自流浆液管道流速及布置设计探讨

刘国斌

（ 西北电力设计院，陕西　西安　710075）

自流浆液管道流速及布置设计探讨

刘国斌

（ 西北电力设计院，陕西西安710075）

针对目前自流、溢流浆液管道设计中出现的问题，在计算分析基础上，提出自流、溢流浆液管道的合理坡度及在一定条件下自流、溢流浆液管道可以按照压力管道进行布置的探讨。

管道；流速；布置。

1　研究目的

针对自流、溢流浆液管道设计中常遇到的管道设计流速取值过低，致使管径选择过大问题；管道坡度设计过大，致使管道流速过高，从而加速管道磨损问题；以及由于连接上、下游两个设备的高差较大，若自流或溢流管道按照坡度布置，会使管道桥架设置过高，不经济等问题。本文通过计算分析，确定合理地选择浆液管道流速与管径，并探讨自流、溢流管道在一定条件下按照压力管道进行布置的设计条件，以达到保证浆液管道安全可靠运行、节省投资的目的。

2　浆液管道流速确定

浆液管道的设计流速应大于管道的临界流速，避免因浆液沉积，导致管道堵塞。

2.1浆液管道的临界流速

管道临界流速与浆液颗粒的粒径、质量、浆液浓度、沉降速度以及流体的紊流状态有关。对于≤200 mm管道一般采用杜拉德经验公式计算浆液管道的临界流速，对于＞200 mm的浆液管道采用凯夫经验公式计算。杜拉德经验式为：

式中：f为速度系数f =（0.524+0.046 lnCv）ln（100×d50）0.434+0.472；D为管径（m）；g为重力加速度（m/s2）；ρ，ρm分别为固体，浆液的密度（kg/m3）；Cv为浆液体积浓度（%）；d50为浆液的中值粒径（mm）。

以电厂烟气湿法脱硫浆液为例，假设浆液的中值粒径为0.06 mm。重量浓度Cw与体积浓度Cv的关系为：

石灰石固体比重取2.71，石膏固体比重取2.32；载体为水，比重为1。给定重量浓度，计算结果见表1。

表1　按杜拉德式计算的浆液管道临界流速　（单位:　m/s）

凯夫经验计算式为：

式中：S为固体比重；d50为浆液的中值粒径（μm），其它符号及时单位同前。计算结果见表2。

表2　按照凯夫式计算的浆液管道临界流速　（单位:　m/s）

由表1、表2可见，两式的计算结果存在差异，凯夫式的计算值较小。“火力发电厂除灰设计规程” （DL/T 5142-2012）规定灰浆管道的最低流速不小于1 m/s，灰渣管道的最低流速应不小于1.6 m/s，一般灰渣管的管径大于200 mm，与凯夫式的计算值接近，灰渣管道的流速要求大的原因是灰渣的颗粒大，沉降速度大。

2.2临界流速与管径及浆液浓度的关系

管道的临界流速随着管径的增大而增大，对同种介质，随着浆液浓度的提高而降低，这是由于经验式将小于100 μm的固体颗粒作为浆液的载体处理的。

2.3合理的浆液管道流速

“火力发电厂汽水管道设计技术规定”推荐的自流、溢流无压排水管道流速小于1 m/s是针对介质水而言。浆液管道的临界流速大于1 m/s，常见烟气脱硫设计中将对水管道的流速要求应用到浆液管道上是错误的。当浆液管道的流速小于1 m/s时，会产生浆液沉积，导致管道堵塞。

为了避免管道过度磨损，建议DN200以下浆液管道的流速上限不宜超过2.5 m/s。管道磨损与管道阻力大小有关，管道阻力与流速平方及管道的当量长度成正比，DN200以上的管道流速可以大于2.5 m/s。

3　自流、溢流浆液管道布置坡度

3.1自流、溢流浆液管道布置坡度计算

管道坡度表示管道的垂直投影与水平投影长度的比，反映单位长度管道的液位差，该液位差应大于或等于管道内介质流动的阻力，即要求：

自流段的水力坡降：

式中：V为管道内介质流速；D为管径；L为管道实际长度；L/D为管道的当量计算长度，管道的局部阻力可以折算成当量长度计算。

管道摩擦阻力系数：

假设石灰石浆液管道的重量浓度为30%，不锈钢管道的绝对粗糙度为0.1 mm，按照上式计算不同流速、不同管径条件下管道所需的最小坡度见表3。

表3　石灰石浆液管道的最小坡度石灰石浆液管道坡度　（单位：°）

3.2计算式与计算结果分析

由式（5）可知，管道坡度与介质流速、管径、管道粗糙度及浆液种类（黏度）、等因素有关。管道的阻力近似地呈现下列关系：管道的阻力与介质速度V的平方正比，与管道当量长度（L/D）成正比，同样管道长度的条件下与管道直径D成反比，与管道的绝对粗糙度Δ、流体动力黏度η和介质比容υ的0.25次方成正比。

由表3可知，不同管径、不同流速所需要的管道坡度是不同的。不考虑实际管径大小，而采用同一坡度布置管道是不合理的。管径对坡度的影响比介质密度的影响要大的多（管径与阻力是一次方关系，与介质密度（或比容）是0.25次方关系），常见一些企业设计规定仅按照介质密度确定管道坡度的做法是不确切的，没有抓住影响坡度的主要因素。

在管道流量确定的条件下，若选择的管径大，或者管道布置的坡度大，则管道内的介质流速高，管道内的介质未充满，有部分空余管道，造成管道材料浪费。所以，应该通过计算合理地确定管道直径。另外，为了避免流速过高造成管道过度磨损，管道布置的坡度也不宜过大。

4　按压力管道布置的探讨

4.1按压力管道布置方式与理由

在一定条件下，为了避免管架设置过高，自流浆液管道可以按照压力管道进行布置设计。比如，与上部设备连接的管道采用垂直布置，与下部设备连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，一般规定排水坡度是0.002。也可以根据实际条件，采取阶梯式布置，即垂直与水平管道交叉布置。

自流排水管道与泵送压力管道相似，上、下设备的液位差相当于泵的最大扬程，该液位差应大于管道系统内介质流动所需要的阻力，包括管道、阀门、弯头等异型件的阻力。

有时自流管道内的流量是变化的，以L形布置管道为例，管道所需要的阻力可由垂直管道内充满液位的变化来调节。当自流管道的流量增大时，管道流速增大，管道阻力增大，垂直管道内被充满液体的液位增高，相当于泵的扬程增大；流量小时，管道流速减小，管道阻力减小，管道内被充满液体的液位降低，这与调速泵的运行情况相似。

4.2按压力管道布置应满足的设计条件

自流浆液管道按照压力管道布置应满足的设计条件如下：

（1）各垂直管道的液位必须大于相邻水平管道内介质流动阻力。

（2）在管径确定的条件下，必须保证管道的最小流量，使管道内介质的最低流速大于管道的临界流速，避免浆液沉积。

（3）在最大流量情况下，管道内介质流动的阻力应小于上下两个设备的液位差。

（4）与压力管道一样，按照压力管道布置的浆液管道在停运时需要用水冲洗，避免浆液在水平管段内沉积。

5　实例

现以石膏旋流器溢流管道的设计条件为例予以说明。

5.1管道布置设计条件

假设石膏旋流器位于石膏脱水车间上部，与旋流器溢流箱接口的管道标高为43 m。溢流浆液由垂直管道降至18 m标高后，经长距离水平管接入吸收塔，吸收塔最高液位为14 m，石膏旋流器与吸收塔的液位差29 m。管道阻力计算条件为：

管道长度230 m，中间有16个直角弯头，管道直径DN250，合金管道绝对粗糙度取0.1 mm。

5.2管道运行条件及管道阻力计算

该系统吸收塔石膏浆液的排出泵选用调速泵，采用连续运行方式，泵的流量可以根据脱硫负荷进行变速调节。在特殊情况下，石膏浆液不进旋流器，经过石膏旋流器出口的溢流管道，采用大回流形式至吸收塔，保证石膏旋流器溢流管道流量。另外，为了减少合金管道，将石膏脱水系统的滤液水和石灰石浆液等泵送吸收塔的介质也利用此溢流管道进行输送。石膏接入点为石膏脱水区标高为18 m处的管道。滤液水和石灰石浆液可以短时间的停输，除石膏溢流浆液外，其它浆液至少有一种进入石膏溢流管道。各浆液设计流量如下：

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 ；

石灰石浆液供浆管道至吸收塔流量68.7 m3/s ；

回收水（滤液水及冲洗水）管流量：78 m3/s ；

工况1：

石膏旋流器溢流+石灰石供浆=278.7 m3/s；

工况2：

石膏旋流器溢流+回收水=288 m3/s ；

工况3：石膏旋流器溢流+石灰石供浆+石膏旋流器底流=364.7 m3/s；

工况4：全部入流浆液=442.7 m3/s；

各流动工况下管道阻力见表4（表中的浆液浓度保守地取大值）。

由表4可知，在设计条件下，最大流量时，管道阻力或垂直管道内所需要的最大液位差为8.92 m，旋流器溢流管道接口与吸收塔的液位差为29 m，该液位差远大于各工况下的管道系统阻力要求；管道的最小流速为1.58 m/s，大于临界流速，最大流速为2.39 m/s。

表4　管道阻力计算结果

石灰石浆液泵和回收水泵接入石膏溢流管道的接入点标高为18 m，吸收塔的最高液位为14 m，则接入点至吸收塔的液位差为4 m。接入点以上管道最大充满液位需要4.92 m。因此，石灰石浆液泵和回收水泵的扬程应满足在接入点处的压力大于4.92 m的要求，才能把浆液送入吸收塔。

6　结论

（1）自流浆液管道的坡度应根据计算确定，考虑设备间的液位差、管道的最小、最大流速要求，合理确定管道坡度和管径，避免管径选择过大，造成材料浪费；或者坡度设计过大，造成管道过度磨损。

（2）自流、溢流管道在一定条件下可以采用压力管道的布置方式。使管道布置设计更加经济、合理。

［1］ DL/T5142-2012，火力发电厂除灰设计规程［S］.

［2］ DL/T5054-1996，火力发电厂汽水管道设计技术规定［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

刘国斌（1974- ），男，山东招远人，高级工程师，设计总工程师，先后从事火力发电工程工艺专业设计和工程项目经理工作。