CC BY
47
___________________________________ © В.П. Франчук, Е.А. Кириченко,
А.И. Егурнов, В.В. Евтеев,
2010
В.П. Франчук, Е.А. Кириченко, А.И. Егурнов,
В.В. Евтеев
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СНАРЯДНОЙ СТРУКТУРЫ ТЕЧЕНИЯ В ПОДЪЕМНОЙ ТРУБЕ ГЛУБОКОВОДНОГО ЭРЛИФТА
Установлены закономерности влияния динамики крупных твердых частиц в многокомпонентном потоке при снарядной структуре течения на расходные и энергетические параметры глубоководных эрлифтных гидроподъемов. С учетом полученных закономерностей разработаны метод расчета глубоководных эрлифтов и эффективные способы управления гидроподъемами.
Ключевые слова: глубоководный эрлифтный гидроподъем, гетерогенный поток, снарядная структура течения, жидкостная пробка, газовый снаряд.
А ктуальность вопроса. Интенсификация объемов добычи ./л. полезных ископаемых привела к резкому сокращению объемов сырьевой базы континентальных месторождений. Поэтому особую актуальность представляют работы, направленные на освоение минеральных ресурсов Мирового океана. Простота конструкции, а также высокая надежность в эксплуатации эрлифтных гидроподъемов позволяет считать их на сегодняшний день наиболее перспективным и технически реализуемым средством транспортирования сырья сквозь толщу воды, несмотря на высокую энергоемкость. Определение рациональных параметров эрлифтных установок на стадии проектирования позволит повысить эффективность гидроподъема. Данная статья посвящена актуальной проблеме - уменьшению энергоемкости гидроподъемов в составе горно-морских предприятий для добычи твердых полезных ископаемых со дна Мирового океана.
Постановка задачи. Многообразие методов расчета эрлифтов можно объяснить специфическими особенностями их эксплуатации в различных сферах народного хозяйства. Существующие методы, как правило, базируются на использовании безразмерных расходных характеристик [1, 2] или на интегрировании различной сложности дифференциальных уравнений гидродинамики гетерогенных потоков [3-6]. Все вышеперечисленные методы либо вообще не
учитывают наличие одновременно существующих различных структур течения (пузырьковой, снарядной, кольцевой, дисперсной) в подъемной трубе, либо рассматривают их в рамках непрерывных двухфазных моделей без учета динамики твердых частиц, что существенно влияет на расходные и энергетические параметры установок [7]. Известны работы, в которых предприняты попытки учета динамики твердых частиц при снарядной структуре течения (ССТ) [8, 9]. Однако эти исследования выполнены без учета расширения воздуха в подъемной трубе, изменения скорости смеси и других существенных факторов. В наиболее полной постановке метод расчета параметров глубоководных эрлифтных гидроподъемов (ГЭГ), учитывающий особенности снарядного течения, разработан в [10]. Экспериментальное подтверждение достоверности используемых математических моделей выполнено в работах [11, 12]. Однако вопросы определения рациональных расходных и энергетических параметров ГЭГ остаются открытыми.
Цель работы - обоснование рациональных расходных и энергетических параметров глубоководных эрлифтных гидроподъемов с учетом динамики твердых частиц при снарядной структуре течения.
В известных расчетных методах для определения параметров пузырьковой структуры трехкомпонентного течения в подъемной трубе ГЭГ используется модель «несущей среды» [5]. Результаты расчетов близки к аналогичным результатам при вертикальном гидротранспорте твердого материала.
Снарядная структура течения характеризуется поочередным прохождением жидкостных пробок и газовых снарядов, перекрывающих живое сечение трубопровода, распространяется на 65-75 % от длины подъемной трубы ГЭГ [5]. Ввиду уменьшения давления в направлении подъема, газовые снаряды, расширяясь, удлиняются (до десятков диаметров трубопровода) и ускоряются, т.е. их скорость приобретается за счет потери плотности. В процессе транспортирования твердого материала набравшая скорость в жидкостной пробке твердая частица, попав в газовый снаряд, может резко замедлить подъем, а при определенных условиях полностью потерять скорость, либо даже перейти к нисходящему движению. Следовательно, движение твердых частиц приобретает циклический характер, что при определенных условиях может приводить к аккумуляции твердого материала в подъемной трубе эрлифта.
Таким образом, снарядная структура течения не исключает возможность срыва (кризиса) устойчивого транспортирования твердых частиц, вследствие возникновения которого питающая эрлифт пневматическая энергия будет расходоваться только на подъем морской воды. Поэтому использование модели «несущей среды», базирующейся на применении монотонно-непрерывной скорости для всех размеров твердых частиц, в ряде случаев (для крупных и тяжелых с неблагоприятной аэродинамической формой частиц) противоречит физике исследуемого процесса и является принципиальной ошибкой.
Используемый при анализе режимов работы шахтных эрлифтов «КПД по пульпе», представляющий отношение гидравлической мощности потока пульпы к изотермической мощности подводимого к смесителю потока сжатого воздуха, является неинформативной характеристикой глубоководных эрлифтов, предназначенных для подъема горной массы подводных месторождений. Поэтому более целесообразно использовать «КПД по твердому», использующего в качестве полезной мощности гидравлическую мощность потока твердого материала.
При кольцевой и дисперсной структурах течения многокомпонентной смеси основную работу по транспортированию твердых частиц выполняет сжатый воздух с включениями жидкости, а скорости потока соизмеримы со скоростями при вертикальном пневмотранспорте [5].
Исследования динамики твердых частиц выполнены для базового варианта ГЭГ, соответствующего глубине разработки месторождения Hp = 6 000 м, производительности по твердому MТ = 7,78 кг/с, глубине погружения смесителя Hсм = 1 900 м, диаметрах подъемного трубопровода D = 0,22 м и пневмопровода d = 0,07 м [5]. Физико-механические параметры твердых частиц приняты идентичными параметрам железомарганцевых конкреций (ЖМК) Аравийского месторождения Атлантического океана [6]. В результате исследований было выделено три группы твердых частиц [7]:
а) мелкие частицы диаметром до 0,004-0,005 м, которые поднимаются непрерывно;
б) средние частицы диаметром до 0,02-0,03 м, которые движутся скачкообразно, замедляясь или почти останавливаясь в газовых снарядах;
в) крупные частицы диаметром до 0,1-0,12 м, которые совершают циклическое движение, характеризующееся нисходящей фазой в газовых снарядах.
На основании сопоставления полученных результатов можно констатировать следующее.
Для мелких частиц расчет параметров снарядной структуры течения может быть выполнен по известным методам Полярского, Хазитеодороу, Е.А. Кириченко [3-6], оперирующими непрерывными монотонными скоростями частиц.
Для средних частиц авторами данной статьи разработана оригинальная модель течения [7], в рамках которой скачкообразный характер движения твердых частиц описывается путем определения средней скорости частиц в пределах связки - жидкостной пробке и следующего за ней газового снаряда.
Процесс транспортирования крупных частиц, совершающих циклическое движение, представляет наибольшую сложность. Разработанный авторами этой статьи для крупных частиц численноаналитический метод подробно изложен в работе [10]. Соответствующие вычисления показали, что твердые частицы в зависимости от крупности совершают разное количество циклов в многокомпонентном потоке при ССТ (частицы диаметром 0,05 м совершают 85 циклов, а диаметром 0,1 м - 128) [7].
Для достижения поставленной цели, с использованием разработанного программно-алгоритмического обеспечения, были выполнены расчеты основных расходных и энергетических параметров глубоководных эрлифтных гидроподъемов с учетом и без учета динамики крупных твердых частиц, относящихся к третьей группе и совершающих циклическое движение в подъемной трубе при ССТ. Наиболее существенные результаты расчетов для базового варианта ГЭГ выборочно представлены на рис. 1-2. Отступление от исходных данных базового варианта ГЭГ имеет место на рис. 2, а. На рис. 1-2 сплошные линии отображают результаты расчетов, полученных с учетом динамики крупных твердых частиц при снарядной структуре течения, а пунктирные - без учета. При этом одинаковые первые цифры порядковых номеров изображенных на графиках кривых соответствуют одинаковым исходным данным.
Рис. 1. Зависимости изменения массового расхода воздуха МВ (кг/с), удельной мощности N (кВт-с/кг) и КПД п (%) от расходной концентрации твердого в пульпе фТ (%) (а) и массового расхода воздуха МВ (кг/с) от массового расхода твердого МТ (кг/с) для различных глубин разработки месторождения Нр (м) (б)
На рис. 1, а отображены зависимости изменения массового расхода воздуха МВ (кривые 1.1, 1.2), удельной мощности N (кривые 2.1, 2.2) и КПД п (кривые 3.1, 3.2) от величины расходной концентрации твердого компонента в пульпе фТ при фиксированной величине массового расхода твердого МТ = 7,78 кг/с. Из графиков видно, что каждая кривая имеет экстремум, а минимальные значения массового расхода воздуха и удельной мощности соответствуют максимальному КПД. Результаты расчета, выполненного для базового варианта ГЭГ с учетом динамики крупных твердых частиц, характеризуются увеличением массового расхода воздуха - на 6-8 % и удельной мощности - на 3-4 %, по сравнению с аналогичными результатами, выполненными без учета данного фактора. Из графиков следует, что не учет влияния динамики твердых частиц на параметры ГЭГ приводит к ошибочному завышению величины КПД установки на 5-7 %. Увеличение в определенном диапазоне подачи сжатого воздуха в смеситель подъемной трубы ГЭГ приводит к несущественному росту амплитуд нисходящих фаз колебательных циклов в нижней части ССТ и значительному уменьшению числа циклов в верхней его части за счет увеличения транспортирующей скорости потока. При этом достигается уменьшение суммарного числа циклов, а, следовательно, и повышение эффективности подъема.
На рис. 1, б изображены расходные характеристики ГЭГ для следующих глубин разработки месторождения: Нр = 6 000; 5 000; 4 000 и 3 000 м (соответствующие кривые 1.1, 1.2; 2.1, 2.2; 3.1, 3.2 и 4.1, 4.2). Графики показывают, что возрастание расхода твердого связано с увеличением расхода воздуха, а с увеличением глубины разработки требуемый расход воздуха, необходимый для достижения заданной производительности эрлифта по твердому, возрастает.
Ориентировочные расчеты для указанных выше исходных данных показали, что для обеспечения устойчивого подъема твердых частиц с учетом особенностей снарядного течения необходимо обеспечить скорость транспортирующего потока в нижних сечениях подъемной трубы на 18-20 % больше критической скорости. Исследование критической скорости трехкомпонентного потока в подъемной трубе эрлифта выполнено в [1]. С изменением величины расхода твердого компонента изменяются давление и газосо-держание в подъемной трубе, что приводит к изменению длин га-
зовых снарядов и соответственно амплитуд нисходящих фаз циклов.
На рис. 2, а приведены зависимости изменения массового расхода воздуха МВ от расходной концентрации твердого в пульпе фТ для следующих расходов твердого: МТ = 7; 5; 3 и 1 кг/с (соответствующие кривые 1.1, 1.2; 2.1, 2.2; 3.1, 3.2 и 4.1, 4.2). Приведенные зависимости имеют ярко выраженные минимумы, что позволяет сделать вывод о том, что для каждой производительности установки существует рациональная расходная концентрация твердого компонента, соответствующая минимальному расходу воздуха (линии 5.1, 5.2).
На рис. 2, б представлены зависимости изменения КПД п от массового расхода твердого МТ для следующих значений Hp = 6 000; 5 000; 4 000 и 3 000 м (соответствующие кривые 1.1, 1.2; 2.1, 2.2; 3.1, 3.2 и 4.1, 4.2). Зависимости КПД установки от расхода твердого компонента имеют максимумы. Линиями 5.1 и 5.2 показаны режимы рациональных производительностей ГЭГ по твердому. Линия 5.1 построена по результатам расчета с учетом динамики крупных твердых частиц, а линия 5.2 - без этого учета.
На основании комплексного анализа вышеприведенных зависимостей получен новый научный результат, заключающийся в установлении закономерностей влияния динамики крупных твердых частиц на расходные и энергетические параметры глубоководных эрлифтных гидроподъемов, являющихся отправным пунктом для разработки мероприятий, обеспечивающих эффективную эксплуатацию эрлифтных установок при разработке глубоководных месторождений полезных ископаемых.
Выводы
Установлено, что при снарядной структуре течения происходит нарушение устойчивого подъема крупных и тяжелых твердых частиц, поэтому существующие методы определения рациональных расходных и энергетических параметров глубоководных эр-лифтных гидроподъемов требуют существенной доработки.
Изучен механизм влияния динамики крупных твердых частиц на эффективность подъема, заключающийся в том, что увеличение в определенном диапазоне расхода сжатого воздуха в подъемной трубе с одной стороны приводит к увеличению
Мв ,кг/с
Рис. 2. Зависимости изменения массового расхода воздуха МВ (кг/с) от расходной концентрации твердого в пульпе фТ (%) для различным расходов твердого МТ (кг/с) (а) и КПД п (%) от массового расхода твердого МТ (кг/с) для различным глубин разработки месторождения Нр (м) (б)
амплитуд нисходящих фаз циклов в нижней части снарядной структуры течения, а с другой - к уменьшению числа циклов в верхней части этой структуры за счет увеличения транспортирующей скорости потока. В итоге достигается уменьшение суммарного числа циклов, а, следовательно, и повышается эффективность подъема.
Характеристики снарядного режима накладывают более жесткие требования на разрабатываемую АСУ ТП глубоководных эр-лифтных гидроподъемов, т.к. аккумулирование твердой фазы при циклическом движении частиц и вероятность их агломерации определяет необходимость управления технологическими процессами во избежание серьезных проблем, связанных с возможной забутовкой трубопровода и ее последствиями. В связи с этим в Национальном горном университете на уровне изобретений [13, 14] разработаны способы управления параметрами снарядной структуры течения и соответствующая документация НОУ-ХАУ, гарантировано обеспечивающие устойчивый подъем крупных тяжелых частиц и повышающие эффективность глубоководных эрлифтов.
В заключении следует отметить, что разработанное программное обеспечение для расчета параметров глубоководных эрлифтных гидроподъемов с учетом динамики крупных твердых частиц при снарядной структуре течения обладает современным интерфейсом, средствами интеграции с векторными графическими пакетами и имеет широкие возможности экспорта результатов в популярных форматах, в том числе и графических.
--------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Адамов Б.И. Исследование и разработка глубоководных эрлифтных установок для подъема твердого материала: Дис. ... канд. техн. наук. - Донецк: ДПИ, 1982. - 323 с.
2. Скорынин Н.И. Исследование и разработка глубоководных многосмесительных эрлифтных установок для подъема горных масс: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Донецк, 1983. - 28 с.
3. Полярский Ю., Плева Ф. Добыча марганцевых конкреций со дна морей и океанов с использованием пневмогидравлического транспорта // Preglad gomiczy.
- 1982. - № 2. - Р. 152-161.
4. Chaziteodorou G., Schleffel S., Wienen A. Entwurf eines Abbauschemas zur Gewinnung und Forderung von Manganknollen aus der Tiefsee // Meerstechnik. - 1972.
- № 2. - P. 56.
5. Кириченко Е.А. Выбор и обоснование рациональных параметров глубоководной эрлифтной установки с учетом влияния питающей пневмосистемы: Дис. ... канд. техн. наук: Q5.Q5.Q6. - Д., 1989. - 172 с.
6. Кириченко E.A. Научное обоснование параметров трубных систем для гидро-нодъема полезных ископаемых: Дис. ... докт. техн. наук: Q5.Q5.Q6. - Д., 2QQ1. - 181 с.
7. Кириченко Е.А., Евтеев B.B., Романюков A.B. Исследование параметров снарядной структуры течения в подъемной трубе глубоководного эрлифта // Науковий вісник НГУ. - 2QQ7. - № 9. - С. 66-72.
8. Модельная задача о транспортировании твердой частицы потоком водовоздушной смеси в эрлифте / Давидсон В.Е., Ламзюк В.Д., Кириченко E.A., Евтеев В.В. // Гірн. електромеханіка та автоматика: Наук.-техн. зб. - 2QQ7. - Вин. 2(79). - С. 66-73.
9. Аналитическое решение циклической задачи применительно к снарядной структуре эрлифтного течения / Давидсон В.Е., Ламзюк В.Д., Кириченко E.A., Евтеев В.В. // Гірн. електромеханіка та автоматика: Наук.-техн. зб. - 2QQ8. - Вин. 1(8О). - С. 1Q9-117.
1Q. К вопросу разработки численно-аналитического метода расчета глубоководных эрлифтов для гидроподъема твердого материала / Кириченко E.A., Ламзюк В.Д., Евтеев В.В., Шворак В.Г. // Науковий вісник НгУ. - 2QQ8. - № 8. - С. 83-88.
11. Самуся BM., Евтеев B.B., Кириченко B.E. Экспериментальное исследование параметров вертикального двухкомпонентного потока применительно к эрлифтному течению // Науковий вісник НГУ. - 2QQ8. - № 12. - С. 68-74.
12. Евтеев B.B., Кириченко Е.А. Экспериментальное исследование параметров вертикального потока трехкомпонентной смеси в эрлифтном гидроподъеме // Науковий вісник НГУ. - 2QQ9. - № 1. - С. 47-54.
13. Пат. 85116 Украины, E21C45/QQ, FQ4F1/2Q. Способ повышения уровня использования подъемной способности морского эрлифта и система для его реализации / Кириченко E.A., Ламзюк В.Д., Евтеев В.В. - Опубл. 25.12.2QQ8, Бюл. №24.
14. Пат. 231Q1Q2 РФ, FQ4F1/2Q. Способ подъема многокомпонентной смеси с больших глубин и система для его реализации / Пивняк Г.Г., Кириченко ЕА, Фран-чукВ.П., Евтеев В.В. - Опубл. 10.11.2007, Бюл. № 31. НІШ
— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------
Франчук B.n. - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой горных машин и инжиниринга,
E-mail: Franchuk@nmu.org.ua
Кириченко Е.А. - доктор технических наук, профессор кафедры горной механики, E-mail: kirichenko@front.ru
Егурнов А.И. - директор Приднепровского центра Научного нарка «Киевская политехника», E-mail: yegurnov@yahoo.com Евтеев B.B. - аспирант кафедры горной механики,
E-mail: vlad_evteev@mail.ru Национальный горный университет, Украина
