長距離礦漿管道系統中消能孔板的運行優化

寧輝棟 陶志賓 梁福全 陳 敘

(內蒙古包鋼鋼聯股份有限公司巴潤礦業分公司)

孔板是一種應用十分廣泛的水力裝置，最常見的應用是孔板流量計。同時，孔板因其自身特性，也可作為一種消能裝置。這種裝置在水利水電、石油化工、金屬冶煉等領域應用較為廣泛。本文介紹一種應用在長距離礦漿管道系統中的消能孔板裝置。由于管道系統運行工況發生變化，為保證系統正常運行，對消能孔板裝置進行了優化。

1 消能孔板應用情況介紹

某鐵精礦礦漿管道全長143 km，管徑355.6 mm，設計年輸送鐵精礦550萬t/a，在國內第1次應用消能孔板控制加速流。

1.1 加速流的產生及危害

管道敷設于地形崎嶇的山區，由于管線中某段高度落差較大或批量輸送時漿與水存在比重差等原因導致能量分布不均，當管道內漿體能量急劇改變時，多余的能量自行被消耗，此時滿管流逐漸演變成不滿管流，不滿管流的流速通常是滿管流流速的數倍甚至數十倍[1-2]。這種現象若發生在未做防護的管道內，將嚴重磨損管道，縮短管道使用壽命。某鐵精礦礦漿管道地形見圖1，壓力檢測站附近極易出現加速流，造成管道嚴重磨損。為避免該問題，在距終點站約4.7 km的位置設置孔板站，內設消能孔板裝置。

1.2 孔板站簡介

孔板站設于管線末端，距終點站約4.7 km，站內設有9個消能孔板，其中3個固定孔板，6個活動孔板分布于3個U型環路，通過控制閥門閥1、閥2、閥3使活動孔板串入或剝離管線。孔板站工藝布置見圖2。孔板組件固定于兩片法蘭之間，孔板后的短管帶內襯。孔板組件直徑471 mm，厚100 mm，其核心為孔徑不等的陶瓷環。孔板站共有3種孔徑的孔板，分別是67.3、76.2、81.3 mm。孔板結構及安裝示意見圖3。

圖1 某鐵精礦礦漿管道地形

圖2 孔板站工藝布置

2 孔板運行優化

某鐵精礦礦漿管道已運行9 a，由于管道結垢、磨損、腐蝕等原因造成系統運行工況不斷發生變化，為保證系統正常運行，避免壓力檢測站區域產生加速流，需要對孔板孔徑的組合及運行方式不斷進行優化。

2.1 第1次優化

原孔板站至終點站的4.7 km管道管徑為273 mm，該管段流速約為設計流速的兩倍，導致該管段磨損嚴重，多次出現泄漏。為解決該問題，將孔板站至終點站的4.7 km管道管徑更換為356 mm。更換完成后孔板站壓力也由原2 000 kPa 降低至約700 kPa。由于這一工況的改變，致使孔板站失去調節壓力檢測站壓力的能力。因此，對孔板孔徑及運行方式進行第一次優化。

圖3 孔板結構及安裝示意(單位：mm)

根據趙慧琴[3]、李琳[4]等人的研究，影響孔板消能系數的因素主要有雷諾數、孔徑比、距徑比、孔板形狀、孔板組合等，并且當雷諾數大于105時，相鄰孔板之間消能系數基本無影響。該項目雷諾數約為1.7×105。因此，可以不考慮雷諾數的影響。

根據艾萬政[5]提出的孔板后回流區長度的經驗公式：

L回=-5.071 8a-0.172 4b2+(-10.432a+4.666 2)b+6.125a2-1.529 3a+3.276

式中，L回為回流區長度；a為厚徑比；b為孔徑比。

代入孔板站孔板的參數，得出孔板后回流區長度至少為3.198 m，而孔板站兩孔板之間距離僅為2.1 m。因此，孔板站各孔板之間必定相互影響。并且，根據歷年孔板運行情況，過流流體密度、流量也影響孔板消能系數。

結合實際情況綜合考慮，認為影響孔板消能量的主要是過流流體密度、流量及孔板孔徑。基于此，根據歷年孔板運行參數估算出不同流體、不同孔徑的孔板前后壓差見表1。然后根據孔板站前后、終點站、壓力檢測站壓力要求限值，采取簡單的加減算法對孔板的孔徑進行調整。最后，通過實際運行情況驗證調整效果，不斷優化。

表1 第1次優化不同流體、不同孔徑的孔板前后壓差統計

工藝上要求壓力檢測站的壓力必須大于300 kPa，為滿足此要求，無論孔板站過水或過礦(過流流體為水，簡稱過水；過流流體為礦漿，簡稱過礦)孔板站進口壓力必須大于4 000 kPa；并且，根據實際運行經驗，孔板站進口壓力大于4 500 kPa時，壓力檢測站的壓力在400 kPa以上。孔板站至閥門站的管道更換后，過水時孔板站后壓力介于250～280 kPa；過礦時，孔板站后壓力介于600～700 kPa。按過水時控制閥閥1、閥2、閥3全關，過礦時關閉閥2或閥3計，得出調整后孔板孔徑見表2。

由表2可知，調整完運行后效果良好，過水時閥1、閥2、閥3全關，壓力檢測站的壓力約500 kPa；過礦時，泵速高流量大時關閉閥3，壓力檢測站的壓力約400 kPa；泵速低流量小時關閉閥2，壓力檢測站的壓力約700 kPa。

表2第1次調整前后孔板孔徑統計

mm

孔板編號調整前調整后孔板167.367.3孔板267.367.3孔板367.367.3孔板467.367.3孔板581.367.3孔板681.376.2孔板776.267.3孔板876.267.3孔板976.281.3

2.2 第2次優化

由于管道結垢，導致起始站的壓力不斷升高。為降低起始站壓力，對系統全線進行機械除垢，除垢完成后，沿程阻力損失減小，起始站壓力降低。同時，孔板站運行工況也發生變化，必須對孔板站進行第2次優化。

基于第1次優化的參數及經驗，主要分析孔板站前后壓力變化。同時，由于第1次優化時，管道系統受起始站壓力限制，泵速小，流量介于470～490 m3；而第2次優化時，管道系統不受起始站壓力限制，泵速可大可小，流量介于470～520 m3；相同孔徑的孔板，流量越大，孔板前后壓差也越大(見表3)。

表3 第2次優化不同流體、不同孔徑孔板前后壓差統計

機械除垢后，過水時，孔板站后壓力介于200～220kPa；過礦時，孔板站后壓力介于500～600kPa；無論孔板站過水或過礦，孔板站前壓力必須大于4000kPa；按過水時控制閥閥1、閥2、閥3全關，過礦時閥1、閥2、閥3全開或關閉閥2或閥3計，得出調整后孔板孔徑，見表4。

表4第2次調整前后孔板孔徑統計mm

孔板編號調整前調整后孔板167.367.3孔板267.367.3孔板367.367.3孔板467.367.3孔板567.376.2孔板676.276.2孔板767.367.3孔板867.367.3孔板981.381.3

由表4可知，調整完運行后效果良好，過水時閥1、閥2、閥3全關，壓力檢測站壓力約450 kPa；過礦時，泵速高流量大時閥1、閥2、閥3全開，壓力檢測站的壓力約350 kPa；泵速低流量小時關閉閥2，壓力檢測站的壓力約700 kPa；中等泵速正常流量時關閉閥3，壓力檢測站的壓力約800 kPa。

3 結 論

(1)成套、固定的孔板消能裝置中，影響消能系數的主要因素是孔板過流流體密度、流量及孔徑大小，優化的手段主要是改變孔板孔徑及孔板組合。

(2)通過兩次對孔板站內孔板孔徑及運行方式進行調整，使壓力檢測站的壓力滿足工藝要求，保證了系統正常穩定運行。

(3)通過采用估算法對孔板站進行優化雖然滿足了工程需要，但存在較多弊端，僅適用于有歷史數據支撐的成型系統，對于新建系統，還需要尋求更為科學的方法。