CC BY
28
удк 622234 а.я. Третьяк, Ю.Ф. Литкевич, А.Н. Гроссу
ПРИМЕНЕНИЕ НАСОСА ГЕЙЗЕРА ДЛЯ ПОДЪЕМА ПУЛЬПЫ ПРИ СКВАЖИННОЙ ГИДРОДОБЫЧЕ ЖЕЛЕЗНОЙ РУДЫ
Рассмотрены подходы к определению конструктивных параметров насосов Гейзера заданной производительности, позволяющие совместить их работу с производительностью гидродобычного агрегата (ГДА). Показано, что для ГДА, разрабатываемого для Гости-щевского месторождения КМА, целесообразно применять насос с внешним воздушным куполом объемом 110 л, с внутренним воздушным куполом объемом 26 л. Это позволяет насосу обеспечить подъем пульпы со скоростью 38 л/с с КПД до 80%. Ключевые слова: эрлифт, насос Гейзера, изливная труба, внешний и внутренний воздушные куполы, характеристики насоса, компрессор.
В Белгородской области на Гостищевском месторождении Курской магнитной аномалии (КМА) запасы богатых железных руд исчисляются многими млрд т. Однако сложность их добычи заключается в том, что геологический разрез представлен мощными отложениями гематито-мартитовой руды в интервале 530—795 м с чередующимися прослоями железной слюдки мощностью до 90 см [1—3].
При разработке скважинного гидродобычного агрегата (ГДА) для Гостищевского месторождения Курской магнитной аномалии (КМА) предусматривалось применение эрлифтной установки со следующими параметрами:
• глубина динамического уровня (h = 25 м);
• коэффициент погружения смесителя (К = 3);
• глубина погружения смесителя (Н = 75 м);
• удельный расход воздуха для подъема 1 м3 пульпы (Y0 = 2 м3/м3);
• подача пульпы с удельным весом у =1,25 • 104 Н/м3 (Qn = 38 л/с).
Используется компрессор типа ЗИФ-55 с характеристиками:
• подача сжатого воздуха Qh = 5,5 м3/мин;
• рабочее давление Рраб = 0,7 МПа;
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2016. № 10. С. 304-311. © 2016. А.Я. Третьяк, Ю.Ф. Литкевич, А.Н. Гроссу.
• мощность привода ^ = 40 кВт;
• диаметр воздухопроводных труб Dв = 50 мм. Коэффициент полезного действия эрлифтной установки,
рассчитанной по формуле
П = 100
Оп • кд • 1,25 1,36 • Ыв • 75
(1)
составляет п = 28,75% [4].
Эрлифтные насосы хорошы, в них нет движущихся частей, но они либо работают, либо нет, т.к. нет никакой возможности регулировать количество поступающего воздуха и ограниченный коэффициент полезного действия, не превышающий 30%.
Для повышения эффективности эрлифтной установки гидродобычного агрегата (ГДА) рассмотрим возможность применения ее прототипа — насоса Гейзера [5].
На рис. 1 представлены принципиальные схемы насоса Гейзера и типичной эрлифтной установки.
Определим основные конструктивные параметры насоса Гейзера для условий работы гидродобычного агрегата при динамическом уровне пульпы Кд от уровня излива. В начальный момент (см. рис. 3) при погружении насоса на глубину Н = 75 м атмосферный воздух во внут- а) реннем и внешнем купо- СЖЛГ1 лах сжимается гидростатическим давлением до Рн = 0,625 МПа, определяемого по формуле
Рн = (Н - Кд) • Рп
(2)
В изливном трубопроводе 0120 мм уровень пульпы находится на отметке Кд, следовательно высота столба в трубопроводе будет равна 50 м. При этом давление на входном отверстии диаметром 070 мм в излив-ный трубопровод будет равно Р « 6,3 ат =
г отв '
= 0,63 МПа. Во внутреннюю полость наружного
Рис. 1. Принципиальные схемы устройства пульпоподъемника: насос Гейзера (а); эрлифтная установка (типичная) (б)
купола подается сжатый воздух от компрессора под давлением Рк = 0,7 МПа. По мере заполнения сжатым воздухом внешнего купола открывается вход для сжатого воздуха во внутренний купол, в результате чего происходит выравнивание давлений и уровней пульпы во внешнем и внутреннем куполах. При дальнейшем заполнении куполов сжатым воздухом открывается основное входное отверстие-клапан (5) в изливный трубопровод и сжатый воздух при давлении 0,7 МПа из внешнего и внутреннего куполов, проходя через отверстие — клапан диаметром 070 мм, разрывает сплошность столба пульпы в изливной трубе и, приподнимая столб пульпы на Лh образует пузырь объемом Л V.
При изотермическом процессе по закону Бойля-Мариотта
РУ^Р^, (3)
где P1 — рабочее давление компрессора, МПа; У1 — объем воздуха в куполах при давлении P1; P2 — давление столба пульпы в изливном трубопроводе в начальный момент работы насоса; У2 — объем воздуха в куполах при давлении P2.
Разница объемов У2 и У1 образует начальный пузырь ЛУн в изливной трубе
Лг = у - у (4).
Уменьшение давления в куполах приводит к заполнению освободившегося пространства пульпой, к поднятию столба в изливной трубе и перекрытию отверстия (5) на Лh. В дальнейшем по мере наполнения куполов сжатым воздухом цикл повторяется.
Для получения высокого значения КПД насоса Гейзера необходимо, чтобы в изливной трубе в структуре движущихся масс (рис. 2) объемы жидкой фазы УЖ (пульпы) и объемы воздушных пузырей У„П стремились к равенству, т.е. УЖ « УС
Рис. 2. Структура движущихся масс в изливной трубе: 1 — изливная труба; 2 — большой воздушный пузырь; 3 — гидросмесь (пульпа); 4 — внутренний воздушный купол (внешний воздушный купол условно не показан); 5 — отверстие-клапан
СЖ.ВП'
Исходя из производительности насоса Qп = 38 л/с для гидродобычного агрегата (ГДА) и диаметра d изливной трубы равном 0,12 м, скорость жидкой фазы определяется по формуле
4'°п (5);
1000-п • й2
иЖФ = 3,36 м/с
Известно, что скорость движения сжатого воздуха по трубопроводу иСЖВ « 10 м/с, тогда через отверстие — клапан диаметром й = 0,07 м за 1 с в изливную трубу может войти пузырь
отв
объемом УВП _ 12
V =и • 'йотв. (6);
у вп исж.в 4
Гвп = 38,4 л.
При движении гидросмеси по вертикальной трубе потери давления на трение определяли по формуле Дарси-Вейсбаха
АР = ' Усм '1 иЖф (Па) (7),
тр 2д • й
где I — длина изливной трубы (I = 75 м); й — диаметр изливной трубы (й = 0,12 м); иЖф — скорость жидкой фазы (иЖф = 3,36 м/с); g — ускорение силы тяжести ^ = 9,81 м/с2); усм — удельный вес жидкости (усм = 1,25 • 104 Н/м3); А,гс — коэффициент гидравлических сопротивлений гидросмеси (А,гс = 0,01).
Для Гостищевского и Шемраевского месторождений КМА при определении АР при подъеме полидисперсной гидросмеси, состоящей из железной руды и воды, по трубам 0120 мм и длиной 25 м определялось для крупности фракций 3,0—6,0 мм и 0,5—3,0 мм с удельным весом ут = 3,4 • 104 Н/м3 (руда) и параметром Рейнольдса Reгс = 833 664 при движении гидросмеси.
При таких значениях входящих параметров потери давления на трение АР = 4,5 • 104 Па, составляет около полуатмосферы.
Тогда, необходимое рабочее давление компрессора в пусковой период, определенное по формуле, составит гидростатическое давление пульпы плюс потери:
РЩСК = Угс •(Н - h) + АРтр + у'гс+в ' h (8);
Р = 0,83 МПа.
пуск '
Рабочее давление в изливной трубе при равенстве объемов воздушных пузырей и гидросмеси составит
АРщ,
Рра6оч = 1гс+в ' Н + ^ (9),
Р . = 0,52 МПа.
рабоч '
где у гс+в — среднее значение удельного веса движущемся массы в изливной трубе.
При плотности воздуха р = 1,21 кг/м3 и усм = 1,25 • 104 Н/м3 удельный вес гидросмеси и воздуха будет равен у'гс+в = 0,63 • 104 Н/м3.
Давление сжатого воздуха на входном отверстии изливной трубы в установившийся период работы насоса Гейзера определится выражением
Руст =1'гс+в ■ Н + АРтр , (10)
Р = 0,52 МПа.
уст '
Объем внешнего купола У1 определим, решая систему уравнений из условий:
1 — размер воздушного пузыря в установившийся период работы насоса, АУк определяется по формуле (4), АУк = 38,4 л;
2 — второе уравнение из закона Бойля-Мариотта (3)
Р ■ V
V =
Р1
где Р1 — рабочее давление компрессора (Р1 = 0,7 МПа); Р2 — давление в изливной трубе при установившемся режиме (Р2 = = 0,52 МПа)
V - V = 38,4
Р ■ V (11)
V, =
р
Решая систему уравнений (11) относительно У1, установили, что объем внешнего купола должен быть равен 110 л (У1 = 110 л).
При изготовлении купола из трубы диаметром Б = 400 мм его длина L будет определяться из выражения
V ■ ь . (12)
1 4
Подставляя значения У1 и Б, получим L = 875 мм, но так как часть купола занимает изливная труба диаметром d = 120 мм и
п ■ й2
объемом Ур = 9,6 л (Утр = —-— Ь), тогда к расчетному значению У = 110 л необходимо добавить 10 л. Длина внешнего купола при этом увеличится до 955 мм.
^ = 955 мм « 1 м.
факт
На рис. 3 представлены расчетные и конструктивные параметры насоса Гейзера для гидродобычного агрегата (ГДА) про-
изводительностью 38 л/с пульпы для Гостищевского месторождения железных руд.
Объем внутреннего воздушного купола, регулирующего открытие и закрытие отверстия-клапана в изливной трубе составляет 20—25% объема внешнего купола. В насосе для ГДА внутренний купол диаметром 270 мм и длиной 550 мм имеет объем 31,5 л, но с учетом уменьшения его полезного объема за счет внутреннего расположения изливной трубы его объем составит 26 л, что и составляет 24% от объема внешнего купола.
На рис. 4 представлена рабочая характеристика насоса Гейзера для ГДА.
Из представленной характеристики насоса видно, что для устойчивой работы насоса необходимо в период пуска обеспе-
Рис. 3. Насос Гейзера для гидродобычного агрегата (ГДА): 1 — подвод сжатого воздуха к внешнему воздушному куполу; 2 — изливная труба; 3 — внешний воздушный купол; 4 — внутренний воздушный купол; 5 — отверстие-клапан в изливной трубе Н = 75 м — глубина погружения насоса; h = 25 — глубина динамического уровня от уровня излива
10 15 20 25 1,ы
Рис. 4. Характеристика насоса Гейзера для гидродобычного агрегата: Р, МПа — давление сжатого воздуха, подаваемое компрессором во внешний воздушный купол; Q, л/с — производительность насоса при подъеме пульпы; п, % — КПД насоса; ¡, м — высота подъема пульпы в изливной трубе
чить давление сжатого воздуха во внешнем воздушном куполе Рпуск = 0,83 МПа и его подачу до 10 л/с. В дальнейшем, в установившемся режиме работы необходимо поддерживать давление сжатого воздуха до 0,6 МПа и его подачу до 38,4 л/с, что обеспечит бесперебойный подъем пульпы в объеме 137 м3 в час. Такие параметры обеспечит компрессор «Remeza» с дизельным приводом мощностью N = 15 кВт, развивающий давление до 0,9 МПа и обеспечивающий подачу 2,5 м3 в минуту. После запуска насос позволяет в отличие от эрлифта, регулировать подачу сжатого воздуха в широком диапазоне не опасаясь его остановки и повысить КПД до 80%.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аренс В.Ж., Бабичев Н. И., Башкатов А. Д. и др. Скважинная гидродобыча полезных ископаемых: учеб. пособие. — М.: МГГУ, 2007. — 295 с.
2. Аренс В. Ж. Физико-химическая геотехнология: учеб. пособие. — М.: Изд-во МГГУ, 2001. - 656 с.
3. Третьяк А.Я., Литкевич Ю. Ф., Гроссу А. Н. Технология гидродобычи железной руды на месторождениях Курской магнитной аномалии // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2015. — № 3. — С. 50—54.
4. Третьяк А. Я., Чихоткин В. Ф., Павлунишин П. А. Техника и технология сооружения гидрогеологических скважин. — Ростов-на-Дону: Изд-во ЮНЦ РАН, 2006. — 410 с.
5. Патент US.6.162.020. Насос Гейзера. ittt^
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Третьяк Александр Яковлевич1 — доктор технических наук, профессор, академик РАЕН, зав. кафедрой, e-mail: 13050465@mail.ru, Литкевич Юрий Федорович1 — кандидат технических наук, доцент, e-mail: 13050465@mail.ru,
Гроссу Анна Николаевна1 — старший преподаватель, e-mail: A.Grossu@mail.ru,
1 Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова.
UDC 622.234
Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016. No. 10, pp. 304-311. A.Ya. Tret'yak, Yu.F. Litkevich, A.N. Grossu APPLICATION GEYSER PUMP FOR LIFTING PULP IN HYDRAULIC BOREHOLE MINING OF IRON ORE
The article considers approaches to defining the design parameters of the pumps Geyser given productivity, allowing them to combine the job with a capacity hydromining plant (GDA). It is shown that for GDA, developed for Gostischevskogo deposit KMA, advisable to use external air pump with a dome of 110 liters, with internal air dome of 26 liters. This allows the pump to provide the pulp with a speed rise of 38 l/s up to 80% efficiency.
The following material allows you to put the task of further improving the GDA.
Key words: airlift, pump Geyser, spilling pipe, internal and external air domes, the characteristics of the pump, compressor.
AUTHORS
Tret'yak A.Ya.1, Doctor of Technical Sciences, Professor, Academician of Russian Academy of Natural Sciences, Head of Chair, e-mail: 13050465@mail.ru, Litkevich Yu.F}, — Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, e-mail: 13050465@mail.ru, Grossu A.N.1, — Senior Lecturer, e-mail: A.Grossu@mail.ru, 1 M.I. Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), 346428, Novocherkassk, Russia.
REFERENCES
1. Arens V. Zh., Babichev N. I., Bashkatov A. D. Skvazhinnaya gidrodobycha poleznykh iskopaemykh: uchebnoe posobie (Downhole hydraulic output of minerals: Educational aid), Moscow, MGGU, 2007, 295 p.
2. Arens V. Zh. Fiziko-khimicheskaya geotekhnologiya: uchebnoe posobie (Physikal and chemikal geotechnology: Educational aid), Moscow, Izd-vo MGGU, 2001, 656 p.
3. Tret'yak A. Ya., Litkevich Yu. F., Grossu A. N. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2015, no 3, pp. 50—54.
4. Tret'yak A. Ya., Chikhotkin V. F., Pavlunishin P. A. Tekhnika i tekhnologiya sooru-zheniya gidrogeologicheskikh skvazhin (Equipment and Technologies facilities hydrogeo-logical skvazhin), Rostov-na-Donu, Izd-vo YuNTs RAN, 2006, 410 p.
5. Patent US.6.162.020.
