книги / Эксплуатационные характеристики земснарядов с погружными грунтовыми насосами

высоту всасывания. Таким образом, применение земснарядов с погружными грунтовыми насосами позволяет использовать их для интенсификации процесса грунтозабора. Впервые эта идея была сформулирована Л.Н. Молочииковым [19, 20]. В связи с из­ ложенным в предлагаемой работе рассмотрены некоторые на­ правления интенсификации грунтозабора применительно к зем­ снарядам с погружными грунтовыми насосами.

На основании приведенной выше информации о земснарядах с погружными грунтовыми насосами в настоящее время можно утверждать, что применение погружных грунтовых насосов на земснарядах является наиболее прогрессивным и перспективным направлением повышения эффективности плавучих землесосных снарядов.

Для широкого эффективного использования плавучих зем­ снарядов с погружными грунтовыми насосами необходимы но­ вые технологические схемы производства добычных работ, учи­ тывающие особенности эксплуатации таких гидротранспортных комплексов. В связи с этим в заключительной части приведены сведения о технологии гидромеханизированной разработки ме­ сторождений земснарядами с погружными грунтовыми насосами.

2. Анализ результатов исследовательских и опытно-конструкторских работ по земснарядам с погружными грунтовыми насосами

Начатые во второй половине 80-х годов прошлого века вне­ дрение в эксплуатацию земснарядов с погружными грунтовыми насосами нашло отражение в ряде опубликованных работ [4, 12, 14, 22]. Основной работой, в которой впервые проведено систе­ матизированное обобщение результатов исследований отечест­ венного и зарубежного опыта эксплуатации землесосных снаря­ дов с погружными грунтовыми насосами является книга Е.П. Жарницкого «Землесосные снаряды с погружными грунтовыми насосами [4]. В этой работе рассмотрены практически все аспек­ ты данной проблемы, включающие исследования кавитационных явлений в погружных грунтовых насосах при работе на различ-

11

ных гидросмесях, анализ различных конструктивных схем зем­ снарядов с погружными грунтовыми насосами (в том числе осо­ бенности привода погружного грунтового насоса), опытные ис­ следования влияния глубины погружения на плотность гидро­ смеси и производительность, особенности эксплуатации земсна­ рядов с погружными грунтовыми насосами и др. вопросы. Рас­ смотрены известные способы повышения эффективности разра­ ботки грунтов (с учетом глубины их залегания) с использованием эрлифтных, гидроэлеваторных и эжекторных устройств на осно­ вании проведенного сравнительного качественного и количест­ венного анализа технико-экономических показателей земснаря­ дов. С перечисленными устройствами обосновывается целесооб­ разность использования погружных грунтовых насосов вследст­ вие их повышенных энергетических показателей. Аналогичные данные были получены в исследованиях, проведенных за рубе­ жом. Как показали эта испытания, проведенные у нас и за рубе­ жом, погружные грунтовые насосы по сравнению с обычно уста­ новленными, более чем вдвое могуг повысить производитель­ ность земснаряда на глубине 15 м и в четыре раза — на глубине 25 м [26]. 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, проведе­ ны сравнения этих явлений в погружных и непогружных грунто­ вых насосах. В этой работе приведен анализ конструкций земсна­ рядов с погружными грунтовыми насосами, особенности приво­ дов этих насосов и системы уплотнений, а также особенности эксплуатации земснарядов с погружными грунтовыми насосами. В заключительной части книги приводятся данные об экономи­ ческой эффективности эксплуатации земснарядов с погружными грунтовыми насосами, а также некоторые аспекты технологии разработки обводненных месторождений такими земснарядами.

Важными исследованиями, направленными на решение про­ блемы создания земснарядов с погружными грунтовыми насоса­ ми, являются работы В.В. Кириллова, проведенные в 80-х годах прошлого века [12, 13] и обобщенных в работе «Исследование и обоснование эксплуатационных режимов погружных грунтовых насосов при разработке месторождений нерудных полезных ис-

12

копаемых» [14]. В этой работе приведены результаты исследова­ ний 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 диапазоне изменений параметров гидросмеси, практически представлены впервые в отечественной и зарубежной литературе. Важным ре­ зультатом является установление факта начала кавитационных явлений в насосе (полученных виброакустическим способом) су­ щественно раньше, чем это можно наблюдать по изменению по­ казаний контрольно-измерительных приборов, то есть изменению параметром насоса, например, напора. Из этого следует, что ка­ витационная эрозия во входной части насоса имеет место даже тогда, когда установленные на земснаряда приборы еще не фик­ сируют начала кавитации в грунтовом насосе.

На основании комплекса экспериментальных исследований установлено влияние параметров гидросмеси на величину допус­ тимого кавитационного запаса Д/глоп. При работе на гидросмеси с плотностью до 1300 кг/м3 допустимый кавитационных зхапас не зависит от плотности гидросмеси и крупности ее твердой фрак­ ции и равен допустимому кавитационному запасу при работе на воде — Д/ггД0П= Д/гдоп. Поэтому для определения допустимой вакуумметрической высоты всасывания при работе на гидросмеси с плотностью до 1300 кг/м3 следует пользоваться рекомендациями работы [5]. Проведенные исследования позволили установить, что потери напора на входе во всасывающий наконечник земсна­ ряда АНВХзависят от плотности гидросмеси и крупности твердой фракции, причем последняя оказывает влияние на ДЯах при вели­ чине диаметра частицы до di = 6 мм. Дальнейшее увеличение среднего диаметра частиц влияния на потери напора на входе во всасывающую трубу практически не оказывает.

На рис. 1.1 представлены схемы земснарядов с непогружным

(а) и погружным грунтовыми насосами (б). На основании иссле­ дования баланса потерь во всасывающей линии грунтового насо­ са земснаряда В.В. Кирилловым получена зависимость для опре­ деления минимально необходимой глубины погружения грунто­

13

вого насоса на земснаряда ЛПМИн =/(Л р . рг> vr, # вд°кпг, Z a), где hp — глубина разработки, м; рг — плотность гидросмеси, кг/м3, vr

— скорость гидросмеси в всасывающей линии, м/с; угол наклона рамы земснаряда— Za.

Приведенная зависимость, хотя и имеет некоторые неточно­ сти, может быть использована для подсчета как глубин погруже­ ния грунтового насоса, так и разработки с различными всасы­ вающими устройствами. На основании этих исследований опыт­ но-конструкторских разработок установлено, что применение по­ гружных 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 приведе­ ны в этой работе). К особому разделу работ по погружным грун­ товым насосам для земснарядов следует отнести результаты ис­ следований и опытно-конструкторских разработок, проведенных в Проблемной лаборатории добычи полезных ископаемых со дна океанов и морей Московского горного института (ныне МГТУ), опубликованных в работах [20, 21, 22, 23]. 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 экспе­ риментальных исследований, в результате которых были разра­ ботаны элементы конструкции моноблочных погружных агрега­ тов с приводом от маслозаполненного электродвигателя с воз­ можностью их эксплуатации на больших глубинах, рассмотрены вопросы использования части напора погружного насоса для ин­ тенсификации грунтозабора, разработаны теоретические основы специальных породозаборных устройств и практическая их опробация.

В перечисленных выше работах уделялось внимание вопро­ сам, связанным с оценкой и определением величины максималь­ ной производительности земснаряда QT.mx в зависимости от глу­ бины погружения грунтового насоса и глубины разработки. Так, в работах [4, 14] приведены опытные и расчетные графические зависимости величины плотности гидросмеси рг и максимальной

14

производительности <2т.тах от величин h„ и Zip. Эти графики отно­ сятся к конкретным машинам, например, к земснарядам, обору­ дованным грунтовыми насосами с подачами Q = 2500. и 4000 м7ч. Однако способов определения количественных данных о макси­ мальной производительности <2т.таХДля земснарядов с различны­ ми их параметрами не приводятся.

В работе [32] А.И. Хариным впервые было предложено уравнение для подсчета предельно возможной производительно­ сти земснаряда QT, исходя из всасывающей способности грунто­ вого насоса. Однако в основу предложенного аналитического ре­ шения для подсчета бт.тах положена ошибочная предпосылка о постоянном значении кавитационного коэффициента быстроход­ ности Ск (определяющего всасывающую способность насо­ са Я - ) во всем диапазоне рабочих подач насоса Q, что привело

к ошибочным результатам.

Многие опубликованные работы посвящены модернизации земснарядов с целью использования на них погружных грунто­ вых насосов, конструктивными особенностями таких земснаря­ дов. К работам следует отнести публикации Б.М. Шкундина [37], Фридмана и др. [22], Н.Н. Арефьева, А.В. Сонина и др. [1], С.П. Огородникова [24]. Большой вклад в развитие землесосостроения с погружными грунтовыми насосами является работа С.П. Ого­ родникова (Тверской государственный технический универси­ тет). Он рекомендует в качестве погружного насоса использовать осевой насос вместо центробежного. Преимуществом такой схе­ мы является движение гидросмеси в осевом направлении, поэто­ му осевой насос как бы встроен в цилиндрическую трубу [25]. Это обеспечивает конструктивную простоту его установки на ра­ ме земснаряда, относительно малые габариты и весовые характе­ ристики по сравнению с погружными 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 требует­ ся всесторонняя сравнительная оценка всех преимуществ и не­ достатков одноступенчатой и двухступенчатой схем. Кроме того, существует некоторая опасность интенсивного изнашивания тор-

15

цев лопастей осевого насоса вследствие перетока гидросмеси с рабочей на тыльную сторону лопасти. В то же время по данным проведенных испытаний [25] 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 испыта­ ний земснарядов ЗЭК700/40 и ЗДЭК400/20, разработанных и из­ готовленных АООТ «Промгидромеханизация» [22], Эти земсна­ ряды предназначены для работы в различных природоклиматиче­ ских и гидрогеологических условиях, в Северных регионах, на­ пример, в Сургутнефтеспецстрое. Многолетний опыт их эксплуа­ тации подтверждает высокую надежность, мобильность, экологи­ ческую безопасность и экономическую эффективность.

Особый интерес представляют работы, в которых произво­ дится сравнительный анализ энергетических и эксплуатационных показателей земснарядов, оборудованных погружными грунто­ выми насосами и эжекторными устройствами. Исходя из много­ численных данных известно, что энергоемкость процесса гидро­ механизации при применении эжекторных устройств существен­ но выше, чем при использовании погружных грунтовых насосов. Однако количественные характеристики энергоемкости указан­ ных выше процессов весьма ограничены и противоречивы. По­ этому ниже приводятся результаты некоторых исследований, по­ священных данному вопросу.

Вработе [1] указано, что применение эжекторных установок

сгрунтовым насосом ограничено: они могут применяться при добьгче гидросмеси с плотностью 1 т/м3 (то есть объемной конси­

стенцией до 10 %). При плотности гидросмеси р > 1,2 т/м3 гид­ равлические потери во всасывающем трубопроводе превышают всасывающую способность грунтового насоса. Эти исследования также позволяют оценить значения энергетических затрат эжек­ торно-землесосного снаряда по сравнению с земснарядом с по­ гружным насосом. На рис. 2.1 приведены графики удельных энергозатрат кВт ч/м3 для земснарядов с эжектором и погружным грунтовым насосом. Так при дальности транспортирования 200 м

16

Дальность транспортирования

-с эжектором —■— с погружным грунтовым насосом

Рис. 2.1. Сравнение удельных энергозатрат при применении эжектора и погружного грунтового насоса

энергозатраты с эжектором превышают затраты с погружным грунтовым насосом в 1,9 раза, а при дальности 500 м в 2,15 раза соответственно [1].

В работе [24] проведено сравнение результатов эксплуатации земснаряда 350-50Л с погружным грунтовым насосом 20Р-11М и такого же земснаряда, оснащенного эжектором. Эго сравнение показано, что экономия электроэнергии при использовании по­ гружного грунтового насоса составляет 950 тыс. кВт в год по сравнению с эжектором.

С.П. Огородников, рассматривая применение погружного осевого насоса, указывает [25], что при испытаниях земснаряда 350-50Л с насосом ОПГИ-5000/6 было перекачено 1 млн м3 пес­ чаного грунта. По сравнению с эжектированием производитель­ ность 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.

Подводя итоги приведенному анализу исследований и опыт­ но-конструкторских разработок по земснарядам с погружными грунтовыми насосами, следует отметить, что, несмотря на доста-

17

точно широкий диапазон рассмотренных вопросов, не рассмот­ рены однако ряд аспектов этой проблемы, к числу которых отно­ сятся:

•методы определения максимальной производительности земснаряда;

•оценка удельных энергозатрат таких земснарядов с це­ лью разработки энергосберегающей технологии;

•использование погружного грунтового насоса для ин­ тенсификации грунтозабора.

В связи с этим в данной работе уделено особое внимание этим вопросам.

3. Графо-аналитический способ определения максимальной производительности земснаряда

В разделе 2 были приведены данные о работах, посвященных оценке максимальной производительности земснаряда. В указан­ ных работах определение этой производительности QTMax реко­ мендовалось производить, исходя из всасывающей возможности грунтового насоса. При использовании земснарядов с погружны­ ми грунтовыми насосами, когда консистенция перекачиваемой гидросмеси может существенно увеличиться, факторами, ограни­ чивающими максимальную производительность могут оказаться

ивозможности напорной линии гидротранспортной системы.

Всвязи с тем, что наиболее эффективная работа земснаряда может быть обеспечена при полном использовании возможностей всасывающей и напорной линий гидротранспортной системы, в предлагаемом способе определения максимально возможной производительности земснаряда в качестве исходных данных, приняты характеристики грунтового насоса (всасывающие и на­ порные) и параметры всасывающей и напорной линий гидро­

транспортного комплекса.

Исходными данными для определения максимальной произ­ водительности земснаряда являются:

•напорные характеристики насоса при работе на гидро­ смеси с различной плотностью Нт~j{Q) при рг = var;

18

•всасывающие характеристики насоса также при работе на гидросмеси с различной плотностью /гтдоп = f(Q)

илиЯп^ г = / ( 0 ;

•характеристики гидротранспортной системы — напор­ ной и всасывающей линий для тех же значений конси­

стенций (плотности рг), которые приняты'для насоса. Известно, что в каталогах и справочниках приводятся графи­

ческие зависимости напора, КПД, мощности и кавитационного запаса Дhnon (или Я до") от подачи насоса Q для воды. При пере­

счете этих характеристик для условий работы на гидросмеси су­ ществуют ряд рекомендаций [5, 21]. Подсчет характеристик на­ порной и всасывающей линий гидротранспортного трубопровода Я-ф = f{Q) производят по известным рекомендациям [3, 8]. Для примера на рис. 3.1 приведены характеристики грунтового насоса Гру 2000/63 при работе на воде и гидросмеси.

На рис. 3.2 приведены совместные характеристики насоса 2000/63 при работе на воде и гидросмеси различной консистен­ ции и характеристики напорной и всасывающей гидротранспорт­ ных линий — кривые 2 и 4, 5. Напорные характеристики насоса представлены кривыми 1, всасывающие характеристики насоса

—кривыми 3. Характеристики всасывающего трубопровода 4 тл 5 соответствуют двум вариантам установки насоса — непогружном

—кривая 4 и погружном — кривая 5.

На рис. 3.3 отдельно представлены всасывающие характери­ стики насоса и трубопровода. Как видно из этих графиков при

погружном грунтовом насосе кривая всасывающего трубопрово­ _ л

разработки, р0 и рг — плотности соответственно воды и гидро­ смеси,

На основе представленных графиков рис. 3.2 и 3.3 проанали­ зируем рабочие режимы при совместной работе насоса и гидро­ транспортных трубопроводов. Точки пересечения напорных ха­ рактеристик (рис. 3.2) с характеристиками напорного трубопро­ вода а, б, с соответствуют рабочим режимам при различных кон-

19

Рис. 3.1. Характеристики грунтового насоса Гру 2000/63 при работе на воде и песчано-гравийной гидросмеси:

1 — напорные характеристики Я — Q; 2 — характеристики КПД 7] — Q; 3 —

систенциях гидросмеси — подачам Qa, Q6, Qc. Точки пересечения кривых 3 — = /( б ) с характеристиками всасывающей ли­ нии (кривая 4) — d, б', с' определяют предельные значения пода­ чи Q a, Qo, (Ус по условиям всасывания при установке на земсна­ ряде непогружного грунтового насоса. Для гидротранспортной схемы с погружным грунтовым насосом, погруженным под уро­ вень воды на величину h„ (см. рис. 1.1) кривые гидравлических потерь во всасывающей линии смещаются по оси ординат ниже

20