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第16章 管道运输(3)

输气管道同输送液体管道相比具有以下特点:①输气管道系统是个连续密闭输送系统。②从输送、储存到用户使用,天然气均处于带压状态。③由于输送的天然气比重小,静压头影响远小于液体,设计时高差小于200米时,静压头可忽略不计,线路几乎不受纵向地形限制。④不存在液体管道水击危害。⑤发生事故时危害性大,波及范围广。管道一旦破裂,释放能量大,撕裂长度较长,排出的天然气遇有明火,还易酿成火灾。

为了保证管道运行安全,各国都规定了进入输气管道的气体质量标准,其内容一般包括:规定出天然气中的硫化氢、水分、露点等标准;规定管道按途经地区人口密度指数确定各类地区的设计系数,确定管壁的最小厚度的方法;制订防火安全距离;规定管道选用钢材的焊接性能、冲击韧性、止裂性能,并规定输送不符合气体质量标准的天然气管道所选用的管材应具有的抗硫性能等。

固体料浆管道

将固体破碎成粉粒状,与适量的液体配制成浆液,利用管道进行长距离输送,这种管道称为固体料浆管道,简称固体管道。因输送的物质是用液体载着固体的浆液,又称浆液管道。目前固体料浆管道主要用于输送煤、赤铁矿、磷矿、铜矿、铝矾土和石灰石等矿物。在矿业开采中,早已应用矿石与水掺和,通过管道由高处泄入低处的输送形式。这种形式运送距离较短,输送动力靠重力作用。而固体料浆管道是用增压设备为输送浆液提供压力能,运距远,输量大。

沿革与分类

1889年3月美国人W.G.安德鲁斯获得用管道输送固体的专利,并于1893年在芝加哥的世界博览会上展出。1914年英国的G.G.贝尔工程师将堆在泰晤士河码头的煤,制成煤、水各半的浆液,通过534米长、200毫米直径的铸铁管,用离心泵输往电厂锅炉房,流速为1.2米/秒。到终点后,再将煤水分离,将水输回到起点。这是最早用于生产的煤浆管道。

20世纪50年代中期开始建设长距离、大输量的固体料浆管道。1957年美国固本煤炭公司在俄亥俄州修建了一条173千米长、管径为254毫米的输煤管道,每年可输煤130万吨,后因故停输。从美国亚利桑那州北部黑梅萨地区的露天煤矿,到内华达州的莫哈夫电厂的输煤管道,于1970年11月建成投产,全长439千米,管径为457毫米,设计年输煤量为500万吨,一直运行至今。1977年5月在巴西建成并投产了全长393千米、管径为509毫米的萨马科铁矿浆管道,计划年输铁矿石1200万吨。随着固体料浆管道在技术上逐渐成熟,固体管道运输正在日益发展。

固体料浆管道可按所输物质分为煤浆管道、铁矿浆管道等;按所用的载体,可分为液送管道、风送管道等。液送管道的载体一般用水,也正在发展用甲醇等其他液体作载体。风送管道用压缩空气作为载体。目前长距离、大输量的固体料浆管道都采用浆液输送工艺。

输送工艺

固体料浆管道的输送工艺主要包括制浆、管道输送和固液分离等三个过程。

制浆

包括两项工作:一是将所要输送的固体破碎到要求的粒度范围;二是将破碎的固体配制成符合管道输送要求质量的浆液。将储仓中的煤输到振动筛上粗选,再进入球磨机破碎,经振动筛筛分后再进入棒磨机掺水湿磨,然后经储浆槽,安全筛筛分,合格的浆液最后进入稠浆储罐,罐中装有搅拌器,进行搅拌。用离心泵将经掺水稀释的稠浆进行抽样检验,符合外输要求的浆液即进入外输罐,准备外输。

管道输送

在管道中流动的浆液是固液二相的混合物,其流态多变,必须在一定的流速下浆液才能稳定流动。在输量降低、流速减缓的情况下,会出现多种不均质流态,甚至产生固体沉积现象。为了保持浆液稳定流动,须确定合理的输送工艺,如筛选均质固体、确定合理破碎筛分、确定颗粒级配、配制适合浓度的浆液;还要根据年输送量选择适宜的管径、确定临界流速等。此外,在确定固体粒径和级配时,要考虑便于固液分离。因此,确定输送工艺是十分复杂的技术问题。

在固体管道中浆液的浓度受固体的重度、粒径等的限制。煤浆管道的浆液重量浓度在50%左右,而铁矿浆液的重量浓度为66%左右。管道输送工艺中应注意的问题有以下四点:

①浆液管道的流态。在相同的流速下,由于粒径级配不同,可形成三种基本流态:均质流态,在管道断面上颗粒均匀悬浮,各点的固体浓度相同;半均质流态,细颗粒均匀分布在管道全断面上部,但大颗粒则在下部运动,因此下部浓度大,上部浓度小,但不出现固体颗粒沉淀;非均质流态,全断面上浓度分布很不均匀,出现固体颗粒沉淀,并在管道底部出现沉淀层。严格地说,纯均质的浆液流是不存在的,同一种浆液当流速变化时,可以在均质流与半均质流或半均质流与非均质流之间转化。出现沉淀时的流速称为浆液的临界流速,这一流速也是非均质流与半均质流的分界点。固体管道应在临界流速以上输送浆液。

②固体料粒径的选择。固体管道营运是否经济,与颗粒粒径的选择有密切关系。制浆和脱水费用主要由设备投资和运行费用这两项组成,而这两项费用都与颗粒粒径有关。粒径越小,需要破碎的设备就多,耗用动力大;脱水也难,脱水的设备多,时间长,能耗也多。粒径与输送费用的关系更为复杂。粒径越大,浆液流态不稳定,临界流速大,耗能也大;粒径小,流态稳定,临界流速低,但也有一定的限度。如粒径小于某一数值,则会使浆液的粘度增加,能耗上升,脱水更加困难,输送费用反而增加。粒径的选择又与固体的重度有关。根据黑梅萨煤浆管道的经验,煤浆管道中的全部颗粒粒径要小于1.19毫米,其中20%的粒径要小于0.044毫米。当粒径小于0.044毫米的占14%时,停输时会造成管道堵塞;后改为16%通过0.044毫米筛孔,仍有堵塞,但较易于启动;最后改为19%的粒径小于0.044毫米,再启动就比较容易。对不同的管道,上述条件还会改变。

③管道坡度。是造成管道堵塞的因素之一,因而管道坡度应有严格限制。固体料浆管道常用间歇输送来调节输量,停输后固体颗粒会沉淀。如果管道坡度大于沉淀物的自然安息角,沉淀物将向下滑动堆积,形成堵塞。如果堵塞的长度较短,可在启动压力下恢复流动。如果坡度大的管段过长,而堆积长度过长,将会给再启动带来困难。煤浆管道的敷设坡度一般不大于16°。

④水力坡降。某一输量下,浆液在单位管长的压力降。在固体料浆管道的计算中,采用最广泛的是杜兰德与康多利奥斯的计算式。这种计算式可用于煤浆、铝矾土固体管道计算,也可用于管径在720毫米以下、固体重度在1.5~3.95之间、重量浓度在50%~60%之间、粒径为0.509毫米左右的管道计算。

此外,还有瓦斯普半均质流的计算式等多种经验计算式。影响水力坡降的因素很多,既有流态,又有粒径配比、粒状、浓度、流速、管径等等,因此,在试验中实测输送各种浆液的摩阻,更有实际意义。

固液分离

固体料浆管道所输送的浆液一般由固体和水组成的,输至末站需进行脱水,以分离出固体送给用户。浆液先进入受浆罐,以调节管道输量和脱水量之间的不平衡。罐内的浆液输到振动筛区分为粗细粒度的浆液后再分别处理,粗粒浆液进入离心脱水机,脱过水的煤直接输给用户,排出的废液输往浓缩池。细粒浆液直接进入浓缩池,浓缩后的浆液经压滤机脱水得煤,供给用户。

上述工艺流程都用装有耐磨材料叶轮的大排量、低扬程的离心泵。管道沿线中间增压站的外输泵都用高压力、耐磨损的往复式活塞泵。

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