自流漿液管道流速及布置設計探討

劉國斌

（ 西北電力設計院，陜西　西安　710075）

自流漿液管道流速及布置設計探討

劉國斌

（ 西北電力設計院，陜西西安710075）

針對目前自流、溢流漿液管道設計中出現的問題，在計算分析基礎上，提出自流、溢流漿液管道的合理坡度及在一定條件下自流、溢流漿液管道可以按照壓力管道進行布置的探討。

管道；流速；布置。

1　研究目的

針對自流、溢流漿液管道設計中常遇到的管道設計流速取值過低，致使管徑選擇過大問題；管道坡度設計過大，致使管道流速過高，從而加速管道磨損問題；以及由于連接上、下游兩個設備的高差較大，若自流或溢流管道按照坡度布置，會使管道橋架設置過高，不經濟等問題。本文通過計算分析，確定合理地選擇漿液管道流速與管徑，并探討自流、溢流管道在一定條件下按照壓力管道進行布置的設計條件，以達到保證漿液管道安全可靠運行、節省投資的目的。

2　漿液管道流速確定

漿液管道的設計流速應大于管道的臨界流速，避免因漿液沉積，導致管道堵塞。

2.1漿液管道的臨界流速

管道臨界流速與漿液顆粒的粒徑、質量、漿液濃度、沉降速度以及流體的紊流狀態有關。對于≤200 mm管道一般采用杜拉德經驗公式計算漿液管道的臨界流速，對于＞200 mm的漿液管道采用凱夫經驗公式計算。杜拉德經驗式為：

式中：f為速度系數f =（0.524+0.046 lnCv）ln（100×d50）0.434+0.472；D為管徑（m）；g為重力加速度（m/s2）；ρ，ρm分別為固體，漿液的密度（kg/m3）；Cv為漿液體積濃度（%）；d50為漿液的中值粒徑（mm）。

以電廠煙氣濕法脫硫漿液為例，假設漿液的中值粒徑為0.06 mm。重量濃度Cw與體積濃度Cv的關系為：

石灰石固體比重取2.71，石膏固體比重取2.32；載體為水，比重為1。給定重量濃度，計算結果見表1。

表1　按杜拉德式計算的漿液管道臨界流速　（單位:　m/s）

凱夫經驗計算式為：

式中：S為固體比重；d50為漿液的中值粒徑（μm），其它符號及時單位同前。計算結果見表2。

表2　按照凱夫式計算的漿液管道臨界流速　（單位:　m/s）

由表1、表2可見，兩式的計算結果存在差異，凱夫式的計算值較小。“火力發電廠除灰設計規程” （DL/T 5142-2012）規定灰漿管道的最低流速不小于1 m/s，灰渣管道的最低流速應不小于1.6 m/s，一般灰渣管的管徑大于200 mm，與凱夫式的計算值接近，灰渣管道的流速要求大的原因是灰渣的顆粒大，沉降速度大。

2.2臨界流速與管徑及漿液濃度的關系

管道的臨界流速隨著管徑的增大而增大，對同種介質，隨著漿液濃度的提高而降低，這是由于經驗式將小于100 μm的固體顆粒作為漿液的載體處理的。

2.3合理的漿液管道流速

“火力發電廠汽水管道設計技術規定”推薦的自流、溢流無壓排水管道流速小于1 m/s是針對介質水而言。漿液管道的臨界流速大于1 m/s，常見煙氣脫硫設計中將對水管道的流速要求應用到漿液管道上是錯誤的。當漿液管道的流速小于1 m/s時，會產生漿液沉積，導致管道堵塞。

為了避免管道過度磨損，建議DN200以下漿液管道的流速上限不宜超過2.5 m/s。管道磨損與管道阻力大小有關，管道阻力與流速平方及管道的當量長度成正比，DN200以上的管道流速可以大于2.5 m/s。

3　自流、溢流漿液管道布置坡度

3.1自流、溢流漿液管道布置坡度計算

管道坡度表示管道的垂直投影與水平投影長度的比，反映單位長度管道的液位差，該液位差應大于或等于管道內介質流動的阻力，即要求：

自流段的水力坡降：

式中：V為管道內介質流速；D為管徑；L為管道實際長度；L/D為管道的當量計算長度，管道的局部阻力可以折算成當量長度計算。

管道摩擦阻力系數：

假設石灰石漿液管道的重量濃度為30%，不銹鋼管道的絕對粗糙度為0.1 mm，按照上式計算不同流速、不同管徑條件下管道所需的最小坡度見表3。

表3　石灰石漿液管道的最小坡度石灰石漿液管道坡度　（單位：°）

3.2計算式與計算結果分析

由式（5）可知，管道坡度與介質流速、管徑、管道粗糙度及漿液種類（黏度）、等因素有關。管道的阻力近似地呈現下列關系：管道的阻力與介質速度V的平方正比，與管道當量長度（L/D）成正比，同樣管道長度的條件下與管道直徑D成反比，與管道的絕對粗糙度Δ、流體動力黏度η和介質比容υ的0.25次方成正比。

由表3可知，不同管徑、不同流速所需要的管道坡度是不同的。不考慮實際管徑大小，而采用同一坡度布置管道是不合理的。管徑對坡度的影響比介質密度的影響要大的多（管徑與阻力是一次方關系，與介質密度（或比容）是0.25次方關系），常見一些企業設計規定僅按照介質密度確定管道坡度的做法是不確切的，沒有抓住影響坡度的主要因素。

在管道流量確定的條件下，若選擇的管徑大，或者管道布置的坡度大，則管道內的介質流速高，管道內的介質未充滿，有部分空余管道，造成管道材料浪費。所以，應該通過計算合理地確定管道直徑。另外，為了避免流速過高造成管道過度磨損，管道布置的坡度也不宜過大。

4　按壓力管道布置的探討

4.1按壓力管道布置方式與理由

在一定條件下，為了避免管架設置過高，自流漿液管道可以按照壓力管道進行布置設計。比如，與上部設備連接的管道采用垂直布置，與下部設備連接的管道采用水平布置。水平布置的管道要保持疏放水坡度，一般規定排水坡度是0.002。也可以根據實際條件，采取階梯式布置，即垂直與水平管道交叉布置。

自流排水管道與泵送壓力管道相似，上、下設備的液位差相當于泵的最大揚程，該液位差應大于管道系統內介質流動所需要的阻力，包括管道、閥門、彎頭等異型件的阻力。

有時自流管道內的流量是變化的，以L形布置管道為例，管道所需要的阻力可由垂直管道內充滿液位的變化來調節。當自流管道的流量增大時，管道流速增大，管道阻力增大，垂直管道內被充滿液體的液位增高，相當于泵的揚程增大；流量小時，管道流速減小，管道阻力減小，管道內被充滿液體的液位降低，這與調速泵的運行情況相似。

4.2按壓力管道布置應滿足的設計條件

自流漿液管道按照壓力管道布置應滿足的設計條件如下：

（1）各垂直管道的液位必須大于相鄰水平管道內介質流動阻力。

（2）在管徑確定的條件下，必須保證管道的最小流量，使管道內介質的最低流速大于管道的臨界流速，避免漿液沉積。

（3）在最大流量情況下，管道內介質流動的阻力應小于上下兩個設備的液位差。

（4）與壓力管道一樣，按照壓力管道布置的漿液管道在停運時需要用水沖洗，避免漿液在水平管段內沉積。

5　實例

現以石膏旋流器溢流管道的設計條件為例予以說明。

5.1管道布置設計條件

假設石膏旋流器位于石膏脫水車間上部，與旋流器溢流箱接口的管道標高為43 m。溢流漿液由垂直管道降至18 m標高后，經長距離水平管接入吸收塔，吸收塔最高液位為14 m，石膏旋流器與吸收塔的液位差29 m。管道阻力計算條件為：

管道長度230 m，中間有16個直角彎頭，管道直徑DN250，合金管道絕對粗糙度取0.1 mm。

5.2管道運行條件及管道阻力計算

該系統吸收塔石膏漿液的排出泵選用調速泵，采用連續運行方式，泵的流量可以根據脫硫負荷進行變速調節。在特殊情況下，石膏漿液不進旋流器，經過石膏旋流器出口的溢流管道，采用大回流形式至吸收塔，保證石膏旋流器溢流管道流量。另外，為了減少合金管道，將石膏脫水系統的濾液水和石灰石漿液等泵送吸收塔的介質也利用此溢流管道進行輸送。石膏接入點為石膏脫水區標高為18 m處的管道。濾液水和石灰石漿液可以短時間的停輸，除石膏溢流漿液外，其它漿液至少有一種進入石膏溢流管道。各漿液設計流量如下：

石膏旋流器溢流管道流量210 m3/s ；

石膏旋流器底流管道流量86 m3/s ；

石灰石漿液供漿管道至吸收塔流量68.7 m3/s ；

回收水（濾液水及沖洗水）管流量：78 m3/s ；

工況1：

石膏旋流器溢流+石灰石供漿=278.7 m3/s；

工況2：

石膏旋流器溢流+回收水=288 m3/s ；

工況3：石膏旋流器溢流+石灰石供漿+石膏旋流器底流=364.7 m3/s；

工況4：全部入流漿液=442.7 m3/s；

各流動工況下管道阻力見表4（表中的漿液濃度保守地取大值）。

由表4可知，在設計條件下，最大流量時，管道阻力或垂直管道內所需要的最大液位差為8.92 m，旋流器溢流管道接口與吸收塔的液位差為29 m，該液位差遠大于各工況下的管道系統阻力要求；管道的最小流速為1.58 m/s，大于臨界流速，最大流速為2.39 m/s。

表4　管道阻力計算結果

石灰石漿液泵和回收水泵接入石膏溢流管道的接入點標高為18 m，吸收塔的最高液位為14 m，則接入點至吸收塔的液位差為4 m。接入點以上管道最大充滿液位需要4.92 m。因此，石灰石漿液泵和回收水泵的揚程應滿足在接入點處的壓力大于4.92 m的要求，才能把漿液送入吸收塔。

6　結論

（1）自流漿液管道的坡度應根據計算確定，考慮設備間的液位差、管道的最小、最大流速要求，合理確定管道坡度和管徑，避免管徑選擇過大，造成材料浪費；或者坡度設計過大，造成管道過度磨損。

（2）自流、溢流管道在一定條件下可以采用壓力管道的布置方式。使管道布置設計更加經濟、合理。

［1］ DL/T5142-2012，火力發電廠除灰設計規程［S］.

［2］ DL/T5054-1996，火力發電廠汽水管道設計技術規定［S］.

The Research Of the Velocity of Flow and Arrangement Design for Gravity Slurry Pipline

LIU Guo-bin
（Northwest Electrical Design Institute，Xi'an 710075， China）

The research is focused on the problem of the present design for gravity flow and overflow piping. Based on calculation and analysis， the assay put forward a suggesting how to select the slope of the piping and will discuss the gravity flow and overflow piping can be designed as the piping with pressure under specific conditions.

piging； medium velocity；arangement.

TM621

B

1671-9913（2016）03-0048-04

2014-04-14

劉國斌（1974- ），男，山東招遠人，高級工程師，設計總工程師，先后從事火力發電工程工藝專業設計和工程項目經理工作。