程翔銳，張守明，高 美，劉 濤，丁雪剛

(1.唐山國華科技國際工程有限公司，河北 唐山063020；2.北京國華科技集團(tuán)有限公司，北京 順義101300)

選煤廠的管道輸送可分為兩類：一類是有壓輸送管道，一般是指流體從生產(chǎn)廠房低處向高處有壓輸送；另一類是無壓輸送管道，即流體從廠房高處向低處自流，常稱為自流管道。對(duì)于自流管道公稱直徑(DN)的計(jì)算，通常是根據(jù)給定的流量和設(shè)計(jì)手冊(cè)上提供的流速來確定的，即從廠房高標(biāo)高處的入料端到低標(biāo)高處的出料端始終是同樣的管徑。

在實(shí)際生產(chǎn)中，人們可以看到自流管道出口斷面遠(yuǎn)小于管道本身的斷面，這是由于在重力的影響下，隨著液流高度的下降，流速增加所致。那么在計(jì)算自流管道公稱直徑時(shí)，是否可以隨著流速的增加而減小管徑呢？這里涉及到管道本身的粗糙度所產(chǎn)生的沿程阻力損失和彎頭、三通等管件所形成的局部阻力損失對(duì)流速的影響[1]。文章根據(jù)具體實(shí)例作一解析，以為選煤工程設(shè)計(jì)中合理確定自流管道直徑提供參考。

1 實(shí)例1——單供料的合格懸浮液自流管道

1.1 沿程阻力損失的影響

圖1所示為淮南礦業(yè)集團(tuán)潘集選煤廠原設(shè)計(jì)的2.19#管布置圖(方案1)。2.19#管是所有弧形脫介篩篩下合格介質(zhì)懸浮液匯總后的自流管道，設(shè)位置1點(diǎn)的流速V1=1.5 m/s，管道的充滿度m=0.7，管道中的液流是密度為1.5 g/cm3的合格介質(zhì)懸浮液。

圖1 合格懸浮液自流管道布置圖(方案1)

伯努利方程[2]為：

(1)

故可計(jì)算得到：

壓頭損失計(jì)算式[1]為：

(2)

式中：in為液流自流輸送的單位壓頭損失，m液柱；LP為管道計(jì)算長度，m。

管道單位壓頭損失的計(jì)算式[1]為：

in=Ki，

(3)

式中：K為修正系數(shù)，與液體稠度、流量和其中的顆粒粒徑等因素有關(guān)，一般取K=1.05～1.25；i為輸送同流量清水的單位壓頭損失，m液柱。

清水的單位壓頭損失計(jì)算式[1]為：

(4)

由于Vcr的計(jì)算式較為復(fù)雜，暫按較大的值V2來代替。根據(jù)充滿度為0.7，查圓形管各種不同液流深度的水力半徑系數(shù)表[1]可知KR=0.295 5，則R=0.295 5×0.7=0.207；然后根據(jù)R=0.207和管道的粗糙度0.013(暫按普通管的粗糙度代替)，查系數(shù)表[1]可知C=60.46[1]。從而可得：

in=Ki=1.25×0.127=0.159 m液柱；

為此，在考慮沿程壓頭損失的情況下，再重新計(jì)算V2：

綜上所述，直管管壁粗糙度對(duì)管道流速的影響較小。為了簡便起見，在計(jì)算流速時(shí)，可考慮沿程壓頭損失后計(jì)算管道的大概流速，然后再根據(jù)流量和流速來確定合適的管徑。

1.2 局部阻力損失的影響

根據(jù)上述分析，可以將下部管道公稱直徑縮小后重新設(shè)計(jì)2.19#管。

1.2.1 設(shè)計(jì)方案2

圖2所示為設(shè)計(jì)方案2。

(5)

來計(jì)算同心異徑管的壓力損失。式中：ζ為管道的局部阻力系數(shù)；V為液流流速，m/s；γn為液流密度，t/m3；g為重力加速度，m/s2。

圖2 合格懸浮液自流管道布置圖(方案2)

根據(jù)《給排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》第一冊(cè)局部阻力系數(shù)表可知，夾角為30°的同心異徑管的局部阻力系數(shù)ζ=0.24[4]，將V=V2=5.69 m/s代入式(5)，則有：

管道斷面流量Q計(jì)算式為：

(6)

圖2中位置1斷面中V1=1.50 m/s，D1=0.7 m；位置3斷面中V3=5.98 m/s，D3=0.5 m。

當(dāng)管道充滿度相同(即m=0.7)時(shí),Q1=0.404 m3/s，Q3=0.822 m3/s。

因?yàn)镼3>Q1，所以把管徑縮小能夠滿足流量的要求。雖然此方案中同心異徑管的磨損較嚴(yán)重，但其不僅減小了由于液流流速過快對(duì)下部管道的磨損，還因管徑減小節(jié)省了投資[5-6]，并且該同心異徑管作為集中磨損點(diǎn)也方便更換，因此設(shè)計(jì)可以考慮該方案。

1.2.2 設(shè)計(jì)方案3

圖3所示為設(shè)計(jì)方案3。

圖3 合格懸浮液自流管道布置圖(方案3)

三通的局部阻力損失可按式(5)計(jì)算，三通的管道的局部阻力系數(shù)ζ計(jì)算公式為：

ζ=ζ1+ζ2，

(7)

式中：ζ1為等徑丁字管阻力系數(shù)；ζ2為突縮管阻力系數(shù)。

根據(jù)式(6)計(jì)算，當(dāng)管道充滿度m=0.7時(shí)，Q3=0.661 m3/s。

因?yàn)镼3>Q1，所以通過三通把管徑縮小也能夠滿足流量的要求，并且三通能較好的預(yù)防磨損(主要表現(xiàn)在其能較明顯降低管道流速[6-7])，設(shè)計(jì)時(shí)也可以考慮該方案。

2 實(shí)例2——雙供料的合格懸浮液自流管道

2.1 雙供料管道的設(shè)計(jì)

圖4所示為潘集選煤廠原設(shè)計(jì)的2.17#自流管道布置圖，其液流來自2臺(tái)弧形脫介篩篩下合格介質(zhì)懸浮液，設(shè)位置1斷面流速V1=1.5 m/s，管道的充滿度m=0.7，管道中的液流是密度為1.5 g/cm3的合格介質(zhì)懸浮液。

圖4 雙供料的合格介質(zhì)懸浮液自流管道布置圖(方案1)

按實(shí)例1的思路和步驟，重新核算其管道公稱直徑。首先計(jì)算i:

in=Ki=1.25×0.145=0.181 m液柱。

采用與實(shí)例1同樣的方法，求得V3=3.39 m/s，根據(jù)該流速可知，管徑可以縮小，并確定縮小后的管徑為DN250，然后根據(jù)縮小后的管徑計(jì)算得出V3=3.26 m/s。

同樣采用實(shí)例1的計(jì)算方法計(jì)算2.15#管位置5斷面的液流流速V5=7.37 m/s。根據(jù)位置5斷面處三通的管徑比值和位置5斷面的液流速度，查表得到突縮管阻力系數(shù)ζ2=0.09，從而得到該三通的阻力系數(shù)ζ=1.5+0.09=1.59。故2.15#、2.17#管內(nèi)液流之間的阻力系數(shù)暫都按1.59考慮。

2.17#管內(nèi)液流通過三通后的流速：

整理得：

2.15#管內(nèi)液流通過三通后的流速：

整理得：

經(jīng)重新計(jì)算的各段管道公稱直徑如圖5所示。

圖5 雙供料的合格介質(zhì)懸浮液自流管道布置圖(方案2)

2.2 管徑縮小后管道磨損的影響

隨著流速的增加，自流管道管道直徑縮小以后是否會(huì)降低管道的使用壽命？下面根據(jù)實(shí)例2進(jìn)一步分析該問題。

3 結(jié)語

根據(jù)上述兩個(gè)實(shí)例及其分析計(jì)算過程可以看出，在自流管道的設(shè)計(jì)過程中合理地利用液流的流速，能夠達(dá)到縮小管徑的目的，從而節(jié)省投資(尤其針對(duì)耐磨管道)，并且可合理利用三通等來起到降速作用，減少由于流速過快對(duì)管道的磨損。

按照?qǐng)D2的方案2設(shè)計(jì)縮小出料管道公稱直徑后，可節(jié)省耐磨管道費(fèi)用約1.6萬元；按照?qǐng)D3的方案3設(shè)計(jì)縮小出料管道公稱直徑后，可節(jié)省耐磨管道費(fèi)用約0.8萬元；按照?qǐng)D5的方案2設(shè)計(jì)縮小出料管道公稱直徑后，可節(jié)省耐磨管道費(fèi)用約0.7萬元。當(dāng)管徑減小后，管道系統(tǒng)的安裝等費(fèi)用也相應(yīng)降低。

需要說明的是，文章沒有考慮自流管道中的空氣阻力的情況，如果自流管道的出口是敞開狀態(tài)，則空氣阻力較?。蝗绻粤鞴艿赖某隹诖嬖诳諝饬魍ú粫车那闆r，則空氣阻力較大。利用上述結(jié)論時(shí)，應(yīng)注意到空氣阻力的影響。