大洋采矿射流泵扬矿系统计算机仿真计算

D0I:10.13374/j.issn1001053x.1936.03.013 第18卷第3期 “北京科技大学学报 Vol.18 No.3 19966 Journal of University of Science and Technology Beijing Jm1996 大洋采矿射流泵扬矿系统计算机仿真计算 刘永才)程火金》彭龙洲”陈永良) )北京科技大学设计研究院，北京1000832)北京科技大学资源工程学院 摘要在固一液两相流理论和水力提升、射流泵扬矿旷等试验研究成果的基础上，对射流泵扬矿试验系 统进行了仿真计算、并与KSB公司的海上工业性实验作丁比较， 关键词大洋采矿，水力提升，射流泵，仿真 中图分类号TD432 1991年春李，我国被联合国国际海底筹委会正式批准为大洋采矿先驱投资者，并已把大洋锰 结核开采技术研究列为国家专项长远发展项目·大洋采矿是一项综合性的系统工程，而扬矿系统 是整个大洋采矿系统的重要组成部分之一，其功能是将集矿装置采集的锰结核，从海底垂直向上 输送到采矿船上，目前，水力扬矿是世界各国公认的最有发展前途的一种扬矿方法，射流泵扬矿 则是广为研究的水力扬矿方法之一·其原理是：用采矿船上的高压水泵将海水送到提升管中的射 流喷嘴处，使其产生高速射流，从而将锰结核吸入扬矿管内，并在射流的作用下将其提升到海 面，由于试验费用、试验条件的限制，难以进行大规模的扬矿试验.因此，利用前人对固液两相 流及射流泵的研究成果，进行扬矿计算机仿真计算有很重要的现实意义， 1射流泵扬矿系统数学模型的建立、仿真步骤 该数学模型的建立以两相流理论为依据，主要包括管道阻力损失的计算、射流泵基本性能计 算以及判别公式，通过射流泵扬矿系统质量守恒分析及管道阻力损失的计算建立了系统工艺参数 如年产量、提升管径、流量比、工作流速等和系统性能参数，主要是效率和系统功率之间的关 系：通过射流泵基本性能计算建立了射流泵结构参数如面积比、喉嘴距、入射角、喷嘴面积等对 系统的工作能力及效率的相互关系；为了合理选择工作参数确定判别条件， 管道阻力包括局部阻力、沿程阻力及重力损失.扬矿管为垂直安装，局部阻力损失小· Engkeman借助大型试验装置，从相似理论出发，引入了混合液沿程阳力系数1s,得出了较精确 的沿程阻力损失经验公式，文献]引用该公式对此进行计算· 射流泵基本性能方程包括射流泵基本方程、射流泵汽蚀性能方程和系统性能参数的计算， 射流泵基本方程h=f4,m,y)是表示射流泵压力、流量、几何尺寸和浓度之间关系的方程， 它反映泵内能量和压力变化.利用动能守恒分析计算射流泵入口工作压力， 射流泵汽蚀性能是射流泵设计及应用中重要问题之一，直接影响到系统能否正常工作.射流 泵汽蚀性能以临界汽蚀流量比qk表示，当q>4时，系统发生汽蚀.临界汽蚀流量比9k的计算 以射流泵喉管进口断面压力接近固液混合流体汽蚀压力为依据， 1995-11-01收稿第一作者男49岁副教授硕士 幸国家“八五”攻关课题

第 18 卷 第 3 期 1 9 9 6 年 6 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u m a l o f U n iev sr i ty o f S d e n ce a n d Tce h n o l o g y eB ij i n g V o l . 1 8 N o . 3 J山几 19 9 6 大洋采矿射流 泵扬矿系 统计算机仿真计算 ’ 刘永才 ’ ) 程 火金 )2 彭龙洲 ’ ) 陈永 良 2) )l 北 京科 技大学设 计研 究 院 , 北 京 l (X 川 83 2) 北 京科技大学资源 工 程学院 摘要 在固 一 液两相流理论和水力提升 、 射流 泵扬矿等试验研究成果的基 础上 , 对射流泵扬矿试验系 统进行了仿真计算 , 并与 KS B 公司 的 海 上工 业性实验作了比较 . 关键词 大洋 采矿 , 水力提升 , 射流 泵 , 仿真 中图分类号 T D 4 32 l卯1 年春季 , 我 国被联合国国际海底筹委会正式批准为大洋 采矿先驱投资者 , 并 已把大洋锰 结核开采技术研究 列为国家专项长远发展项 目 . 大洋采矿是一项综合性 的系统工 程 , 而扬矿系统 是整个大 洋采矿系统的重要组成部分之一 , 其功能是将集矿装置采集的锰结核 , 从海底垂直向上 输送到采矿船上 . 目前 , 水力扬矿是世界各国公认 的最有发展前途的一种扬矿方法 , 射流泵扬矿 则是广为研究的水力扬 矿方法之一 . 其原理是 : 用采矿船上的高压水泵将海水送 到提升管 中的射 流喷嘴处 , 使其 产生高速射 流 , 从而将锰结核吸人 扬矿 管 一 内 , 并 在射 流的作用下 将其提升到 海 面 . 由于 试验费用 、 试验条件 的限制 , 难以进行大规模的扬矿试验 . 因此 , 利用前人对固液两相 流及射流泵的研究成果 , 进行扬矿计算机仿真计算有很重要的现实意义 . 1 身寸流 泵扬矿系统数学模型的建立 、 仿真步骤 该数学模 型的建立 以两相流理论为依据 , 主要包括管道阻力损失 的计算 、 射 流泵基本性能计 算 以及判别公式 . 通过射流泵扬矿系统质量守恒分析及管道阻力 损失 的计算建立 了系统工艺参数 如年产量 、 提 升管径 、 流量 比 、 工作流速等和系统性 能 参数 , 主要 是效 率和系 统功率之 间的 关 系; 通过射流泵基本性能计算建立了射流泵结构参数如面 积 比 、 喉嘴距 、 入射角 、 喷嘴面积等对 系统的工作能力及效率的相互关系; 为了合理选择工作参数确定判别条件 . 管道 阻 力包括 局部 阻力 、 沿程 阻力及 重力损 失 . 扬 矿 管 为垂 直 安 装 , 局 部 阻 力 损失 小 . E n沙m n 借助大 型试验 装置 , 从相似理论 出发 , 引人了混合液沿程阻力系数 又 * s , 得出了较精 确 的沿程阻力损失经验公式 , 文献 111引用该公式对此进行计 算 . 射流泵基本性能方程包括射流泵基本方程 、 射流泵汽蚀性能方程和系统性能参数的计算 . 射流泵基本方程 h = f(a , m , 下启是表示射 流泵 压力 、 流量 、 几何尺 寸和浓度之 间关系的方 程 , 它反映泵 内能量 和压力变化 . 利用动能守恒分析计算射流泵人 口工作压力 . 射流泵汽蚀性能是射流泵设计及应用 中重要问题 之一 , 直接影响到系统能否 正常工作 . 射流 泵汽蚀性 能以临界汽蚀流量 比 q 、 表示 , 当 q > q 、 时 , 系统发生汽蚀 . 临界汽蚀 流量 比 q k 的计算 以 射流泵 喉管进 口 断面压力接近固液混 合流体汽蚀压力为依据 . l 卯5 一 1 一 0 1 收 稿 第一 作者 男 49 岁 副 教 授 硕 士 * 国 家 “ 八五 ” 攻 关课题 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1996. 03. 013

·260· 北京科技大学学报 1996年No.3 射流泵扬矿系统的性能主要就是系统的效率，通过水力计算和射流泵基本性能方程，可计算 射流泵吸入压力及工作压力，从而可得出系统效率”. 在满足控制条件的前提下，通过水力学计算得到提升管道和入口管道内的能量损失，并对管 道进行能量守恒分析和计算，得到射流泵吸入压力和出口压力；对射流泵性能进行计算，求出射 流泵工作压力及其工作功率，从而求出系统效率”，仿真步骤如图1所示·根据不同的参数匹 配，以曲线和图表方式输出扬矿系统在不同工况下的吸入人浓度、汽蚀流量比、工作压力、工作泵 功率、系统效率及相应的图表，在进行数据分析对比后，最终可得到系统功率较小、效率较高 的一些参数及最优工况，本程序在汉字环境下采用TURBO C语言编制、根据室内试验条件，对 室内射流泵提升试验进行仿真计算；采用大洋实验数据和模型，与多级泵提升系统进行比较分析， 开始 数据初始化，计算沉降末速，输入年产量 控制参量判定 改变提升管径 改变流量比 改变工作流速 系统性能计算，数据处理及图像输出模块 计算C.及管道阻力等 结束 图1 仿真步骤框图 2仿真结果分析 21射流泵提升室内试验系统仿真结果及讨论 按室内试验条件，年产量为7.5×10t,提升管径为0.1m,工作管径为0.15m,流量比为 0.67,射流泵安装高度为距吸人口16.7m,提升高度为27.8m时、仿真结果如图2所示.图2中 横坐标为工作流速，纵坐标分别为吸人浓度、功率及系统效率，仿真结果与室内试验结果比较见 图3.由图3可知，仿真功率和仿真工作流速曲线与试验功率和试验工作曲线分别很接近；压力曲 线之间有10%左右的差距，但试验数据比仿真数据大，考虑到试验中有不确定因素，即取试验 系数为1.1，可认为数学模型的建立是正确的， 从图2可知，当工作流速2.4m/s时、吸人管道内流速过低或系统发生汽 蚀，汽蚀流量比9：<9，因而系统在一定工作流速范围内正常工作·考虑到工作泵的效率，试验 系统的工作范围为1.0m/s<<1.6m/s. 同样当确定、改变流量比时、通过图像分析和数据处理，可知系统也只能在一定流量 比范围内正常工作，其范围为05<9<1.当年产量、流量比、工作流速一定时，随着管径的增 大，系统正常工作所需功率增加很快，在满足控制条件下，使用较小管径时，系统效率较高· 22洋面采矿模拟计算与多级泵采矿比较分析 美国KSB公司利用多级潜水泵进行了洋面试开采，提升管径为0.2m年产量为0.438×10°t/a

· 2团 · 北 京 科 技 大 学 学 报 19 % 年 N O . 3 射流泵扬矿系统的性能主要就是 系统的效率 . 通过水力计算和射流泵基本性能方程 , 可计算 射流泵吸人压力及工作压力 , 从而 可得 出系统效率 叮 . 在满足控制条件的 前提下 , 通过水力学计算得到提升管道和人 口 管道 内的能量损失 , 并对管 道进行能量守恒分析和计算 , 得到射流泵吸入压力 和出口 压力 ; 对射流泵性能进行计算 , 求出射 流泵工作压力 及其 工作 功率 , 从而求 出系统 效率 叮 , 仿真步 骤如 图 1所示 . 根据不同的参数匹 配 , 以 曲线和 图表方式输出扬矿系统在不同工况下 的吸人浓度 、 汽蚀流量 比 、 工作压力 、 工作泵 功率 、 系统效率及相应的 图表 , 在进行数据分 析对 比 后 , 最终 可得 到系 统功率 较小 、 效 率较高 的一些参数及最优工况 . 本程序在汉字环境下采用 TU R B O C 语 言编制 , 根据室 内试验条件 , 一 对 室 内射流泵提升试验进行仿真计算 ; 采用大洋实验数据和模型 , 与多级泵提升系统进行 比较分析 . 开始 始化 , 计算沉降末速 , 输人年产量 控制参量判定 。径 … 改变流量比 改变工作流速 计算 C 及管道阻力等 结束 数据初始化 改变提升管径 系统性能计算 , 数据处理及 图像输出模块 图 1 仿真步骤框图 2 仿真结果分析 么1 射流泵提升室内试验系统仿真结果及讨论 按 室 内试验 条件 , 年产 量为 .7 5 x IO 4 t , 提 升管径 为 o . l m , 工 作管径 为 .01 5 m , 流 量 比 为 0 . 67 , 射流泵安装高度为距吸人 口 .16 7 m , 提升高度 为 27 .8 m 时 , 仿真结 果如 图 2 所示 . 图 2 中 横坐标 为工作流速 , 纵坐标分别为吸人浓度 、 功率及系统效率 . 仿真结果与室内试验结果 比较见 图 3 . 由图 3 可 知 , 仿真功率和仿真工作流速曲线 与试验功率和试验工作曲线分别很接近 ; 压力曲 线之 间有 or % 左右 的差距 , 但试验数据比仿真数据大 . 考虑到 试验 中有不确定因素 , 即取 试 验 系数 为 1 . 1 , 可认 为数学模型 的建立是正 确的 . 从 图 2 可 知 , 当工作 流速 v 。 .2 4 m / s 时 , 吸 人 管道 内流速过低或系统发生 汽 蚀 , 汽蚀 流量 比 q k < q , 因而系统在一定工作流速范围内正常工作 . 考 虑到工 作泵 的效率 , 试验 系统的工作 范围为 1 . Om / s < v 。 < 1 . 6 m / 5 . 同样 当 v 。 确定 , 改变流量比 q 时 , 通过图像 分析和数据处理 , 可 知系 统也只 能 在一 定 流 量 比范围内正 常工作 , 其范 围为 .0 乡< q < 1 . 当年产量 、 流量 比 、 工作流 速一定 时 , 随着 管径 的增 大 , 系统正 常工作所需功率增加很快 , 在满足控制条件下 , 使用较小管径时 , 系统效率较高 . U 洋面采矿模拟计算与多级泵采矿 比较分析 美国 KS B 公 司利用多级潜水 泵进行 了洋面 试开采 , 提升管径为 .0 2 nI, 年产量为 .0 4 38 x 10 6 t a,/

Vol.18 No.3 刘水才等：大洋采矿射流泵扬矿系统计算机仿真计算 261· 所用动力为2套800kW的多级泵，提升高度为52S0m,泵安装位置离海面1000m,该系统达到了 设计要求. 20 0 200 20 】一工作流速与效率关系 2-工作流速与功率关系 3一工作流速与人口浓度关系 10 10菱 QQ90o 0⊥1LLLL上⊥上☐0 0 20 4.0 2.0 4.0 m/m·s' to/m.s- 图2射流泵扬矿试验系统仿真结果 图3仿真曲线与试验曲线对照图 对洋面射流泵扬矿系统的模拟计算，假设采用流量比为0.67的单级射流泵结构，射流泵安装 高度为距海面17S0m,管径为0.2m,计算结果如表1.为防止汽蚀影响系统正常工作，工作流 速取为1.4~2.3m/s范围以内，工作泵功率则为6150~10487kW之间，相同年产量下，射流泵 提升所用功率为多级潜水泵工作泵功率1600kW的48倍、系统效率也是很低的.这样势必给 射流泵和系统的设计带来诸如强度、结构方面的技术困难，但采用射流泵提升方法，结核矿石不 直接经过泵，避免了结核造成泵的磨损，同时也避免了提升过程中泵造成的结核大量破碎和细 化，减少了结核提升到采矿船上脱水过程中粉矿损失.并且，射流泵提升系统中工作泵可以安装 在采矿船上，便于设备的安装与维修· 表1洋面实验仿真数据 流速fm·s1 1.41.51.61.71.81.9202.1 2.22.3 功率P。/kW 4981523255115817615165116901731977178252 效率n/% 14.413.713.012311.211.211.09.769.28.66 3结论 (1)Engkeman关于两相流沿程阻力的计算适用于大洋采矿数学模型的建立， (2)本项研究探索了射流泵扬矿系统各参量之间的内在关系及其规律，本仿真计算结果与 室内试验数据大致相同，证明了仿真系统的准确性，对以后的生产实际有一定的参考价值和指导 意义. (3)射流泵提升能耗大，效率较低，运用于大洋采矿扬矿作业还需作多方面的研究工作，但 射流泵提升具有不磨蚀泵，对物料不细化的优点，作为大洋采矿作业的吸矿装置或其喂料系统有 一定的参考价值·

Vo l . 18 N〔〕 . 3 刘永才等 : 大洋采矿射流泵扬矿系统计算机仿真 计算 · 26 1 · 所用动力为 2 套 8田 kw 的多级泵 , 提升高度 为 5 2刃 nI, 泵安装位置离海面 1《I幻 nI, 该系统达到了 设计 要求 . 20 一 8() 2(力 一 加 1一 工 作流 速 与效率关 系 2一 工 作流速与 功率关 系 3一 工 作流速与人 口 浓 度关 系 才 缤召一气n1j 印 缤召 ó召一招d 一气 40 城 ~ 0 .豆乞坦 侧径炙芬一二 . 爹 ù 亡 2刀 : ,。 /m · s 0 L 0 2 D v o /m · s 一 ’ 图 2 射流泵扬矿试验 系统仿真结果 图 3 仿真曲线与试验曲线对照图 对洋 面射 流泵扬矿系 统的模拟计算 , 假设采用流量 比为 .0 67 的单级射流泵结构 , 射流泵安装 高度 为距海面 1 7刃 nI, 管径为 .0 2 n,r 计算结果如表 1 . 为防止 汽蚀影 响 系统正常工 作 , 工作 流 速取为 1 . 4 一 .2 3 m / s 范围以 内 , 工作泵功率则为 6 1印 一 or 48 7 kw 之间 , 相同年产量下 , 射流泵 提升所用功率为多级潜水泵工作泵功率 1 日刃 kw 的 4 一 8 倍 , 系统效率也是很低的 . 这样势必给 射流 泵和系统 的设计带来诸如强度 、 结 构方 面 的技术困难 . 但采用射 流泵提升方法 , 结核矿石不 直接 经过泵 , 避免 了结核造成泵的磨损 , 同时也避免 了提 升过程 中泵造 成的结 核大量 破碎和细 化 , 减少 了结核提升到采矿船上脱水过 程中粉矿损失 . 并且 , 射流泵提 升系统 中工作泵可以安装 在采矿船上 , 便于设备的安装与维修 . 表 1 洋面实验仿真数据 流速 v 。 / m · s 一 ’ 功 率 0P / k w 效率 川 % 1 . 4 1 . 5 1 . 6 1 . 7 4 98 1 5 232 5 5 1 1 5 817 144 13刀 13D 12 3 1 . 8 6 1 5 1 】1 . 2 1 . 9 2 . 0 2 . 1 6 51 1 1 1 . 2 6 如 l 1 1 . 0 7 3 19 9 . 76 2 2 23 7 717 8 252 92 8 . 茄 3 结 论 ( 1) E n目。 找111 关于两相流沿程阻力 的计算适用于 大洋采矿数学模型的建立 . ( 2) 本项研究探索 了射流泵扬矿系统各参量之 间的内在关系及其 规 律 . 本 仿 真 计算 结 果 与 室 内试验数据大致相 同 , 证 明了仿真系统的准确性 , 对以后 的生产实际 有一定 的参考价值和指导 意义 . ( 3) 射流泵提升能耗大 , 效率较低 , 运用于大洋采矿扬矿作业还需作多方面 的研究工作 , 但 射流泵提升具 有不磨蚀 泵 , 对物料不细化的优 点 , 作 为大洋采矿作业的吸矿 装置或其喂料系统有 一定的参考价值

·262· 北京科技大学学报 1996年No.3 参考文献 1彭龙洲.大洋采矿射流泵扬矿试验系统计算机仿真研究：[学位论文】.北京科技大学资源工程学院，95 Computer Simulation on Jet-Pump Lifting System of Ocean Mining Liu Yongcai Cheng Huojin2 Peng Longzhou)Chen Yongliang 1)Institute of Engineering and Research.USTB.Beijing 100083.PRC 2)College of Resources Engineering.USTB.Beijing 100083 ABSTRACT Based on the theory of solid-liquid two-phase fluid and the achivement in experimental research on hydraulic lifting and jet-pump lifting,the computer calculating on the jet-pump lifting experimental system is carried out.The results are compared to the KSB Corp's offshore experimental data at the same time. KEY WORDS ocean mining,hydraulic hoisting,jet-pump,simulation 科技成果 钢中铌相分析方法的研究及其应用 一铌在钢中存在形式 由北京科技大学主要负责，完成了“钢中铌相分析方法的研究及应用”.相分析是微合金化 钢研究的重要手段.本课题提出了钢中铌相分析的合理流程，建立了一套钢中铌的相分析的 完整方法.配合析出相的X射线分析，氮和铝含量的测定与推算，铌在钢中的存在形式进行了 详细探讨，解释了析出相一些晶体常数变化原因. 本课题的研究方法与流程设计合理，通过试验研究取得的成果主要有：()提出了钢中铌 相分析的合理流程，建立了一套钢中铌的相分析的完整方法；(2)配合析出相的X射线分析， 氮和铝含量的测定与推算，对铌在钢中的存在形式进行了详细探讨，解释了析出相一些晶体 常数变化的原因；(3)结合包钢生产的不同碳含量的铌钢，测定了不同热处理状态下，钢中铌 的存在形态及其余量，得出正火处理将促使固溶铌减少，并增加C比例等结论， 本研究成功地解决了钢中超细析出相的定量提取.在学术上对分析化学形态分析这一重 要课题的解决是一个良好的推动，可作为生产与研究使用的正式方法.得出了铌在钢中的分 布及其与热处理的关系，对铌钢的研究与生产有指导意义

北 京 科 技 大 学 学 报 1 99 6 年 N o . 3 参 考 文 献 彭龙洲 . 大洋采矿 射流泵扬矿试验系统计算机仿真研究: 【学位论文 } . 北 京科技大学资源 工程学院 , 1哪 C o m P u t e r S imt l l a t i o n o n eJ t 一 P u m P L ift ign S ys te m o f O ce a n M i而n g L i u Y o n 夕c a i l ) l ) I n s t i t u te 2 ) C o ll e g e C h e n g 万u oj i n ’ ) P e n g L o n g : h o u ’ ) C h e n Y o n 夕li a n g Z o f E n g i n e e r i n g a n d R e s e a r c h , U S T B , B e ij i n g 10 0 0 8 3 , P R C o f R e s o u r c e s E n g i n e e r i n g , U S T B , B e ij i n g 10 0 0 8 3 A B S T R A C T B a s e d o n t h e t h e o r y o f s o l id 一 liq u id t w o 一 P h a s e fl u id a n d t h e a c h i v e me n t i n e x P e r im e n t a l r e s e a r c h o n h y d r a u li e lift i n g a n d j e t 一 P u m P l ift i n g , t h e co m P u t e r c a l e u l a t i n g o n t h e j e t 一 P tl m P lift i n g e x P e r im e n t a l s y s t e m 1 5 c a r r i e d o u t . T h e r e s u l t s a r e co m P a r e d t o t h e K S B C o r P ` 5 o fs h o r e e x P e r im e n t a l d a t a a t t h e s a me t i me . K E Y W O R D S o e a n m i n i n g , h y d r a u li e h o i s t i n g , z e t 一 P u m P , s im u l a t i o n 科技成果 钢 中妮相分析方法 的研究及其应用 一 妮在钢 中存在形 式 由北 京科 技大 学 主要负 责 , 完 成 了 “ 钢 中妮相分 析方 法的研究 及 应用 ” . 相分 析是 微合金化 钢研 究 的重要 手段 . 本 课题 提 出了钢 中妮相 分析 的 合理 流程 , 建 立 了 一套钢 中妮 的 相 分析 的 完整 方法 . 配合 析 出相 的 X 射线分 析 , 氮 和铝含 量 的测定 与推算 , 妮 在钢 中的存在 形 式 进行 了 详细 探讨 , 解 释 了析 出相一 些晶体常数变 化原 因 . 本课题 的研究方法 与流 程设计 合理 , 通过 试验研 究取 得 的成 果 主要 有 : ( l) 提 出 了 钢 中妮 相分 析 的合理 流程 , 建 立 了一套钢 中钥 的相分 析的 完整方 法 ; ( 2) 配 合析 出相 的 X 射 线 分 析 , 氮 和铝含 量 的测定 与推算 , 对妮在 钢 中的存在 形 式 进 行 了 详细 探 讨 , 解释 了析 出相 一些 晶体 常数 变化 的原 因 ; ( 3) 结合包钢生 产的 不同碳含 量 的妮 钢 , 测定 了不 同热 处 理 状态 下 , 钢 中妮 的存 在形 态及 其余量 , 得 出正火处 理将促 使固溶妮减 少 , 并 增加 C 比例等结论 . 本研 究成 功地解 决 了 钢 中超细 析 出相 的定 量提取 . 在 学术上 对 分 析 化学 形 态 分 析 这 一 重 要 课题 的解决 是一 个 良好 的推动 , 可作 为生产 与研 究 使用 的 正 式 方 法 . 得 出 了妮 在 钢 中的分 布及其与热处 理 的关系 , 对钥钢 的研究 与生产 有指 导意义