铁精矿管道输送在弯管处流量的检测研究

肖　克　熊　新　吴建德

(1.昆明理工大学信息工程与自动化学院　昆明　650500)(2.云南省矿物管道输送工程技术研究中心　昆明　650500)

铁精矿管道输送在弯管处流量的检测研究

肖克1,2熊新1,2吴建德1,2

(1.昆明理工大学信息工程与自动化学院昆明650500)(2.云南省矿物管道输送工程技术研究中心昆明650500)

摘要由于铁精矿浆体具有高浓度、颗粒粒径分布不均以及浆体组成成分相对复杂等特殊的物理性质,流量的测量和计算在长距离矿浆管道输送过程中一直是行业内难以解决的问题。尤其当浆体在流经弯管道处的流量计算更是复杂。现已有专家对弯管处浆体的流量与弯管压差之间的关系进行了研究,得出弯管压差与铁精矿在流经弯管处的流量具有非常好的线性关系。论文结合国内某知名管道有限公司实时工业数据,初步研究了长距离矿浆管道输送过程中浆体流经弯管道处流量的测量与计算。

关键词弯管; 流量; 压差; 流量系数

Class NumberTP274

1引言

钢铁材料在国家经济建设和工业化的迅猛发展中的需求日益增加。钢铁生产的主要材料是铁矿石,其来源和运输直接影响到钢铁生产企业的生存与发展。但是,国内某些矿山交通不够便利,地面环境复杂,运输难度很大。如何降低运输成本,提高运输效率,将数百万吨的铁矿石运输到钢铁冶炼厂将是一个很难解决的问题。更加困难的是,还要避免铁精矿原料由于在运输过程中所造成的对环境的污染和资源浪费。而管道运输具有效率高、价格低廉、节约资源、环保和密封性好等众多优势。因此,采用管道方式运输铁精矿是有重大意义的。

在铁精矿管道输送中,常用弯管来改变精铁矿浆体的流动方向。当浆体流经弯管时,流线会有急速弯转。该弯曲现象,导致浆体产生一个较大惯性力沿管截面,由于惯性力的延伸,在弯管内外壁将产生压力差,该压力差与流经弯管处的流量具有关联性,若能研究得出流量与弯管内外侧压差的关系数学模型,就可以通过已有的弯管内外侧压差的方法来测算弯管流量,这将是一种非常渐变的测算弯管流量的方法。用弯管对流量进行计算的方法早在1911年就有研究。弯管作为管道的一部分,其作用是改变流体的流向,且它的特点是不会形成附加阻力,具有价格低廉且耐用、便于安装检测等其它流量检测装置所不具有的优点。但由于其流量系数的离散度很大,致使这种测量方法一直得不到广泛应用。现有温良英,张正荣等专家通过大量的实验研究,得出管道流量与弯管压差的关系及弯管流量系数稳定的重要条件[1]。

针对铁精矿管道输送特点,国内某知名管道有限公司通过采用通信网络原理、自动化控制技术、计量等技术并结合管道输送基础工艺以及管道运行经验设计了铁精矿管道输送计量系统[2～3],为铁精矿的管道输送降低了成本并且使管道输送的安全性有了更好的保障[4～5]。本文以该公司开发建立的运量计量数学模型为基础,通过铁精矿管道输送运行的相关实时数据初步实现了铁精矿管道输送在弯管道处流量的检测研究。

2铁精矿管道输送流量数学模型

单位时间内通过的流体体积流段(Volume Flow rate),称为流量,以Q来表达[6]。

Q=∫AdQ=∫AudA

(1)

假设横截面上的每个点的流速是相等的,这被称为平均流速V(Mean Velocity),这是相同的流量[7～8],则

Q=∫AudA=V·A

(2)

矿浆浓度在不同条件下,从数学方面来讲,浆体的流动特性是连续的,所以可以建立矿浆浓度ρ浆与时间t的数学模型ρ浆(t)。对于一个固定排量的位移活塞隔膜泵,可以使用一个活塞往复次数的不断增加(认为S的增加是连续变化的),而不是时间t,因此ρ浆(t)可以改写为ρ浆(S)[9]。

隔膜泵活塞所做的是往复式相同幅度的活塞运动,假设现在活塞经过dS次的往复运动,并记下时间dt,那么可以通过已有数据推算出泵送的矿浆体积为

dV浆=εV0dS

(3)

式中,V0为一个理想的隔膜泵往返一次的推送体积,经验系数ε为泵推送体积的经验系数;因此,往复式活塞隔膜泵在推送的总体积和总质量分别为

(5)

用来计算V浆的隔膜泵活塞往复次数S计算所需次数是通过主泵活塞往复频率连接到现场PLC来实现采集,计算M浆所需的实时测量矿浆浓度ρ浆(S)并不是由字节推出的。

3流量与压差的关系

本节在国内某著名管道有限公司实测的数据基础之上,结合现有专家对于流量及压差之间关系的研究成果,初步研究了铁精矿管道输送在弯管处流量与压差之间的关系,并通过相关数据进行了仿真,在弯管直径为220mm和210mm处,得到了弯管处流量与压差的关系曲线图。根据相关数据现整理流量及弯管的压差部分列于下表。

表1　测算流量与实测流量对照表

3.1流量与压差Pa的关系

现采用国内某知名管道有限公司铁精矿管道实测数据,在管道内径D=220mm的条件下,对流量与压差的关系进行验证。在流量-压差的关系坐标系中标出相关数据点(如图1所示)。由图中可见铁精矿在流经弯管处的流量与压差并非线性关系。

3.2流量与压差关系式之间的关系

精铁矿浆体在流经弯管处的流量与压差之间并非线性关系,而流量与压差关系式之间有着良好的线性关系,本节在工业管道流体输送实时数据之上,结合已有专家在实验室级别上的研究成果初步研究并验证了流量与压差关系式之间存在着良好的线性关系。

图1　流量Q与压差Pa之间的关系

图2　流量Q与压差关系式的关系曲线

(6)

4弯管流量系数确定

(7)式中,μ为流量的修正系数,也称为弯管流量系数;Kr是和弯管的结构参数(弯曲曲率比)相关系数[10];圆管的弯曲的横截面面积A=πd2/4,弯管直径d。因此,弯管流量系数μ可通过试验确定,即

(8)

弯管的流量系数不受管道材质、直径以及管道内流体速度等因素影响,可视为一确定的值,可以通过实验所测数据和弯管的结构参数计算弯管处流体的流量系数和平均速度。证明实验所用的弯管结构参数可以使弯管的流量系数有非常好的一致性。因此,可以通过测算弯管压差得出流量。流量系数与平均速度的分析曲线如图3所示。

图3　弯管的流量系数与管道内流体速度的关系

5实验结果与分析

在国内某知名管道公司建立的矿浆管道输送的运量计量数学模型的基础之上,利用流量与压差关系表达式的关系测算出的流量值与该公司实测流量值的比较如表2所示。由表2中知,测算值与实测实误差相对较小,相对误差在0.36%～1.70%之间。

表2　测算流量与实测流量对照表

6直管段对实验结果的影响

为了研究弯管的直管段对弯管压差的影响,以尺寸为220mm直径管为例,在弯曲前不同直管段过程的实验变化,3D,5D和弯曲后直管段直径分别2D,5D来进行实验,与弯管的直管段足够长的实验结果进行比较(图4),可见,在不同条件下的直管段,流压Q和压差关表达式之间的关系具有很好的一致性。作为检测元件,弯管流量对前后只管段无严格要求,相关专家学者猜想可能是流体流经弯管时并没有发生节流现象。由流体在流经结构产生巨大变化的管口处时,流体会受到弯管内壁给其施加的90°的流向制约,并使得流体沿着弯管作规律的曲线运动而产力的作用,正是由于离心力产生的原因和对管内壁牵引力和外壁牵引力,内壁负方向的流体,且外壁施加的挤压力是积极的。所以有,弯管段显示造成了压力和惯性力量平衡压力的不均匀分布,并且与管压差和流量大小,流体密度和曲率等有一定的关联性。

图4　直管段对流量与压差关系的影响

7结语

2) 弯管的结构参数在一定范围内,弯管流量系数与弯管的材质、大小无关且弯管流量系数不会随着管内流速的变化而改变,由此可证明弯管的结构参数决定了弯管流量系数的稳定性。

3) 本文在结合国内某知名管道公司铁精矿管道输送运行的相关实时数据初步研究了铁精矿管道输送在弯管道处流量的检测研究。并测算出了铁精矿管道输送在弯管道处的流量。

参 考 文 献

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Detection and Research of Iron Ore Pipeline Flow in Curved Pipe

XIAO Ke1,2XIONG Xin1,2WU Jiande1,2

(1. Faculty of Information Engineering and Automation, Kunming University of Science and Technology, Kunming650500)(2. Engineering Research Center for Mineral Pipeline Transportation of Yunnan Province, Kunming650500)

AbstractDue to the special nature of the physical properties of the pulp slurry, flow measurement and calculation in the transportation process of long distance slurry in the industry is difficult to solve, especially when the slurry flows through the bent pipe flow calculation is even complex. Now slurry pipeline expert studied the relationship between flow and differential pressure between the elbow, and reached the conclusion that elbow pressure and iron ore in flow through the elbow was at a very good linear relationship. Based at a leading domestic pipeline co., LTD. Pulp conveying capacity measurement mathematical model, a preliminary study of slurry in the process of long distance slurry pipeline transport through the flow measurement and calculation of bend pipe is conducted.

Key Wordselbow, flow, pressure, flow coefficient

收稿日期:2015年12月7日,修回日期:2016年1月26日

基金项目:国家自然科学基金资助项目(编号:51169007);云南省科技计划项目(编号:2012CA022,2013DH034);云南省中青年学术和技术带头人后备人才培养计划项目(编号:2011CI017)资助。

作者简介:肖克,男,硕士研究生,研究方向:矿浆管道输送控制检测。熊新,男,高级工程师,研究方向:工业过程检测技术、传感器等。吴建德,男,博士,教授,博士生导师,研究方向:工业控制、工业过程数据分析与建模等。

中图分类号TP274

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.06.004