CC BY
34
УДК 622.53.004
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОЙ НАРАБОТКИ ШАХТНОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА
Т.Н. Паламарчук, Ю.В. Тимохин
Представлена методика определения оптимальной наработки до капитального ремонта центробежного насоса шахтной водоотливной установки с учетом минимума затрат на перекачивание жидкости. В качестве критерия эффективности целесообразно выбрать эксплуатационные затраты на перекачку 1 м3 жидкости с учетом технического состояния насоса, которое контролируется периодическим измерением его подачи.
Ключевые слова: шахтный насос, наработка, эксплуатационные затраты, техническое состояние, капитальный ремонт, оптимальный ресурс.
Центробежные насосы широко применяются в системах водо - и теплоснабжения, в шахтном водоотливе, в системах для откачки воды при проходке тоннелей и др. Мощность насосов достигает 1600 кВт и они потребляют значительное количество электроэнергии.
Материалы, применяемые при изготовлении центробежных насосов, не обеспечивают необходимую износостойкость деталей проточной части при перекачивании агрессивных жидкостей или жидкостей с высоким содержанием абразивных примесей [1]. Эксплуатация насосов с изношенными рабочими органами сопровождается снижением напора, коэффициента полезного действия и увеличением расхода электроэнергии и платы за нее. Длительная эксплуатация насоса с пониженными энергетическими характеристиками может привести к тому, что прирост платы за электроэнергию превысит стоимость капитального ремонта или нового насоса, и поэтому экономически невыгодна. Более целесообразно провести капитальный ремонт или замену на новый насос при наработке насоса, соответствующей минимуму затрат на перекачивание жидкости. Выбор ресурса с учетом технического состояния насоса рассмотрен в [2-5] и др.
Суммарные эксплуатационные затраты на функционирование насоса, а также их увеличение из-за изменения технического состояния насоса не могут быть критерием экономической эффективности эксплуатации, поскольку не учитывают величины полезной работы, выполненной насосом.
Как критерий эффективности целесообразно применить эксплуатационные затраты на перекачку 1 м3 жидкости (удельные эксплуатационные затраты), которые позволяют сравнить изменение затрат на перекачивание в процессе эксплуатации, а также при использовании насосов различных типов [2].
Затраты, связанные с эксплуатацией насоса, складываются из его стоимости, стоимости капитального ремонта и расходных материалов, применяемых при техническом обслуживании (масла, войлочная набивка, быстроизнашивающиеся детали и т.д.), платы за заявленную пиковую мощность и потребленную электроэнергию, заработной платы обслуживающего персонала и начислений на нее и других расходов.
Удельные эксплуатационные затраты определяются делением эксплуатационных затрат при определенной наработке насоса на объем воды, перекачанной за это же время, и имеют размерность руб/м . Различным наработкам насоса соответствуют различные удельные издержки.
Наработка насоса, которая соответствует минимуму удельных эксплуатационные затрат на перекачивание, является оптимальной и ее целесообразно принять за ресурс насоса до капитального ремонта или замены.
Прямое вычисление удельных эксплуатационные затрат трудно реализовать из-за сложности выделения части эксплуатационных затрат конкретного насоса и сложности постоянного измерения потребляемой электроэнергии и подачи насоса.
В [2] и [3] при определении ресурса до капитального ремонта или замены насоса предложено:
- определять техническое состояние насоса по изменению подачи при диагностических замерах через определенную наработку;
- учитывать только ту часть эксплуатационных затрат, которая определяется техническим состоянием насоса (например, фонд зарплаты обслуживающего персонала не зависит от технического состояния насоса и, поэтому, его не учитывают);
- рассчитывать потребление электроэнергии по удельным энергозатратам (т.е. затратам электроэнергии на перекачивание 1 м3 жидкости, раз-мерность - (кВт-ч)/м ), которые принимаются независящими от технического состояния насоса [1].
Последнее допущение является недостатком методик [2] и [3], так как вносит существенную погрешность в определение ресурса насоса.
Цель статьи: разработка методики определения оптимальной наработки центробежных насосов до капитального ремонта или замены с учетом их технического состояния и изменения удельных энергозатрат насоса.
Методика разработана для условий:
- в работу включается одновременно на напорную сеть не более одного насоса;
- сопротивление напорной сети постоянно или в течение ресурса насоса изменяется незначительно;
- стоимость расходных материалов, применяемых при техническом обслуживании, в сравнении со стоимостью электроэнергии и капитального ремонта незначительна, поэтому ею можно пренебречь;
cjo= лт;„ч а)
- техническое состояние насоса контролируется периодическими измерениями подачи насоса и удельных энергозатрат (расхода электроэнергии на перекачивание 1 м3 жидкости).
Методика и оборудование диагностических измерений зависят от условий эксплуатации и здесь не рассматриваются.
При выполнении двух первых условий уменьшение подачи насоса зависит только от изменения его технического состояния.
Из эксплуатационных расходов от насоса и его технического состояния зависят (с учетом условия 3) только стоимость самого насоса или его капитального ремонта и плата за потребленную электроэнергию. Остальные расходы не зависят от технического состояния и поэтому не влияют на оптимальную наработку насоса и не учитываются.
Удельные эксплуатационные затраты, зависящие от технического состояния насоса, при наработке насоса t
V{t)
где Ce(t) - плата за электроэнергию, потребленную насосом при наработке t; Ср - стоимость нового насоса или стоимость капитального ремонта с учетом транспортировки и затрат на монтаж и демонтаж (расходы на монтаж и демонтаж учитываются при их выполнении сторонними организациями); V(t) - объем жидкости, перекачанной насосом при наработке /.
Согласно [2] изменение подачи от наработки насоса может быть описано интерполяционным уравнением
Q(t) = Qn-ktm, (2)
где Qn - начальная подача насоса при t = 0; к, т - параметры эмпирической зависимости, определяемые по результатам диагностических измерений подачи насоса при фиксированном наработке насоса методом наименьших квадратов,
¿(& -ШЁ(1п/(Г -¿1п(б„ -ö,.)Inf,.¿Inf,.
к = ехр —---^-; (3)
«¿(ino2-(Zino2
¿=1 ¿=1
-ш2-ЕнЕ1п(а-ш
™ = —---'=1 п 1=1-, (4)
1=1 1=1
где Qi, и - соответственно, подача и наработки насоса при ьм диагностическом измерении; п - число диагностических измерений; минимальное значение п = 2 (без учета измерения <2п начальной подачи при ? = 0).
Изменение удельных энергозатрат (расхода электроэнергии на перекачку 1 м жидкости) от наработки насоса / может быть описана интерполяционным уравнением
Я(0 = Еп + й', (5)
где Еп - удельные энергозатраты насоса при ? = 0; б, р - параметры эмпирической зависимости, определяемые по результатам диагностических измерений при фиксированной наработке насоса по формулам методом наименьших квадратов
±(Еп-Е1)±(\Ш1)2-±Ы(Еп -£г)1п^11Ц ^ = ехр —---^-; (6)
i=\ г=1
п п п
X ^ Ч X т-1 т-1 Ч 9
п
р = ^-;-^Г^-, (?)
1=1 1=1
где Еи /, - соответственно, удельные энергозатраты и наработки насоса при /-том диагностическом измерении.
С учетом (2) объем жидкости, перекачанный насосом при наработке/
т=\<2т=а/, сю
о
где ()ср - средняя подача насоса за время наработки /;
аср=-\ат=ап-—г. (9)
г* т +1
Плата за потребленную электроэнергию
се(о=то, (ю)
где Ъ - цена 1 кВт-ч электроэнергии; - количество потребленной электроэнергии (кВт-ч) при наработке насоса
С учетом (2) и (5) количество потребленной электроэнергии при наработке насоса I
0 ЕЫт+1 Ы1+пп
IV (¿) = Ф|£(0 6(0^ = Ф
С>Е( +
п
р +1 т +1 1 + р + т
(П)
где ф - коэффициент, учитывающий потери электроэнергии в двигателе и в электрической сети участка энергоснабжения
Ф = Г^' (12)
(лл)
где \\дв, Цм ~ соответственно, коэффициенты полезного действия двигателя и электрической сети участка энергоснабжения.
Из (1) с учетом (8), (9), (10), (11) и (12) после преобразований получим уравнение удельных эксплуатационных затрат насоса, зависящих от его технического состояния
<2п*1р ЕпЫт ыр+т
¿¿ср
б Е
¿^п п
(р +1) (т + 1) (1 + р + т)
(13)
а/
Первое слагаемое в (13) представляет собой при наработке ? удельную плату за электроэнергию, а второе - удельную стоимость капитального ремонта или замены насоса.
Для аналитического определения оптимального наработки необходимо приравнять нулю первую производную по времени зависимости (13) и из решения уравнения определить оптимальную наработку насоса /„„-,. Полученные аналитические зависимости очень громоздкие, поэтому далее приводится пример графического решения.
На рисунке приведен график зависимости (13) удельных эксплуатационных затрат от наработки шахтного центробежного насоса ЦНС 300-600, установлен на водоотливной установке промежуточного горизонта 533 м шахты им. Ленина ГП «Артёмуголь» (г. Горловка). Перекачиваемая насосом шахтная вода характерна повышенным содержанием взвешенных угольно-породных частиц (до 1450 мг/л) и химически агрессивных компонентов - сульфатов - до 1230 мг/л, хлоридов - до 670 мг/л. График построен для условий: ср = 1,11; Ъ = 3,20 руб/(кВт-ч); Ср = 381000 руб. и по данным диагностических измерений подачи насоса и потребляемой электроэнергии (таблица 1).
Определение подачи насоса выполнялось индикатором скорости и расхода жидкости «Искра - 2» (жидкостный дифференциальный с напорной трубкой Пито) с точностью до 1,5 %, измерение израсходованной насосом электроэнергии производилось индукционным трехфазным счетчиком на поверхностной подстанции в режиме одиночной работы тестируемого насоса на индивидуальный напорный трубопровод.
Данные диагностических измерений
Наработка насоса, ч 0 400 800 1200 1600
Подача, м /ч 340 332 325 319 312
Удельные энергозатраты, (кВт-ч)/м3 2,70 2,89 3,16 3,45 3,77
По данным таблицы по формулам (3), (4), (6) и (7) определены к = 0,0638; т = 0,912; 5 = 0,00002324; р = 1,120.
С^.
График удельных эксплуатационных затрат
По графику (рисунок) оптимальное наработка насоса до капитального ремонта составляет toш = 3400 часов.
По зависимости (2) уменьшение подачи насоса до предельного (минимального допустимого) значения 220 м /ч наступит при наработке насоса 8000 ч. Удельные энергозатраты по формуле (5) и удельные эксплуатационные затраты по формуле (13) для оптимальной и предельной
"5
наработок будут соответственно 2,91 и 3,25 кВт-ч/м и 10,18 и 10,41 руб/
з
Экономия электроэнергии и затрат на эксплуатацию составит, 13 % и 2,5 %, соответственно.
Точность определения оптимального ресурса насоса определяется точностью экстраполяции подачи насоса и удельных энергозатрат зависимостями (2) и (5), которая может быть повышена увеличением количества диагностических измерений по мере увеличения наработки насоса. При необходимости в расчет может быть включена стоимость расходных материалов.
Список литературы
1. Нечушкин Г.М., Махинин А.И., Мазуренко В.В. Удельные энергозатраты при изменении характеристик насосов в процессе эксплуатации // Вопросы горной механики: сб. науч. тр./ ИГМТК им. М.М. Федорова. М. Недра, 1971. С. 78-83.
2. Лень А.Г. Совершенствование управления техническим состоянием шахтных центробежных насосов в процессе эксплуатации: автореф. дис. ... канд. техн. наук. ДПИ. Донецк, 1990. 20 с.
3. Лень А.Г., Тимохин Ю.В., Логвинов Н.Г. Определение оптимальной наработки центробежных насосов // Разработка, эксплуатация и ремонт шахтных стационарных установок: сб. науч. тр./ НИИГМим. М.М. Федорова. Донецк, 1991. С. 189-199.
4. Борисов Ю.С. Организация ремонта и технического обслуживания оборудования. М.: Машиностроение. 1978. 360 с.
5. Погорелов Н.И., Погорелов И.Н. Методика определения экономической эффективности ремонта. Вестник НТУ «Харьковский политехнический институт»: сб. науч. тр./ Харьков: НТУ «ХПИ». 2015. № 26 (1135). С. 166-175.
Паламарчук Татьяна Николаевна, ассист., nasos_(a),mail.ru , Донецк, Донецкий институт железнодорожного транспорта,
Тимохин Юрий Витальевич, канд. техн. наук, доц., tinalO 1010(a),mail.ru , Донецк, Донецкий институт железнодорожного транспорта
METHOD OF DEFINING OPTIMAL OPERATION TIME OF MINING CENTRIFUGAL
PUMP
T.N. Palamarchuk, Yu. V. Timohin
Method of defining optimal operation time until capital repairs of mining centrifugal pump with taking into account minimum costs on water pumping-over. Exploitation costs at pumping overl nf liquid and taking into account technical condition of the pump are chosen as the index of efficiency. Technical condition of the pump is controlled periodic measuring its productivity.
Key words: mining pump, running time, exploitation costs, technical condition, capital repairs, optimal resource.
Palamarchuk Tatiyna Nikolaevna, Assistant, nasos (a),mail. ru, Ukraine, Donetck, Donetck Institute of Rail Transportation,
Timohin Yuryi Vitalievich, Candidate of Technical Science, Docent, tiz nal01010(a>,mail. ru , Ukraine, Donetck, Donetck Institute of Rail Transportation
Reference
1. Nechushkin G.M., Mahinin A.I., Mazurenko V.V. Udel'nye jenergozatraty pri iz-menenii harakteristik nasosov v processe jekspluatacii // Voprosy gornoj mehaniki: sb. nauch. tr./IGMTK im. M.M. Fedorova. M. Nedra, 1971. S. 78-83.
2. Len' A.G. Sovershenstvovanie upravlenija tehnicheskim sostojaniem shahtnyh centrobezhnyh nasosov v processe jekspluatacii: avtoref. dis. ... kand. tehn. nauk. DPI. Doneck, 1990. 20 s.
3. Len' A.G., Timohin Ju.V., Logvinov N.G. Opredelenie optimal'noj narabotki centrobezhnyh nasosov // Razrabotka, jekspluatacija i remont shahtnyh stacionarnyh ustanovok: sb. nauch. tr./NIIGMim. M.M. Fedorova. Doneck, 1991. S. 189-199.
4. Borisov Ju.S. Organizacija remonta i tehnicheskogo obsluzhivanija oborudovanija. M.: Mashinostroenie. 1978. 360 s.
5. Pogorelov N.I., Pogorelov I.N. Metodika opredelenija jekonomicheskoj jeffek-tivnosti remonta. Vestnik NTU «Har'kovskij politehnicheskij institut»: sb. nauch. tr./Har'kov: NTU «HPI». 2015. №26(1135). S. 166-175.
УДК 62-9
РАЗРАБОТКА ТИПОРАЗМЕРНОГО РЯДА ГИДРОИМПУЛЬСНЫХ
УСТРОЙСТВ
А. А. Подколзин
Повышение надёжности и расширение области применения гидропривода гор-но-шахтного оборудования связано с диагностикой технического состояния и прогнозированием на этой основе остаточного ресурса гидрооборудования. Одним из наиболее перспективных способов является с диагностика гидравлических элементов по переходным процессам. Реализация этого способа связана с проблемой создания гидроимпульсных устройств, генерирующих тестовый сигнал требуемой формы и интенсивности.
Ключевые слова: надёжность, диагностика, устройство, динамическое нагружение, импульс, переходные процессы, типоразмерный ряд.
Технологии изготовления ответственных узлов и агрегатов гидропривода машин и механизмов предполагает обязательные испытания как вновь разработанных конструкций, так и контрольных образцов серийных изделий. Испытания сложных многокомпонентных устройств на натурные динамические нагрузки представляет собой сложную техническую задачу. Гидравлические испытательные стенды в большинстве случаев являются единственным возможным инструментом для нагружения испытуемых полостей и подвижных элементов гидроустройств. На таких стендах проводятся циклические (ресурсные, износные и т. п.) испытания агрегатов, испытания при реальных и случайных вероятностных нагрузках, исследования на различные комбинации нагружения. Нагружающим устройством в динамическом гидравлическом стенде является гидроимпульсное устройство [1, 2]. От его конструкции, технических характери-
