研究口.金国矿巾，1995,6；1819.总第125期西部探矿工程seriesNo.1252006年第9期WESTCHINAEXPLORATIONENGINEERINGSept.2006文章编号：10045716(2006)09007403中图分类号：P62文献标识玛:B运用逻辑信息法估算某矿田的铀矿资源总量陈德华(广东省核工业地质局档案馆，广东广州510800)摘要：运用遂辑信息法对某，田的铀资源总量和品位进行了预测评价，以确定该区的铀资源潜力，为该区进一步找，的科学决策提供依据。关键词：巡辑信息法；铀资源总量某

14、矿田是一个重要的铀资源基地，在新一轮的铀矿找矿工作中，该矿田能否取得重大成果，直接关系到我们此次工作的成败。因此，在铀矿地质工作第二个春天到来之际，相对准确地评价该地区铀资源潜力，对树立队伍的找矿信心和为领导提供科学决策的依据都是十分重要的。下面所作的对矿田铀资源的逻辑信息法预测评价，就是为了这一目的所做的一次努力.现将有关情况陈述如下：1 矿田地质概况某矿田位于国栋花岗岩体的东部,面积数百平方千米.国栋岩体是燕山期岩浆活动的产物，由多期多阶段花岗岩浆侵入而成.呈岩基状.各期次花岗岩中都含有晶质铀矿。主体W中粗粒斑状黑云母花岗岩，平均含铀鼠163.5ppm补体冷3、舄a、*3b细粒花岗岩，平均

15、含铀地28.533.5ppm.岩体自变质作用较为强烈，活性铀含最高。岩体内，中基性岩脉发育，走向EW，等间距分布，共有5组.矿田处于两条NEE向区域性大断裂之间，以某断裂为代表的NNE-NE向断裂和EW向挤压带发育.起着导矿和布矿作用。铀矿化多产于硅化断裂带与辉绿岩脉的交接部位.矿田东北部工作程度较高。目前，已查明矿床多个，拥有数最可观的工业和远景储AL在此次新一轮找矿中，大家一致认为矿田的区域地质背景对成矿极为有利，虽已查明了一批矿床，但仍有较大的成矿远景,已列为“大基地"之一.2 方法的选择我们选择逻辑信息法作为本区铀矿资源总量预测的基本方法.理由是：<1)矿田内产出的矿床

16、、矿点，不仅成因相同，而且产出的地质条件也基本相同，说明这些矿床、矿点有着统一的地质成因模式,能满足逻辑信息法的要求。同时,从查明储量看.产于岩体内接触带以花岗岩为含矿主岩者，占95%以上。这样用它建立起C3李炜.大洋采矿气力提升特性的试验研究J.有色矿山，1997,3：1112.4邹伟生.话结核开采的气力提升参数研究J.矿冶Tfg.1999.19(1),24-25.5余斌,张绍才，李政，等.疝浓度尾砂充填料浆管道输送性能试验J1河北冶金,2003,135(3)：79.来的资源定量评价模型和所得到的资源总量预测结果，才不会因其他类型矿化的存在而出现太大的出入；(2) 矿田内积累的定性地质资料多

17、，定锻、半定最数据少;加之，控制区内能作为标准样品的单元数太少，不能满足大数定律的要求，较难采用多元数理统计方法或以多元数理统计为基础的其他方法。而逻辑信息法在把定量、半定量数据经离散化处理之后，兼有处理定性资料和定量、半定量数据的功能：(3) 逻辑信息法在理论上和方法上比较完善，目前正广泛地为国内外数学地质工作者在作资源预测和其他研究时应用，并不乏成功的实例。在本区用它作资源预测，从方法上讲，可以保证预测的质最；(4) 逻辑信息法建立变异序列的思想源自地质对比法。加之其数学原理简单，实施中只需详细研究几个(68个)标准对象即可解决预测问题。这样，不仅预测条件容易潢足，而且较易为广大野外地质工作者所理解和接受。虽然计算过程繁杂，但可借助电脑解决；(5) 用逻辑信息法采用同一标志总体,可以同时建立“储最”和“品位”两个变异序列，从而得出两个相应的评价模型。这是其他方法所难以作到的.3 控制区和预测区的选择控制区选在测区的东北部.选择的依据：(1) 这里是矿田的核心.查明的工业储最占矿田总储量的95%以上,控制矿