水力旋流器溢流余能回收技术探究

2021-11-19韩岳桐樊民强张兴芳

中国矿业 2021年11期

韩岳桐，樊民强，张兴芳

(1.太原理工大学化学化工学院，山西太原 030024；2.太原理工大学矿业工程学院，山西太原 030024)

水力旋流器是一种将流体从一维转变为三维旋转流动，从而在离心力场中实现对物料的分级或分选的设备，大多被应用于石油、化工、煤炭等工程领域[1-4]。崔宝玉[5]和许研霞等[6-8]利用CFD软件对旋流器进行流场模拟得出静压、切向速度、轴向速度和径向速度分布规律，并通过粒子图像测速技术(PIV)[9-11]验证了模拟结果的可靠性，直观地表明了旋流器溢流浆体速度较大，即含有较大动能，而在旋流器的工业应用中这部分动能往往耗散浪费。

动能回收利用在传统意义上主要依靠动能水力发电技术，即通过涡轮机将水能转化为电能。该技术在各行各业都有体现：在建筑行业中，高层建筑中的低楼层用户有大量给水余压能被浪费，童军杰[12]、庒浩等[13]发明了小型余压能动力发电装置，能在保证用户正常用水的前提下有效利用水力余能；樊万柏[14]、刘世浩等[15]和孟维文[16]设计小型双叶轮水力发电机的重力势能回收装置，采用双叶轮大速比驱动实现水能向电能的高效率转化，实现对家用水龙头水流余能的回收；在化工行业，冷却水在通过高位换热器前需要调压阀加压来防止高位换热器回水管道出现负压而影响系统安全，但由于阀门开度较小，导致回水塔顶端压力较大，这部分能量被浪费的同时还可能影响工况；肖礼报[17]发明了一种循环水回水余压发电系统，该系统能够有效解决回水余压较大问题，被山西阳煤集团采用并投入生产[18]。

水力发电中最主要的工作结构就是水轮机，它能把水流的能量转化为旋转机械能，主要分为冲击式和反击式两种类型，一般包括引水结构、导水结构、工作结构和出水结构四部分[19]。其中轴流式水轮机是水流到达叶轮的方向与水流出水口的方向均为轴向的一种反击式水轮机，该水轮机具有安装维修方便、占地面积小等优点[20-22]。通过将旋流器溢流管结构，溢流水力情况和水轮机工作原理结合并设计一套针对旋流器溢流余能二次利用的溢流余能回收装置，申请了国家发明专利并已公开(公开号：[CN110201806A])，本文将通过试验验证该装置能否有效回收溢流余能，并探究其在0.14 MPa入料压力时对旋流器分级效果的影响。

1 溢流余能回收技术研究

溢流余能回收技术的研究包括余能回收装置的设计加工、试验平台的搭建、余能回收试验和试验结果分析。

1.1 溢流余能回收装置设计

该装置是通过借鉴轴流式水轮机结构模型，结合试验所用150 mm内径旋流器的结构特点以及其溢流浆体水力条件，运用机械设计原理设计的，设计简图与现场安装图如图1所示。

图1 溢流余能回收装置结构图

溢流余能回收装置主要包含引水结构、导水结构、工作结构和出水结构，其中引水结构为旋流器，煤浆经过旋流器入料口切向入料，在经过旋流器后，经由溢流口携带动能进入变径管，即导水结构，煤浆由此被导入工作结构，工作结构主要包含余能回收叶轮和浆体带动叶轮高速转动，一方面矿浆推动回收叶轮转动同时带动中心转轴转动，动能得以转化成机械能，旋流器溢流余能得以回收再利用，失去动能的浆体进入到溢流室，通过溢流口排出，即出水结构。在中心轴上安装转速仪感应片利用转速仪测得其转速直观的表征动能利用情况。其中回收叶轮尺寸及结构示意图以20°叶片角叶轮为例，见表1和图2。

表1 叶轮结构参数

图2 叶轮CAD主视图、俯视图与叶轮实装图

1.2 溢流余能回收试验方案

1.2.1 清水试验方案

为验证溢流余能回收技术的可行性，在溢流余能回收试验平台进行以清水为介质的余能回收试验，试验变量包括入料压力、溢流管直径和叶轮叶片角。通过记录不同试验变量下中心转轴转速，整理统计绘制入料压力与转轴转速关系图，并对溢流余能回收效率定性分析。其中，各变量的变化范围见表2。其中，叶片角20°与160°、40°与140°、60°与120°、80°与100°分别关于直角坐标Y轴对称，特此说明。

表2 清水试验试验变量

1.2.2 发电验证试验方案

为探究溢流余能回收装置能否将转化而来的机械能有效利用，在回收装置中心转轴顶端安装发电验证试验电路，电路主要包含微型发电机、定值电阻、整流桥、电压表和交流灯泡五部分，电路图如图3所示。发电验证电路主要分两种，电路图(a)通过电灯泡发光与否验证余能回收转化效果；电路图(b)用于定量测量余能回收发电电路中电压与功率。其中各电路元件的主要参数见表3。

表3 电路元件主要参数

图3 发电试验电路

1.2.3 煤泥分级试验

为探究溢流余能回收装置对旋流器分级效果的影响，在试验平台进行煤泥分级试验，试验煤样取山西焦煤集团公司屯兰选煤厂入洗原煤，使用1 mm筛进行筛分后选用粒级小于1 mm煤样，其中原煤粒度组成见表4。

表4 试验所用煤样颗粒组成

旋流器溢流管直径随机取定为40 mm，由于工业应用中入料压力一般大于0.10 MPa，故取入料压力为0.14 MPa，试验变量为叶轮叶片角。通过试验绘制的煤泥粒度分级曲线探究溢流余能回收装置对旋流器分级效果的影响，其中试验变量变化范围见表5。

表5 煤泥分级试验变量

2 清水试验结果与分析

2.1 清水试验P-n图

图4～图6为清水试验下，溢流直径分别为40 mm、45 mm和50 mm时，试验所得转轴转速与入料压力关系图。

图4 40 mm溢流管转轴转速与入料压力关系图

图5 45 mm溢流管转轴转速与入料压力关系图

图6 50 mm溢流管转轴转速与入料压力关系图

在任意叶轮相同溢流管径下，中心转轴的转速随着压力的增大而增大，即系统输入能量越大回收装置能够回收越多的溢流余能，二者呈正相关。

由清水试验数据可知，叶轮最佳叶片角为20°，当入料压力为0.095 MPa，溢流管直径为50 mm时，该叶轮转速达到最快为1 550 r/min左右；当叶轮叶片角为10°和15°时，由于叶片角较小，叶轮受溢流浆体轴向推力较大，当入料压力较大时，叶轮被水流冲离工作区域，同时中心转轴脱离轴心处，故无法准确试验数据，不做统计；叶片角在60°～140°范围内的叶轮转速在各种条件下转速均较低，其中120°效果最差，在溢流管直径为40 mm与45 mm时甚至无法转动。

当入料压力相同时，转轴转速与溢流管直径相关关系随着叶轮角度的变化而变化，当叶轮角度为15°和20°时，叶轮转速随着溢流管直径的增大而变大，当叶轮叶片角度为10°和25°时，叶轮转速随着溢流管直径的变大而减小。

2.2 发电验证结果与分析

通过清水试验可知，在清水工况中叶轮最佳叶片角为20°，该叶轮在溢流管直径为50 mm时转速最优，故在该条件下按照图4所示电路图安装发电试验电路，分别得到试验现象与试验数据见表6。

表6 电路图(b)试验数据

由试验中电灯在旋流器启动后发光，可直观地看到溢流余能转化为电能的效果；再通过表6试验数据可知，叶片角为20°，溢流管直径为50 mm，电阻两端电压与发电机功率都随着入料压力的增大而增大，在入料压力为0.146 MPa时，电阻两端电压为69.4 V，发电机功率达到48.2 W。由此得出溢流余能回收装置在安装发电机后能有效将溢流余能转化而来的机械能转变成电能再利用的功能。

3 煤泥分级试验

3.1 溢流余能回收效果

根据清水试验结果可知，叶轮叶片角为10°～20°时叶片转速较快，故为缩减煤泥分级试验工作量，使用转速较好的叶轮，即片角为10°、15°和20°的叶轮进行试验，通过测量记录转轴转速。由此得出煤浆条件下，溢流管直径为40 mm时转轴转速见表7。由表7可知，当回收装置安装叶片角为10°、15°和20°的叶轮时，叶轮依然能够保持较高转速旋转，且在这种工况下叶轮最佳叶片角为15°，与清水试验中的20°有所不同，说明矿浆浓度对叶轮最佳叶片角有影响。通过煤泥分选试验的转速表可知溢流余能回收效果随着压力的增大而变大，同时证明溢流余能回收装置的适用性不仅局限于清水工况，为余能回收装置的工业应用提供理论依据。

表7 40 mm溢流管直径转轴转速

3.2 余能回收装置对煤泥分级的影响

为探究余能回收装置对旋流器分级效果的影响，通过煤泥分级试验，得到旋流器分别在无叶轮、10°叶轮、15°叶轮和20°叶轮四种条件下入料压0.14 MPa时的煤泥分级曲线，如图7所示。由图7可知，当入料压力为0.14 MPa时，四种条件的粒度分配曲线基本重合，即当溢流管直径为40 mm，入料压力为0.14 MPa时，溢流余能回收装置对旋流器的分级效果基本无影响。