双套管超长距离气力输送技术的研究

２ 超长距离气力输送关键设备的研制
一般的气力输送系统在进行超长距离气力输送时 在实际应用中主要会出现以下问 题 1 系统的压力损失增大 由于管内空气的压损一般和输送距离成比例增长关系 随 着输送距离的增加 输送所需的空气压力也将增大 有时甚至会超出现有大多数空气压缩 的设备规格或是设备投资增大 同时输送距离的加长和管内压力的增大也可带来系统的堵 管和安全性等问题 2 管道磨损严重 在长距离气力输送时 由于管内空气的膨胀和多 变过程 管道内气流的压力越来越小 速度越来越大 由于磨损和速度的三次方或四次方 成正比 由此势必带来管道和系统的磨损及维护工作量加大等问题 3 系统的经济性问 题 超长距离气力输送时 管内的灰气比下降严重 管道沿程流态变化也较大 因此带来 系统的耗气量增加和出力下降 单位电耗增加等问题 使整套系统的投资成本增大而经济 性下降
ρ1V1 A1 = ρ2V2 A2
1
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其中ρ1 ρ2 为变径点前后的流体密度 A1 A2认为流体前后的密度变化不大 则此时 1 式 可简化为
V1
πd12 4
=
V2
πd
2 2
4
2
则变径后的管道流速可降低为
V2
=
V1
d1 d2
2
3
由此可见 变径后的流速降低幅度与管径几何比的平方成正比 因此扩大管径是一种
V2 ≥ Vt ,min
颗粒的最小输送速度 Vt,min与表征输送特征的弗劳德数 Fr 导后 4 式可变化为
阿基米德数 Ar 等有关
4 经推
Fr ≤ Fr ,min
式中弗劳德数 Fr =
V g ⋅d
5 Fr,min 为保持颗粒能够气力输送的最小弗劳德数 其数值
根据文献[1]的试验和研究结果 其取值大约在 6 左右 式 5 即为确定变径幅度提供了
行之有效的管道降速方法
在实际的长距离气力输送工程设计中 管道如何变径以及变径点的选择是两个最关键
的问题 变径后如果管径变化太小 则达不到降速的效果 而如果管径变化幅度太大 则
有可能导致速度太小而不能正常输送 根据粉体物料气力输送力学性能的分析 即使变径
后流体速度也应该大于颗粒能够实现气力输送的最小输送速度 即
依据
对于变径点即变径位置的计算 在计算过程中根据气体膨胀做功和功能守恒原理可以
进行计算 根据本文的研究结果 编制了相应的双套管超长距离气力输送系统设计和计算
程序 可以自动对超长距离输送系统的管道配置和变径点进行计算 目前该计算程序已应
用于实际的工程设计中
３ 双套管长距离气力输送试验
在对粉煤灰超长距离气力输送技术进行深入研究和关键技术开发的基础上 2002 年 5 月 国电电力建设研究所在其试验基地建成了全国规模最大 输送距离最长的气力输送试 验研究中心 该中心拥有输送距离长达 3500 米的双套管气力输送试验系统和输送距离长达 600 多米的脉冲栓流 正压流化仓泵和负压气力输送等目前集中主流的气力输送试验系
１ 引言
近年来 随着国家节水 节能 环保和资源综合再利用政策的提倡和推行 在电力系 统 越来越多的电厂对燃煤锅炉燃烧所产生的粉煤灰采用了干式输送技术 相对于之前传 统的水力除灰方式 干式除灰技术具有节水 环保 可解决灰管的结垢和腐蚀问题 可保 持干灰活性从而有利于灰渣资源的综合再利用等众多优势 因而在火电厂正得到越来越普 遍的应用
图 1 管道中间增加放气装置示意图
管道中间增加放气装置的概念如图 1 所示 其主要功能是实现乏气的排出和高压气流 的进入 其进气电磁阀和排气电磁阀的开关由检测压力传感器的压力信号来自动控制 根 据这一概念 本文对实用的中间增压放气装置进行了开发和设计 该装置的主要特点是在 气力输送管道中后端设置的一段双层同心管道 其中内圆柱连接到输送管道中 内圆柱的
2 管道中间增压放气装置的研制 在长距离气力输送时 随着输送距离的延长和管内气体的膨胀 管内流速愈来愈大
而输送压力和流体密度越来越小 由于管道磨损量一般和输送流速的 3 次方或 4 次方成正 比 因此流速增大势必带来设备的磨损量增加 同时 输送气体压力和密度的较小 又使 气流对于固体的携带能力下降 也就是时说此时气体的做功能力下降 已变成所谓 乏 气 因此 为了降低流速 补充和增强后端气流对于固体的携带能力 本文提出了在长 距离气力输送的管道后端设置中间增压放气装置的概念
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然而 随着越来越多气力除灰系统的应用及对干灰综合利用的日益重视 在实际生产 中出现了越来越多的对超长距离 大于 1000 米 气力输送技术的需求 究其原因 一方面 由于电厂现场条件或厂内土地资源的日益紧张 出于长远规划或降低土地成本等的考虑 需要将贮灰场或灰库等建在离电除尘集灰斗比较远 超过 1000 米 的地方 另一方面 由 于干灰的综合利用是大多数燃煤电厂采用干除灰技术的目的和初衷之一 但是干灰的综合 利用场所 如砖厂或水泥厂等 一般在电厂之外 输送距离一般超过 1000 米 有时甚至达 到两 三公里 超出了常规气力除灰系统所能输送的距离范围 因此 在实际的电厂除灰 工程中 越来越多的出现了对超长距离气力输送技术的市场需求 例如河北某电厂需将粉 煤灰送至 4km 外的制砖厂 四川某电厂两台新建 135MW 的循环床锅炉拟将飞灰送至水平 距离 3km 垂直爬高 210m 的山上灰库等 同时 在其它行业如化工 建材 粮食 矿业 等部门 也有许多长距离气力输送技术的市场需求 目前对于超长距离气力输送的技术处 理 由于现有系统的技术所限 大多是采用多级接力或系统串联的方式实现 在现场条件 受限或征地困难等情况下如何实现长距离输送则比较困难 因此市场需要迫切需要一种超 长距离气力输送新技术的出现
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上部由多孔材料制成 另外一根外圆柱包围着内圆柱 两者之间形成一空腔 两个电磁阀 与外圆柱相连 一个是用来排泄气体的 另一个是用来引入空气射流吹通多孔材料表面的 颗粒并引入新鲜高压空气 压力传感器测量内圆柱上部的压力波动 并与控制元件相连 用来控制阀门
在开发过程中 本文通过对气体排泄量与压力降对应关系的计算 内 外圆柱长度的 选择 内圆柱上部多孔材料的选择和过滤面积等的计算 设计出了适用于输送距离和不同 管径系列的中间增压放气设备 完成了该装置的标准设计和生产制作 并且申请了国家专 利 该装置结构如图 2 所示
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统 是国内目前试验距离最长的气力输送试验基地 该套当量长度为 3500 米的双套管气力 输送试验系统 管道变径 5 次 垂直爬高 15 米 拥有 3 台压力输送器和先进的温度 压 力 流量等检测仪表和自动控制系统 可为用户提供实际运行演示 委托试验和现场前实 际运行试验等 该套双套管输送系统完全按照 1 1 的工业性规模安装和运行 是目前世界 上输送距离最长的气力输送试验管线 自 2002 年 11 月至 2003 年 6 月 在该套超长距离双 套管气力输送试验系统上 进行了大量的超长距离粉煤灰输送的实际试验 积累和总结了 大量有关长距离气力输送系统输送特点和参数的经验数据 并和事先的设计和计算结果进 行了对比和验证
双套管紊流密相气力输送系统因其管道结构上的特殊性 从输送机理上巧妙解决了输 送过程的堵管问题 因而被公认为是最适合长距离输送的系统 意大利 Hamon 公司的 Fluidstat 双套管系统 在 1000 米输送距离时系统出力仍可达到 100t/h 德国 Moller 公司在 我国嘉兴电厂 2x300MW 机组的双套管除灰系统 其电除尘到灰库的几何距离为 1100 米 垂直爬高 30 米 带有 10 个 90 度弯头 整套系统于 1994 年投运 至今已安全运行了七 八年 此外 Moller 公司正在为波兰某电厂设计安装一套输送距离为 2800 米的双套管气力 除灰系统 系统设计为一级输送 出力 30t/h 双套管气力输送系统适合于长距离输送 不 易堵管等优点正得到越来越多实践的验证
目前 火力发电厂所采用的大多数粉煤灰干式输送系统 其输送距离大都局限在 1000 米以下 例如机械式 埋刮板 螺旋输送机等 干灰输送技术 由于受设备本身性能及维 护经济性等的限制 其最长单级输送距离大都在 100 米以下 在较广泛采用的气力输送方 式中 空气斜槽 负压和脉冲栓流等气力输灰方式 因受技术本身机理 设备规格或现场 布置条件等的约束 其最远可输送距离一般在 200~300 米以下 而微正压气锁阀 流态化 仓泵和其它大多数的正压浓相系统等 其在实际工程中得到应用的最长输送距离也一般在 1000 米以下
为了解决上述问题和适应粉煤灰综合利用市场的需要 本文在对气力输送技术进行研 究和分析的基础上 提出了解决粉煤灰超长距离气力输送问题的一些关键技术 如采用双 套管特殊管道结构 设置中间增压放气装置和管道变径设计等技术 下面对这些技术的原 理和特征 试验测试情况等做简要介绍
1 采用双套管特殊管道结构 为了有效解决长距离气力输送中容易出现的管道堵塞和输送可靠性问题 长距离气力
双套管超长距离气力输送技术研究
李向阳
国电电力建设研究所
[摘 要] 近年来 随着干灰输送技术的广泛应用和粉煤灰综合利用技术的进步 电力市场 上出现了越来越多对于粉煤灰超长距离 >1000 米 气力输送技术的市场需求 但是由于 技术 设备和经济性等问题所限 目前一般气力输灰工程的实际输送距离大都在 1000 米以 下 本文通过对超长距离输送过程可能出现的问题进行分析 提出了采用双套管特殊管道 结构 设置中间增压放气装置 管道变径设计等措施来实现超长距离输送的理论 并研究 了适用于粉煤灰超长距离气力输送系统的设计和计算方法 同时 依托国电电力建设研究 所建成的大型气力输送试验研究中心 本文还在输送距离达 3.5 公里的双套管气力输送试 验管线上进行了大量的粉煤灰输送特性试验 掌握了粉煤灰双套管超长距离气力输送系统 的输送参数和输送特性 最后 根据本文对于双套管超长距离气力输送系统的研究结果 对双套管长距离气力输送技术应用于干灰输送工程初步应用情况进行了简要介绍 [关键词] 粉煤灰 长距离气力输送 双套管
过管道布置区的东侧至所北院的南墙 然后沿围墙低位布置 绕行所北院东墙 大门 北
墙至新建杆塔站 然后再原路绕回至管道区 与原试验系统 1000 米管道区相连 最后进入
表 1 双套管超长距离气力输送试验系统参数表
序号
项目名称
参数
1
输送距离
3500 米
2
管道变径次数
5
3
试验管线
DN100/125/150/200/250
4
输送器数量
3
5
输送器容积
2.6m3
6
空压机数量
2
7
空压机参数
0.7Mpa,20m3/min
8
灰库容积
15m3
该套超长距离双套管试验管线的布置 从设于试验大厅内的压力输送器出口开始 经
输送时气力输送管道宜采用双套管的特殊管道结构 双套管技术是为了专门为了防止堵管 而出现的一项新型输灰技术 其主要特点是在输送管道上部装设有一直径较小的内管 内
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管每隔一定的间距开设有一特定的开口 当输送管道中某处发生物料堵塞时 堵塞前方的 输送压力增高而迫使输送气流进入内管 进入内管的压缩气流从堵塞下游的开口以较高的 速度流出 从而对该处堵塞的物料产生紊流扰动和吹通作用 保证管内物料的正常输送
图 2 中间增压放气装置实际照片 3 长距离气力输送管道变径的计算
为了解决长距离气力输送过程中气流速度的增高和管道磨损问题 另一个比较有效的 流速降低措施便是采用管道的逐级放大技术 即管道变径技术 其技术原理示意如下
d2
d1
V1
V2
图 3 长距离气力输送的管道逐级放大示意图
如图 3 所示 当气力输送管道的管径由 d1 变为 d2 后 根据流体流动的质量守恒原理 可列出质量守恒方程为
李向阳 男 35 岁 国电电力建设研究所北京国电富通科技发 展有限责任公司副总经理兼总工程师 第六届全国管道物料输送专 业委员会理事 1999 年毕业于清华大学 获工学博士学位 曾于 1999 ~ 2000 年赴韩国从事博士后研究工作 现在国电电力建设研究 所从事气力输送专业研究工作 参与或主持了多项气力输送省部级 科研项目 获得 2 项国家专利 研制开发的双套管密相气力除灰系 统已在多个电厂得到应用 负责制订电力行业标准 正压气力除灰 系统性能验收试验规程 DL/T909-2004
30双套管超长距离气力输送技术研究李向阳国电电力建设研究所近年来随着干灰输送技术的广泛应用和粉煤灰综合利用技术的进步电力市场上出现了越来越多对于粉煤灰超长距离1000气力输送技术的市场需求但是由于技术设备和经济性等问题所限目前一般气力输灰工程的实际输送距离大都在1000本文通过对超长距离输送过程可能出现的问题进行分析提出了采用双套管特殊管道结构设置中间增压放气装置管道变径设计等措施来实现超长距离输送的理论并研究了适用于粉煤灰超长距离气力输送系统的设计和计算方法同时依托国电电力建设研究所建成的大型气力输送试验研究中心本文还在输送距离达35公里的双套管气力输送试验管线上进行了大量的粉煤灰输送特性试验掌握了粉煤灰双套管超长距离气力输送系统的输送参数和输送特性最后根据本文对于双套管超长距离气力输送系统的研究结果对双套管长距离气力输送技术应用于干灰输送工程初步应用情况进行了简要介绍关键词粉煤灰长距离气力输送双套管1引言近年来随着国家节水节能环保和资源综合再利用政策的提倡和推行在电力系越来越多的电厂对燃煤锅炉燃烧所产生的粉煤灰采用了干式输送技术相对于之前传统的水力除灰方式干式除灰技术具有节水环保可解决灰管的结垢和腐蚀问题持干灰活性从而有利于灰渣资源的综合再利用等众多优势因而在火电厂正得到越来越普遍的应用目前火力发电厂所采用的大多数粉煤灰干式输送系统其输送距离大都局限在1000米以下例如机械式螺旋输送机等干灰输送技术由于受设备本身性能及维护经济性等的限制其最长单级输送距离大都在100米以下在较广泛采用的气力输送方空气斜槽负压和脉冲栓流等气力输灰方式因受技术本身机理设备规格或现场布置条件等的约束其最远可输送距离一般在200300米以下而微正压气锁阀仓泵和其它大多数的正压浓相系统等其在实际工程中得到应用的最长输送距离也一般在1000米以下李向阳国电电力建设研究所北京国电富通科技发展有限责任公司副总经理兼总工程师第六届全国管道物料输送专业委员会理事1999年毕业于清华大学获工学博士学位曾于19992000年赴韩国从事博士后研究工作现在国电电力建设研究所从事气力输送专业研究工作参与或主持了多项气力输送省部级科研项目获得2项国家专利研制开发的双套管密相气力除灰系统已在多个电厂得到应用负责制订电力行业标准正压气力除灰系统性能验收试验规程dlt909200431然而随着越来越多气力除灰系统的应用及对干灰综合利用的日益重视在实际生产中出现了越