CC BY
10
удк 62-503.5
о.в. котило, м.ю. амел1н
Херсонська державна морська академiя
ао. шк1льнюк
Херсонський державний ушверситет
ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ПРОДУКТИВНОСТ1 СИСТЕМИ Г1ДРОТРАНСПОРТУ ЗА РАХУНОК ЗМ1НИ ЧАСТОТИ ТА КРУТНОГО МОМЕНТУ ЕЛЕКТРОПРИВОДУ
У cmami описано методи керування продуктивтстю систем г1дротранспорту, поргвняно Их ефективтсть та можливкть реал1зацИ Наведено характеристики роботи системи гiдротранспорту залежно eid методу керування. Представлено модель нового методу керування, що дозволяе отримати необхiдну подачу та тиск в системах гiдротранспорту, забезпечивши одночасну змту швидкостi обертання i крутного моменту електроприводу системи гiдротранспорту.
Ключовi слова: гiдротранспорт, система керування, оптимальне керування, продуктивнкть, тиск, змша частоти струму.
o.v. kotylo, mu. amelyn
Kherson of State Marine Academy
ao. shkilnuk
Kherson State University
PROVIDING IS THE PRODUCTIVITY SYSTEM OF HYDRAULIC CONVEYING FOR CHANGE ACCOUNT OF FREQUENCY AND ROUTE MOMENT OF ELECTROMECHANIC
Abstract
In the article the methods of management the productivity to the systems of the hydraulic conveying are described. Efficiency and marketability are compared. Descriptions over of work the hydraulic conveying system are brought depending on the method of management. Presented model of new method of management that allows getting a necessary serve and pressuring in the systems of the hydraulic conveying and providing the simultaneous change of velocity of circulation and route moment of electromechanic of the system of the hydraulic conveying.
Keywords: hydraulic Conveying, control system, optimal management, productivity, pressure, change offrequency of current.
Постановка проблеми
Одним з основних споживач1в електроенергп в Украш е щдприемства прничо-металургшного комплексу i, зокрема, системи пдротранспорту. У зв'язку Í3 зб1льшенням цш на енергоносп головним стае завдання економп i ресурсозбереження. Зменшення втрат систем пдротранспортування та шдвищення продуктивносп можна досягти за рахунок розробки економiчнiших агрегапв, нових систем управлшня вже встановленими агрегатами, шляхом удосконалення технологш щдтримки оптимального режиму роботи, що дозволяють понизити витрати енергп через полшшення режиму роботи устаткування або поеднанням обох методiв.
Анат останшх дослвджень та публшацш
Розроблеш у рiзнi роки розрахунковi емпiричнi методики визначення параметрiв гiдравлiчного транспорту, що базуються на працях Покровсько! В.Н., Приходченко С.Д. [1], Звягильського Е.Л. [2], Кулiнченко В.Р. [3] та шших, охоплюють практично увесь можливий дiапазон змiни характеристик гвдросисистем, але кожна з них окремо виправдана лише для обмеженого дiапазону параметрiв гiдросумiшi, призводячи до неадекватних розрахункових результатiв за межами цього дiапазону.
Формулювання мети дослвдження
Метою дослвдження е огляд механiзмiв керування роботою систем гидротранспорту та опис методу, що дозволить забезпечити керування тиском та продуктившстю гидросистем за рахунок змши частоти обертання та крутного моменту насосного електроприводу.
Викладення основного матерiалу
Вживанi у практищ гiдравлiчного транспорту способи регулювання режимiв роботи насосiв спрямованi в основному на забезпечення необхвдно! витрати, при якш досягаеться максимальний ККД насосно! установки. При цьому концентращя твердо! фази у потоцi пульпи при регулюваннi не
враховуеться, тому грунтовий насос у системi пдротранспорту працюе неефективно iз змшними значениями витрати твердо! фази ^ вiдповiдно, натиску, що розвиваеться.
Розробка способу регулювання режимiв роботи насоав i методик розрахунку параметрiв пдротранспорту дрiбнозернистих та крупнозернистих гiдросумiшей е актуальним завданням, яке вимагае додаткових теоретичних й експериментальних дослвджень.
З метою досягнення найбшьшо! ефективностi гiдравлiчного транспортування i мaксимiзaцi! ККД грунтового насоса необхщно використовувати регулювання пдромехашчних характеристик i частот обертання робочого колеса грунтового насоса за величиною ввдхилення витратно! концентраци твердо! фази вщ розрахункових номiнальних значень та витратою пульпи на основi розроблено! математично! моделi грунтового насоса.
Система пдротранспорту у процеа експлуатацi! може бути виведена з розрахункового режиму через вплив на и роботу багатьох чинник1в: змiни кiлькостi пульпи, що поступае ввд технологiчного процесу пвдприемства, змiни умов транспортування, змши гiдравлiчного розмiру матерiалу, зносу насоав та ш. У цих випадках для щдтримки оптимального режиму роботи системи пдротранспорту повинна регулюватися !! продуктивнiсть.
Останнiми роками розроблено новi способи i пристро! регулювання продуктивносп систем гидротранспорту. Регулювання об'емно! подачi пульпи дозволяе понизити витрати баластно! води i тим самим енерговитрати на пдротранспорт. Крiм того, за рахунок регулювання швидкостi руху пульпи при транспортуванш дрiбнофракцiйних матерiалiв, можна забезпечити мiнiмальний знос i, ввдповвдно, максимальну довговiчнiсть гiдротранспортного устаткування [4].
За критерш оптимальностi способу регулювання приймаеться мшмум приведених витрат, який визначаеться технiко-економiчним розрахунком. Основнi способи регулювання продуктивносл пдротранспортно! системи земснарядiв приведенi в табл. 1.
Таблиця 1
Способи регулювання продуктивностi пдротранспортних систем_
Спосiб i пристрiй регулювання Сфера застосування Техшчш дaнi
1. Змiна частоти обертання електроприводу Асинхроннi короткозамкнутi i реактивш електродвигуни потужнiстю до 200 кВт Частота струму f = 5 ( 80 Гц, ( = 0,92 - 0,87
Асинхронш електродвигуни з фазним ротором потужнютю 250 кВт Частота обертання колеса насоса п = 525 - 700 про/мш
Асихронно-вентильний каскад АВК частотними перетворювачами Те ж, потужнютю 100 - 2000 кВт Диапазон регулювання (1,0 -0,7) пном при (= 0,96, частота струму f = 0,5 (50 Гц)
Система регульованого синхронного (вентильний) двигуна з перетворювачами тиристорш Синхронш електродвигуни потужнiстю 630 - 1000 кВт
2. Змша ковзання двигуна вщносно приводного агрегату (насоса)
Iндукторнi муфти ковзання Приводи насоав потужнютю до 200 кВт Номшальний крутний момент, що крутить, вщ 75 до 200 кгм (для муфт ИМС75 -ИМС200) N = п3
Гiдродинамiчнi муфти Те ж, потужнютю до 130 кВт
3. Змша дiаметру робочого колеса насоса
Пiдрiзування робочих колiс по дiаметру Для зменшення об'емно! подaчi пульпи насосом Диапазон зм!ни дiaметру колеса (1 - 0,9)
Наплавлення робочих колiс по дiаметру Для пвдвищення натиску насоса Диапазон зм!ни дiaметру колеса (1 - 1,05)
4. Шдвищення всмоктуючо! здатностi системи
Ежекторний пристрiй Пдротранспорт з глибоких забо!в Оптимiзуеться по розм!ру трубопроводу
Погружний бустерний насос Те ж Те ж
Вщключення окремих насосiв у систем^ скомпонованш з агрегатiв р!зно! продуктивностi Велик! системи пдротранспорту збагачувальних фабрик, зaводiв, ГРЭС Оптимiзуеться по режиму роботи шдприемств
Серед шших способiв регулювання подачi та тиску рiдини у системах пдротранспорту е:
- дроселювання трубопроводу;
- перепускання частини рвдини з вихвдного патрубка насоса у вхiдний;
- стутнчасте регулювання змiною числа робочих насоав.
При дроселюваннi трубопроводу регулюючим елементом е механiчний пристрiй у виглядi шибера, клапана, засувки, дiафрагми, що змiнюе поперечний перерiз трубопроводу.
Недолгом е низький ККД. Це обумовлено появою опору регулюючого пристрою, що визначае низьку енергетичну ефектившсть цього подходу. Окрiм цього, зростання тиску у трубопроводi призводить до скорочення термiну служби ущiльнень i запiрних пристро!в та збiльшення витошв рiдини через стики i щiлини. Регулювання виконуеться тiльки у бж зменшення подачi або тиску насосно! установки.
Регулювання тиску перепусканням грунтуеться на ввдведенш частини потоку рiдини з виходу насоса на його вхщ через вiдведення iз засувкою. При цьому енергiя, що витрачаеться на циркуляцш рiдини по холостому кругу, не створюе корисно! роботи, що знижуе ККД установки, особливо сильно при глибокому регулюваннi. Як i в попередньому методi, подання НС регулюеться тiльки у бiк зменшення.
Стутнчасте регулювання подачi насосно! станцi! здшснюеться за рахунок пiдключення або выключения насосiв. Цей спосiб характеризуеться простотою управлшня, оскiльки не вимагае додаткових регулюючих пристро!в. Проте вiн не дозволяе забезпечити безперервну пiдтримку тиску при змш споживання рвдини i викликае частi пуски двигунiв, що зменшуе термiн роботи устаткування i вимагае будiвництва акумулюючого резервуару. Ефектившсть та коефщент корисно! дi!, у порiвняннi з частотним регулюванням, залишаються низькими [4].
Оск1льки наплавлення або оточення робочого колеса е дорогим та непостшним методом регулювання продуктивносп роботи насосу, а тдвищення всмоктуючо! здатностi потребуе установки допомiжного обладнання та е економiчно малоефективним, то найб№ш рацiональним способом регулювання продуктивносп насосiв вважаеться змiна частоти обертання робочого колеса насоса.
Механiчнi характеристики регульованого електроприводу, на вiдмiну вщ характеристик нерегульованого, "м'якi", тобто змшюють свое положення i форму у процес регулювання кутово! швидкостi.
Дiапазон регулювання частоти обертання приводу насоса визначаеться за формулою
Ап пном - ^ти (1)
де пном - стандартна частота обертання нерегульованого приводу, що вщповщае паспортнiй характеристик насоса.
Мiнiмальна частота обертання приводу насоса, потрiбна за умовами експлуатацп систем гiдротранспорту описуеться, як:
/ N (2)
' ^ 1 mav , v '
ном ' max
де Nmin - потужнiсть електроприводу, яка noTpi6Ha для перекачування пульпи з мшмальними параметрами транспортування (Qn min, Hmin);
NHoм - пoтужнiсть електроприводу, пoтрiбна для перекачування пульпи з максимальними параметрами транспортування (як1 при проектуванш прийнятi як нoмiнальнi Qп номи; Нном) [5].
Середня величина глибини регулювання прoдуктивнoстi для великих затзорудних гiрничoзбагачувальних кoмбiнатiв визначаеться за формулою:
(Q п ном Ч^п min )/Q п ном (3)
i складае 10-12 %.
При вибoрi способу регулювання пдротранспортних установок, що працюють на видаленш вiдхoдiв збагачення нерудно! сировини, дiапазoн регулювання прoдуктивнoстi визначаеться на oснoвi величини нормативного кoефiцiента нерiвнoмiрнoстi пoдачi сировини на збагачувальну фабрику [5].
Зазвичай, для насoсiв у трубопровщнш мереж1 використовуеться закон частотного керування
U/f2 = const при If = const, (4)
або
U/f2 = const при If / f = const , (5)
де и1 i f - напруга i частота мереж1 живлення;
Нашрно-витратш характеристики насоса (рис. 1) описуються, як [3]:
н = а2 н2 + в2нр + с2о2 , (6)
де А2 - коефiцieнт апроксимаци, рiвний тиску;
В2, С2 - коефiцieнти апроксимаци, залежнi ввд конструктивних особливостей насосного агрегату (визначаються за паспортними характеристиками насоса); V2 - вщносна частота обертання насоса.
При регулюваннi частоти обертання кривi Н - р насоса змiщуються паралельно вниз точки робочого режиму (рис. 1).
н
Нг
\о
'/V
N-0/ ■ 1
И,
1-0 \ ^1тах
О
йп
о
Рис. 1. Характеристика ввдцентрового насоса при n=const, g=1000 кг/м
На рис.1 приведено вщсоткову характеристику насоав певно! сери. На оптимальному режимi роботи значення координат дорiвнюe 100 %. Вiдсотковi характеристики подiбних насосiв однаковi, а отже вони можуть бути використанi для побудови характеристик нових насоав ще! сери. Тиск Н в системi залежить ввд об'ему подачi р, як проiлюстровано на гiлцi Н-р, а об'ем подачi залежить вiд частоти обертання приводу п (позначено на плщ п-Р). Залежнiсть тиску та подачi ввд потужностi приводу насосу зображено на плщ М-р.
Як видно з графшв (рис.1.), характеристика подачi р та тиску Н взаемопов'язаш, i при збiльшеннi подачi спадае тиск. Частотний спосiб регулювання збiльшуе оберти електроприводу, що у свою чергу призводить до збшьшення подачi, а так як потужшсть двигуна залишаеться незмiною, то тиск знижуеться. Дана залежнiсть викликана недостатньою потужшстю електроприводу викликану пвдвищенням гiдравлiчного навантаження насосу. Важливе значення визначення ефективностi регулювання додаткових витрат електроенерги.
Гiдравлiчна потужнiсть (Рьуа) насосу визначае об'ем перекачано! рщини при сталому тиску, i може бути розрахована за формулою:
Рь=()-Н-р (7)
де р - подача насоса; н - тиск насоса; р - густина рiдини; g - прискорення вiльного падiння.
Вплив частоти обертання (п) робочого колеса на тиск, подачу i споживану потужнiсть продемонстровано наступними формулами:
Подача пропорцшна змш частоти обертання:
(8)
"1
де - подача до змши частоти;
Р2 - подача шсля змiни частоти; П1 - початкова частота; п2 - частота пiсля змiни.
Зпдно з цiею закономiрностю, подвоення частоти обертання у 2 рази пвдвищить подачу. Тиск пропорцшний квадрату змши частоти обертання:
де - тиск до змши частоти;
Р2 - тиск шсля змiни частоти.
Зпдно ще! закономiрностi, подвоення частоти обертання у 4 рази пвдвищить тиск. Споживана потужнiсть насосу пропорцшна змш частоти обертання у третьому ступенi:
(9)
Р2 = Р,
&1
(10)
де - споживана потужшсть до змiни частоти;
Р2 - споживана потужшсть шсля змши частоти. Згвдно з щею закономiрностю, подвоення частоти обертання у 8 разiв шдвищить споживану потужнiсть, що викликае необхiднiсть компенсацi! недостатньо! потужностi, яку можна компенсувати за рахунок змши ковзання муфти, згвдно формули:
де Р - потужнiсть приводу; Р - потужшсть насосу; и - передаточне ввдношення муфти.
де п1 - частота ведучого валу; п2 - частота веденого валу.
У табл. 1 розглянуто способи керування насосною станщею i зазначено, що частотний споаб змiнюе оберти, а змша ковзання двигуна ввдносно приводного агрегату змiнюе крутний момент, що дозволяе отримати необхiдний тиск. При поеднанш цих двох методiв можливо досягти контрольовано! змiни тиску та подачi незалежно одне ввд одного. Такий спосiб дозволить отримати широкий дiапазон регулювання цих параметрiв. Окрiм того, використання змiни ковзання зчеплення дозволяе зменшити навантаження щд час пуску двигуна та, як наслвдок, зменшення пускових ток1в. Застосовуються гiдравлiчнi, фрикцшш або магнiтнi муфти. У першому випадку передача обертання в1дбуваеться за рахунок сил рщинного зчеплення, у другому - за рахунок сили тертя, а в третьому - за рахунок сили магнггного притягання, що виникае при пропканш електричного струму по обмотках муфт. З використанням муфти зi змшою ковзання з'являеться можливiсть здiйснення плавного пуску насоса, шдключеного до електродвигуна, та уникнення гiдроударiв п1д час пуску насосу.
Висновки
Особливостi об'екту керування накладають певнi вимоги до ведення процесу гидротранспорту, як1 необхiдно враховувати при виборi систем управлiння. 1снуюча практика управлiння насосною станцiею базуеться на управлшш насосами станцi!, яш використовують електроприводи послiдовного включення i в1дключення насосiв, що призводить до перевитрати електроенергi! i гiдравлiчного удару в системi гiдротранспорту. Теоретичний анатз iснуючих методик керування системами пдротранспорту
показуе, що висока ефектившсть роботи системи гидротранспорту досягаеться за рахунок поеднання керування частотою електроприводу та змшою коефiцiенту ковзання зчеплення. У результата цього збiльшуеться дiапазон регулювання параметрiв роботи системи гидротранспорту та пвдвищуеться надiйнiсть роботи.
Список використаноТ л^ератури
1. Приходченко С. Д. Зависимость спектра потребляемой мощности электродвигателя от физических параметров механизма // Геотехническая механика. Межвед. сб. науч. работ. Институт геотехнической механики им. М.С. Полякова. - Днепропетровск, 2006. - Вып. 64. -С. 123-129.
2. Звягильский Е.Л., Блюсс Б.А., Назимко Е.И., Семененко Е.В. Совершенствование режимов работы гидротранспортных установок технологий углеобогащения. - Севастополь: "Вебер", 2002. - 247 с.
3. Кулинченко В.Р. Гидравлика, гидравлические машины и гидропривод: учебник. - К.: Фирма" Инкос", центр учебной литературы, 2006. - 616 с.
4. Методика расчета гидротранспортных установок для транспорта и намыва хвостов железорудных ГОКов. - К.: НИИСП Госстроя УССР, 1970. - 64 с.
5. Руководство по проектированию гидравлического транспорта (к СНиП 2.05.07-85). - М.: Стройиздат, 1988. - 40 с .
