水煤漿管道設計淺析

1、水煤漿管道設計淺析管道室史偉2009年11月 西安華旺工程科技有B艮矣任公司HUALU ENGINEERING & TECHNOLOGY CQ.,UTD.（化學工業(yè)部第六設計院）【摘 要】：本文針對水煤漿的特性，簡要探討了水煤漿管道布置中應考慮的一 些主要問題并提出見解，以供相關工程設計人員參考。【關鍵詞】：水煤漿、流動特性、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，目前廣泛應用于煤制甲醇，煤 制燃氣，煤制油，煤制烯烴等煤化工項目中。水煤漿的制備與輸送是整個項目中 的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣直接關系到整個裝置運行的好壞。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)量分數(shù)60 %65 %，濃度太低會 導致穩(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，會導 致熱能浪費，提高生產(chǎn)成本，同時還可能使合成氣過氧，造成安全隱患。水煤漿 粒度分布主要與進磨機的原煤量、原煤粒度、磨機的級配、生產(chǎn)負荷等因素有關; 煤漿濃度主要跟原煤性質(zhì)、粒度分布、分散劑等因素有關。純粹的細粒子并不能 制成高濃度的水煤漿，必須將粗細粒子適當搭配，使體系具有足夠?qū)挼牧６确植?和適宜的分布結構，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，同時也有利于水煤漿性能穩(wěn)

3、定。1.2水煤漿的流動特性：水煤漿的流動情況非常復雜，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)流動時不滿足剪切應力與剪切應變的線性關系，屬于非 牛頓流體。牛頓流體在固體壁面流動時,壁面上的流體貼附于壁面上而不會滑移。 而非牛頓流體在非均勻應力場中流動會誘發(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?；魢鴦俚日J為液體在流動過程中要 考慮滑移的依據(jù)是流動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)滑移就能實現(xiàn)減阻.水煤漿在管道中流動由于滑移產(chǎn)生減阻現(xiàn)象，其

4、實質(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。在工程設計中，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：當管道內(nèi)水煤漿流速過慢時，會使水煤漿的表觀粘度 變大、流動變差、穩(wěn)定性下降。如果管道內(nèi)水煤漿流速低于臨界速度時，水煤漿 會出現(xiàn)脫水沉淀現(xiàn)象，嚴重時將堵塞管道，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，水煤漿將達到均相流動，水煤漿的表觀粘度變小、 流動性變好，

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，在相對較高的流速下流動時水煤漿具有很大 的磨蝕性，將大大影響管道的使用壽命。工程設計及生產(chǎn)操作時，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重磨蝕。根據(jù)實際工程設計經(jīng)驗，水煤漿在管道內(nèi)的流速 一般應該選擇在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。在這種流動狀態(tài)中材料的損傷形 式主要是電化學腐蝕和磨損腐蝕。根據(jù)水煤漿的化學成分，合理選擇相應的合金 管道材料，可以很好的抵抗電化學腐蝕。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，流動正常的情況下，磨損和沖刷并不嚴重，而當壓力突然降低, 在湍流場合，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,流體中的硬顆粒對管道進行著沖刷、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)閯幽?，水煤漿流速急劇增加，流動狀態(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,具有強大動能，它 可以很快將閥芯、閥座沖出流線型的細槽，新鮮的材料表面暴露在腐蝕性流體中, 進一步承受腐蝕和

7、沖蝕。當流體流經(jīng)管道轉(zhuǎn)彎處時，由于彎曲管壁的導流作用，彎 頭處流線成曲線運行，并產(chǎn)生離心力，使流體向外側集中，導致彎頭出口外側流速 變大，內(nèi)側流速變小。因此沖刷腐蝕在調(diào)節(jié)閥后和彎頭出口外側非常激烈，水煤漿 管線調(diào)節(jié)閥后彎頭容易出現(xiàn)穿孔就是這個原因。氣蝕：水煤漿與金屬構件作高速相對運動時，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出現(xiàn)氣泡并潰滅。氣泡在 潰滅時產(chǎn)生的沖擊對金屬表面產(chǎn)生強烈的錘擊作用，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放料閥相關問題：1）設備布置方面：煤漿

8、槽、壓濾機給料槽、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動距離，因此放料閥 需要有足夠的安裝空間。在做設備布置的時候，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）放料閥管口設計方面：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，這對確定下料閥柱塞的直徑有一定的難度，過大會導致下料閥 無法使用，過小則關閉效果較差，影響下料閥的效果。所以工程設計時管口 應該盡量不用襯里。由于下料閥的進口和出口間有一定的角度關系（45 或30 ），且下料閥直接與設備管口連接，如果設備管口

9、法蘭的螺栓孔與 下料閥進口法蘭的螺栓孔方位不符，會造成放料閥的出料口偏移而不能與 管道按原來設計走向進行連接。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，同時在設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。相關專業(yè)應該對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行。 某項目中，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，導致放料閥無法緊固，現(xiàn)場對煤漿槽螺栓孔做了 多次擴孔。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高，

10、根據(jù)出料閥出口標高確定好泵 的進口的標高，從而確定泵的支撐點標高。因為下料閥的進口和出口間有 一定的角度關系，如果泵的進口標高不合適，會出現(xiàn)泵進口中心線和放料 閥出口中心線不相交的情況，從而導致管線無法連接。某項目煤漿槽出料 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，因在下料閥頻繁開啟和關閉的情況下和在潮濕的環(huán) 境下,下料閥如果選用電動的可靠性不易保證。煤漿槽放料閥配管4.2沖洗水管線設計：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均

11、必須對水煤漿管道進行沖洗。沖洗水的連接形式宜采用臨時連接，即在使 用時將沖洗水軟管通過快速接頭連接到水煤漿管道上，不用時將沖洗水軟 管拆除。如果工藝嚴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置雙切斷閥，見附圖。.7.其原因是：對于低壓水煤漿管道，在正常生產(chǎn)時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，嚴重時會造成生產(chǎn)安全問題。反之，對于高壓 水煤漿管道，水煤漿會泄露至沖洗水系統(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和低點均應設置沖洗水接頭，或 每隔十米水煤漿管

12、道就應設置一個沖洗水接頭。雖然多設置沖洗水接頭有 利于水煤漿管道的沖洗，但是每一個沖洗水接頭都是一個潛在的煤漿泄漏 點，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)。如果嚴格按照工藝包的要求去設計，其中部分沖洗水接頭上的閥門是 無法操作的，也就失去了實際意義。所以設計中應在滿足工藝要求的基礎 上，結合實際配管情況，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，如果把沖洗點設置在最高點，并不能起到?jīng)_洗作用， 而且閥門無法操作。正確的配管應該是把沖洗點設置在最低點，盡可能靠 近切斷球閥的地方。當需

13、要沖洗的時候，關閉切斷球閥，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）對于水煤漿管線，水平管道上的沖洗水接頭應從主管道的上部接入，垂直 管道上的沖洗水接頭應向上45度角接入，且根部閥到主管距離盡可能短。 管道布置時盡可能讓沖洗水管系高于水煤漿管系，對于沖洗水管路防堵有 重要作用。4.3水煤漿管線設計：1）裝置停車時，水煤漿在管道的低點產(chǎn)生不流動區(qū)，水煤漿在此段管道內(nèi)會 脫水沉淀，若沖洗不及時此段管道將被堵塞，給下次開車造成諸多不便， 處理不當會嚴重影響正常生產(chǎn)，故水煤漿管道在配管設計中禁止出現(xiàn)液 袋。2）泵入口要有一定的坡度，管線應盡量短，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。泵出口在配管時既要考慮管線的柔性、閥 門的可操作性、泵的可檢修性，同時還要考慮在管道分支處閥門要盡可能 地靠近，因為在泵一開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）水平管道必須設置坡度，其坡度不應小于千分之五，坡向下游的設備；管 線每6米設置拆卸法蘭一對，用于打開清除管線內(nèi)的沉積物。4）配管設計應采用大半徑彎頭R=5D （或者更大），同時盡量減少彎頭數(shù)量。應選用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、一定的開關速度，所以閥門應選用全通 徑的耐磨球閥。5）工藝閥門、儀表閥門、流量計和相連接管道的直徑應保持一致，避免直徑 忽然縮小，在縮徑處產(chǎn)生較高流速，造成對閥門、管件和管道的嚴重磨蝕。 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 目中水煤漿管線的配管，因送料管線由DN100擴大為DN150，而調(diào)節(jié)閥是 利舊（DN100），因此需要在調(diào)節(jié)閥前變徑。在正常設計中，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項目壓濾機進料和回流線 配管。由于回流線氣動閥后直管段太短，且球閥直接與彎頭連接，每次進 料線與回流線切換的時候，高流速煤漿直接沖擊彎管，導

16、致回流管線震動 厲害。時間過長，彎頭也會受到嚴重磨蝕。4.4取樣點、排放點、儀表元件的設置:1）取樣點：水煤漿水平管道上的取樣接口，應從主管的上面接出；垂直管道上的取樣接口應向上45度角接出，且根部閥到主管距離盡可能短。2）排放點：由于水煤漿的特性，在配管設計時應盡量減少不流動區(qū)的出現(xiàn)， 所以盡量在其管道上不設置放空閥和排凈閥。必須要設置時候放凈管的接 口應從主管道的側面接出，且閥門盡量靠近主管。在管系的液斗（最低點）處應設置排污短節(jié)，用法蘭和法蘭蓋封堵,短節(jié)的 設置要盡量短。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 力儀表應安裝在水煤漿管線上方且間距最短，以防止

17、堵塞。溫度計和壓力計的分支管道越短越好，且在水平管道上的溫度計和壓力計必須安裝在管道頂部，垂直管道上的接口應向上45度角接出，根部閥到主管距離盡可 能短。4.5管道支架設計要點：水煤漿管道比一般管道重，管道支架間距應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，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量柱塞隔膜泵，泵出口水煤漿管道均有不同程度的 振動現(xiàn)象，尤其是高壓煤漿泵出口管道振動比較嚴重。在應力計算時不僅要考慮 管線的柔性，還要考慮管線的穩(wěn)定性，在管線合適位置設置固定架和限位架。綜述管道的設計及管線布置時，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裝置中的作用及其在開停車或正常