国内金属非金属矿山绝大部分采用无轨燃油运输设备向井下输送燃油，然而在斜坡道、中段及其他巷道内运输的过程中，存在车辆故障、交通事故、燃油泄漏起火等安全风险，无轨设备本身消耗燃油且排放的尾气也会污染井下环境，尤其对于高井深矿山，无轨燃油运输设备运行距离长、速度慢，导致燃油输送能力小、效率低。燃油管道输送系统是一种代替传统无轨燃油运输设备向井下输送燃油的新型输油方式，是高井深矿山燃油输送发展的新方向[1,2,3,4]。

燃油管道输送系统通过金属管道将燃油从矿山地面直接输送到井下，在井下建立油库和加油站，井下无轨车辆可以自行加油。燃油在管道内垂直向下输送过程中，球阀开关时易产生水锤效应，需要分析管道输油压力、流量、水锤压力等关键参数，以提出对应的优化措施[5]。

近年来，国内外研究机构和学者们对管道输送系统流动特性做了大量的研究[6,7,8,9,10],但对长距离燃油垂直输送系统方面的研究非常少。本文针对金川集团股份有限公司龙首矿井下燃油管道垂直输送系统，研究水锤效应形成机理，分析系统输送过程中的稳态特性和动态特性，提出管道泄压输送技术和水锤效应抑制技术，对燃油管道垂直输送系统关键参数进行优化，为燃油管道垂直输送系统设计和安装提供理论支撑。

1、矿山井下燃油管道垂直输送系统

燃油管道垂直输送系统主要包括地面油罐、输油管道、排气管道、截止阀、过滤器、井下油罐、控制系统、计量系统、加油系统、监控系统，图1主要体现输油管道部分，其他部分予以简化[11]。

图1 矿山井下燃油管道垂直输送系统  

矿山柴油管道垂直输送系统涉及机械、电气、液压、控制、勘探、井巷施工等多种技术，与矿山实际生产条件、井巷地理环境条件密切相关，是一个复杂的系统工程。本文采用数值模拟方法模拟管道输送系统实际运输工况下的柴油输送压力、流速，重点研究柴油下向输送压力、流速控制技术及水锤效应，分析柴油下向输送过程中的流动特性，解决高井深泄压输送技术难题，提出水锤效应的预防措施[12,13,14,15]。

2、柴油管道垂直输送流动特性分析

由于重力作用，柴油垂直向下输送时会在井下形成较大的静压强，为了控制输油速度，需要在井下水平管上设置球阀，在球阀开关过程中容易产生水锤效应，造成阀体、管路和接头等损坏。为了保证管路正常运行，需要分析管路静压强、阀门节流压差、水锤压力大小等关键参数，以提出优化措施。本文采用AFT Impulse软件分析柴油管道垂直输送系统的流动状态，研究动态过程中管道内的压力分布与水锤效应。

2.1 仿真模型

燃油管道垂直输送系统仿真模型如图2所示。上油库为地面输油端，下油库为井下储油端，其液面压强均为大气压强；模型中P3为向下输油立管，直径为48 mm, 弹性模量约为200 GPa, 泊松比为0.3。3根水平管P1、P4、P5与立管采用相同材质。J3和J4为两个直角弯头；TJ7为流量控制球阀。

图2 燃油管道垂直输送系统仿真模型

2.2 稳态特性分析

本文以井深为310 m的输油高差进行分析，首先分析阀门关闭时管内压力分布，见表1;然后分别计算出1.667 t/h、2.5 t/h、5 t/h三种稳定流量下管内的稳态压力，见表2至表4。

表1 阀门关闭时管内压力分布

表2 稳定流量为1.667 t/h时管内压力分布

表3 稳定流量为2.5 t/h时管内压力分布

表4 稳定流量为5 t/h时管内压力分布

由表中结果可知，随着输油流量的增大，管内流速增大，各管段压损增大。而立管P3压损为负值是由于位置压头远大于压损、总静压增大导致的，用位置压头2761.6 kPa进行修正，可得到稳定流量为1.667, 2.5, 5 t/h时的流动损失分别为20, 40, 135 kPa。比较各管段压力分布可知，随着流量增大、管内压损增加，井下水平管的静压力会有所增大，球阀前后压差也会略微降低，但由于流动损失较小，其降低幅度有限。

2.3 动态特性分析

输油管路系统中，球阀开关时会在球阀前后形成水锤，造成井下水平管、阀门和弯头等处压力增大，是主要的危险工况。阀门开启过程的负压水锤产生的压力一般小于阀门关闭过程中的正压水锤，因此，本文主要研究阀门关闭过程的动态特性。

2.3.1 不同质量流量下管内的动态特性和水锤压力

本文研究了不同质量流量下，阀门0.1 s关闭过程中的动态工况，不同质量流量下阀前压力变化曲线如图3所示。

图3 不同质量流量下阀前压力变化曲线  

由图3可知，当阀门关闭时阀前会形成明显的正压水锤，且会产生较长时间的压力波动。随着质量流量增大，水锤形成的压力增大，尤其是当质量流量为5 t/h时，管内形成尖锐的压力波峰，最大值接近5 MPa, 远大于管路稳态工作的最大压力，这有可能会造成阀门和弯头压力损坏和泄露。同时水锤会形成周期约为1 s的压力波动，且随着流量增大，压力波动幅度会逐渐增大。当质量流量为5 t/h时，压力波动幅度达到3 MPa, 如此高频、大幅度的压力波动会反复冲击阀门、接头等连接件，加速其损坏。此外，管内液体的压力波动也会造成管路剧烈振动，导致管路固定装置松脱等，尤其是立管的固定和支持结构的松动。

由图4可知，随着质量流量增大，阀后也会产生较大的压力波动。由于本模拟中阀后管路连接油库，阀后压力降低后油库内的油会倒流，以防止管内产生较大负压，而实际输油管路一般没有与油库中的油相连。因此，阀后压力降低可能会导致管内吸入气体，或者导致油库内压力波动。若油库内压力平衡不好，管内可能会形成较大的负压，造成柴油闪蒸和凝结，形成更加严重的水锤现象，对阀门及阀后设备造成损害。

图4 不同质量流量下阀后压力变化曲线  

表5为0.1 s关阀动态过程中，不同质量流量时，最大压力和最小压力结果。由表5可知，随着质量流量增大，最大压力增加，5 t/h时最大压力达4720.5 kPa, 最大压力位于管P4末端，而且此时最大压力形成时间远大于小质量流量时，这可能是由于在立管P3中形成了柴油的闪蒸水锤。当质量流量为5 t/h时，立管P3中最小压力达到了79.5 kPa, 从而产生了柴油的闪蒸，引发闪蒸水锤，造成压力的进一步增大。

分析表5中最小压力可知，3种质量流量下水平管P5中最小压力均小于柴油的饱和压力，说明阀后发生柴油的闪蒸，产生较大的压力波。随着质量流量增加，柴油闪蒸愈加明显，形成的水锤压力也越大，对阀门和油库造成较大冲击。

表5 不同质量流量时最大压力和最小压力结果

2.3.2 不同阀门关闭时间管内的动态特性和水锤压力

阀门关闭时间是减小和消除关阀水锤的有效措施之一，因此本研究还分析了质量流量为5 t/h时，不同阀门关闭时间，管内的动态特性和水锤压力，其结果见图5、图6及表6。

图5 不同阀门关闭时间阀前压力变化曲线   

由图5可知，当阀门关闭时间为0.2 s和0.4 s时，水锤压力降低有限，只是减小了压力在1 s后的尖锐波峰，可能是降低了立管内的柴油闪蒸，但水锤峰值压力和压力波动降低有限，图5中0.2 s和0.4 s关阀时间的结果几乎重合。只有阀门关闭时间增大到1 s和2 s后才可以明显降低阀门关闭的水锤效应。

由图6可知，增加阀门关闭时间，可以降低阀后柴油的闪蒸，从而降低阀后的压力波动。当关闭时间增大到1 s和2 s后，阀后几乎不会出现水锤效应。

图6 不同阀门关闭时间阀后压力变化曲线  

表6 不同阀门关闭时间管内最大压力和最小压力结果

由表6可知，随着关阀时间增加，最大压力会逐渐降低，最小压力会逐渐增大；尤其是当时间由0.1 s增大到0.2 s以后，立管P3最小压力大于柴油的饱和压力，从而避免了柴油闪蒸引发的水锤效应。当关阀时间大于1 s后，水平管P5的最大压力也大于柴油的饱和压力，从而避免了阀后发生水锤效应。

2.4 仿真结果分析

井下阀门关闭过快会引起较大的水锤效应，水锤效应引起的最大压力与柴油的质量流量和关阀时间有关，降低柴油质量流量和增大关阀时间可以明显降低水锤效应，当质量流量由5 t/h降低到1.667 t/h时，水锤最大压力可以由4720.5 kPa降低到3293.8 kPa; 当关阀时间由0.1 s增大到1 s时，水锤的最大压力可降到3485.8 kPa。

不过降低柴油质量流量和增大关阀时间实际过程中有一定限制，尤其是在紧急工况关阀时，关阀时间不能太慢，而较小的质量流量会极大地增大输油时间，因此可以考虑一些其他降低水锤效应的方法。

3、柴油管道垂直输送优化与分析

通过降低管内柴油质量流量和增大关阀时间，可以在一定程度上削弱水锤压力，但其作用有限，实际工程中，可采用空气平衡器(阀)、水锤消除器、缓闭止回阀和泄流阀等措施防治水锤的危害。针对井下输油立管高差大，井下水平管静压过大的问题，本文提出了如图7所示的优化方法。此优化方法在立管中设置减压阀，通过多段减压阀逐步消除重力形成的位置水头，降低井下水平管内的静压差，同时在井下阀门前设置缓闭止回阀，以减弱阀门突然关闭时，压力波向井下弯头和立管传播，从而降低阀门前后压差。

当井深为310 m, 质量流量为5 t/h, 关阀时间为0.1 s时，计算管网内水锤压力波动，其结果如图8所示。在立管150 m处加装减压阀，可有效降低水平管内的静压强，从而使水锤产生的压力峰值显著降低，但对水锤效应影响有限。通过在球阀前加装止回阀，可以有效降低阀前压力波动，消除关阀水锤效应。但本模拟中并未有效控制止回阀的关闭时间，因此止回阀前亦形成较为明显的水锤效应，在实际应用中可以降低止回阀的关闭时间，从而降低止回阀前的水锤效应。

图7 优化后的管道输送系统结构

图8 优化后管内压力变化曲线  

4、结论

为了解决矿山高井深燃油管道垂直输送系统水锤效应问题，本文采用模拟仿真方法分析了柴油管道输送系统的稳态压力分布和不同工况下动态压力分布，并进行了对比分析和研究，最后提出了加装减压阀和止回阀来抑制燃油管道垂直输送系统的水锤效应。

(1) 井下输油由于较大的高度落差，在井下水平管内会形成较大的位置水头，从而增大井下管路的静压强和阀门前后压差，对井下管道、阀门的强度与密封等提出了较高的要求。

(2) 井下阀门关闭时会形成关阀水锤，当质量流量较大、关阀速度过快时，阀前会形成较大的压力峰值和频率较快的压力振荡，同时在立管顶部和阀后均会形成负压，当负压较大时，会形成弥合水锤，并造成柴油闪蒸，进一步增大水锤波的压力峰值，对管路、结构和阀门产生较大冲击，不利于其安全运行。

(3) 降低质量流量和增加阀门关闭时间均会在一定程度降低水锤效应，减小水锤压力峰值。

(4) 对于高井深输油系统，通过在立管加装减压阀，可有效降低井下水平管的工作压力，从而减小水锤产生的压力峰值；在阀前安装缓闭止回阀可以有效消除阀前水锤压力波，但缓闭止回阀的关闭时间应该进一步优化，以免在止回阀前形成正压水锤。

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文章来源:胡林翠,张登云,徐明儒,等.矿山高井深燃油管道垂直输送系统流动特性分析[J].矿业研究与开发,2024,44(05):228-233.