淺析國內管道水力輸送試驗系統設計

張雪蘭，孫西歡，李永業，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）作為運移載體，輸送固體物料的運輸方式，因此它是涉及到流體力學、固液兩相流動、流變學等多門學科的一門綜合新技術[1]，固液兩相流的復雜性、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，由此關于管道水力輸送的很多問題需要借助試驗的方法來研究，為管道水力輸送的實際工業應用提供支持。因此，管道水力輸送試驗系統的設計顯得尤為重要。本文將對國內幾個較具代表性管道水力輸送試驗系統進行簡單介紹。

1 漿體管道水力輸送試驗系統

上海理工大學組建的管路總長為50m的閉式循環管路系統由動力供漿系統、混漿和清洗系統、變坡試驗系統、立式試驗系統和測試系統五部分組成。離心式漿體泵作為動力供漿系統；貯漿桶和攪拌器組成的混漿系統，起到防止固液混合物分離、沉降的作用；用于清水調試試驗和沖洗管道作用的清水桶清洗管道系統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、變坡機構、支撐機構、系統管路和試驗管路的變坡試驗系統可實現在水平和00-160范圍內不同角度傾斜條件下的管道輸送試驗；立式試驗系統主要包括立式工作臺、上升管、下降管和分流切換器等用于完成垂直管道的試驗；測試系統包括壓差測試、流量測試、濃度測試、黏度和溫度測試、數據采集及處理系統。此套試驗系統能夠完成包括：兩相流管道流型試驗研究、管道阻力特性試驗研究、最佳輸送流速試驗研究、最大鋪設坡度動態試驗研究、停泵再啟動試驗研究等試驗功能，通過一定的試驗系統改造還可進行部分拓展性試驗。以此試驗系統進行的PVC粒料、石英砂和粉煤灰等固體物料管道輸送試驗，驗證了試驗臺設計的合理性以及用來模擬工業管道各種工況的可靠性[2]。

河海大學疏浚技術教育部工程研究中心研制的水力輸送模型試驗臺主要由泥泵及驅動調速裝置、泥沙輸送管道及泥沙注入和回收裝置、參數測量及監控裝置等組成。透明硅膠管、有機玻璃管道組成流體循環、泥沙輸送裝置部分；主要由電磁流量計、差壓傳感器、可編程邏輯控制器及相關模塊和一臺計算機組成的系統完成參數的測量、采集和控制工作。此模型系統的研制建立避免和彌補了大型試驗臺試驗成本高、周期長、操作復雜、能耗高等方面的不足，該模型試驗臺以其操作使用方便和自動化程度高等特點可以定量研究固體物料水力輸送阻力損失等問題，為固液兩相流動特性的試驗研究提供了便捷的平臺[3-4]。

吳淼在粘稠物料輸送的流變模型和試驗研究基礎上，建立了一套多功能綜合性粘稠物料管道輸送試驗系統。該試驗系統為閉式循環管路系統，整套裝置由攪拌系統、液壓動力系統、濃料輸送泵、管路、截止閥、分流閥、壓力測試裝置、儲料池等幾部分組成，可用以進行粘稠物料輸送流動結構和機理的研究，具體包括粘稠物料流型、阻力特性、最佳流速、停泵再啟動等試驗研究。此外，也可以根據工業應用實際工況采用該系統進行輸送試驗。該系統為粘稠物料工業輸送和工業管道優化設計與安裝調試起到了測試和指導作用[5]。

2 型料管道水力輸送試驗系統

型料管道水力輸送是將散體物料經過模壓或擠壓成耐水抗磨的柱狀物，再注入運輸管道設備進行水力輸送。南方冶金學院建立的型料輸送管道系統包括管線布置、動力裝置、型料注入裝置、型料排出裝置以及流動參數測試的水平放置環管系統。系統管道線路總長39m，其中彎管部分由內徑50mm的PVC管組成，測試段則均由1.5m長的等管徑有機玻璃管組成；型料注入裝置由水箱，型料進料傳送帶、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，實現行料的準確可靠連續性注入；水箱和傳送帶組成型料排出裝置；離心泵通過擴散器吸入水，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、擴散器、噴射器三者構成完整的管道動力系統；測試裝置包括間隙儀、光電測速儀、電磁流量計、壓力傳感器等組成，幾部分均與一臺微機相連接共同完成型料管道流動參數的測定工作。該型料管道試驗系統的設計研究起到了為實際管道設計提供切實有效參考的作用[6-7]。

3 筒裝料管道水力輸送試驗系統

太原理工大學水流試驗大廳設置的筒裝料管道水力輸送試驗系統包括：動力及調節裝置，投放與接收裝置，試驗管道及測試儀器。該試驗系統以離心泵作為試驗系統的動力設備，提供不同的壓力水頭來實現對試驗的調節；電動閥的開閉配合使用完成筒裝料的投放，接收裝置是由內置海棉的帶孔玻璃水箱構成，完成料筒的接收并實現料筒和水的及時分離；試驗管道由內徑100mm，厚度5mm的有機玻璃管組成，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計；測試裝置包括均與一臺無紙記錄儀連接的壓力傳感器、光電感應器及渦輪流量計等，完成筒裝料管道水力輸送時的水力參數測定工作。該試驗系統為筒裝料管道水力輸送理論的研究提供了試驗條件[8]。

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

4 結語

管道水力輸送試驗系統的合理設計為輸送條件、輸送能耗以及輸送原理等的研究和分析提供有利條件，本文對我國試驗系統的總結概述給出了我國對管道輸送這一新興技術的關注和研究。管道水力輸送以其低成本、低能耗、環保等特點有著很好的發展前景，根據研究需要，追求更加合理、更加完備的試驗系統設計將為管道水力輸送事業方法與理論、技術與應用的研發提供可靠的支撐。

[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展與應用[J].水動力學研究及進展,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驗臺的系統設計與測試方法 [J].上海理工大學學報,2001,23（2）:95-101.

[3] 周慶年,秦福星,趙亮,等.內燃機與動力裝置[J].2009,6（增刊）：78-80.

[4] 周慶年.管道水力輸送模型實驗臺研制 [D].河海大學,2008.

[5] 吳淼,趙學義,金赟,等.粘稠物料管道輸送實驗系統的設計與測試方法[J].機電產品開發與創新,2004,17(4):25-27.

[6] 林愉,王福吉.型料輸送管道實驗系統的設計研究[J].流體機械,2000,28(12)：7-9.

[7] 林愉,王福吉.型料輸送管道試驗系統的設計研究[J].金屬礦山,2003,8（增刊）：284-286.

[8] 童學衛,李永業,孫西歡.筒裝料管道水力輸送試驗系統設計研究[J].2008,24（2）：42-43.