一种深海采矿垂向提升泵管系统

1.本发明涉及深海采矿工况的流体机械领域，特别涉及一种深海采矿垂向提升泵管系统。


背景技术：

2.深海海底蕴含着丰富的矿产资源，深海矿产资源已成为国际竞争焦点，谁拥有深海采矿技术，谁就占据了海洋矿产资源开发的“制高点”。“海上采矿船-矿浆泵水力提升系统-海底履带集矿机”作为我国目前的采矿技术方案，矿浆泵水力提升系统作为采矿系统中的一个主要组成部分和核心技术，很大程度上决定了采矿系统成功的概率。与先进国家相比，我国深海矿石资源开采技术还有较大差距，必须加快研发进程。


技术实现要素：

3.针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种深海采矿垂向提升泵管系统，以输送单元为动力节点，该动力节点以高效率、无阻塞、大粒径通过性、回流顺畅为设计准则和技术要求，通过对动力节点上混输泵单元、阀门和管路的整体结构设计，保证提升系统的性能满足技术要求，也保证整个提升系统的长期稳定运行。本发明主要针对矿浆泵水力提升系统，输送单元是长距离混输提升系统中的一个动力单元节点，提供了一种新型的提升系统动力节点的结构型式，保证提升系统的性能满足技术要求，也保证整个提升系统的长期稳定运行。
4.一种深海采矿垂向提升泵管系统，所述垂向提升泵管系统包括若干个输送单元，每个输送单元包括提升管一、分叉管一、电磁阀一、混输泵一、托架一、电磁阀二、分叉管二、提升管二、分叉管三、电磁阀三、托架二、混输泵二、螺旋连接管、电磁阀四、分叉管四、电磁阀五和桁架所述提升管一与提升管二之间通过电磁阀五连接并连通，所述提升管一另一端与上一输送单元的提升管二另一端连接；所述分叉管一和分叉管四设置在提升管一上并连通，所述分叉管二和分叉管三设置在提升管二上并连通；所述混输泵一和混输泵二通过螺旋连接管串联，在所述螺旋连接管上设有两个分叉口分别与电磁阀二和电磁阀四进行连接，所述混输泵一的出口通过电磁阀一连接至分叉管一，所述分叉管三通过电磁阀三连接至混输泵二的进口；所述托架一和托架二均安装在桁架内，混输泵一安置在托架一上，混输泵二安置在托架二上；所述提升管一、分叉管一、分叉管二、提升管二、分叉管三和分叉管四均安装在桁架内；所述提升管二另一端与下一输送单元的提升管一另一端连接或者插入装有深海矿产颗粒的中继仓内，通过混输泵一或/和混输泵二输送深海矿产颗粒介质，所述介质为液固两相流或液固气三相流；通过选择性的控制电磁阀一、电磁阀二、电磁阀三、电磁阀四和电磁阀五的动作，实现多工况下不同管路的深海矿产颗粒介质方式。
5.进一步，所述提升泵管系统垂向安装，所述混输泵一和混输泵二为所述输送单元的动力单元，所述输送单元的工作模式包括常规工况，在常规工况下，所述电磁阀一和电磁阀三开启，所述电磁阀二、电磁阀四和电磁阀五关闭，所述提升管二内的矿产多相介质依次
通过分叉管三、电磁阀三、混输泵二、螺旋连接管、混输泵一、分叉管一，最终流至提升管一。
6.进一步，所述输送单元的工作模式还包括泵单元故障工况，当所述混输泵一发生故障时，所述电磁阀三和电磁阀四开启，所述电磁阀一、电磁阀二和电磁阀五关闭，所述提升管二内的矿产多相介质依次通过分叉管三、电磁阀三、混输泵二、螺旋连接管、电磁阀四和分叉管四，最终流至提升管一，保证单泵故障工况提升系统不堵塞。
7.当所述混输泵二发生故障时，所述电磁阀一和电磁阀二开启，所述电磁阀三、电磁阀四和电磁阀五关闭，所述提升管二内的矿产多相介质依次通过分叉管二、电磁阀二、螺旋连接管、混输泵一、电磁阀一和分叉管一，最终流至提升管一，保证单泵故障工况提升系统不堵塞。
8.当混输泵一和混输泵二同时发生故障工况时，所述电磁阀五开启，所述电磁阀一、电磁阀二、电磁阀三和电磁阀四关闭，所述提升管二内的矿产多相介质通过电磁阀五直接流至提升管一，通过其他动力节点上混输泵单元保证双泵故障工况提升系统不堵塞。
9.进一步，所述混输泵一和混输泵二规格相同，且周向对称分布安装；所述分叉管一、分叉管二与分叉管三、分叉管四规格相同，且对称安装；所述桁架在水平方向上为三角形分布，并以提升管一为桁架在水平面方向的重心，保证整个泵管系统的重心在于提升管的中心轴线重合，减小长距离提升系统的挠度。
10.进一步，所述混输泵一和混输泵二的进口均向下，泵轴沿竖直方向安装，所述混输泵一和混输泵二的蜗壳出口方向均为竖直向上的结构型式，所述混输泵一和混输泵二的蜗壳内的侧壁均水平向上倾斜，保证一旦发生回流时矿物颗粒可从蜗壳和叶轮中顺利回流，减少堵塞的可能性。
11.进一步，所述混输泵一或混输泵二的叶轮叶轮出口宽度和叶轮流道的最小过流尺寸均大于叶轮进口直径的40％，以叶轮的安装方向为基准，叶轮的前后盖板均水平向上倾斜，保证大粒径的颗粒可以顺利通过。所述混输泵一或混输泵二蜗壳的出口扩散段结构是出口方向从轴面方向向轴面法向方向改变。
12.本发明的有益效果如下：
13.本发明所述的深海采矿垂向提升泵管系统，通过对提升泵管系统的整体结构的全新设计，每个动力节点的动力单元采用两台离心泵，离心泵、管路和阀门水平面上对称分布，保证整个垂向管路系统垂向受力均匀，通过对泵阀管路的连通设计，保证整个提升系统流动顺畅、无阻塞，且能保证在泵单元发生故障时整个提升系统依然能正常运行。
附图说明
14.图1为本发明所述的垂向提升泵管系统的结构示意图；
15.图2为本发明所述的垂向提升泵管系统的桁架布置俯视图；
16.图3为本发明所述的离心式混输泵结构示意图；
17.附图标记说明：
18.1-提升管一；2-分叉管一；3-电磁阀一；4-混输泵一；5-托架一；6-电磁阀二；7-分叉管二；8-提升管二；9-分叉管三；10-电磁阀三；11-托架二；12-混输泵二；13-螺旋连接管；14-电磁阀四；15-分叉管四；16-电磁阀五；17-桁架；41-蜗壳；42-叶轮；43-进口法兰。
具体实施方式
19.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
20.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
21.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
22.如图1所示，本发明所述的深海采矿垂向提升泵管系统，所述垂向提升泵管系统包括若干个输送单元，每个输送单元包括提升管一1、分叉管一2、电磁阀一3、混输泵一4、托架一5、电磁阀二6、分叉管二7、提升管二8、分叉管三9、电磁阀三10、托架二11、混输泵二12、螺旋连接管13、电磁阀四14、分叉管四15、电磁阀五16和桁架17所述提升管一1一端与提升管二8一端之间通过电磁阀五16连接并连通，所述提升管一1另一端与上一输送单元的提升管二8另一端连接；所述分叉管一2和分叉管四15设置在提升管一1上并连通，所述分叉管二7和分叉管三9设置在提升管二8上并连通；所述混输泵一4和混输泵二12通过螺旋连接管13串联，在所述螺旋连接管13上设有两个分叉口分别与电磁阀二6和电磁阀四14进行连接，所述混输泵一4的出口通过电磁阀一3连接至分叉管一2，所述分叉管三9通过电磁阀三10连接至混输泵二12的进口；所述托架一5和托架二11均安装在桁架17内，混输泵一4安置在托架一5上，混输泵二12安置在托架二11上；所述提升管一1、分叉管一2、分叉管二7、提升管二8、分叉管三9和分叉管四15均安装在桁架17内；所述提升管二8另一端与下一输送单元的提升管一1另一端连接或者插入装有深海矿产颗粒的中继仓内，通过混输泵一4或/和混输泵二12输送深海矿产颗粒介质，所述介质为液固两相流或液固气三相流；通过选择性的控制电磁阀一3、电磁阀二6、电磁阀三10、电磁阀四14和电磁阀五16的动作，实现单个输送单元多工况下不同管路的深海矿产颗粒介质方式。本发明通过对垂向提升泵管系统的混输泵单元、阀门和管路的整体结构设计，使得该泵管混输提升系统满足高效率、无阻塞、大粒径通过性、回流顺畅等技术要求，且能保证在泵单元发生故障时整个提升系统依然能正常运行。
23.所述垂向提升泵管系统垂向安装，混输泵一4和混输泵二12为所述输送单元的动力单元，输送单元的工作模式分为常规工况和泵单元故障工况：
24.在常规工况下，所述电磁阀一3和电磁阀三10开启，电磁阀二6、电磁阀四14和电磁阀五16关闭，提升管二8内的矿产多相介质依次通过分叉管三9、电磁阀三10、混输泵二12、
螺旋连接管13、混输泵一4、分叉管一2，最终流至提升管一1。
25.当所述混输泵一4发生故障时，所述电磁阀三10和电磁阀四14开启，所述电磁阀一3、电磁阀二6和电磁阀五16关闭，所述提升管二8内的矿产多相介质依次通过分叉管三9、电磁阀三10、混输泵二12、螺旋连接管13、电磁阀四14和分叉管四15，最终流至提升管一1；
26.当所述混输泵二12发生故障时，所述电磁阀一3和电磁阀二6开启，所述电磁阀三10、电磁阀四14和电磁阀五16关闭，所述提升管二8内的矿产多相介质依次通过分叉管二7、电磁阀二6、螺旋连接管13、混输泵一4、电磁阀一3和分叉管一2，最终流至提升管一1；
27.当混输泵一4和混输泵二12同时发生故障工况时，所述电磁阀五16开启，所述电磁阀一3、电磁阀二6、电磁阀三10和电磁阀四14关闭，所述提升管二8内的矿产多相介质通过电磁阀五16直接流至提升管一1。
28.如图1和图2所示，所述混输泵一4和混输泵二12规格相同，且周向对称分布安装；所述分叉管一2、分叉管二7与分叉管三9、分叉管四15规格相同，且对称安装；所述桁架17在水平方向上为三角形分布，并以提升管一1为桁架在水平面方向的重心。
29.如图3所示，所述混输泵一4和混输泵二12的进口均向下，泵轴沿竖直方向安装，所述混输泵一4和混输泵二12的蜗壳出口方向均为竖直向上的结构型式，所述混输泵一4和混输泵二12的结构相同，以混输泵一4为例，混输泵一4的蜗壳41的侧壁a和侧壁b均水平向上倾斜。所述混输泵一4的叶轮42叶轮出口宽度和叶轮流道的最小过流尺寸均大于叶轮进口直径的40％，以叶轮的安装方向为基准，叶轮的前后盖板均水平向上倾斜；所述混输泵一4蜗壳41的出口扩散段结构是出口方向从轴面方向向轴面法向方向改变。
30.通过对提升泵管系统的整体结构的全新设计，离心泵、管路和阀门水平面方向上对称分布，减小整个垂向管路的挠度，通过对泵阀管路的连通设计，保证整个提升系统流动顺畅、无阻塞，且能保证在泵单元发生故障时整个提升系统依然能正常运行。
31.应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
32.上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。