深海采矿管道提升系统的提升效率比较

作     者：马鸿宇 

作者单位：中国石油大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：林方坚;王懿

授予年度：2021年

学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 

主      题：深海采矿 水力提升 气举提升 提升效率 

摘      要：管道提升是目前国际公认的最具潜力、最适合深海采矿的提升方式,包括水力管道提升和气举管道提升。目前,对两种提升方式几乎都是区分开单独研究,鲜有将二者联系结合起来的对比分析。本文从深海采矿的经济效益出发,站在提升效率的角度上对二者进行比较,分析了符合实际工程尺寸的管道提升效率。针对水力管道提升的效率,本文从管道中固体颗粒的受力分析着手,推导出了固体颗粒在固-液两相中的运动方程,计算出固体颗粒的临界提升速度。建立摩擦阻力损失、位能损失、内部能量损失构成的管道压力损失模型。在分析管道压力损失模型的基础上,得出相应的管道特性曲线;对水力提升中的动力部件离心泵进行分析,以离心泵的特性工况换算理论为基础,计算并模拟离心泵在特定工况下的特性曲线。将管道特性曲线和离心泵特性曲线置于同一坐标系,计算得出水力提升的系统工作点。并根据水力提升的效率模型,分别计算管径为8、10、12、15英寸的水力提升系统的提升效率。研究表明:浆体浓度在5%～20%的范围内,管径D=300mm,浆体浓度C=15%,浆体流速V=4.65m/s时,水力提升系统的效率最佳,可达37.2%。针对气举管道提升的效率,对固体颗粒在固-液-气三相中的受力进行分析,以此为基础建立气举管道提升系统的临界模型,分别计算出固体颗粒在固-液两相段和固-液-气三相段的临界提升速度。根据固-液-气三相在管道中流动的动量定理,建立气举管道提升的动量模型,总结了固-液-气三相表观速度随管道参数的变化规律;同时从能量守恒出发,建立气举提升系统的效率模型,分析了气举提升系统相关参数对提升效率的影响。结合气举提升系统的临界模型、动量模型、效率模型,分别计算管径为8、10、12、15英寸的气举提升系统的提升效率。研究表明:浆体浓度在5%～20%的范围内,管径D=300mm,浆体浓度C=12%,气体表观速度J=15m/s时,气举提升系统效率最佳,可达20.3%。本论文基于两种提升方式的效率模型的建立和计算,通过二者的比较分析,从提升效率的角度进行评价,为提升方式的选取提供了一定的依据,具有一定的参考价值和现实意义。