一管多叉在大紅山鐵礦輸送中的應(yīng)用

楊松華

(昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

大紅山鐵精礦管道從1986年開始進(jìn)行多次規(guī)劃，經(jīng)過(guò)多次方案比較，1992年，進(jìn)行了100 萬(wàn)t/a鐵精礦管道的可行性研究，由于產(chǎn)能的擴(kuò)增，到2003年，昆鋼進(jìn)行了從100萬(wàn)t/a提高到230萬(wàn)t/a進(jìn)行礦漿管道的初步設(shè)計(jì)，大紅山230萬(wàn)t/a鐵精礦礦漿輸送管道工程，于2003年8月核準(zhǔn)建設(shè)，2006年9月隧道全線貫通，10月管道鋪設(shè)完畢，11月底全線打壓完成，12月下旬泵站工藝設(shè)施除自動(dòng)控制系統(tǒng)外全部通過(guò)測(cè)試，12月30日第一批礦漿啟運(yùn)，經(jīng)3站分段輸送，于2007年元旦到達(dá)終點(diǎn)安寧脫水站，經(jīng)過(guò)2年多的運(yùn)行，到2009年，由于源頭產(chǎn)能的擴(kuò)增，管道輸送能力達(dá)不到要求，經(jīng)過(guò)多方討論、協(xié)商，大紅山精礦管道輸送量由230萬(wàn)t/a提升到350萬(wàn)t/a，該擴(kuò)能技改工程主要對(duì)原有大紅山鐵精礦230萬(wàn)t/a輸送管道的1#-3#泵站進(jìn)行技術(shù)改造，增建4#和5#2座中間泵站，通過(guò)對(duì)原大紅山鐵精礦管道系統(tǒng)輸送能力進(jìn)行擴(kuò)能技術(shù)改造，使鐵精礦管道輸送能力從年輸送230萬(wàn)t/a提高到年產(chǎn)350萬(wàn)t/a，該項(xiàng)目于2010年10月建成投入使用。

由于武鋼集團(tuán)昆鋼股份淘汰落后環(huán)保搬遷項(xiàng)目草鋪工程的實(shí)施，為了能夠更好的解決新區(qū)的原料供應(yīng)，根據(jù)昆鋼控股公司領(lǐng)導(dǎo)及新區(qū)規(guī)劃建設(shè)發(fā)展的要求，本著鐵精礦輸送管道既能滿足目前昆鋼總部現(xiàn)有生產(chǎn)的需要、又能滿足今后新區(qū)規(guī)劃發(fā)展的需要，考慮在原大紅山鐵精礦輸送管道的基礎(chǔ)上改造滿足昆鋼草鋪新區(qū)原來(lái)供應(yīng)問(wèn)題，在原大紅山管道上搭接1根管道，使大紅山輸送過(guò)來(lái)的礦漿既可以輸送到安寧脫水站，也可以輸送到昆鋼草鋪新區(qū)脫水站，并可以任意切換。根據(jù)相關(guān)要求在原大紅山鐵精礦輸送到昆鋼的管道線路就近(安寧縣街鎮(zhèn))建設(shè)輸送管道分岔閥門站，海拔1 866.0 m。從分岔閥門站新建1條平距大約20.0 km、外徑273 mm的支線到昆鋼草鋪新區(qū)終端，海拔1 935.0 m。本項(xiàng)目管道輸送鐵精礦量規(guī)模為350萬(wàn)t/a(10 606.1 t/d)，需要同時(shí)滿足安寧終端和草鋪終端的管道，草鋪下游鋼廠每年需要鐵精礦110萬(wàn)t，管道輸送量為442 t/h，從分流閥門站到草鋪終端管道系統(tǒng)需要滿足350萬(wàn)t/a(系統(tǒng)作業(yè)率按照95 %)的要求。管道前期間斷工作，后期全天工作，前期輸送規(guī)模為110萬(wàn)t/a，精礦礦漿到達(dá)終端時(shí)直接給到脫水站，礦漿脫水后，鐵精粉利用膠帶輸送至昆鋼草鋪新區(qū)料場(chǎng)，供下部工序生產(chǎn)使用。

1 水力學(xué)設(shè)計(jì)以及流速控制

礦漿管道的水力學(xué)設(shè)計(jì)及工藝參數(shù)的選擇按下列步驟來(lái)完成：

1)通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)評(píng)價(jià)礦漿流變性、腐蝕特點(diǎn)以及可操作性；

2)通過(guò)計(jì)算，與工業(yè)化管道運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行比較來(lái)確定最小流速和濃度參數(shù)；

3)根據(jù)上述結(jié)果確定可接受的礦漿濃度范圍，同時(shí)根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷；

4)根據(jù)設(shè)計(jì)的精礦運(yùn)輸能力和流速，選擇最合適的濃度范圍和管道尺寸；

5)計(jì)算摩阻壓力損失；在管線縱剖面上繪制水力坡度(摩阻損失)，以決定滿足最大許可運(yùn)行壓力(MAOP)要求的管道壁厚；

6)確定所需的泵站個(gè)數(shù)以及閥門/消能孔板站的個(gè)數(shù)；確定泵站、閥門/消能孔板站位置以及需要的管道壁厚；為所有的工藝流程確定流量以及礦漿參數(shù)；

7)為所選擇的系統(tǒng)建立運(yùn)行范圍(運(yùn)輸能力限制、流量、濃度以及泵站能力)；

8)壓力瞬時(shí)現(xiàn)象分析，將在施工圖設(shè)計(jì)階段完成。

通過(guò)對(duì)鐵精礦漿漿體特性(鐵品位64 %以上)的研究，進(jìn)行礦漿管道水力學(xué)設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)水力損失計(jì)算、壓力損失計(jì)算，在滿足規(guī)定的腐蝕/侵蝕允許條件及在各種運(yùn)行條件下，管道壁厚選擇滿足了管道各部分所需要的壓力容量、管道30年設(shè)計(jì)壽命的要求，以及最低的鋼管成本，最終選擇了X65273×10 mm管道。

大紅山原有管道系統(tǒng)的最小流速是按照礦漿試驗(yàn)進(jìn)行的設(shè)計(jì)，最小運(yùn)行流速確定的是1.25 m/s。這個(gè)參數(shù)在試車期間采用環(huán)管測(cè)試進(jìn)行了驗(yàn)證，按照273 mm的鋼管，輸送高品質(zhì)鐵精礦的最小流速是1.55 m/s，輸送次級(jí)鐵精礦的最小流速是1.35 m/s；按照244.5 mm的鋼管，輸送高品質(zhì)鐵精礦的最小流速是1.50 m/s，輸送次級(jí)鐵精礦的最小流速是1.33 m/s。只要大于上述流速運(yùn)轉(zhuǎn)，整個(gè)管道系統(tǒng)就是安全的。

2 工藝系統(tǒng)描述

一管多叉的關(guān)鍵技術(shù)在于在原礦漿管道上開叉，在不新增泵站二次加壓的情況下實(shí)現(xiàn)礦漿切換供給不同目的地，在運(yùn)行過(guò)程中，需要減少分叉帶來(lái)的壓力損失，解決好礦漿切換時(shí)的時(shí)差控制，同時(shí)滿足線路里程和管道壓力的要求，在兩地相對(duì)合適的地方增設(shè)分流閥門站，根據(jù)昆鋼安寧本部和昆鋼草鋪新區(qū)的不同需求靈活切換礦漿，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩地鐵精礦的調(diào)度供給。

根據(jù)昆鋼草鋪新區(qū)發(fā)展規(guī)劃，閥門站設(shè)置于安寧市西南側(cè)禮義村附近，地理坐標(biāo)大致為東經(jīng)102°26′2.00″，北緯24°50′37.31″。閥門站至草鋪新區(qū)管道按350萬(wàn)t/a設(shè)計(jì)，第一年至第十年輸送到昆鋼草鋪新區(qū)礦量為110萬(wàn)t/a，10年后為350萬(wàn)t/a。初期閥門站至草鋪脫水站管道將是間斷工作，10年后全天24 h工作。在閥門站設(shè)置多級(jí)離心水泵1臺(tái)，工作壓力5 MPa。當(dāng)?shù)V漿進(jìn)行切換，礦漿輸送到昆鋼草鋪新區(qū)時(shí)，啟動(dòng)多級(jí)離心泵，往閥門站至安寧脫水站段管道送水，將管內(nèi)礦漿推送到安寧脫水站，將管道沖洗干凈后停泵。當(dāng)?shù)V漿往安寧新區(qū)輸送時(shí)，則啟動(dòng)泵沖洗閥門站到昆鋼草鋪新區(qū)段管道，將該段管道內(nèi)礦漿推送到草鋪新區(qū)脫水站。

正常生產(chǎn)期間，當(dāng)準(zhǔn)備從分流站輸送到安寧終端切換到草鋪終端之間的管道線路時(shí)，首先打開去草鋪終端濃縮機(jī)的閥門，然后打開密封閥門，完全打開后，打開磨損閥門，完成上述操作后，打開分流站密封閥門FV-7502，完全打開后，打開磨損FV-7503，關(guān)閉去安寧的磨損閥門FV-7506，完全關(guān)閉后，關(guān)閉密封閥門FV-7505。按照最低頻率開啟水泵G751，開啟后，打開閥門FV-7510，逐步提高水泵的頻率，觀察壓力變送器PIT-7515和流量計(jì)以及安寧終端閥門站的壓力和流量變化，決定是否繼續(xù)提高水泵的轉(zhuǎn)速，當(dāng)安寧終端的濃度顯示為0 %時(shí)，管道流出的是水時(shí)，停止沖洗水泵，關(guān)閉安寧的磨損閥門，完全關(guān)閉后，關(guān)閉密封閥門，最后關(guān)閉水泵的出口閥門FV-7510；當(dāng)輸送草鋪切換到輸送安寧終端時(shí)，首先落實(shí)安寧終端至少去過(guò)濾機(jī)、濃縮機(jī)或攪拌槽之間的管道是暢通的，然后打開去安寧的密封閥門FV-7505，完全打開后，打開磨損閥門FV-7506，關(guān)閉去草鋪終端的磨損閥門FV-7503，完全關(guān)閉后，關(guān)閉密封閥門FV-7502，按照最低頻率開啟水泵G751，開啟后，打開閥門FV-7509，逐步提高水泵的頻率，觀察壓力變送器PIT-7515和流量計(jì)以及草鋪終端閥門站的壓力和流量變化，決定是否繼續(xù)提高水泵的轉(zhuǎn)速。當(dāng)草鋪終端的濃度顯示為0 %時(shí)，管道流出的是水時(shí)，停止沖洗水泵，關(guān)閉草鋪的磨損閥門，完全關(guān)閉后，關(guān)閉密封閥門，最后關(guān)閉沖洗水閥門。見圖1。

經(jīng)過(guò)詳細(xì)的水力計(jì)算，從分流閥門站到草鋪終端的管道正常輸送鐵精礦過(guò)程中，分流閥門站處的壓力為48Bar。根據(jù)運(yùn)行壓力，沖洗水泵的性能參數(shù)為流量250 m3/h，揚(yáng)程為500 m，功率為650 kW。由于需要沖洗下游的帶漿越野管道，采用變頻電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，可以逐步提高頻率來(lái)改變運(yùn)行壓力和流量；沖洗帶漿的越野管道，需要逐步調(diào)整轉(zhuǎn)速和流量，沖洗水泵可以選擇正排量泵和多級(jí)離心泵來(lái)作為沖洗水泵使用，隨著管道沖洗過(guò)程，沖洗水泵的出口壓力將會(huì)越來(lái)越低，當(dāng)滿管道充滿水時(shí)，出口壓力將會(huì)由滿管道礦漿時(shí)的48Bar降低到25Bar。由于隔膜泵工作穩(wěn)定，最終沖洗水泵選擇隔膜泵，根據(jù)沖洗水泵的出口壓力變化，將頻率可以適當(dāng)調(diào)整，保證沖洗水泵正常工作。

圖1 分流閥門站(一管多叉)示意圖

當(dāng)水泵出現(xiàn)故障不能進(jìn)行沖洗，而需要切換礦漿時(shí)，這時(shí)可先降低串聯(lián)泵的泵速，按照目前停車再啟動(dòng)的方式，進(jìn)行從分流站到安寧或草鋪終端之間的管道線路帶漿再啟動(dòng)。根據(jù)目前的運(yùn)轉(zhuǎn)方式，該啟動(dòng)方式不存在問(wèn)題。當(dāng)PS5泵站出現(xiàn)故障后，則目前的大紅山管道系統(tǒng)只能輸送到安寧終端，去草鋪的管道系統(tǒng)沖洗后停止使用。

3 脫水工藝簡(jiǎn)介

當(dāng)管道輸送過(guò)來(lái)的礦漿到達(dá)脫水站時(shí)，先進(jìn)入分礦箱，分礦箱內(nèi)礦漿自流進(jìn)入陶瓷過(guò)濾機(jī)過(guò)濾，過(guò)濾后鐵精礦粉含水小于10 %，鐵精礦粉通過(guò)1#、2#膠帶輸送機(jī)輸送到昆鋼草鋪新區(qū)料場(chǎng)堆存，作為下步工序生產(chǎn)使用。脫水站主設(shè)備陶瓷過(guò)濾機(jī)按110萬(wàn)t/a規(guī)模建設(shè)，附屬設(shè)備按350萬(wàn)t/a規(guī)模建設(shè)。陶瓷過(guò)濾機(jī)TC-80第一年安裝2臺(tái)，第二年再安裝4臺(tái)(由安寧脫水站搬遷過(guò)來(lái))。由于前期管道輸送礦漿規(guī)模為350萬(wàn)t/a(間斷工作)，陶瓷過(guò)濾機(jī)處理規(guī)模為110萬(wàn)t/a，所以脫水站設(shè)1臺(tái)φ14 m×14 m攪拌槽儲(chǔ)存過(guò)濾機(jī)處理不完的礦漿，該部分礦漿來(lái)自分礦箱，用來(lái)調(diào)節(jié)生產(chǎn)。

脫水站設(shè)置事故池，當(dāng)生產(chǎn)出現(xiàn)事故時(shí)保證生產(chǎn)安全高效應(yīng)對(duì)突發(fā)事故。脫水站設(shè)φ30 m高效濃密機(jī)處理濃密機(jī)溢流，提高陶瓷過(guò)濾機(jī)處理能力，處理陶瓷過(guò)濾機(jī)檢修放礦，保證生產(chǎn)高效進(jìn)行。

4 結(jié) 語(yǔ)

管道運(yùn)輸業(yè)是中國(guó)新興運(yùn)輸行業(yè)，是繼鐵路、公路、水運(yùn)、航空運(yùn)輸之后的第五大運(yùn)輸業(yè)，它在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中起著十分重要的作用，筆者對(duì)大紅山鐵精礦管道一管多叉做了系統(tǒng)闡述。充分利用計(jì)量、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、通信、電器的整體優(yōu)勢(shì)將大紅山鐵礦安全、有序地送至昆鋼草鋪新區(qū)和昆鋼安寧本部，一管多叉的實(shí)施使我國(guó)長(zhǎng)距離漿體管道輸送技術(shù)上了一個(gè)新的臺(tái)階，對(duì)礦漿管道輸送在冶金行業(yè)的應(yīng)用起到了示范和推動(dòng)作用。