Теоретическое и экспериментальное обоснование работы гидролинии по новой технологии намыва песка Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

уДКби.22 В. Е. ЩЕРБА

В. И. СУРИКОВ М. И. ЧИГРИН

Омский государственный технический университет ОАО "Сибнефтетранспроект"

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАБОТЫ ГИДРОЛИНИИ ПО НОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ НАМЫВА ПЕСКА

В статье дается теоретическое обоснование нового способа гидронамыва песка, обеспечивающего снижение энергозатрат и экологических потерь. Пульпопровод представлен в виде гидравлической разветвленной линии с двухфазной жидкостью. Приведены расчетные уравнения, описаны результаты расчета и эксперимента.

В настоящее время транспортировка песка от источника (донные слои водоемов) на карту намыва (карьер, насыпь и т.д.) производится в основном путем гидронамыва, при котором песок смешивается с водой и насосом по трубопроводу подается к месту назначения. При этом на привод насоса затрачивается энергия как на перемещение собственно песка, так и на перемещение несущей его воды, причем количественное соотношение воды и песка, а также скорость перемещения их смеси (пульпы) выбирается таким образом, чтобы песок не слишком сильно осаждался на нижней части трубопровода (пульпо-провода) и не образовывал в его поперечном сечении сплошные пробки.

Использование такой технологии имеет негативные последствия как экономического, так и экологического характера, особенно в условиях севера Западной Сибири, в водоемах которых донные пески содержат большое количество илистых фракций и пылеватых частиц. Это обстоятельство приводит к тому, что, во-первых, на карту намыва подается песчаная смесь низкого качества, что приводит к снижению параметров используемого в строительстве песка (основание дорожной насыпи, кустовые площадки и др.), во-вторых, растекающаяся смесь образует протяженные «пляжные откосы», значительная часть которых недоступна для полследующего использования песка, и в-третьих, стекающая с карты намыва вода заболачивает окружающую местность.

Традиционный способ борьбы с этими негативными явлениями заключается в применении сгустителей пульпы, которые устанавливаются на подающем конце пульпопровода. В сгустителях производится отделение излишек воды от песка, после чего песок подается на карту намыва, а вода направляется в исходный или неподалеку расположенный водоем.

Этот способ имеет определенные недостатки, затрудняющие его реальное использование, и заключающиеся в следующем. Во-первых, эффективные сгустители достаточно громоздки, и для отсыпки осушенного песка их нужно постоянно перемещать. Во-вторых, для транспортировки освободившейся воды необходима прокладка дополнительного трубоп-

ровода, длина которого может составлять несколько километров, а для прокачки по нему воды необходимы дополнительные затраты энергии.

Для устранения недостатков, присущих традиционным методам сгущения пульпы предложен новый метод гидронамыва песка, суть которого состоит в следующем (рис. 1). После забора пульпы со дна водоема ее насосом подают в пульпопровод 1. На начальном участке 2 наблюдается вихреобразное течение смеси песка, илистых фракций и пылеватых частиц по сечению трубопровода (течение по типу турбулентного). По мере продвижения смеси течение потока становится по качеству ближе к ламинарному (зона 3) и происходит его расслоение (зона 4), при котором более крупные и тяжелые частицы смещаются в сторону нижней части сечения.

Таким образом, в верхней части трубопровода оказываются преимущественно илистые фракции и пылеватые частицы, а в нижней — преимущественно крупные частицы. Из верхнего сечения зоны 4 пульпу целесообразно отвести назад в исходный водоем, однако при этом количество и состав оставшейся пульпы должны обеспечить такую скорость потока, при которой не происходит активного осаждения песка на нижнюю часть трубопровода с образованием пробок.

Физические основы предлагаемой технологии (см. также [2]) сводятся к следующему. При движении пульпы по трубопроводу на частицу песка действуют следующие силы: сила тяжести, сила сопротивления, сила Архимеда и сила Дюпюи-Магнуса, обусловленная изменением скорости потока по сечению пульпопровода. В верхней части пульпопровода направление силы тяжести и силы Дюпюи-Магнуса совпадают, что заставляет частицу песка довольно быстро перемещаться в нижнюю часть пульпопровода.

После прохождения центра сечения пульпопровода, направления силы тяжести и силы Дюпюи-Магну-са становятся противоположными и на определенном расстоянии от дна пульпопровода, называемым потолком взвешивания, равнодействующая всех сил в вертикальном направлении будет равна нулю. Час-

тица песка прекращает перемещаться в вертикальном направлении вдоль сечения пульпопровода и перемещается только вдоль него.

Предварительные экспериментальные исследования на протоке «Березовая» при строительстве мостового перехода через р. Иртыш в Ханты-Мансийском районе позволили установить, что для всего спектра размеров частиц намываемого песка, характерного для газо-нефтеносных районов Тюменского Севера, расслоение пульпы осуществляется на расстоянии 150-200 метров от земснаряда. После этого расстояния в пульпопроводе, в его верхней части до потолка взвешивания движется осветленная пульпа, а ниже потолка взвешивания — обогащенная пульпа. Исследования показали, что концентрация песка в пульпе достаточно низкая (не превышает 10 % по объему), что позволяет без уменьшения скорости ниже первой критической отводить избыток воды в пределах 15-25 %.

Принципиальная расчетная гидравлическая схема с обозначением основных расчетных параметров представлена на рис. 2.

Запишем уравнения сохранения энергии в форме уравнения Бернулли для сечений 2-3

(1)

" p<.i£ 2S ' P^zS 2S где z2, z3 — геометрические высоты точек 2 и 3; Р™-) — плотность пульпы, может быть определена как Paul = А Рж + 1.1 }Ртп ■ Р2 — объемное содержание жидкости в пульпе на участке 2-3; рж — плотность жидкости; ртп — плотность песка; g — ускорение свободного падения; p2, p3 — значение давлений в соответствующих точках (давление p3 принимается равным атмосферному); а2, а3 — коэффициенты Кориолиса для потока в соответствующих сечениях (а2 = а3 = А); и2, о3 — средние скорости потока в соответствующих сечениях, принимая во внимание неразрывность и несжимаемость потока, имеем о2 = о3

Потери напора Ah2 могут быть определены по формуле Юфина как

¡см в0 Рсм2 ¡0 ,

иди

■ Ч Рж -Е ^ а 2g

(2), (3)

величина коэффициента Р02 в соответствии с [2] может быть определена, как

^ (4)

Критическая скорость, соответствующая началу заиливания, может быть вычислена по уравнению

Сумма местных коэффициентов включает

в себя местные коэффициенты сопротивления на задвижку, поворот потока и внезапное расширение.

Средневзвешенный диаметр частиц песка, зная его гранулометрический состав, можно определить, как

(6)

где д. — массовая концентрация 1-й фракции песка; dki — средний диаметр частиц песка во фракции.

Под гидравлической крупностью понимают скорость свободного падения твердых частиц в спокойной воде. Для однородных по весу грунтов гидравлическая крупность является достаточно полной характеристикой твердого компонента гидросмеси, определяющей возможность транспорта данного грунта потоком воды по трубам или лоткам.

Средневзвешенную величину гидравлической крупности можно определить из уравнения

(7)

где Wki — гидравлическая крупность 1-й фракции песка; д. — массовая концентрация 1-й фракции песка.

Наиболее универсальной формулой для расчета гидравлической крупности при различных значениях числа Рейнольдса является формула Руби

(8)

(9)

Необходимо отметить, что при эксплуатации пульпопроводов в начальный период происходит шлифовка пульпой их внутренней поверхности, и примерно через 100 часов, шероховатые трубы могут рассматриваться как гидравлически гладкие.

В этом случае при числе Рейнольдса Re>105 значение коэффициента гидравлического трения по длине может быть определено по формуле Конакова 1

=-

(10)

(ЩвБСе,-!^)1

Вторым основным уравнением рассматриваемой системы является уравнение Бернулли, записанное для сечений 2-4:

z - -

Pi

Pi

оци:

,

(11)

где z4, р4, а4, о4 — соответственно координаты центра тяжести, давления, коэффициент Кориолиса и скорость потока в сечении 4.

Принимаем, что давление в сечении 4 равно атмосферному, и значение а4 равно 1. Учитывая неразрывность и несжимаемость потока, получим, что о4 = о2.

Значение плотности пульпы можно определить по уравнению

рш=(М«ж+(1-ьК, (12)

где Р3 — объемное содержание жидкости в пульпе на участке 2-4.

Потери напора на участке 2-4 могут быть определены. как

d= Рж 2Ш 2Ш

(13)

где Х3 — коэффициент трения по длине на участке 2-4; з - длина пульповода на участке 2-4; с!3 — диаметр пульповода; Р03 — поправочный коэффициент; X

- сумма местных коэффициентов сопротивления на участке 2-4.

Значение коэффициентов Х3 и Р03 определяются на основании изложенных выше зависимостей.

Уравнение Бернулли для участка 1-2 запишется в виде

Р]

о, и.

Р:

ДЬ

(14)

: 7

р!рж

+ ^ ,

0|

и, =■

о2

и, =

р.

пй1/4

то1г/4 * ж)з /4

Таким образом, решение системы нелинейных уравнений (1), (11), (14), (16) позволяет определить все четыре неизвестные величины.

При заданном значении Q1 в качестве основных неизвестных величин примем: Q2, Q3, р2, р1. Вследствие существенной нелинейности системы и невозможности ее записи в явном виде представляется целесообразным проводить ее решение численным методом.

Полученная система уравнений может быть также дополнена уравнением характеристики центробежного насоса, установленном на земснаряде для перекачки пульпы в виде

Р^^) (18)

В этом случае рассматриваемая система будет включать в себе 5 уравнений, что позволяет отнести величину Q1 в разряд неизвестных из разряда задаваемых.

Опытное внедрение новой технологии осуществлялось в районе протоки Березовая при строительстве мостового перехода через р. Иртыш в Ханты-Мансийском районе. При расчете использовались следующие исходные данные: d1 = 0,53 м; d2 = 0,159м d3=0,53 м; 11 = 200 м; 12=1100м; Р1 = 0,9; Р2=0,92 z1 = 24,5м; z2= 25,89м; z1 = 25м; z2 = 37,24м; р3=105 Па р4=105 Па; Q1 = 20 00/3(500 м3/с.

Фракционный состав песка: dk1 = 0,0005 м dk2= 0,00025 м; dk3= 0,0001м; dk4= 0,00005м dk5=0,00001м; dk6= 0,000005м; д1 = 0,06; д2 = 0,65 &3=0,13; д4=0,13; ^5=0,01; д(=0,02.

где z1, р1, а1, о1 — соответственно координаты центра тяжести, давления, коэффициент Кориолиса и скорость потока пульпы в сечении 1. Скорость и равна скорости о2 (а1 = а2=1), , так как поток неразрывен и несжимаем.

Величина потери напора на участке 1-2 определяется на основании выше изложенной методики.

Плотность пульпы на участке 1-2 можно определить как

Рис. 1. Схема нового метода гидронамыва [1]: 1. Пульпопровод. 2. Зона турбулентного течения. 3. Переходная зона. 4. Зона полного расслоения. 5. Смесь ила и пылеватых частиц с водой. 6. Трубопровод возврата в исходный водоем.

(15)

где Р1 — объемное содержание жидкости в пульпе на участке 1-2.

Уравнение неразрывности потока запишется в виде

(16)

где Q1, Q2 — соответственно объемные расходы пульпы на участках 1-2; 2-3 и 3-4.

Средние скорости и1, о3 и о4 на соответствующих участках могут быть определены, как

(17)

Рис. 2. Принципиальная расчетная гидравлическая схема нового способа гидронамыва.

Цифрами обозначены номера сечений.

В результате проведенного расчета получены следующие значения параметров:

1. Значения расходов:

Q1 = 0,555 м3/с; Q2 = 0,08996 м3/с;

Q3=0,4655 м3/с; Q2/Q1 = 16,19 %.

2. Значения скоростей:

о1 = 2,518 м/с; о3 = 4,53 м/с;

01 = 2,11 м/с; и =1,7945 м/с;

4 кр

3. Значения давлений в соответствующих сечениях:

р1 = 334436 Па; р2 = 301344 Па; р3 = р4= 105 Па.

4. Значения концентраций песка:

Р1 = 0,9; Р2 = 0,92; Р3 = 0,896135;

Эксперименты проводились на действующем земснаряде в течение нескольких часов. При этом были взяты пробы пульпы на карте намыва и из потока пульпы, проходящей через отвод (сбрасываемый поток).

В результате экспериментов получены данные, отраженные в табл. 1.

Таблица 1 Гранулометрический состав пульпы

Диаметр частиц в мм - процент содержания к сухой

навеске

2,0 - 1,0 1,0 - 0,5 0,5 - 0,25 0,25 - 0,1 0,1 - 0,05

Карта намыва

0,2 1,2 22,5 66,4 9,7

Выброс (отведенная пульпа)

0,0 0,1 4,9 81,6 13,4

Из анализа этих данных можно сделать однозначный вывод о положительном влиянии, оказанном работой установки на эффективность процесса гидронамыва.

Так, например, экспериментальная установка практически полностью отделила от сбрасываемого потока наиболее крупные частицы диаметром от 2 до 0,5 мм. В сброшенном в исходный водоем потоке количество наиболее мелких пылеватых частиц диаметром менее 0,1 мм, отрицательно влияющих на

качество намываемого песка, почти вдвое превышает этот показатель на карте намыва.

Таким образом, внедрение данной схемы гидронамыва песка может позволить уменьшить расход воды на 16 %, уменьшить затраты энергии на перекачку пульпы и увеличить концентрацию песка на выходе из пульповода, одновременно улучшив его качество.

Библиографический список

1. Патент РФ №2111313. Способ повышения концентрации пульпы при гидронамыве/Ткаченко Н.М., Артюшин В.А.,Савва Л.Г., Чернышков А.П., Щерба В.Е., Казанцев В.В. и Жанко Ю.Н. заявлен 26.06.1992, заявка №5068139.

2. Юфин А.П. Гидромеханизация.- М., Издательство литературы по строительству, 1965,- 495 с.

ЩЕРБА Виктор Евгеньевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Гидромеханика и транспортные машины».

СУРИКОВ Валерий Иванович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой физики. ЧИГРИН Максим Иванович, инженер II категории ОАО «Сибнефтетранспроект.

Дата поступления статьи в редакцию: 03.12.2007 г. © Щерба В.Е., Суриков В.И., Чигрин М.И.

УДК 621-316-9 К. И. НИКИТИН

А. С. СТИНСКИЙ К. Т. ШАХАЕВ

Омский государственный технический университет, Павлодарский государственный университет

АЛГОРИТМ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ РЕЗЕРВНОЙ ЗАЩИТЫ ЛИНИЙ С ПОВЫШЕННОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ К НЕСИММЕТРИЧНЫМ КОРОТКИМ ЗАМЫКАНИЯМ

Предложен алгоритм функционирования резервной защиты линий, основанный на оценке отношения выпрямленных значений максимального к минимальному токов фаз. Приводятся графические зависимости ее чувствительности от параметров сети с учетом нагрузки, дается вариант аппаратной реализации. Защита не отстраивается от токов нагрузки и обладает высокой чувствительностью, что позволяет обеспечивать дальнее резервирование.

В целях повышения надежности электроснабжения в сетях 110-220 кВ осуществляется сочетание дальнего и ближнего резервирования. Последнее сводится к тому, что на каждой линии устанавливается два комплекта защит [1]. Однако обеспечение дальнего резервирования в сетях с протяженными сильно загруженными линиями при наличии параллельных ветвей и мощных подпиток является сложной и актуальной задачей из-за недостаточной чувствительности резервных защит даже в тех случаях, когда они выполняются посредством МТЗ нулевой последовательности и дистанционной защиты. Этот недостаток дальнего резервирования ограничивает его применение и вынуждает искать другие пути, обеспечивающие большую чувствительность резервирования [2].

В данной работе предложен алгоритм функционирования, позволяющий строить резервные защиты линий повышенной чувствительности. Условие срабатывания (алгоритм функционирования) определено на основе анализа отношений токов в фазах в нормальном и аварийном режиме. Срабатывание защиты происходит, если выполняется неравенство:

■ I- ' . , (1)

где |1МАХ|, Ц^ - выпрямленные значения соответственно максимального и минимального из токов фаз А, В, С, кГр - граничный коэффициент, выполняющий роль уставки защиты. Величина коэффициента кГр определяется по допустимой несимметрии фазных токов в безаварийных режимах. Если в нормальном режиме максимальный и минимальный токи в фазах