地浸采铀井场管路阻力损失计算[精品]

地浸采铀井场管路阻力损失计算[精品] 地浸采铀井场管路阻力损失计算 王海峰 (核工业北京化工冶金研究院，北京 101149) 摘要:由于缺乏地浸采铀井场管路设计的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 和 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 ，近些年在一些新建矿山中，出现输送能力与管路系统不匹配的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，通过对井场管路和集中控制室内管路的阻力损失计算得知，管路长度与阻力损失成正比关系，是造成沿程阻力损失增大的主要因素，而集中控制室内管路变径和弯头产生的局部阻力损失也不容忽视，管路设计中必须考虑地形高差、管路长度、变径和弯头的综合影响。 关键词:地浸采铀; 井场; 管路; 阻力损失 由于地浸采铀方法采出的不是矿石而是含金属溶液，液体的管路输送就成为地浸采铀矿山最为重要的工序之一。液体管路输送大量应用在水利水电和石油等部门，而这些部门对输送不同介质的流速和管径的确定有严格的标准和规范，并具有相当成熟的经验。但由于地浸采铀技术的开发和应用时间在我国相对较短，尚未建立管内液体流速和管路直径计算的统一公式，缺乏地浸采铀领域井场管路设计的标准和规范。在这种情况下，新建矿山井场管路内液体流速的确定和管路直径的选择很大程度上取决于设计者的理念，各矿山千差万别。 随我国新建地浸采铀矿山的增多，生产时间的增长，井场设计忽略管路阻力损失的计算所产生的问题凸显。设计者在选取管路时首先假定液体流速，进而根据所需输送流量计算管路直径。这种管路选择模式在一定条件下可行，但是，当管路长度较大时受沿程阻力损失的制约输送能力无法保证。造成这种现象的主要原因是在管路设计阶段忽略了阻力损失的计算，特别是当管路较长时，问题更为明显。另外，当集中控制室内注入井数量大时，由于管路变径和弯头的作用，也会造成系统阻力损失增大。 1 地浸矿山长距离管路输送实例 1.1 1号矿山 来自配液池的浸出剂经注液总管输送到井场后，通过注液主管分配到4个集中控制室，计量后经注液支管注入矿层。浸出液经集液支管进入集中控制室，计量后通过集液主管汇集至集液池，集液池通过集液总管与水冶厂相连。注液和集液总管采用DN300mm的钢骨架复合 3塑料管，长度分别为650m和550m。注液总管和集液总管通过流量248m/h。 1.2 2号矿山 硫酸由贮酸罐经输酸管自流进入配液池与吸附尾液混合，配好的浸出剂由泵通过注液总管、注液主管经集中控制室，再经注液支管分配到注入井。浸出液在集中控制室汇集后由集液主管送至集液池，再由集液总管送至吸附塔。注液总管和集液总管均采用DN300mm钢骨架 3复合塑料管，长度分别为400m和700m，通过流量385m/h。 1.3 3号矿山 吸附尾液自流至配液池，泵送至缓冲池，再经二次泵增压后分流至采区各集中控制室。在每个集中控制室的注液主管上加注二氧化碳气体，在集中控制室的每根注液支管上加注氧气计量后注入各注入井。由配液泵站至缓冲池和二次泵站至采区输液由注液总管完成。集中控制室内汇集的浸出液通过集液主管自流进入集液池，再通过集液总管进入水冶厂。注液总 3管和集液总管均采用2根DN350钢骨架复合塑料管。每根长度2525m，通过流量600m/h。 1.4 4号矿山 浸出剂和浸出液输送流程与3号矿山相同，注液总管和集液总管为2根DN350钢骨架复 3合塑料管，每根长2500m，通过流量405m/h。 1.5 5号矿山 吸附尾液在原液泵剩余扬程的作用下流入注液增压泵房，增压后通过注液总管输送至井场，分流进入各采区集中控制室，计量后注入每个注入井。各抽出井通过支管与集中控制室相连，在集中控制室内完成计量工作，经集液主管流入集液池，集液池内的浸出液通过集液泵房加压后输送至水冶厂。注液总管和集液总管采用DN350钢骨架复合塑料管，长度300m， 3 输送液体量824m/h。 2 长距离管路输送液流状态分析 2.1 流体相的假设 上述介绍的5个地浸矿山将注液总管和集液总管视为长距离输送管路。其中1号矿山和2号矿山采用硫酸浸出工艺，不存在气体的加入。浸出液中所含的气体在输送前通过集液池得到释放，因此输送介质不含气体，可视为单相流。3号、4号和5号采用CO+O浸出工艺，22二氧化碳分别加在吸附前和吸附后，吸附前对输送无影响，吸附后加入量少且因二氧化碳溶解量大，不会产生气体。氧气的加入均发生在液体输送之后，因此，可将这3个矿山输送介1040 质视为单相流 2.2 管路类型 5个矿山的管路长度大，中途无直角转弯和阀门，局部水头损失和流速损失之和与沿程注液支管φ324.42900 流量计水头损失的比远小于5%，视为长管。而且，输送管路为单根，直径不变，无串联、并联、1100阀门注液总管φ884树状或环状出现，视为简单管路。 2.3 管中流体流态判别 地浸采铀中液体在管内的流态可通过雷诺数的计算得知。圆管中临界雷诺数常取2320 [1]为判别值，R,2320为层流，否则为紊流。 e vdR, (1) e, 式中:R-----雷诺数; e d--------管路直径，m; v-------管内液体流速，m/s; 2 ν------运动黏滞系数，m/s。 根据5个矿山输送管路的参数，可计算出各矿山的管内液体输送流速，见表1. 表1 地浸矿山井场管路设计参数 3 Re矿山 管路用途 管路规格 液流量/ m/h 长度/m 流速/m/s 注液总管 DN300 650 1号矿山 248 0.97 242500 集液总管 DN300 550 注液总管 DN300 400 2号矿山 385 1.51 377500 集液总管 DN300 700 注液总管 DN350 2×2525 3号矿山 1180 1.70 495833 集液总管 DN350 2×2525 注液总管 DN350 2×2500 4号矿山 910 1.17 341250 集液总管 DN355 2×2500 注液总管 DN350 300 5号矿山 824 2.38 694166 集液总管 DN350 300 2矿山平均地下水温度14?，运动黏滞系数0.01176cm/s。根据公式(1)计算出的5个矿山R远大于2320，故管内液流全部呈紊流流态。 e 3 长距离管路输送沿程阻力损失 3.1 管路沿程阻力损失 注液总管和集液总管为钢骨架复合塑料管，管内液流呈紊流运动，根据石油和水利水电 [2]部门金属管道 设计规范 民用建筑抗震设计规范配电网设计规范10kv变电所设计规范220kv变电站通用竖流式沉淀池设计 和经验，液体输送的沿程阻力损失采用达西(Darcy)公式计算。 2lv (2) h,,f2dg 式中:h------------沿程水头损失，m; f λ―――沿程阻力系数; l――管段长度，m; 2 g----重力加速度，m/s。 查表得知，管路当量粗糙度为Δ=0.19mm，直径300mm和350mm的管路则相对粗糙度根据公式Δ/d计算分别为0.00063和0.00054，根据管路R值和相对粗糙度可在莫迪图中查e 得沿程阻力系数λ，根据公式(2)计算管路沿程阻力损失，结果见表2。 表2 地浸矿山井场管路阻力损失 矿山 管路用途 管路规格 相对粗糙度 阻力系数 阻力损失/m 0.00063 2.49 1号矿山 注液总管 DN300 0.024 集液总管 DN300 0.00063 2.11 注液总管 DN300 0.00063 3.57 2号矿山 0.023 集液总管 DN300 0.00063 6.24 注液总管 DN350 0.00054 25.53 3号矿山 0.024 集液总管 DN350 0.00054 25.53 注液总管 DN350 0.00054 11.97 4号矿山 0.024 集液总管 DN355 0.00054 11.97 注液总管 DN350 0.00054 5.45 5号矿山 0.022 集液总管 DN350 0.00054 5.45 3.2 液体流速对管路沿程阻力损失的影响 从公式(2)看出，管路沿程阻力损失与管内液体流速的平方成正比，因此，井场长距离输送管路设计时必须根据输送流体类别确定合理的流速，表3为常见流体推荐流速值。 表3 不同种类液体流速推荐值 流体类别 流体类别 流速范围/m/s 流速范围/m/s 水及一般液体 压强较高的气体 1,3 15,25 粘度较大的液体 0.5,1 饱和水蒸气:8个大气压以下 40,60 低压气体 8,15 3个大气压以下 20,40 易燃、易爆的低压气体 过热水蒸汽 ,8 30,50 从表1看出，全部5个矿山管路输送流速都在表3推荐值域之内，符合要求，最大流速为5号矿山2.38m/s。虽然地浸采铀矿山长距离管路输送对流速确定无标准和规范，但近些年在设计中，一般流速控制在1.5m/s，以此为标准，3号矿山和5号矿山流速都超过限值。 3.3 管路直径的的影响 从公式(2)看出，沿程阻力损失与管路直径成反比，分析5个矿山的沿程阻力损失看出，3号矿山的阻力损失最大，达25.53m。如果将3号矿山的总管直径增大到700mm，那么，沿程阻力损失可以减少50%以上。 3.4 管路沿程阻力损失分析 依据表2中的阻力损失计算结果，各矿山设计的液体输送管路完全能够满足生产的要求。但必须提及，计算假定管路水平铺设，如果输送过程中存在坡度变化，那么管路输送能力就值得质疑。而绝大多数地浸矿山地表地形高低起伏，液体输送高差50m很常见。在这种情况下，以3号矿山为例，输送泵扬程必须大于75m，这势必造成泵的选择难度和增大动力成本。另外，1号矿山沿程阻力损失不到3m,过小，从减少投资考虑可以缩小管路直径。 4 井场集中控制室管路液流状态 4.1 管路布置形式 [3]某矿山条件试验在砂岩型铀矿床展开，钻孔呈5点型布置，1个抽出井4个注入井，抽注井间距25m。现场未设置配液池和集液池，抽出的浸出液直接进入吸附槽，吸附尾液经 1040袋式过滤器后由泵加压进入集中控制室，通过注液总管和注液支管分别注入4个注入井。试 3验期间总注液量0.0022m/s，注液压力水头100m。 为便于 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 钻孔抽注液量，现场设集中控制室，注入的浸出剂和抽出的浸出液均经集中控制室计量，集中控制室管路布置见图1。图1中4根管路长度分别为5040mm、4640mm、4240mm和3840mm，流量计处管路间隔300mm，其他地段间隔50mm。管路为不绣钢管，注液总管φ88×4mm，注液支管φ32×4.4mm。 注液支管φ324.42900 流量计 1100阀门 注液总管φ884 图1 集中控制室管路布置示意图 4.2 流体相的假设 现场试验采用CO+O浸出，CO在浸出液进入吸附槽之前加入，O通过氧气管直接进入2222 注入井底部。由于这两种气体的加入，浸出剂从注入井经矿层运移至抽出井过程中，液流不可比避免地参杂气体。但考虑与液体量相比气体量极少，计算时仍视地下液体为单相流。 4.3 管路类型 1040 从图1看出，管路在有限长度内多次直角转弯，局部阻力损失大;管内流速1.3m/s，流速损失大;并且无忽略局部水头损失和流速水头的充分依据，因此，集中控制室注液分配系统按短管进行计算。 注液支管φ324.42900 流量计 集中控制室内注液分配系统由两种不同直径的管路组成，且注液主管与4根支管呈并1100阀门注液总管φ884联，因此，视之为复杂管路。 4.4 管中流体流态判别 从图1中得知，Φ88的主管长度短，只起液流分配的作用，流速0.44m/s，计算中侧 3重各支管。由于主管分支为4个支管，则每根支管流量为0.00055m/s，支管流速为1.30m/s，根据公式(1)计算R=25133.33，大于2320,故支管内液体呈紊流流态。e 5 集中控制室管路阻力损失计算 5.1 沿程阻力损失 集中控制室内注液管路为金属管路和PVC管路混合，为计算方便均视为一般钢管。根据管路R值和相对粗糙度可在莫迪图中查得沿程阻力系数λ=0.038.前面计算得知，管内液e 流呈紊流运动，依据长管沿程阻力损失计算参数，应用公式(2)以最外侧管路为例，管长 5.04m，沿程阻力损失为0.72m，同理，其他三根管的沿程阻力损失分别为0.66m，0.61m和0.55m。 5.2 局部阻力损失 5.2.1 局部阻力损失公式 局部水头损失一般都可以用一个流速水头与一个局部水头损失系数的乘积来表示，即: 2v (3),,hj2g 式中:h—局部水头损失，m; j ξ----局部水头损失系数。 分析图1得出，浸出剂输送过程中在集中控制室产生局部水头损失的断面有: (1)主管中液流分配至支管采用变径方式，造成过水断面突然缩小; (2)液流分配器中进入各支管的进口处未修圆，呈直角状况; (3)支管经3个直角弯头将浸出剂输送至注入井; (4)每根支管安装一个阀门。 每根支管中安装的流量计内经与管路内经一直，计算时不考虑其局部水头损失。 5.2.2 管路变径阻力损失: 过水断面突然变小局部阻力损失系数ξ=0.5(1-A/A)，A为变化后管路过水断面面积，212 2A为变化前管路过水断面面积。根据集中控制室中管路的数据，v=0.44m/s,A=5024mm，111 2A=422.52mm，ξ=0.49，根据公式(3)，计算变径局部阻力损失为0.0048m。 2 5.2.3 支管直角进口局部阻力损失: 查表得出进口未修圆的局部阻力损失系数ξ=5，计算得出直角进口局部阻力损失为0.043m。 5.2.4 支管阀门局部阻力损失: 球形阀门全开时局部阻力损失ξ=0.5，半开时ξ=2.5,因各井注液量差异，每个支管的阀门开启度不同，计算时设定外侧起第1根和第3根为半开，另2根为全开，计算阀门全开局部阻力损失为0.043m，半开0.22m。 5.2.5 支管直角弯头局部阻力损失: 主管进入支管后，经3个直角弯头才恢复到原主液流方向，进入注入井，每个弯头的局 部阻力损失相等，查表得知急转弯头局部阻力损失系数ξ=1.10，计算直角弯头局部阻力损失为0.095m。 5.2.6 集中控制室内管路总阻力损失 根据前面的计算结果，从外向内的第1根和第3根支管的总局部阻力损失为0.55m;第2根和第4根为0.38m，支管总阻力损失分别为1.27m、1.04m、1.16m和0.93m。现场试验中浸出剂加压注入，压力水头100m，液流经过集中控制室后压力降为4.40m。从中看出，本例中管内液体流速在适宜范围内，集中控制室内的阻力损失较小。 鉴于这种计算结果，可以考虑借助注液泵的压力水头，将浸出剂经过集中控制室再注入地下的无配液池流程。同样，借助潜水泵的压力水头，将抽出的浸出液经集中控制室直接送至吸附塔的无集液池流程也是可行的。但是，如果集中控制室内安装的注入井过多，例如30个，依据本例安装方式，阻力损失达33m，不容忽视。因此，集中控制室内管路设计时必须尽量避免弯头、变径的出现，减小不必要的局部阻力损失。 5.3 总水头线的绘制 为直观了解集控室浸出剂注入过程液体位能、压能、动能及总能量沿程的变化，绘制了总水头线图(图2)。总水头线图绘制中，以断面为变化基点，按水头损失量垂向扣除。测压管水头线是总水头线下移一个流速水头。从图2看出，测压管水头线全程位于管路轴线的上方，无负压存在，管内未产生真空，压强分布在管路使用允许范围内，管路可以正常工作。 29005005401100 总水头线 2 测压管水头线 w1-5j 图2 集控室浸出剂输送总水头线 6 结论 (1)地浸采铀井场液体输送管路阻力损失计算时，可将其视为理想液体，液体流态呈紊流; (2)在推荐的液体流速下，长距离输送液体的抽注液总管阻力损失较大，集中控制室 内管路变径、弯头和阀门等是造成局部阻力损失增大的主要因素，当集中控制室内安装注入 井数量大时必须引起注意; (3)无论是管路的沿程阻力损失还是局部阻力损失都与液体流速的平方成正比，因此， 地浸采铀井场管路设计时，应使用正确的管径计算公式，保证流速在推荐值之内，减小管路 的阻力损失; (4)无论是管路的沿程阻力损失还是局部阻力损失都与管路长度成正比，对于集中控 制室可忽略长度的影响，但是，对于井场抽注液总管，设计时必须考虑因长度增大而产生的 阻力损失，如果设计初期应用水力学中提出的经验公式计算管路直径，管路d,4Q/,v 直径选定后必须用达西公式计算沿程阻力损失，验证直径的合理性。管路长度超过2000m 时，必须综合考虑管路直径和泵站二次加压的投资，使设计合理; (5)必须注意，本文中的抽注液总管沿程阻力损失是在管路水平铺的假定条件下计算 得出的，但实践证明，地浸矿山抽注液总管绝大多数途中高低起伏，有的高差超过50m，在 这种情况下，系统阻力损失是管路沿程阻力损失和地形高差之和; (6)地浸采铀矿山管路设计时，必须总体考虑地形高差、长距离输送管路和集中控制 室内管路的沿程阻力损失和局部阻力损失，建设合理的液体管路输送系统。 参考文献 [1] 薛禹群主编.地下水动力学. 北京:地质出版社，1997:11-15. [2] 张春满，郭艺主编.工程水文水力学.北京:中国水利水电出版社，2007:34-43. [3] 王亮，王海峰，霍建党，等.纳岭沟矿床地浸采铀现场试验浸出液铀浓度变化研究.中国 核科学技术进展报告，2013.9:3(2)148-154. Calculation of pipe resistance loss for well field of in-situ leaching uranium mining Wang Haifeng (Beijing Research Institute of Chemical Engineering and Metallurgy, CNNC, Beijing 101149, China) Abstract: The layout and resistance loss calculations are an important part for well field design of in-situ leaching uranium mine. As lack of standards and regulations, overhigh frictional resistance loss of well field pipe happened in newly built in-situ leaching uranium mines, in some extent, restricted the transportation power of pipe. By resistance calculation of gross injection and pumping pipe as well as pipe in header house, the length of pipe, often neglected by designers, is direct proportion to frictional resistance loss which is the major factor to increase resistance, while the local resistances caused by diameters change and elbows in header house also can not be ignored. Key words: in-situ leaching of uranium; well field; pipe; resistance loss