水煤漿管道設(shè)計(jì)淺析

1、水煤漿管道設(shè)計(jì)淺析管道室史偉2009年11月 西安華旺工程科技有B艮矣任公司HUALU ENGINEERING & TECHNOLOGY CQ.,UTD.（化學(xué)工業(yè)部第六設(shè)計(jì)院）【摘 要】：本文針對(duì)水煤漿的特性，簡(jiǎn)要探討了水煤漿管道布置中應(yīng)考慮的一 些主要問題并提出見解，以供相關(guān)工程設(shè)計(jì)人員參考?！娟P(guān)鍵詞】：水煤漿、流動(dòng)特性、腐蝕分析、管道布置水煤漿作為一種可輸送的、特別的物料形式，目前廣泛應(yīng)用于煤制甲醇，煤 制燃?xì)猓褐朴?，煤制烯烴等煤化工項(xiàng)目中。水煤漿的制備與輸送是整個(gè)項(xiàng)目中 的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)裝置運(yùn)行的好壞。1.水煤漿的特性1.1水煤漿的濃度和粒度分布：水煤漿屬于

2、煤粉懸浮體系，特性除與原煤性質(zhì)有關(guān)外，其粒度分布也將直接 影響水煤漿的物理和工藝特性。常用水煤漿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)60 %65 %，濃度太低會(huì) 導(dǎo)致穩(wěn)定性變差，不能滿足輸送和生產(chǎn)要求。汽化裝置中水煤漿濃度過低，會(huì)導(dǎo) 致熱能浪費(fèi)，提高生產(chǎn)成本，同時(shí)還可能使合成氣過氧，造成安全隱患。水煤漿 粒度分布主要與進(jìn)磨機(jī)的原煤量、原煤粒度、磨機(jī)的級(jí)配、生產(chǎn)負(fù)荷等因素有關(guān); 煤漿濃度主要跟原煤性質(zhì)、粒度分布、分散劑等因素有關(guān)。純粹的細(xì)粒子并不能 制成高濃度的水煤漿，必須將粗細(xì)粒子適當(dāng)搭配，使體系具有足夠?qū)挼牧６确植?和適宜的分布結(jié)構(gòu)，造成溶液中不同粒子間的相互鑲嵌才有利于制備高濃度的水 煤漿，同時(shí)也有利于水煤漿性能穩(wěn)

3、定。1.2水煤漿的流動(dòng)特性：水煤漿的流動(dòng)情況非常復(fù)雜，不僅受到液固兩相密度、固相含量、流速變化以 及管道形狀和布置方式的影響，而且還受到固體顆粒尺寸的影響。高濃度水煤漿作 為一種均質(zhì)懸浮液在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)不滿足剪切應(yīng)力與剪切應(yīng)變的線性關(guān)系，屬于非 牛頓流體。牛頓流體在固體壁面流動(dòng)時(shí),壁面上的流體貼附于壁面上而不會(huì)滑移。 而非牛頓流體在非均勻應(yīng)力場(chǎng)中流動(dòng)會(huì)誘發(fā)大分子離開邊壁向中心漂移，使緊貼 壁面流體的大分子濃度降低，因此粘度也降低?；魢?guó)勝等認(rèn)為液體在流動(dòng)過程中要 考慮滑移的依據(jù)是流動(dòng)速度是否超過臨界流速，若超過臨界流速，則出現(xiàn)滑移，出 現(xiàn)滑移就能實(shí)現(xiàn)減阻.水煤漿在管道中流動(dòng)由于滑移產(chǎn)生減阻現(xiàn)象，其

4、實(shí)質(zhì)是由于 煤粉顆粒向管中心主流區(qū)域漂移，致使管內(nèi)壁面處形成一層煤粉濃度很低，粘度顯 著下降而剪切速率很大的薄層（稱為滑移層），隨著水煤漿滑移層厚度的增加，水 煤漿減阻現(xiàn)象明顯。在工程設(shè)計(jì)中，正是利用水煤漿的滑移減阻特性，來優(yōu)化水 煤漿的輸送，減少輸送過程中對(duì)管道的磨蝕和堵塞現(xiàn)象的發(fā)生。2介質(zhì)流速的確定由水煤漿的特性知道：當(dāng)管道內(nèi)水煤漿流速過慢時(shí)，會(huì)使水煤漿的表觀粘度 變大、流動(dòng)變差、穩(wěn)定性下降。如果管道內(nèi)水煤漿流速低于臨界速度時(shí)，水煤漿 會(huì)出現(xiàn)脫水沉淀現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)將堵塞管道，造成無法通過管道輸送。隨著管道內(nèi) 水煤漿流速增大到一定程度，水煤漿將達(dá)到均相流動(dòng)，水煤漿的表觀粘度變小、 流動(dòng)性變好，

5、易于管道輸送。但是必須考慮到，水煤漿中含有大量固體且粒度分 布較寬，若管道內(nèi)水煤漿流速過快，在相對(duì)較高的流速下流動(dòng)時(shí)水煤漿具有很大 的磨蝕性，將大大影響管道的使用壽命。工程設(shè)計(jì)及生產(chǎn)操作時(shí)，要避免管道內(nèi) 水煤漿流速較慢造成水煤漿的穩(wěn)定性下降和輸送困難；也要避免管道內(nèi)水煤漿流 速過快造成輸送管道嚴(yán)重磨蝕。根據(jù)實(shí)際工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，水煤漿在管道內(nèi)的流速 一般應(yīng)該選擇在0. 5m一1.0m / s之間。腐蝕分析：水煤漿管道中為多相流，主要為液固兩相流。在這種流動(dòng)狀態(tài)中材料的損傷形 式主要是電化學(xué)腐蝕和磨損腐蝕。根據(jù)水煤漿的化學(xué)成分，合理選擇相應(yīng)的合金 管道材料，可以很好的抵抗電化學(xué)腐蝕。這里主要討論水煤

6、漿的磨損腐蝕。在水 煤漿管道壓力不變，流動(dòng)正常的情況下，磨損和沖刷并不嚴(yán)重，而當(dāng)壓力突然降低, 在湍流場(chǎng)合，磨損和沖刷現(xiàn)象就較為突出。沖蝕：不銹鋼的不銹性和耐蝕性源自其表面上形成的鈍化膜，而在水煤漿管道 中,流體中的硬顆粒對(duì)管道進(jìn)行著沖刷、侵蝕。由于水煤漿在管道中正常輸送需要 一定流速(0.5m1.0m/s)，而當(dāng)經(jīng)調(diào)節(jié)閥減壓后，根據(jù)伯努利方程式，靜壓能轉(zhuǎn) 變?yōu)閯?dòng)能，水煤漿流速急劇增加，流動(dòng)狀態(tài)呈湍流，鈍化膜無法形成或被夾帶著固 體顆粒的高速流體給擊穿。尤其在調(diào)節(jié)閥節(jié)流口，介質(zhì)高速流動(dòng),具有強(qiáng)大動(dòng)能，它 可以很快將閥芯、閥座沖出流線型的細(xì)槽，新鮮的材料表面暴露在腐蝕性流體中, 進(jìn)一步承受腐蝕和

7、沖蝕。當(dāng)流體流經(jīng)管道轉(zhuǎn)彎處時(shí)，由于彎曲管壁的導(dǎo)流作用，彎 頭處流線成曲線運(yùn)行，并產(chǎn)生離心力，使流體向外側(cè)集中，導(dǎo)致彎頭出口外側(cè)流速 變大，內(nèi)側(cè)流速變小。因此沖刷腐蝕在調(diào)節(jié)閥后和彎頭出口外側(cè)非常激烈，水煤漿 管線調(diào)節(jié)閥后彎頭容易出現(xiàn)穿孔就是這個(gè)原因。氣蝕：水煤漿與金屬構(gòu)件作高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于內(nèi)部壓力不斷地起伏、突變, 使得流體中的蒸汽以及溶于水中的氣體在金屬表面反復(fù)出現(xiàn)氣泡并潰滅。氣泡在 潰滅時(shí)產(chǎn)生的沖擊對(duì)金屬表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的錘擊作用，破壞鈍化膜和膜下金屬，使得 正在使用的閥芯、閥座表面的材料被沖擊成蜂窩狀的小孔，這就是所謂的氣蝕現(xiàn) 象。管道布置探討：4.1放料閥相關(guān)問題：1）設(shè)備布置方面：煤漿

8、槽、壓濾機(jī)給料槽、濾液受槽罐底出料口一般均采用 柱塞式放料閥，柱塞式放料閥可消除管線中的死區(qū)，從而防止煤漿沉降引 起的堵塞。放料閥的柱塞要有不小于管口深度的運(yùn)動(dòng)距離，因此放料閥 需要有足夠的安裝空間。在做設(shè)備布置的時(shí)候，要保證出料管口有足夠的 高度，以便滿足放料閥的安裝和操作。2）放料閥管口設(shè)計(jì)方面：由于煤漿槽等管口均有襯里，襯完后的管口內(nèi)表面 凹凸不平，這對(duì)確定下料閥柱塞的直徑有一定的難度，過大會(huì)導(dǎo)致下料閥 無法使用，過小則關(guān)閉效果較差，影響下料閥的效果。所以工程設(shè)計(jì)時(shí)管口 應(yīng)該盡量不用襯里。由于下料閥的進(jìn)口和出口間有一定的角度關(guān)系（45 或30 ），且下料閥直接與設(shè)備管口連接，如果設(shè)備管口

9、法蘭的螺栓孔與 下料閥進(jìn)口法蘭的螺栓孔方位不符，會(huì)造成放料閥的出料口偏移而不能與 管道按原來設(shè)計(jì)走向進(jìn)行連接。最好由管道專業(yè)確定好放料閥的管口法蘭 的螺栓孔方位，同時(shí)在設(shè)備管口方位圖上畫出下料閥接口法蘭的螺栓方位, 與管口方位圖一起提供給制造廠商。相關(guān)專業(yè)應(yīng)該對(duì)放料管口螺栓孔大小 和深度提出明確要求（一般放料閥帶配套螺栓），以保證安裝的順利進(jìn)行。 某項(xiàng)目中，煤漿槽放料口的螺栓孔與放料閥螺栓孔孔徑大小不一致，且煤 漿槽放料口螺栓孔過淺，導(dǎo)致放料閥無法緊固，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)煤漿槽螺栓孔做了 多次擴(kuò)孔。3）管道布置方面：放料閥出口管線一般直接與泵連接，加壓后輸送出去。在 這種情況下，一定要算好出料閥出口標(biāo)高，

10、根據(jù)出料閥出口標(biāo)高確定好泵 的進(jìn)口的標(biāo)高，從而確定泵的支撐點(diǎn)標(biāo)高。因?yàn)橄铝祥y的進(jìn)口和出口間有 一定的角度關(guān)系，如果泵的進(jìn)口標(biāo)高不合適，會(huì)出現(xiàn)泵進(jìn)口中心線和放料 閥出口中心線不相交的情況，從而導(dǎo)致管線無法連接。某項(xiàng)目煤漿槽出料 管線，就出現(xiàn)了無法正常連接的現(xiàn)象，最終現(xiàn)場(chǎng)制作馬蹄口，才解決了連 接問題，見附圖。馬蹄口的連接方式降低了整個(gè)系統(tǒng)的使用性能，且施工 困難，焊接工作量很大。4）下料閥最好選用氣動(dòng)，因在下料閥頻繁開啟和關(guān)閉的情況下和在潮濕的環(huán) 境下,下料閥如果選用電動(dòng)的可靠性不易保證。煤漿槽放料閥配管4.2沖洗水管線設(shè)計(jì)：1）為防止水煤漿積聚在管道內(nèi)，堵塞管道和管件，在煤化工裝置開停車時(shí)均

11、必須對(duì)水煤漿管道進(jìn)行沖洗。沖洗水的連接形式宜采用臨時(shí)連接，即在使 用時(shí)將沖洗水軟管通過快速接頭連接到水煤漿管道上，不用時(shí)將沖洗水軟 管拆除。如果工藝嚴(yán)格要求采用硬管連接沖洗，沖洗水管和水煤漿管連接處必須設(shè)置雙切斷閥，見附圖。.7.其原因是：對(duì)于低壓水煤漿管道，在正常生產(chǎn)時(shí)如果沖洗水管和水煤漿 管連接處的切斷閥出現(xiàn)泄漏，沖洗水將進(jìn)入水煤漿管道內(nèi)，稀釋水煤漿， 輕則不能滿足生產(chǎn)要求，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成生產(chǎn)安全問題。反之，對(duì)于高壓 水煤漿管道，水煤漿會(huì)泄露至沖洗水系統(tǒng)內(nèi)，污染沖洗水，堵塞管道，造成沖洗水系統(tǒng)無法正常使用。2）在工藝包中一般要求在水煤漿管道的高點(diǎn)和低點(diǎn)均應(yīng)設(shè)置沖洗水接頭，或 每隔十米水煤漿管

12、道就應(yīng)設(shè)置一個(gè)沖洗水接頭。雖然多設(shè)置沖洗水接頭有 利于水煤漿管道的沖洗，但是每一個(gè)沖洗水接頭都是一個(gè)潛在的煤漿泄漏 點(diǎn)，沖洗水接頭越多煤漿泄漏的可能性就越大，越不利于裝置穩(wěn)定安全生 產(chǎn)。如果嚴(yán)格按照工藝包的要求去設(shè)計(jì)，其中部分沖洗水接頭上的閥門是 無法操作的，也就失去了實(shí)際意義。所以設(shè)計(jì)中應(yīng)在滿足工藝要求的基礎(chǔ) 上，結(jié)合實(shí)際配管情況，充分考慮沖洗水接頭上的閥門的可操作性，合理 設(shè)置沖洗水接頭。下圖所示的是煤漿泵到煤漿槽回流線上沖洗水的配管。 根據(jù)配管情況可知，如果把沖洗點(diǎn)設(shè)置在最高點(diǎn)，并不能起到?jīng)_洗作用， 而且閥門無法操作。正確的配管應(yīng)該是把沖洗點(diǎn)設(shè)置在最低點(diǎn)，盡可能靠 近切斷球閥的地方。當(dāng)需

13、要沖洗的時(shí)候，關(guān)閉切斷球閥，利用高壓沖洗水 把高濃度水煤漿稀釋并沖刷返回煤漿槽。3）對(duì)于水煤漿管線，水平管道上的沖洗水接頭應(yīng)從主管道的上部接入，垂直 管道上的沖洗水接頭應(yīng)向上45度角接入，且根部閥到主管距離盡可能短。 管道布置時(shí)盡可能讓沖洗水管系高于水煤漿管系，對(duì)于沖洗水管路防堵有 重要作用。4.3水煤漿管線設(shè)計(jì)：1）裝置停車時(shí)，水煤漿在管道的低點(diǎn)產(chǎn)生不流動(dòng)區(qū)，水煤漿在此段管道內(nèi)會(huì) 脫水沉淀，若沖洗不及時(shí)此段管道將被堵塞，給下次開車造成諸多不便， 處理不當(dāng)會(huì)嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)，故水煤漿管道在配管設(shè)計(jì)中禁止出現(xiàn)液 袋。2）泵入口要有一定的坡度，管線應(yīng)盡量短，采用盡量少的管件以減少入口管 線的壓降，

14、防止氣蝕現(xiàn)象發(fā)生。泵出口在配管時(shí)既要考慮管線的柔性、閥 門的可操作性、泵的可檢修性，同時(shí)還要考慮在管道分支處閥門要盡可能 地靠近，因?yàn)樵诒靡婚_一備或管線有輪流使用的情況下要盡可能地減少死 角，以免頻繁堵死管線（見附圖：泵出口典型配管）。3）水平管道必須設(shè)置坡度，其坡度不應(yīng)小于千分之五，坡向下游的設(shè)備；管 線每6米設(shè)置拆卸法蘭一對(duì)，用于打開清除管線內(nèi)的沉積物。4）配管設(shè)計(jì)應(yīng)采用大半徑彎頭R=5D （或者更大），同時(shí)盡量減少彎頭數(shù)量。應(yīng)選用45度斜三通，或者Y型三通，順介質(zhì)流向斜接，普通的90度三通 無法滿足水煤漿高磨蝕性的要求。由于水煤漿高壓、高黏度、高磨蝕等特 性,要求閥門的密封性能較好,具有

15、一定的開關(guān)速度，所以閥門應(yīng)選用全通 徑的耐磨球閥。5）工藝閥門、儀表閥門、流量計(jì)和相連接管道的直徑應(yīng)保持一致，避免直徑 忽然縮小，在縮徑處產(chǎn)生較高流速，造成對(duì)閥門、管件和管道的嚴(yán)重磨蝕。 如果工藝需要變徑，盡量在閥門、儀表元件下游變徑。附圖是XX改造項(xiàng) 目中水煤漿管線的配管，因送料管線由DN100擴(kuò)大為DN150，而調(diào)節(jié)閥是 利舊（DN100），因此需要在調(diào)節(jié)閥前變徑。在正常設(shè)計(jì)中，需要盡量避免 這種情況發(fā)生。6）工藝閥門之后要保證一定的直管段。附圖是XX項(xiàng)目壓濾機(jī)進(jìn)料和回流線 配管。由于回流線氣動(dòng)閥后直管段太短，且球閥直接與彎頭連接，每次進(jìn) 料線與回流線切換的時(shí)候，高流速煤漿直接沖擊彎管，導(dǎo)

16、致回流管線震動(dòng) 厲害。時(shí)間過長(zhǎng)，彎頭也會(huì)受到嚴(yán)重磨蝕。4.4取樣點(diǎn)、排放點(diǎn)、儀表元件的設(shè)置:1）取樣點(diǎn)：水煤漿水平管道上的取樣接口，應(yīng)從主管的上面接出；垂直管道上的取樣接口應(yīng)向上45度角接出，且根部閥到主管距離盡可能短。2）排放點(diǎn)：由于水煤漿的特性，在配管設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減少不流動(dòng)區(qū)的出現(xiàn)， 所以盡量在其管道上不設(shè)置放空閥和排凈閥。必須要設(shè)置時(shí)候放凈管的接 口應(yīng)從主管道的側(cè)面接出，且閥門盡量靠近主管。在管系的液斗（最低點(diǎn)）處應(yīng)設(shè)置排污短節(jié)，用法蘭和法蘭蓋封堵,短節(jié)的 設(shè)置要盡量短。3）儀表元件：水煤漿管線上的爆破片、壓力安全元件、安全閥（PSV）及壓 力儀表應(yīng)安裝在水煤漿管線上方且間距最短，以防止

17、堵塞。溫度計(jì)和壓力計(jì)的分支管道越短越好，且在水平管道上的溫度計(jì)和壓力計(jì)必須安裝在管道頂部，垂直管道上的接口應(yīng)向上45度角接出，根部閥到主管距離盡可 能短。4.5管道支架設(shè)計(jì)要點(diǎn)：水煤漿管道比一般管道重，管道支架間距應(yīng)取普通管道支架間距的1/3為宜， 且由于水煤漿管道容易發(fā)生振動(dòng)，需要根據(jù)配管情況，考慮減振措施，如采用減 振架等。水煤漿輸送泵采用計(jì)量柱塞隔膜泵，泵出口水煤漿管道均有不同程度的 振動(dòng)現(xiàn)象，尤其是高壓煤漿泵出口管道振動(dòng)比較嚴(yán)重。在應(yīng)力計(jì)算時(shí)不僅要考慮 管線的柔性，還要考慮管線的穩(wěn)定性，在管線合適位置設(shè)置固定架和限位架。綜述管道的設(shè)計(jì)及管線布置時(shí)，不僅要考慮管道內(nèi)介質(zhì)的成分、溫度、壓力和各種 組分特性，還要考慮某一管線在整個(gè)裝置中的作用及其在開停車或正常