淺析國內(nèi)管道水力輸送試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張雪蘭，孫西歡，李永業(yè)，郗夏楠

管道水力輸送是一種在特定的封閉管道中以液體（通常為水）作為運(yùn)移載體，輸送固體物料的運(yùn)輸方式，因此它是涉及到流體力學(xué)、固液兩相流動(dòng)、流變學(xué)等多門學(xué)科的一門綜合新技術(shù)[1]，固液兩相流的復(fù)雜性、理論研究的相對局限性使得很多問題還不能得到很好的解決，由此關(guān)于管道水力輸送的很多問題需要借助試驗(yàn)的方法來研究，為管道水力輸送的實(shí)際工業(yè)應(yīng)用提供支持。因此，管道水力輸送試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)顯得尤為重要。本文將對國內(nèi)幾個(gè)較具代表性管道水力輸送試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行簡單介紹。

1 漿體管道水力輸送試驗(yàn)系統(tǒng)

上海理工大學(xué)組建的管路總長為50m的閉式循環(huán)管路系統(tǒng)由動(dòng)力供漿系統(tǒng)、混漿和清洗系統(tǒng)、變坡試驗(yàn)系統(tǒng)、立式試驗(yàn)系統(tǒng)和測試系統(tǒng)五部分組成。離心式漿體泵作為動(dòng)力供漿系統(tǒng)；貯漿桶和攪拌器組成的混漿系統(tǒng)，起到防止固液混合物分離、沉降的作用；用于清水調(diào)試試驗(yàn)和沖洗管道作用的清水桶清洗管道系統(tǒng)解決了固體物料在停泵后的沉積和管道阻塞問題，使其保持濃度均勻；包括水平工作臺(tái)、變坡機(jī)構(gòu)、支撐機(jī)構(gòu)、系統(tǒng)管路和試驗(yàn)管路的變坡試驗(yàn)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在水平和00-160范圍內(nèi)不同角度傾斜條件下的管道輸送試驗(yàn)；立式試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括立式工作臺(tái)、上升管、下降管和分流切換器等用于完成垂直管道的試驗(yàn)；測試系統(tǒng)包括壓差測試、流量測試、濃度測試、黏度和溫度測試、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)。此套試驗(yàn)系統(tǒng)能夠完成包括：兩相流管道流型試驗(yàn)研究、管道阻力特性試驗(yàn)研究、最佳輸送流速試驗(yàn)研究、最大鋪設(shè)坡度動(dòng)態(tài)試驗(yàn)研究、停泵再啟動(dòng)試驗(yàn)研究等試驗(yàn)功能，通過一定的試驗(yàn)系統(tǒng)改造還可進(jìn)行部分拓展性試驗(yàn)。以此試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行的PVC粒料、石英砂和粉煤灰等固體物料管道輸送試驗(yàn)，驗(yàn)證了試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)的合理性以及用來模擬工業(yè)管道各種工況的可靠性[2]。

河海大學(xué)疏浚技術(shù)教育部工程研究中心研制的水力輸送模型試驗(yàn)臺(tái)主要由泥泵及驅(qū)動(dòng)調(diào)速裝置、泥沙輸送管道及泥沙注入和回收裝置、參數(shù)測量及監(jiān)控裝置等組成。透明硅膠管、有機(jī)玻璃管道組成流體循環(huán)、泥沙輸送裝置部分；主要由電磁流量計(jì)、差壓傳感器、可編程邏輯控制器及相關(guān)模塊和一臺(tái)計(jì)算機(jī)組成的系統(tǒng)完成參數(shù)的測量、采集和控制工作。此模型系統(tǒng)的研制建立避免和彌補(bǔ)了大型試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)成本高、周期長、操作復(fù)雜、能耗高等方面的不足，該模型試驗(yàn)臺(tái)以其操作使用方便和自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)可以定量研究固體物料水力輸送阻力損失等問題，為固液兩相流動(dòng)特性的試驗(yàn)研究提供了便捷的平臺(tái)[3-4]。

吳淼在粘稠物料輸送的流變模型和試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，建立了一套多功能綜合性粘稠物料管道輸送試驗(yàn)系統(tǒng)。該試驗(yàn)系統(tǒng)為閉式循環(huán)管路系統(tǒng)，整套裝置由攪拌系統(tǒng)、液壓動(dòng)力系統(tǒng)、濃料輸送泵、管路、截止閥、分流閥、壓力測試裝置、儲(chǔ)料池等幾部分組成，可用以進(jìn)行粘稠物料輸送流動(dòng)結(jié)構(gòu)和機(jī)理的研究，具體包括粘稠物料流型、阻力特性、最佳流速、停泵再啟動(dòng)等試驗(yàn)研究。此外，也可以根據(jù)工業(yè)應(yīng)用實(shí)際工況采用該系統(tǒng)進(jìn)行輸送試驗(yàn)。該系統(tǒng)為粘稠物料工業(yè)輸送和工業(yè)管道優(yōu)化設(shè)計(jì)與安裝調(diào)試起到了測試和指導(dǎo)作用[5]。

2 型料管道水力輸送試驗(yàn)系統(tǒng)

型料管道水力輸送是將散體物料經(jīng)過模壓或擠壓成耐水抗磨的柱狀物，再注入運(yùn)輸管道設(shè)備進(jìn)行水力輸送。南方冶金學(xué)院建立的型料輸送管道系統(tǒng)包括管線布置、動(dòng)力裝置、型料注入裝置、型料排出裝置以及流動(dòng)參數(shù)測試的水平放置環(huán)管系統(tǒng)。系統(tǒng)管道線路總長39m，其中彎管部分由內(nèi)徑50mm的PVC管組成，測試段則均由1.5m長的等管徑有機(jī)玻璃管組成；型料注入裝置由水箱，型料進(jìn)料傳送帶、彈倉式喂料器、型料排列鎖定管、吸入型料的輔泵和壓出型料的主泵組成，實(shí)現(xiàn)行料的準(zhǔn)確可靠連續(xù)性注入；水箱和傳送帶組成型料排出裝置；離心泵通過擴(kuò)散器吸入水，增壓注入噴射器，并通過噴射器管壁四周攝入主輸送管道；離心泵、擴(kuò)散器、噴射器三者構(gòu)成完整的管道動(dòng)力系統(tǒng)；測試裝置包括間隙儀、光電測速儀、電磁流量計(jì)、壓力傳感器等組成，幾部分均與一臺(tái)微機(jī)相連接共同完成型料管道流動(dòng)參數(shù)的測定工作。該型料管道試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究起到了為實(shí)際管道設(shè)計(jì)提供切實(shí)有效參考的作用[6-7]。

3 筒裝料管道水力輸送試驗(yàn)系統(tǒng)

太原理工大學(xué)水流試驗(yàn)大廳設(shè)置的筒裝料管道水力輸送試驗(yàn)系統(tǒng)包括：動(dòng)力及調(diào)節(jié)裝置，投放與接收裝置，試驗(yàn)管道及測試儀器。該試驗(yàn)系統(tǒng)以離心泵作為試驗(yàn)系統(tǒng)的動(dòng)力設(shè)備，提供不同的壓力水頭來實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)的調(diào)節(jié)；電動(dòng)閥的開閉配合使用完成筒裝料的投放，接收裝置是由內(nèi)置海棉的帶孔玻璃水箱構(gòu)成，完成料筒的接收并實(shí)現(xiàn)料筒和水的及時(shí)分離；試驗(yàn)管道由內(nèi)徑100mm，厚度5mm的有機(jī)玻璃管組成，全長44.03m，包括三段直管段和兩段彎管段，并帶有合適的爬坡設(shè)計(jì)；測試裝置包括均與一臺(tái)無紙記錄儀連接的壓力傳感器、光電感應(yīng)器及渦輪流量計(jì)等，完成筒裝料管道水力輸送時(shí)的水力參數(shù)測定工作。該試驗(yàn)系統(tǒng)為筒裝料管道水力輸送理論的研究提供了試驗(yàn)條件[8]。

此外，還有清華大學(xué)泥沙研究所、武漢水利水電大學(xué)、北京科技大學(xué)、水電科學(xué)研究院等各院校均建立閉式循環(huán)管路系統(tǒng)，主要設(shè)備包括砂泵、渣漿泵，曲桿泵、泥漿泵、電磁流量計(jì)、壓差變送器、壓差計(jì)以及射線密度計(jì)等。這些試驗(yàn)系統(tǒng)也是國內(nèi)較為具有代表性的試驗(yàn)裝置[4]。

4 結(jié)語

管道水力輸送試驗(yàn)系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)為輸送條件、輸送能耗以及輸送原理等的研究和分析提供有利條件，本文對我國試驗(yàn)系統(tǒng)的總結(jié)概述給出了我國對管道輸送這一新興技術(shù)的關(guān)注和研究。管道水力輸送以其低成本、低能耗、環(huán)保等特點(diǎn)有著很好的發(fā)展前景，根據(jù)研究需要，追求更加合理、更加完備的試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)將為管道水力輸送事業(yè)方法與理論、技術(shù)與應(yīng)用的研發(fā)提供可靠的支撐。

[1] 白曉寧,胡壽根,張道方,秦宏波.固體物料管道水力輸送的研究進(jìn)展與應(yīng)用[J].水動(dòng)力學(xué)研究及進(jìn)展,2001,9（16）：303-310.

[2] 白曉寧,胡壽根,張道方,等.固液兩相流管道輸送實(shí)驗(yàn)臺(tái)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測試方法 [J].上海理工大學(xué)學(xué)報(bào),2001,23（2）:95-101.

[3] 周慶年,秦福星,趙亮,等.內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置[J].2009,6（增刊）：78-80.

[4] 周慶年.管道水力輸送模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)研制 [D].河海大學(xué),2008.

[5] 吳淼,趙學(xué)義,金赟,等.粘稠物料管道輸送實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與測試方法[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2004,17(4):25-27.

[6] 林愉,王福吉.型料輸送管道實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究[J].流體機(jī)械,2000,28(12)：7-9.

[7] 林愉,王福吉.型料輸送管道試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究[J].金屬礦山,2003,8（增刊）：284-286.

[8] 童學(xué)衛(wèi),李永業(yè),孫西歡.筒裝料管道水力輸送試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].2008,24（2）：42-43.