单泵与储料罐组合的深海采矿输送设备
徐海良, 何清华
(中南大学 机电工程学院, 湖南 长沙, 410083)
摘要: 根据软管采矿系统对输送设备的要求,研究出由储料罐与高压水泵组合而成的新的输送设备,其原理为:首先采用高压水泵对海水加压,然后采用储料罐将矿石加入到高压水中,通过高压水将矿石从海底输送到海面。根据两相流理论和Bernoulli方程,建立了储料罐与高压水泵组合输送的水力输送设备的设计理论体系。对输送系统的参数进行计算分析可知,对于矿石体积分数为7%~12%的流体,1000m深海采矿中试输送系统的水泵扬程为100~150m,3000m深海采矿输送系统的水泵扬程为400~450m。由储料罐与高压水泵组合而成的矿石输送系统简单,避免了矿石颗粒与水泵直接磨损,适用于深海采矿软管输送系统。
关键词: 海洋采矿; 输送设备; 设计参数
中图分类号:TH113.22 文献标识码:A 文章编号: 1672-7207(2005)01-0092-05
Deep-sea Mining Transporting Equipment
Combined Single Pump and Ore Tank
XU Hai-liang, HE Qing-hua
(School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: Based on the requirement of flexible sea mining system, a kind of ore transporting equipment was designed by combining vessel with pump. The principle is that: by ore tank, the ore is put into pump-pressed sea water through which the ore is transported from sea bed to sea level. According to Bernoulli′s equation and two-phase hydrodynamics theory, the design theory of transporting equipment was established, on which the transporting equipment parameters were calculated and analysed. The results show that when the ore volume fraction is 7%-12%, the height of pump-head of 1000m sea mining transporting systems is 100-150 m and that of 3000m sea mining transporting systems is 400-450m. The system is simple in design, efficient in function and has wide applications in flexible sea mining system.
Key words: sea mining; transporting equipment; design parameter
在深海采矿方法中,根据输送系统的不同,深海采矿系统可分为硬管采矿系统和软管采矿系统[1,2]。硬管采矿系统的输送系统复杂,采用砂浆泵对矿石进行接力输送,砂浆泵过流部件与矿石磨损容易被破坏,从而使整个采矿系统瘫痪[3,4]。
软管采矿系统的输送设备安装于海底采矿车上。将矿石从海底直接输送到海面,输送系统简单,便于操作和控制,具有工业应用前景。但是,研究出 输送能力强大的输送设备,是软管采矿系统成功的关键[5-8]。在此,作者对单泵与储料罐组合的深海采矿输送设备进行研究。
1 储料罐与水泵组合输送设备原理
图1所示为软管采矿系统原理图。其工作原理是:海底采矿车工作所需要的能量和控制信号都是通过软管从采矿船上输送到海底的采矿车上;海底采矿车采集的矿石,在采矿车上输送设备的作用下,通过软管输送到停泊于海面的采矿船或采矿平台上。
图1所示的软管采矿系统的输送管道是一根管壁内有钢丝加强的橡胶管,软管的柔韧性非常好,海底的采矿车能牵引软管采矿。由于软管很长,当采矿船停泊于海面时,海底采矿车牵引软管能在海底很大范围内采矿;软管采矿系统的矿石通过安装于采矿车上的输送设备直接输送到海面的采矿船上,使整个输送系统简化;采矿船停泊于海面上,当变换采矿场时才运动,使采矿系统的操作和控制变得相对容易;1艘采矿船可以控制多台采矿车,系统产量成倍增加。但此种输送系统要求输送设备具有强大的输送能力。
软管采矿系统的输送设备安装于采矿车上,当采用输送泵直接输送矿石混合流体时,要求输送泵的扬程很高,目前还没有能直接从5000m海底将矿石混合流体输送到海面的高扬程输送泵,因此,需要采用新的水力输送方法。
图 1 软管采矿系统原理图
Fig. 1 Sea mining system of flexible pipeline
采用储料罐与高压水泵组合,其原理如图2所示。理论上,能将矿石混合流体直接从5000m海底输送到海面,使软管采矿系统在技术上变为可行。
图2所示为储料罐与水泵组合的水力输送设备原理图,水力输送设备由1台高速多级清水泵、2个储料罐和6个阀组成。系统的工作原理如下。
a. 采矿系统工作开始前,所有6个阀门都处于关闭状态;水泵启动后,海水在水泵的作用下,从水泵的入口处吸入,通过输送管道输送到海面;在采矿车工作之前打开阀门3。
b. 采矿车开始工作后,采矿车采集的矿石被破碎,在重力的作用下,经阀门3流入容器1。当系统工作一段时间,容器1装满矿石颗粒后,关闭阀门3,同时打开阀门1、阀门2和阀门6,采矿车采集加工后的矿石颗粒流入容器2。容器1内的矿石颗粒流入输送管道,在水泵的作用下,输送到海面的采矿船上。
c. 当输送系统工作一段时间,容器1内的矿石完全输送完毕,容器2装满矿石后,关闭阀门1、阀门2和阀门6,同时打开阀门3、阀门4和阀门5;采矿车采集加工后的矿石颗粒流入容器1。容器2内的矿石颗粒流入输送管道,在水泵的作用下,输送到海面的采矿船上。
图 2 储料罐与水泵组合的水力输送设备原理图
Fig. 2 Ore transporting systems of vessel
combined with pump
不断重复上述工作步骤,输送系统能将采矿车采集的矿石源源不断地输送到海面的采矿船上。
储料罐与水泵的设计理论完善,制造容易,能容易设计和生产出适合于在深海工作的输送系统;矿石颗粒在输送过程中没有经过水泵,避免了水泵与矿石直接磨损,能保证输送系统长期安全工作;输送系统采用高速多级水泵,通过1台水泵能将矿石输送到采矿船上,不需要采用多台输送泵接力输送,输送系统得到简化。
从上述分析可知,由水泵与储料罐组成的水力输送设备具有明显的优点。在对该输送设备进行设计时,有许多参数需要通过理论分析来确定。
2 水力输送系统参数分析
2.1 输送管道的参数分析
采矿系统的作业水深h被确定后,根据系统的工作要求,输送管道的长度L可以确定。输送管道的内径是一个很重要的参数,当系统的输送流量Qm确定后,管道内径Di与管内流体的流动速度um之间的关系为:
为了保证输送系统正常工作,垂直输送管内的流体速度必须大于矿石颗粒的沉降速度。根据颗粒在水中的重力、浮力与颗粒的阻力平衡,可得出球形矿石颗粒的沉降速度ut的计算公式为[9]:
式中:ds为矿石颗粒的平均粒径;ρl为海水密度;ρs为矿石密度; ψ为球形阻力系数。
由固液两相流理论中的Govier理论可知,当最小水流速度大于固体颗粒沉降速度的2倍时,流体中固体颗粒随流体运动。考虑到一些不稳定因素的影响,为确保管道不被阻塞,一般取混合流体的流速um为沉降速度的3~5倍[6]。
根据矿石颗粒的沉降速度确定管道内流体的流速后,可以根据式(1)确定管道的内径Di。
输送管道在工作过程中有可能出现水平状态,流体的速度必须大于某一临界速度,矿石颗粒才不会沉淀而阻塞管道。影响临界流速的因素很多,许多研究者提出了大量的计算公式和方法。对颗粒较粗的矿石,合适的临界流速uk的计算公式为[10,11]:
式中:ρm为混合流体的密度;ρw为水的密度;fi为一定大小的固体颗粒所占的比例,当其为均匀颗粒时,fi=1;ψi为与固体颗粒大小有关的系数。
当输送系统的流体流速um被确定后,必须采用式(3)进行校核,即um应大于uk,保证输送系统正常工作。
2.2 输送系统参数确定
根据流体的能量方程、连续方程和动量方程可得管内两相流的伯努利(Bernoulli)方程[9,10]:
式中:p1和p2分别为截面1和截面2的流体压力;um1和um2分别为管道截面1和截面2上混合流体的平均速度;Δhm为截面1到截面2的距离内混合流体的能量损失;αm1和αm2分别为截面1和2上动能修正系数;Z1和Z2分别为截面1和截面2的高度;g为重力加速度。
式(4)是固液两相流在管道中流动的伯努利(Bernoulli)方程。当所分析的系统中动能这一项在总能量中所占的比例很小时,在两相流伯努利方程中,修正系数采用αm=1,对系统分析影响不大,则两相流的伯努利方程与均质流的伯努利方程一样。根据上述方程对输送系统进行分析,得到水泵扬程H的计算公式:
式中:pOA为出口流体压力。
从式(5)分析可知,水泵的扬程由5部分组成,只有混合流体沿管道的摩擦阻力损失[SX(]ρm[]ρwg[SX)]Δhm未知。
近年来获得了特定条件的预测摩阻损失的公式,其中有些以压降表示,有些以摩阻系数表示,有些则以水力坡度表示。由于矿石颗粒在30 mm左右,故采用H.E.ENGLEMANN的理论来预测输送系统的水力损失[9]。
当管道内矿石颗粒与海水均匀混合时,管内的流体摩擦引起的压力损失可由下式求得:
式中:λl为海水的阻力系数;λs为矿石颗粒的阻力系数;φv为流体的矿石体积分数;ds为管道的微分长度;dpm为海水和矿石颗粒引起的压力损失的微分值;ul为流体中液体流速;us为流体中矿石颗粒流速。
从上式可得,从采矿车到采矿船之间的输送管道的压力损失为:
由于管道内海水和矿石颗粒的摩擦阻力系数未知,计算压力损失很困难,H.E.ENGLEMANN经研究得到如下经验公式:
式中:ms′为管内矿石颗粒的质量流速,ms′=Qs·ρs;ml′为管内海水的质量流速,ml′=Ql·ρl。
当假设海水的密度和Rei与淡水的相同,则海水与管道内壁的阻力系数可由尼古拉兹公式计算[12-16],即
式中:Δ为管道内壁的粗糙度。
假设管内流体中矿石颗粒与海水的流速相等,即ul=um,根据式(9)可以求得管内海水的阻力系数λl;代入式(8),求得矿石颗粒的阻力系数λm;将λl和λm代入式(7),求得管道的压力损失Δpm;若Δpm已知,则可根据式(5)求得水泵的扬程H;根据水泵的扬程H和系统流量Qm,然后求得水泵的轴功率。
式中:N为水泵的轴功率,即电机所需要的功率,kW;μ为水泵的效率,μ=0.80~0.85;Q为水泵的流量,水泵的流量即输送系统混合流体的流量,Q=Qm;H为水泵的扬程,根据输送系统要求,采用式(5)计算求得。
3 钴结壳采矿系统计算分析
钴结壳采矿中试系统的主要参数为:采矿系统湿钴结壳的生产能力为45 t/h;作业水深为1000 m;流体中矿石体积分数为7%~12%;矿石的密度为2040 kg/m3;进入输送系统的矿石的颗粒平均粒径ds=30 mm。
设计输送系统时,矿石的输送浓度对输送系统的效率有很大的影响,因此,需要选择合适的矿石输送的体积分数φv,根据4种体积分数7%,12%,10%和10%,分别设计分析4个采矿系统。
根据输送系统的参数要求和管道内两相流理论,设计分析了2个1000 m的钴结壳采矿中试系统和2个3000 m的钴结壳采矿系统,输送系统工艺参数见表1。
从输送系统参数的计算结果分析可知,作业水深为1000 m时,水泵扬程H分别为102.61 m和153.65 m,功率N分别为110 kW和96 kW;作业水深为3000 m时,水泵扬程H为396.74 m和453.45 m,功率分别为300 kW和340 kW。要设计和制造满足上述要求的水泵。
从上述分析可知,采用水泵与储料罐组合的水力输送系统,能将矿石直接从海底输送到海面,由该水力输送系统组成的软管采矿系统在技术上是可行的。
表 1 输送系统参数
Table 1 Parameters of sea mining transporting
systems
4 结 论
a. 根据软管采矿系统对水力输送设备的要求,研究一种储料罐与高压水泵组合的水力输送设备,此种水力输送设备能将矿石颗粒从海底直接输送到海面。
b. 根据两相流理论,建立了储料罐与高压水泵组合输送的输送设备设计理论,为该种水力输送设备的设计提供了理论依据。
c. 根据水力输送设备的设计理论和两相流理论,对1000 m钴结壳采矿中试系统和3000 m深海采矿系统的参数进行了分析和研究,并论证了储料罐与高压水泵组合的水力输送设备可用于深海采矿。
参考文献:
[1]SCHWARZ W, FREITAG W, GREBE H, et al. Untersuchungen Zum Dynamischen Verhalten Flexibler Verbindungsleitungen Zwischen Tiefseemaschinen Und Ihren Mutterschiffen[R]. Siegen: Uniersitt-GH Siegen, 1993.
[2]KHL M. Zum Stabilitts und Schwingungsverhalten Durchstrmerter, Langer Vertikaler Rohre Bei Hydrodynamischer Dmpfung[D]. Berlin: Technische Uniersitt Berlin, 1986.
[3]CHUNG J S, CHENG B. 3-D Responses of Vertical Pipe Bottom Pin-Joined to a Horizontal Pipe to Ship Motion and Thrust on Pipe—Part I: MSE and FEM Modeling[A]. Proc 9th Int Offshore and Polar Eng Conf[C]. Brest, 1999.
[4]CHUNG J S, CHENG B. MSE and FEM Modeling of Thrusts to Elastic Joints of Long Vertical Pipe in 3-D Nonlinear Motions[J]. Int J Offshore and Polar Eng, 1999, 9(2): 117-125.
[5]ZHANG Gang. Theoretische und experimentelle Untersuchungen an Ringspaltdichtungen Mit Kontakatkraftsteuerung[D]. Siegen: Universitt-GH Siegen, 1994.
[6]FREITAG W. Theoretische Und Experimentelle Untersuchungen zum Verhalten Langer Tiefseestrnge[D]. Aachen: Universitt Aachen, 1993.
[7]HOFFMANN E O. Verhalten Flexiber Verbingungsleitungen Zwischen Bewegten Untwerwassergerten und Schwimmenden Stationen[D]. Aachen: Universitt Aachen, 1995.
[8]GREBE H. Allgemeines Mathematisches Modell für Strangverbindungen Zwischen Mobilen Tiefseegerten und ihren Mutterstationen[D]. Siegen: Universitt-GH Siegen, 1997.
[9]ENGELMANN H E. Vertical Hydraulic Lifting of Large-size-A Contribution to Marine Mining[D]. Aachen: Universitt Aachen,1978.
[10]HOFFMANN E O. Verhalten Flexiber Verbingungsleitungen Zwischen Bewegten Untwerwassergerten und Schwimmenden Stationen[D]. Aachen: Universitt Aachen, 1995.
[11]GREBE H. Allgemeines Mathematisches Modell für Strangverbindungen Zwischen Mobilen Tiefseegerten und Ihren Mutterstationen[D]. Siegen, Universitt-GH Siegen, 1997.
[12]CHUNG J S, CHENG B. Application of Thrusts to Elastic Joints on Long Vertical Pipe in 3-D Nonlinear Motions—Part II:Numerical Examples by MSE and FEM Results[A]. Proc 8th Int Offshore and Polar Eng Conf[C]. Montreal, 1998.
[13]CHUNG J S. Assessment of Option in Design of Deep-ocean Mining Pipe Systems[A]. Proc ISOPE-Ocean Mining Symp[C]. Tsukuba, 1995.
[14]CHUNG J S. Deep-ocean Mining: Technologies for Manganese Nodules and Crusts[J]. Int J Offshore and Polar Eng, 1996, 6(4): 244-245.
[15]CHUNG J S, CHENG B R. Effects of Multiple Flexible Joints Along a Long Pipe on the 3-D Nonlinear Coupled Pipe Responses[J]. Int J Offshore and Polar Eng, 1996, 6(3): 203-211.
[16]CHENG B R, CHUNG J S. Effects of Axial Damper and Elastic Joints on the 3-D Dynamic Responses of a Deep-ocean Pipe with Torsional Coupling[J]. Int J Offshore and Polar Eng, 1997, 7(1): 36-43.
收稿日期:2004-05-11
基金项目:国务院大洋专项基金资助项目(DY105-03-02)
作者简介:徐海良(1965-),男,湖南湘乡人,副教授,博士,从事海洋采矿和矿山机械研究
论文联系人: 徐海良,男,副教授;电话:0731-8877589(H); E-mail:hailiang-xu@yahoo.com.cn
