CC BY
83
------------------------------------------- © В. Дементьев, 2006
УДК 622.234.5 В. Дементьев
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ПОГРУЖНОГО ГРУНТОВОГО ПНЕВМАТИЧЕСКОГО НАСОСА (ПГПН)
ПРИ РАЗРАБОТКЕ ИЛОВЫХ ГОРНЫХ ПОРОД
Семинар № 12
~П абота насоса ПГПН основана на чередовании двух раздельных процессов [1]: всасывание пульпы в банку насоса по всасывающему патрубку и ее вытеснение из банки по напорному пульпопроводу на поверхность.
Всасывание насосом ПГПН (рис. 1) обеспечивается за счет того, что при сбросе воздуха из банки насоса в атмосферу и погружении насоса под воду возникает перепад давления на оголовке всасывающего патрубка насоса, равным глубине его погружения. Чем больше глубина погружения насоса, тем больше внешнее гидростатическое давление на всасывающем оголовке, тем выше всасывающая способность насоса. Очень важно, что при этом не требуется производить никаких дополнительных энергозатрат для всасывания гидросмеси, т.к. всасывание происходит за счет естественного подпора. В таблице приведены данные для скоростей всасывания воды в зависимости от глубины погружения насоса, определенные по известной формуле V = 2 дії [2]:
Зависимость скорости всасывания воды от глубины погружения насоса ПГПН
Глубина погружения, м Скорость всасывания, м/с
1 4,4
5 9,9
10 14
20 20
30 24
60 34
100 44
Как видно из таблицы, на больших глубинах всасывающая способность насоса ПГПН очень велика и намного превышает возможности обычных грунтовых центробежных насосов, которые не могут развивать таких скоростей на всасе. Это обстоятельство позволяет решить следующие задачи.
Во-первых, заглубить оголовок ГЗУ (грунтозаборное устройство) в слой грунта и производить забор грунта без всякого рыхления, не боясь присоса и срыва вакуума, возможных при работе грунтового центробежного насоса. В отличие от работы с центробежным грунтовым насосом, грунтозаборник ПГПН для обеспечения устойчивой производительности насоса должен быть постоянно заглублен в слой разрабатываемого грунта.
Во-вторых, большая всасывающая способность ПГПН позволяет загружать в банку водонасыщенный грунт практически с естественной концентрацией твердого, т.е. 50 % и выше.
В-третьих, отсутствие какого-либо механического или гидравлического рыхления при грунтозаборе обеспечивают насосу ПГПН самые высокие экологические показатели.
Таким образом, чем больше глубина погружения насоса, тем выше будет его всасывающая способность.
Процесс вытеснения гидросмеси из насоса происходит следующим образом. После того, как банка насоса под действием внешнего гидростатического давления во-
ды заполнена гидросмесью, в банку по воздуховоду подают сжатый воздух (рис.
1). Сжатый воздух, поступая в верхнюю часть банки насоса, начинает действовать как поршень, выдавливая гидросмесь в напорный пульпопровод на поверхность. При этом давление сжатого воздуха в банке должно быть тем больше, чем на боль-
Рис. 1. Принцип работы погружного грунтового пневматического насоса (ПГПН): 1 - цилиндр, 2 -всасывающий патрубок, 3 - входной клапан, 4 - труба подачи и сброса воздуха, 5 - трубопровод подачи пульпы (напорный)
шую глубину будет погружен насос и чем больше, таким образом, будет высота столба поднимаемой на поверхность гидросмеси.
Таким образом, с одной стороны, большее погружение насоса под воду приводит к увеличению всасывающей способности насоса, а с другой стороны, приводит к увеличению высоты столба поднимаемой на поверхность гидросмеси, и тем самым требует увеличения давления (расхода) воздуха, а значит, увеличения энергозатрат для подъема гидросмеси на поверхность.
На основании анализа изложенных выше принципов вытекают задачи:
Рис. 2. Разработка залежи на больших глубинах насосом ПГПН с удлиненным всасывающим трубопроводом: 1 - понтон земснаряда; 2 - насос ПГПН; 3 - всасывающий гибкий трубопровод; 4 - грунтозаборное устройство (ГЗУ)
- определить минимальную глубину разработки с помощью насоса ПГПН;
- найти зависимость между глубиной разработки полезных ископаемых и оптимальной глубиной погружения насоса ПГПН под воду, при которой всасывающая способность насоса обеспечивала бы надежный грунтозабор, а энергозатраты по расходу сжатого воздуха были бы минимальными.
Для определения указанных зависимостей примем расчетную схему, приведенную на рис. 2 и примем следующие исходные данные:
- глубина выемки к = (к2 + к3), может меняться от величины к2 до к2 + к3 (в нашем случае мы примем максимальную глубину разработки 100 м)
- глубина погружения камеры к2 ,
- длина всасывающего патрубка Ь = к -к2 , искомая величина при заданной глубине разработки,
- высота подъема пульпы над уровнем воды к] (примем 10 м),
- объемный вес пульпы уп ,
- потери напора на всасывающем патрубке АИЬ ,
Рис. 3. График 1 зависимости между глубиной разработки и глубиной погружения насоса ПГПН
- потери напора на вход в грунтозаборное устройство (ГЗУ) АИвх
- потери напора на напорном пульпопроводе АИьнап
- расход по пульпе м3/сек (зависит от производительности насоса)
Решение:
Проверим возможность всасывания грунта из условия, что потери напора р3 на всасывающем участке должны быть меньше внешнего гидростатического давления
Рз = [кз(Тп-1)1 + АИВх + АИЬ < И2, (1)
при 0< к2 <100 м и при 0< к3 <100 м.
Из данной формулы следует, что на потери напора на всасывающем участке влияет объемный вес, или плотность пульпы, длина и диаметр всасывающего трубопровода, реологические свойства разрабатываемой породы.
'¡ш * ¥^тмш£штящ}ттм&ртщшшл{^
пшарадр 4?да4п р,а^при?т11л?^&^д^?ду-хлебед]аР8дк1ап,ебЕд^изг;оях1^а61-яд1б бдквдшвджавя
®юо-с5;ом-пй58йрессб р?;е1-;^лквева1бРч1!^пе,реа,1 вйа^гжнйя тр&редая насоса
Необходимый напор р2 для вытеснения гидросмеси из камеры ПГПН можно вычислить по фомуле:
Р2 > к2 Уп + к] уп + АИьнап (2)
Потери напора на всасывающем трубопроводе и на напорном трубопроводе для иловых пород, представляющих из себя глинистые или илисто-глинистые суспензии, следует принимать как для неньютоновских жидкостей с учетом их реологические характеристик по известным формулам [3]
т = 0 + пди/дп,
где п - структурная или пластическая вязкость гиросмеси (мы примем ее равной 30 МПахсек); 0 - предельное напряжение сдвига
Движение пульпы в пульпопроводе должно происходить в ламинарном режиме на границе с турбулентным и с соблюдением критических скоростей для нашего
типа грунта. При этом скорость будет регулироваться диаметром пульпопровода согласно известной формулы для Яе [3]:
^екр П
4 ЯРс ']!
*е,р П
4 ЯРс
V
Рек
Ьрс
На основании расчетных данных построены графики 1 (рис. 3) и график 2 (рис. 4). График 1 отражает зави-симость между принятой максимальной глубиной разработки (100 м) и глубиной погружения насоса для различных значений плотности гидросмеси уп. График 2 отражает зависимость между глубиной разработки, принятой высотой подъема гидросмеси над уровнем воды в 10 м и величиной необходимого давления сжатого воздуха для различных значений плотности гидросмеси Уп.
Анализ полученных данных позволяет сделать следующие выводы.
1. При послойной разработке пород, когда рабочие перемещения насоса производятся в горизонтальном направлении и глубина разработки равна глубине погружения насоса (рис. 5), когда потери напора на всасывающем патрубке минимальны, минимальная глубина разработки будет зависеть от плотности породы в естественном состоянии (чем меньше плотность, тем минимальная глубина разработки меньше), ее реологических свойств (большая структурная вязкость увеличивает минимальную глубину разработки) и производительности насоса (чем выше производительность насоса, тем больше диаметр всасывающего патрубка, тем больше минимальная глубина разработки). В зависимости от этих свойств минимальная глубина разработки насосом ПГПН при послойном способе разработки лежит в пределах 4-7 м. При работе на более мелких глубинах необходимо использовать вакуумные системы разряжения воздуха в камере насоса ПГПН для обеспечения надежного всасывания гидросмеси.
2. При воронковом способе разработки текучих пород (или стволовом способе, когда разрабатываемая порода обладает структурной вязкостью), когда рабочие перемещения насоса производятся в вертикальном направлении, возможны два варианта разработки:
Первый - когда насос оборудован всасывающим патрубком минимальной длины 1-2 м, обеспечивающей его проникновение в слой грунта (рис. 6). Такой способ оправдан при работе на глубинах до 20 м.
Второй - когда насос оборудован удлиненным всасывающим трубопроводом (рис.
2), длина которого определяется разницей между максимальной глубиной разработки и минимальной глубиной погружения насоса (минимальной глубиной разработки).
2.1. Минимальная глубина разработки насосом ПГПН иловых пород определяется величиной потерь гидростатического давления на всасывающей линии насоса, зависит от плотности и реологических характеристик разрабатываемых пород, длины и диаметра всасывающей линии и составляет для
иловых пород с плотностью 1,3 тн/м3 - 13 м, с плотностью 1,6 тн/м3 - 15 м, с плотность 1,85 тн/м3 - 20 м, с плотностью 2,5 тн/м3- 30 м. На графике 1 эти значения отмечены точками А,В,С и Д пересечения соответствующих кривых с наклонной прямой, соответствующей нулевым, а вернее, минимальным потерям на всасывающем участке, когда поверхность разрабатываемого пласта соответствует минимальной глубине погружения насоса.
2.2. При разработке иловых пород на глубинах, превосходящих минимальную, насос ПГПН не опускается на глубину разработки, а подвешивается на промежуточной глубине, зависящей от плотности всасываемой гидросмеси, ее реологических характеристик и требуемой максимальной глубины разработки, на которую опускается грунтозаборное устройство, соединенное с насосом всасывающим трубопроводом соответствующей длины. При плотности гидросмеси равной 1,3 т/м3 всасывающая способность ПГПН на глубине 100 м будет обеспечена, если насос будет погружен под воду на глубину не менее 33 м. При плотности
гидросмеси равной 1,6 т/м3 глубина погружения насоса должна быть не менее 47 м.
3. При рабочих глубинах от 20 до 30 м насос следует погружать на глубину до 20 м и грунтозабор вести через всасывающий патрубок длиной в 10 м.
4. При рабочих глубинах от 30 м до 50 м максимальное погружение насоса должно быть 30 м, а грунтозабор вести всасывающим патрубком длиной в 20 м. При этом при начале разработки на глубине 30 м насос может находиться на глубине 20 м для экономии расхода сжатого воздуха.
5. Основными показателями, которые ограничивают работу насосов III ПН, являются рабочее давление и объем сжатого воздуха, производимые компрессором. С учетом того, что современная промышленность выпускает стандартные модели компрессоров, рабочее давление которых лежит в пределах 11-13 бар, этот показатель и следует принять как ограничивающий при опреде-
лении глубины разработки и дальности ре-фулирования гидросмеси. Что же касается производительности насосов ПГПН, то она может варировать в довольно больших пределах (от 40 до 1800 м3/час по гидросмеси при плотности гидросмеси уп = 1,6-1,9 тн/м3).
1. Каталог “Pneuma system” фирмы PNEUMA S.r.I., Италия, 2004.
2. Ялтанец И.М., Егоров В.К. Гидромеханизация. Справочный материал. - М.: МГГУ, 1999.
При этом, если производительности одного стандартного компрессора будет не достаточно для обеспечения заданной производительности по гидросмеси, то на подачу воздуха параллельно подключают 2, 3 и 4 компрессора.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Животовский А.А., Смойловская Л.А. Техническая механика гидросмеси и грунтовые насосы. - М.: Недра, 1982.
— Коротко об авторах —
Дементьев В. - EHT Enginering, Египет.
