管道輸煤技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及展望

于新勝，陳益濱

(中煤科工集團(tuán)武漢設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430064)

據(jù)國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)，我國2019年原煤產(chǎn)量38.5億t，同比增長4.0%，全年能源消費總量48.6億t標(biāo)準(zhǔn)煤，同比增長3.3%，煤炭消費占能源消費總量的57.7%，仍占主導(dǎo)地位。在未來能源需求量居高的背景下，發(fā)展能源清潔化運輸和利用是全球趨勢[1]，我國也已將其納入鼓勵類產(chǎn)業(yè)，給予相關(guān)優(yōu)惠政策。管道輸煤清潔高效[2]，是繼鐵路、公路、水運之后的第四種運輸方式[3]，在國外已有成功應(yīng)用的先例，市場前景開闊。

管道輸煤是根據(jù)管道輸送要求及終端用戶需求，將開采的原煤經(jīng)過洗選或均質(zhì)處理、破碎后，把煤和水混合研磨制成合適的粒度級配和濃度比例的煤漿，再將合格的煤漿利用高壓泵通過管道密閉接力輸送到終端用戶。涂昌德、顧伯康、包文俊等[4-6]介紹了美國輸煤管道的發(fā)展歷史、工藝設(shè)計、運行特點、投資和運營情況，盛家鐸、黃志剛等[7-9]對比了煤炭外運的鐵路、變輸煤為輸電以及長距離管道輸煤等三種方式，同時分析了管道輸煤所具備的科研條件、設(shè)計力量、設(shè)備條件、施工條件，指出管道輸煤工程具有經(jīng)濟(jì)性和合理性。王鐵力等對礦漿管道輸送臨界流速進(jìn)行了試驗研究[10]并對漿體管道輸送阻力計算模型進(jìn)行了驗證[11]。

管道輸煤對地形的適應(yīng)性強(qiáng)、選線靈活性大、占地少，輸送連續(xù)、運費低，埋地密閉運行而使得管道抵抗惡劣氣候能力強(qiáng)，不污染環(huán)境、途中無運輸損失，可實現(xiàn)環(huán)保潔凈的煤炭運輸，有利于生態(tài)環(huán)境保護(hù)。管道輸煤構(gòu)建的新型煤炭物流體系可促進(jìn)煤炭、化工產(chǎn)業(yè)模式的健康有序發(fā)展，作為鐵路和公路運輸?shù)挠行аa(bǔ)充，具有重要的戰(zhàn)略意義。

1 管道輸煤技術(shù)發(fā)展概況

1881年美國開始研究煤漿管道輸送技術(shù)并在實驗室獲得成功，英國于1914年建成投產(chǎn)了穿越泰晤士河的倫敦電廠輸煤管道。美國于1957年建成第一條商業(yè)化的長距離輸煤管道——俄亥俄管道。這條輸煤管道的建成，對鐵路界提出了挑戰(zhàn)，使得鐵路部門于1963年把運費降低到原來價格的一半[12]。1970年美國建成第二條長距離輸煤管道——黑邁撒管道。

我國于1979年著手籌劃輸煤管道，并將此列為科技攻關(guān)項目。1982年以來，先后規(guī)劃了盂縣—濰坊—青島、梅州—汕頭、晉城—南通、盤江—湛江、長江管線、長城管線、新疆新亞管線等20余條常規(guī)濃度輸煤管道。其中盂—濰—青輸煤管道是當(dāng)時煤炭工業(yè)部重大戰(zhàn)略發(fā)展項目，于1996年3月國務(wù)院批準(zhǔn)立項，全程713km，輸送能力7.0Mt/a。該項目由中外合作建設(shè)、合作經(jīng)營，但最終由于融資問題項目被迫停止。

國內(nèi)于2010年開始輸煤管道工程的建設(shè)工作，世界上規(guī)模最大的神渭輸煤管道全程727km，運輸能力10.0Mt/a，是推進(jìn)煤炭高效、清潔、合理轉(zhuǎn)化的典型工程，由中國煤炭科工集團(tuán)武漢設(shè)計研究院設(shè)計有限公司EPC總承包完成。神渭管道在世界輸煤管道序列中運量最大、運距最長、地形復(fù)雜，表明我國在煤漿甚至其他漿體的長距離管道輸送領(lǐng)域技術(shù)已經(jīng)國際領(lǐng)先。國內(nèi)外已建的典型輸煤管道工程見表1。

表1 國內(nèi)外已建的典型輸煤管道工程

2 管道輸煤技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 煤漿管道系統(tǒng)組成

煤漿管道系統(tǒng)一般包括首端制漿系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)和終端煤漿處理系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 煤漿管道系統(tǒng)示意圖

1)制漿系統(tǒng)。綜合考慮用戶和輸送的要求，煤炭的管道輸送工程一般會設(shè)置一套獨立的制漿系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有定制性。制漿系統(tǒng)包括煤炭集運、儲存、破碎和磨煤4個子系統(tǒng)。美國黑邁撒輸煤管道制漿工藝設(shè)3條獨立的生產(chǎn)線，而中國神渭輸煤管道有8條生產(chǎn)線。

2)輸送系統(tǒng)。輸送系統(tǒng)利用地形勢能和高壓泵將首端制備的合格煤漿經(jīng)一級或多級泵站輸送至終端，著力解決大宗原料運輸問題，運量大、運距長，因此設(shè)備一般具有大型化特點。煤漿管道輸送系統(tǒng)復(fù)雜，神渭輸煤管道有6個串聯(lián)泵站，每個泵站設(shè)有主泵房、儲漿罐等工藝設(shè)施設(shè)備。

3)終端煤漿處理系統(tǒng)。根據(jù)用戶的不同主要包括儲存漿罐、脫水設(shè)備及水處理設(shè)備等。煤漿管道的終端用戶多樣，包括電廠、煤化工終端和集散中心。電廠需要進(jìn)行脫水處理，煤化工終端對濃度和粒度需要進(jìn)行二次處理，集散中心需要考慮裝運、型煤及型煤脫水等問題。

2.2 流變特性關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)應(yīng)用

煤漿輸送要求煤顆粒沿管道斷面作較均勻的分布，在管道停運期間不形成硬沉淀、在復(fù)運后可以重新啟動而不發(fā)生堵塞，這就需要煤漿具有合適的濃度比例、粒度級配和臨界流速。

1)粒度組成。為使煤漿具有良好的分選效果和流動性，煤漿中固體顆粒的粒徑并不是單一的，而是由多種粒度組成。煤炭的管道水力輸送屬于均質(zhì)～非均質(zhì)之間的復(fù)合流，即偽均質(zhì)流。在偽均質(zhì)流中，細(xì)顆粒的存在提高了漿體粘性，使粗顆粒沉降速度減小，有利于減小推移損失而減少管道的水力坡度。粒度太大，容易造成沉淀和堵塞；粒度太小，給制漿和脫水工藝帶來困難。合理的粒度組成影響著漿體的穩(wěn)定性，甚至直接影響管道的安全性，美國黑邁撒輸煤管道的平均粒徑為0.28mm，中國神渭輸煤管道的平均粒徑為0.37mm。

2)漿體濃度。表征漿體濃度的有重量濃度和體積濃度，濃度參數(shù)與漿體粘度、穩(wěn)定性相關(guān)，影響管道的輸送效率。在相同的粒度級配情況下，煤漿的濃度越大，其流變性越差。重量濃度若過小，煤漿的分選現(xiàn)象嚴(yán)重，穩(wěn)定性較差。重量濃度若過大，其表征流變特性的剛度系數(shù)隨濃度的增大急劇增大，摩阻損失也將增大。美國黑邁撒管道的煤漿重量濃度為46%～49%，而中國神渭輸煤管道煤漿重量濃度為51%～55%。

3)臨界流速。臨界流速是指在非均質(zhì)流漿體運行速度由高逐漸降低時，其固體顆粒從懸浮狀態(tài)轉(zhuǎn)入在床面滑動或滾動時的流速，它表示沉積和懸浮之間的臨界點。臨界流速是長距離漿體輸送管道的關(guān)鍵基礎(chǔ)運行參數(shù)。影響臨界流速大小的因素包括管徑、固體顆粒密度、顆粒的組成和級配、漿體濃度、漿體的粘度、溫度等。

2.3 煤漿管道的防沉降技術(shù)應(yīng)用

不同粒徑的顆粒群體按不同比例組合，由于其比重大于液體，煤漿中固相含量具有下沉的趨勢。漿體顆粒在重力的作用下向管底或者罐底沉積甚至堆積，加大底部的濃度而造成軟堵塞，在下次設(shè)備啟動時阻力劇增，甚至不能正常啟動。

1)煤漿儲存過程中的防沉降措施[13]。在管道沿線所有儲漿罐中設(shè)置攪拌器，利用雙電源供電模式對煤漿進(jìn)行中心推進(jìn)式的連續(xù)攪拌，在儲漿罐內(nèi)壁加導(dǎo)流板輔助煤漿流上升，促進(jìn)煤漿在罐內(nèi)形成內(nèi)循環(huán)。

2)煤漿輸送過程中的坡度控制。長輸煤漿管線地形高低起伏，例如神渭管道最大落差近1180m[14]，正常運行時固體顆粒懸浮在煤漿中不會有沉積，而一旦停運后固體顆粒在管線底部堆積，為了防止軟堵塞現(xiàn)象，保證管輸?shù)陌踩\行，管線鋪設(shè)坡度必須小于煤漿滑移角。

2.4 煤漿管道測控技術(shù)應(yīng)用

管道監(jiān)測系統(tǒng)與控制系統(tǒng)融合可實現(xiàn)對煤漿管道輸送過程中高效、高精確度調(diào)節(jié)。根據(jù)管道的工藝及分布特點，目前采用數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA)的控制方式。SCADA系統(tǒng)是基于計算機(jī)、通訊和控制技術(shù)發(fā)展起來的一種生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動化系統(tǒng)，可以對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)距離的監(jiān)視與控制，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、參數(shù)調(diào)節(jié)及信號報警等各項功能。

以神渭管道為例，管道SCADA系統(tǒng)包括控制中心計算機(jī)系統(tǒng)、站控PLC、數(shù)據(jù)傳輸及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)軟件及應(yīng)用軟件及現(xiàn)場傳感器等。

3 管道輸煤技術(shù)展望

管道輸煤在我國是一種新的煤炭運輸方式，專業(yè)技術(shù)涉及水力學(xué)、泥沙運動力學(xué)、固液兩相流以及懸液流變學(xué)等學(xué)科，其影響因素眾多，大量的科技人員進(jìn)行多方面的試驗研究，雖已取得較大突破，但是部分理論和應(yīng)用技術(shù)仍有待完善。

隨著工業(yè)化水平的提升，管道輸煤技術(shù)將沿著智能化、輸送產(chǎn)品多樣性、粗顆粒、高濃度的方向發(fā)展。技術(shù)理論和設(shè)備將具有如下特點：理論模型具有預(yù)測性，設(shè)備具有可測性、可控性、自適應(yīng)性。管道的管理手段也將會更加先進(jìn)。

1)煤漿管道理論及試驗量測技術(shù)。由于試驗設(shè)備的不同、試驗條件的差異、所輸送物料的性質(zhì)不一，目前漿體輸送的各種計算公式均是其特殊條件下的經(jīng)驗公式，具有一定的局限性，至今尚無包括各類漿體、各種不同運輸條件下的全面而且已被生產(chǎn)實踐證明其完全符合的系統(tǒng)性計算公式。大顆粒、高濃度煤漿的輸送參數(shù)計算、模型放大等理論研究不足，還沒有一套比較準(zhǔn)確的參數(shù)計算模型和模型放大方法。隨著神渭輸煤管道投入使用所帶來的效應(yīng)，煤漿管道輸送參數(shù)計算模型和模型放大方法的理論研究將會逐漸深入得到完善，臨界流速、水擊、摩阻、堵塞等實驗參數(shù)的量測技術(shù)和手段會進(jìn)一步改進(jìn)。

2)智慧管道。隨著新生代工業(yè)化與信息化技術(shù)的高度融合和深入應(yīng)用，輸煤管道信息化將走向更高階段的智慧化。智慧管道基于物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新興技術(shù)，從各種渠道獲取精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而對管道的運營情況進(jìn)行分析、演算和推理，為實時決策和恰當(dāng)時機(jī)采取行動提供依據(jù)，優(yōu)化、整合和調(diào)度現(xiàn)有人力和物力資源。

3)輸送產(chǎn)品。目前管道輸送的是精煤，隨著人們的環(huán)境保護(hù)意識以及國家環(huán)保要求日益提高，煤炭在洗選后各類產(chǎn)品的運輸問題逐漸得到企業(yè)和政府部門的重視，尤其是國內(nèi)一些資源型城市在經(jīng)過近年的高速發(fā)展后，其煤炭及其相關(guān)產(chǎn)品在鬧市區(qū)的運輸成為越來越突出的社會環(huán)境問題。因此，管道輸送將不僅僅局限于精煤產(chǎn)品，煤矸石和煤泥等伴生產(chǎn)品的輸送市場前景廣闊。

4)新材料、新設(shè)備。新材料方面：隨著輸送介質(zhì)由細(xì)顆粒向粗顆粒、由精煤向煤的各類相關(guān)產(chǎn)品(煤矸石、煤泥)的方向發(fā)展，管材和管件需要有更強(qiáng)的適配性。煤矸石和粗顆粒煤磨蝕性強(qiáng)，耐磨蝕金屬管材、非金屬管材、耐磨蝕高承壓管件等新材料將具有更廣泛的應(yīng)用。新設(shè)備方面：目前，管道測漏、測堵設(shè)備誤差較大，苛刻工況下關(guān)鍵部位閥門、大型煤漿攪拌器等設(shè)備尚需進(jìn)口。未來高精度的測漏、測堵設(shè)備將會得到更加廣泛的應(yīng)用，也將會朝著國產(chǎn)化的方向發(fā)展。

5)管道完整性管理。在役管道和配套設(shè)備受環(huán)境、輸送介質(zhì)磨損、人工操作方法等影響，使得管道的設(shè)計壽命與高生產(chǎn)需求之間的矛盾日益突出，甚至影響管道運行安全。煤漿管道完整性管理是將管道生命周期內(nèi)設(shè)計、施工、生產(chǎn)檢測、維修維護(hù)、環(huán)境評價等信息資料錄入到系統(tǒng)中并建立數(shù)據(jù)庫[15]，集中管理，為管道檢測、維護(hù)等管理業(yè)務(wù)提供準(zhǔn)確、多維度的相關(guān)歷史資料，便于風(fēng)險點定位并提早識別、應(yīng)急搶修、維護(hù)方案的制定和實施，可以將管道事故發(fā)生的可能性與可能產(chǎn)生的后果降到最低，是一個不斷評估并降低風(fēng)險的過程[16]。煤漿管道完整性管理是一種管理模式和管理理念，在漿體領(lǐng)域發(fā)展得并不成熟，隨著更多管道的建成和投產(chǎn)，管道完整性管理將會在煤漿管道輸送領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。