CC BY
21
© С.А. Иванов, 2015
УЛК 622.271.6 С.А. Иванов
ВОПРОСЫ, СВЯЗАННЫЕ С ОЦЕНКОЙ ВЕЛИЧИНЫ МАКСИМАЛЬНОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ЗЕМСНАРЯДА С ПОГРУЖНЫМ ГРУНТОВЫМ НАСОСОМ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ГЛУБИНЫ ПОГРУЖЕНИЯ НАСОСА И ГЛУБИНЫ РАЗРАБОТКИ
Дан анализ результатов исследовательских и опытно-конструкторских работ по земснарядам с погружными грунтовыми насосами. Ключевые слова: земснаряд, грунтовый насос, эжекторное устройство, глубина погружения, гидросмесь, всасывающая труба, глубина разработки, твердая фракция.
Начатые во второй половине 80-х годов прошлого века внедрение в эксплуатацию земснарядов с погружными грунтовыми насосами нашло отражение в ряде опубликованных работ [1, 2, 3]. Основной работой, в которой впервые проведено систематизированное обобщение результатов исследований отечественного и зарубежного опыта эксплуатации землесосных снарядов с погружными грунтовыми насосами является книга Е.П. Жарницкого «Землесосные снаряды с погружными грунтовыми насосами [1]. В этой работе рассмотрены практически все аспекты данной проблемы, включающие исследования кавитацион-ных явлений в погружных грунтовых насосах при работе на различных гидросмесях, анализ различных конструктивных схем земснарядов с погружными грунтовыми насосами (в том числе особенности привода погружного грунтового насоса), опытные исследования влияния глубины погружения на плотность гидросмеси и производительность, особенности эксплуатации земснарядов с погружными грунтовыми насосами и др. вопросы. Рассмотрены известные способы повышения эффективности разработки грунтов (с учетом глубины их залегания) с использованием эрлифтных, гидроэлеватор-
ных и эжекторных устройств на основании проведенного сравнительного качественного и количественного анализа технико-экономических показателей земснарядов. С перечисленными устройствами обосновывается целесообразность использования погружных грунтовых насосов вследствие их повышенных энергетических показателей. Аналогичные данные были получены в исследованиях, проведенных за рубежом. Как показали эти испытания, проведенные у нас и за рубежом, погружные грунтовые насосы по сравнению с обычно установленными, более чем вдвое могут повысить производительность земснаряда на глубине 15 м и в четыре раза — на глубине 25 м. В этой работе приводятся также подробные данные о кавитационных явлениях в насосах при перекачивании как воды, так и различных гидросмесей. Подробно рассмотрены процессы кавитационной эрозии гидроабразивного изнашивания, проведены сравнения этих явлений в погружных и непогружных грунтовых насосах. В этой работе приведен анализ конструкций земснарядов с погружными грунтовыми насосами, особенности приводов этих насосов и системы уплотнений, а также особенности эксплуатации земснарядов с погружными грунтовыми насосами. В заключительной части книги приводятся данные об экономической эффективности эксплуатации земснарядов с погружными грунтовыми насосами, а также некоторые аспекты технологий разработки обводненных месторождений такими земснарядами.
Важными исследованиями, направленными на решение проблемы создания земснарядов с погружными грунтовыми насосами, являются работы В.В. Кириллова, проведенные в 80-х годах прошлого века [4, 5] и обобщенных в работе «Исследование и обоснование эксплуатационных режимов погружных грунтовых насосов при разработке месторождений нерудных полезных ископаемых» [2]. В этой работе приведены результаты исследований кавитационных явлений в грунтовых насосах при работе на различных гидросмесях — с различными концентрациями и крупностью твердой фракции.
Следует отметить, что такие кавитационные исследования работы насоса на гидросмеси, проведенные в широком диапа-
зоне изменений параметров гидросмеси, практически представлены впервые в отечественной и зарубежной литературе. Важным результатом является установление факта начала ка-витационных явлений в насосе (полученных виброакустическим способом) существенно раньше, чем это можно наблюдать по изменению показаний контрольно-измерительных приборов, то есть изменению параметром насоса, например, напора. Из этого следует, что кавитационная эрозия во входной части насоса имеет место даже тогда, когда установленные на земснаряда приборы еще не фиксируют начала кавитации в грунтовом насосе.
На основании комплекса экспериментальных исследований установлено влияние параметров гидросмеси на величину допустимого кавитациоиного запаса ДЛдоп. При работе на гидросмеси с плотностью до 1300 кг/м3 допустимый кавитационный запас не зависит от плотности гидросмеси и крупности ее твердой фракции и равен допустимому кавитационному запасу при работе на воде — ДЛгдоп = ДЛодоп. Поэтому для определения допустимой вакуумметрической высоты всасывания при работе на гидросмеси с плотностью до 1300 кг/м3 следует пользоваться рекомендациями работы [6]. Проведенные исследования позволили установить, что потери напора на входе во всасывающий наконечник земснаряда АИвх зависят от плотности гидросмеси и крупности твердой фракции, причем последняя оказывает влияние на АИвх при величине диаметра частицы до 62 = 6 мм. Дальнейшее увеличение среднего диаметра частиц влияния на потери напора на входе во всасывающую трубу практически не оказывает.
На рис. 1 представлены схемы земснарядов с непогружным (а) и погружным грунтовыми насосами (б). На основании исследования баланса потерь во всасывающей линии грунтового насоса земснаряда В.В. Кирилловым получена зависимость для определения минимально необходимой глубины погружения грунтового насоса на земснаряда Лп.мин = ? ( Лр, рг, vг, НВ™ г, ^а), где Ьр — глубина разработки, м; рг — плотность гидросмеси, кг/м3, V!- — скорость гидросмеси в всасывающей линии, м/с; угол наклона рамы земснаряда — Za.
Рис. 1. Схемы земснарядов с непогружным (палубным) (а) н погружным (б) расположением насоса
Приведенная зависимость, хотя и имеет некоторые неточности, может быть использована для подсчета как глубин погружения грунтового насоса, так и разработки с различными всасывающими устройствами. На основании этих исследований опытно-конструкторских разработок установлено, что применение погружных грунтовых насосов на земснарядах дает возможность повысить производительность земснаряда на 30—90 %, снизить энергозатраты на разработку и транспортировку 1 м3 грунта на 25—33 % (соответствующие графические зависимости приведены в этой работе). К особому разделу работ по погружным грунтовым насосам для земснарядов следует отнести результаты исследований и опытно-конструкторских разработок, проведенных в Проблемной лаборатории добычи полезных ископаемых со дна океанов и морей Московского горного института (ныне МГГУ), опубликованных в работах [3, 7, 8, 9]. Земснаряды типа «Моллюск» и «Мангуст» были разработаны в горном институте и предназначались для добычи полезных ископаемых с различных глубин, В процессе создания указанных машин под руководством Л.Н. Молочникова были проведены ряд теоретических и экспериментальных исследований, в результате которых были разработаны элементы конструкции моноблочных погружных агрегатов с приводом от маслозапол-ненного электродвигателя с возможностью их эксплуатации на больших глубинах, рассмотрены вопросы использования части напора погружного насоса для интенсификации грунтозабора,
разработаны теоретические основы специальных породоза-борных устройств и практическая их апробация.
В перечисленных выше работах уделялось внимание вопросам, связанным с оценкой и определением величины максимальной производительности земснаряда Qr..max в зависимости от глубины погружения грунтового насоса и глубины разработки. Так, в работах [1, 2] приведены опытные и расчетные графические зависимости величины плотности гидросмеси рг и максимальной производительности Qr..max от величин hn и Ьр. Эти графики относятся к конкретным машинам, например, к земснарядам, оборудованным грунтовыми насосами с подачами Q = 2500 и 4000 м3/ч. Однако способов определения количественных данных о максимальной производительности Qr.max для земснарядов с различными их параметрами не приводятся.
В работе [10] А.И. Хариным впервые было предложено уравнение для подсчета предельно возможной производительности земснаряда Q^ исходя из всасывающей способности грунтового насоса. Однако в основу предложенного аналитического решения для подсчета Qi..max положена ошибочная предпосылка о постоянном значении кавитационного коэффициента быстроходности Ск (определяющего всасывающую способность насоса Нд^г) во всем диапазоне рабочих подач насоса Q, что привело к ошибочным результатам.
Многие опубликованные работы посвящены модернизации земснарядов с целью использования на них погружных грунтовых насосов, конструктивными особенностями таких земснарядов. К работам следует отнести публикации Б.М. Шкундина [11], Фридмана и др. [3], H.H. Арефьева, А.В. Согина и др. [4], СП. Огородникова [9]. Большим вкладом в развитие землесо-состроения с погружными грунтовыми насосами является работа С.П. Огородникова (Тверской государственный технический университет). Он рекомендует в качестве погружного насоса использовать осевой насос вместо центробежного. Преимуществом такой схемы является движение гидросмеси в осевом направлении, поэтому осевой насос как бы встроен в цилиндрическую трубу [5]. Это обеспечивает конструктивную простоту его установки на раме земснаряда, относительно малые габариты и весовые характеристики по сравнению с по-
гружными насосами центробежного типа. Однако такие насосы являются низконапорными машинами (с напорами до 8 м), поэтому требуется двухступенчатая схема лопастных насосов — одного осевого погруженного, другого — центробежного, установленного в трюме. В связи с этим требуется всесторонняя сравнительная оценка всех преимуществ и недостатков одноступенчатой и двухступенчатой схем. Кроме того, существует некоторая опасность интенсивного изнашивания торцев лопастей осевого насоса вследствие перетока гидросмеси с рабочей на тыльную сторону лопасти. В то же время по данным проведенных испытаний [13] износ осевого грунтового насоса оказался умеренным и был подтвержден факт целесообразности и экономической эффективности применения погружных осевых грунтовых насосов, подающих гидросмесь в непогружной насос центробежного типа.
Следует также отметить положительные результаты испытаний земснарядов ЗЭК700/40 и ЗДЭК400/20, разработанных и изготовленных АООТ «Промгидромеханизация» [3]. Эти земснаряды предназначены для работы в различных природок-лиматических и гидрогеологических условиях, в Северных регионах, например, в Сургутнефтеспецстрое. Многолетний опыт их эксплуатации подтверждает высокую надежность, мобильность, экологическую безопасность и экономическую эффективность.
Особый интерес представляют работы, в которых производится сравнительный анализ энергетических и эксплуатационных показателей земснарядов, оборудованных погружными грунтовыми насосами и эжекторными устройствами. Исходя из многочисленных данных известно, что энергоемкость процесса гидромеханизации при применении эжекторных устройств существенно выше, чем при использовании погружных фунтовых насосов. Однако количественные характеристики энергоемкости указанных выше процессов весьма ограничены и противоречивы. Поэтому ниже приводятся результаты некоторых исследований, посвященных данному вопросу.
В работе [5] указано, что применение эжекторных установок с грунтовым насосом ограничено: они могут применяться при добыче гидросмеси с плотностью 1 т/м3 (то есть объемной консистенцией до 10 %). При плотности гидросмеси р > 1,2 т/м3 гидравлические потери во всасывающем трубопроводе
превышают всасывающую способность грунтового насоса. Эти исследования также позволяют оценить значения энергетических затрат эжекторно-землесосного снаряда по сравнению с земснарядом с погружным насосом. На рис. 2 приведены графики удельных энергозатрат кВт-ч/м3 для земснарядов с эжектором и погружным грунтовым насосом. Так при дальности транспортирования 200 м энергозатраты с эжектором превышают затраты с погружным грунтовым насосом в 1,9 раза, а при дальности 500 м в 2,15 раза соответственно [4].
В работе [2] проведено сравнение результатов эксплуатации земснаряда 350-50Л с погружным грунтовым насосом 20Р-11М и такого же земснаряда, оснащенного эжектором. Это сравнение показало, что экономия электроэнергии при использовании погружного грунтового насоса составляет 950 тыс. кВт в год по сравнению с эжектором.
С.П. Огородников, рассматривая применение погружного осевого насоса, указывает [13], что при испытаниях земснаряда 350-50Л с насосом 0ПГИ-5000/6 было перекачено 1 млн м3 песчаного грунта. По сравнению с эжектированием производительность земснаряда увеличилась на 15—35 % (в зависимости от грунтовых и технологических условий), а общая энергоемкость снизилась на 25 %. Применение осевого погружного насоса в сравнении с эжектированием оказалось экономичнее более чем в 2 раза.
Аналогичные результаты были получены в исследованиях и в эксплуатации, проведенных за рубежом.
Рис. 2. Сравнение удельных энергозатрат при применении эжектора и погружного грунтового насоса
Подводя итоги приведенному анализу исследований и опытно-конструкторских разработок по земснарядам с погружными грунтовыми насосами, следует отметить, что, несмотря на достаточно широкий диапазон рассмотренных вопросов, не рассмотрены однако ряд аспектов этой проблемы, к числу которых относятся:
• методы определения максимальной производительности земснаряда;
• оценка удельных затрат таких земснарядов, с целью разработки энергосберегающей технологии;
• использование погружного грунтового насоса для интенсификации грунтозабора.
В связи с этим в ранее изданной работе уделено особое внимание этим вопросам [15].
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Жарницкий Е.П. Землесосные снаряды с погружными грунтовыми насосами. - М.: Недра, 1988.
2. Кириллов В.В. Исследование и обоснование эксплуатационных режимов погружных грунтовых насосов при разработке месторождений нерудных полезных ископаемых. Автореферат диссертации. - М., 1982.
3. Нейтман Л.Н., Фридман М.М. Модернизация земснаряда 350-50Л для увеличения глубины разработки. Энергетическое строительство № 7. -М., 1986.
4. Кириллов В.В. Кавитационная эрозия и гижролабразиснвй износ грунтовых насосов - В кн. Совершенствование технологии добычи и переработки минерального сырья. - М., 1984.
5. Кириллов В.В., Смойловская Л. А. Кавитационные характеристики грунтовых насосов при работе на гидросмесях, содержащих твердые фракции различной крепости - В кн. Совершенствование технологии добычи и переработки минерального сырья. - М., 1984.
6. Животовский Л.С., Смойловская Л.А. Техническая механика гидросмесей и грунтовые насосы. - М.: Машиностроение, 1986.
7. Молочников Л.Н. Создание технических средств подводной выемки полезных ископаемых. Технология и технические средства разработки месторождений мирового океана. Сб. научных трудов. М.: МГИ, 1987.
8. Молочников Л.Н. Методические указания по проведению практических и самостоятельных работ по дисциплине «Технические средства гидромеханизации». - М.: МГИ, 1990.
9. Огородников С.П., Екименков Е.С. Исследование грунтозаборных устройств земснарядов для подводной гидродобычи полезных ископаемых. В сб. Научные основы создания комплексно-механизированных и автоматизированных карьеров и подводной добычи полезных ископаемых. Тезисы докладов. - М.: МГИ, 1980.
10. Харин А.И., Новиков М.Ф. Гидромеханизация земляных работ в строительстве. - М.: Стройиздат, 1989.
11. Шкундин Б.М., Жарницкий Е.П., Ухин Б.В. Погружные грунтовые насосы (опыт применения, проблемы и перспективы). Механизация строительства. № 11, 1982.
12. Арефьев Н.Н., Согин В.В., Тарасова О.Н. Особенности нового проекта земснаряда с глубиной грунтозабора до 35 м. Горный информационно-аналитический бюллетень. Тематическое приложение: гидромеханизация. - М.: Изд-вл МГГУ, 2006.
13. Огородников С.П., Михеев И.И., Кулаков А.Е. Применение погружных осевых грунтовых насосов - эффективное направление повышения всасывающей способности земснарядов. Горный информационно-аналитический бюллетень. Гидромеханизация. - М.: Изд-во МГГУ, 2006.
14. Огородников С.П. Гидромеханизация разработки грунтов. - М.: Стройиздат, 1986.
15. Иванов С.А. Эксплуатационные характеристики земснарядов с погружными грунтовыми насосами. - М.: Изд-во «Горная книга», 2007.
16. Ялтанец И.М. Гидромеханизированные и подводные горные работы. — М.: Изд-во ООО «Центр инновационных технологий», 2012. ii'1-1^
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Иванов Сергей Александрович — генеральный директор ООО «НПО «Гольфстрим»».
UDC 622.271.6. 1
ISSUES OF EVALUATING MAXIMUM CAPACITY OF DREDGER WITH DOWN PUMP DEPENDING ON THE DEPTH OF PUMPING AND DREDGING
Ivanov S.A, General Director, Golfstrim Science and Production Association, Russia.
The analysis involves the research findings and development efforts on dredgers with down pumps.
Key words: dredger, slurry pump, ejector setting depth, slurry, suction pipe, dredging depth, solid fraction.
REFERENCES
1. Zharnickij E.P. Zemlesosnye snarjady s pogruzhnymi gruntovymi nasosami (Projectiles with Suction submersible groundwater pumps). Moscow: Nedra, 1988.
2. Kirillov V.V. Issledovanie i obosnovanie jekspluatacionnyh rezhimov pogruzhnyh gruntovyh nasosov pri razrabotke mestorozhdenij nerudnyh poleznyh iskopaemyh (Research and Study of operating conditions of submersible groundwater pumps in mining non-metallic minerals). Avtoreferat dissertacii. Moscow, 1982.
3. Nejtman L.N., Fridman M.M. Modernizacija zemsnarjada 350-50L dlja uvelichenija glubiny razrabotki (Modernization of dredger 350-50L for increasing the depth of development). Jenergeticheskoe stroitel'stvo No 7. Moscow, 1986.
4. Kirillov V.V. Kavitacionnaja jerozija i gizhrolabrazisnvj iznos gruntovyh nasosov (Cavitation erosion and pierolapithecus wear groundwater pump). V kn. Sovershenstvovanie tehnologii dobychi i pererabotki mineral'nogo syr'ja. Moscow, 1984.
5. Kirillov V.V., Smojlovskaja L.A. Kavitacionnye harakteristiki gruntovyh nasosov pri rabote na gidrosmesjah, soderzhashhih tverdye frakcii razlichnoj kreposti (Cavitation characteristics of groundwater pumps on slurries containing solids of different strength). V kn. Sovershenstvovanie tehnologii dobychi i pererabotki mineral'nogo syr'ja. Moscow, 1984.
6. Zhivotovskij L.S., Smojlovskaja L.A. Tehnicheskaja mehanika gidrosmesej i grun-tovye nasosy (Technical mechanics of fluids and groundwater pumps). Moscow: Mashinos-troenie, 1986.
7. Molochnikov L.N. Sozdanie tehnicheskih sredstv podvodnoj vyemki poleznyh iskopaemyh (Creation of technical means of underwater extraction of natural resources). Tehnologija i tehnicheskie sredstva razrabotki mestorozhdenij mirovogo okeana. Sb. nauch-nyh trudov. Moscow: MGI, 1987.
8. Molochnikov L.N. Metodicheskie ukazanija po provedeniju prakticheskih i samosto-jatel'nyh rabot po discipline «Tehnicheskie sredstva gidromehanizacii» (Methodical instructions for practical and independent work in the discipline «Technical means jetting»). Moscow: MGI, 1990.
9. Ogorodnikov S.P., Ekimenkov E.S. Issledovanie gruntozabornyh ustrojstv zemsnar-jadov dlja podvodnoj gidrodobychi poleznyh iskopaemyh (Research worker member devices of dredges for underwater mining of minerals). V sb. Nauchnye osnovy sozdanija komplek-sno-mehanizirovannyh i avtomatizirovannyh kar'erov i podvodnoj dobychi poleznyh iskopaemyh. Tezisy dokladov. Moscow: MGI, 1980.
10. Harin A.I., Novikov M.F. Gidromehanizacija zemljanyh rabot v stroitel'stve (The dredging earthworks in construction). Moscow: Strojizdat, 1989.
11. Shkundin B.M., Zharnickij E.P., Uhin B.V. Pogruzhnye gruntovye nasosy (opyt primenenija, problemy i perspektivy) (Submersible groundwater pumps (application experience, problems and perspectives)). Mehanizacija stroitel'stva. No 11, 1982.
12. Aref'ev N.N., Sogin V.V., Tarasova O.N. Osobennosti novogo proekta zemsnarjada s glubinoj gruntozabora do 35 m (Features of the new draft of the dredge from a depth of gruntsgabala to 35 m). Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten'. Tematicheskoe prilozhenie: gidromehanizacija. Moscow: Izd-vl MGGU, 2006.
13. Ogorodnikov S.P., Miheev 1.1., Kulakov A.E. Primenenie pogruzhnyh osevyh gruntovyh nasosov - jeffektivnoe napravlenie povyshenija vsasyvajushhej sposobnosti zemsnarjadov (The use of submersible axial-flow groundwater pump - effective way of increasing the suction capacity of the dredgers). Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten'. Gidromehanizacija. Moscow: 1zd-vo MGGU, 2006.
14. Ogorodnikov S.P. Gidromehanizacija razrabotki gruntov (Dredging of soil development). Moscow: Strojizdat, 1986.
15. Ivanov S.A. Jekspluatacionnye harakteristiki zemsnarjadov s pogruzhnymi grun-tovymi nasosami (Performance dredges with submersible groundwater pumps). Moscow: 1zd-vo «Gornaja kniga», 2007.
16. Jaltanec I.M. Gidromehanizirovannye i podvodnye gornye raboty (Dredging and underwater mining). Moscow: 1zd-vo OOO «Centr innovacionnyh tehnologij», 2012.
