Состояние рудничного водоотлива. Проблема очистки водосборников

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

Дипломная работа состоит из 59 стр., включает в себя 11 таблиц, 18 рисунков.

В введении произведено обоснование целесообразности темы дипломной работы.

В первом пункте дипломной работы определены современное состояние рудничного водоотлива, актуальность проблемы очистки водосборников. Перечислены сведения о поршневых насосах, приведены описания и характеристики наиболее распространённых моделей зарубежных производителей. Даны направления исследований

Во втором пункте приведено описание шахтного шлама, описывается его классификация соответственно с выбранными направлениями исследований. Приведены этапы разрабатываемой методики расчёта поршневых насосов для перекачки шахтного шлама. Осуществлён расчёт зависимости критической скорости при различных средневзвешанных размерах частиц и диаметрах трубопровода.

В третьем пункте приведено обоснование необходимости разработки и применения технологических мероприятий по сооружению осветлительных выработок и узлу откачку шлама. Осуществлен расчет объёма горно-капитальных работ. Определены места размещения необходимого оборудования. Приведены технические характеристики выбранного оборудования.

В четвертом пункте произведены показатели эффективности применения поршневых насосов для откачки шлама. Произведён оценочный расчёт затрат при различных технологиях откачки шлама. На основе проведённых расчётов определены целесообразность и рациональность предложенной технологии.

Наиболее употребительные слова пояснительной записки: поршневой насос, шахтный шлам, свойства, критическая скорость, размер частиц, осветлительная выработка, водоотлив.



СОДЕРЖАНИЕ

РЕФЕРАТ

ВВЕДЕНИЕ

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ

1.1 Краткие сведения о поршневых насосах

1.2 Современные типы поршневых насосов, выпускающиеся ведущими мировыми производителями

1.3 Проблемы эксплуатации поршневых насосов

1.4 Преимущества и недостатки поршневых насосов

2. ВЛИЯНИЕ ШАХТНОГО ШЛАМА НА РАБОТУ ПОРШНЕВЫХ НАСОСОВ

2.1 Шахтный шлам, его показатели и характеристики

2.2 Определение влияния шахтного шлама на работу поршневых насосов

2.3 Методика поэтапного расчёта поршневого шламового насоса

2.4 Итоги исследования влияния шахтного шлама на работу поршневых насосов

3. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕРОПРИЯТИЙ И РАЦИОНАЛЬНЫХ СХЕМ РАСПОЛОЖЕНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ НАСОСОВ

3.1 Условия для разработки технологических мероприятий и эксплуатации оборудования

3.2 Пример разработанных технологических мероприятий

4. ПОКАЗАТЕЛИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПОРШНЕВЫХ НАСОСОВ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК



ВВЕДЕНИЕ

Производительная работа подземных рудников, при отработке медно-колчеданных месторождений Южного Урала, зависит от эффективности работы рудничного водоотлива, обеспечивающего осушение рудного поля. Рудничный водоотлив является одним из важных вспомогательных процессов подземной добычи руд, так как несвоевременная откачка шахтной воды создает угрозу не только затопления рудника, но и повышение себестоимости добычи полезного ископаемого.

В настоящее время вводятся в эксплуатацию и подвергаются реконструкции большинство перспективных подземных рудников в связи с необходимостью увеличения добычи полезных ископаемых, что приводит к нарастанию концентрации горных работ, увеличению протяженности горных выработок, глубины разработки и, соответственно, изменению водопритоков в подземные горные выработки. Число подземных рудников (шахт) с водопритоками в горные выработки более 400ч600 м³/ч возросло на 40ч50 % при понижении горных работ до 800 м.на подземных рудниках ОАО «Учалинский ГОК» («УГОК») и до 1310 м на подземных рудниках ОАО «Гайский ГОК» («ГГОК»).

В свою очередь осушение медно-колчеданных месторождений зависит, как от гидрогеологических и горнотехнических факторов, так и от применяемых средств осушения, т.е. рудничного водоотлива.

Для нормальной работы оборудования насосных станций рудничного водоотлива необходимо регулярно очищать водосборные емкости (водоотливные канавки, отстойники, главные водосборники, приемные колодцы и зумпфы) подземных рудников от механических примесей.

Несвоевременная очистка водосборных емкостей насосных станций приводит к уменьшению их полезного объема и увеличению загрязненности откачиваемой шахтной воды механическими примесями, что в два-три раза сокращает межремонтный срок службы насосов, так как при заиленных водосборных емкостях насосы перекачивают в час вместе с шахтной водой до 200 кг механических абразивных примесей. Это в три раза больше количества механических примесей, откачиваемых насосами при очищенных водосборных емкостях. [1]

При этом очистка водосборных емкостей подземных рудников в настоящее время - сложный, трудоемкий технологический процесс в частично затопленных и непроветриваемых выработках, требующий вывода из основного технологического процесса очистных работ погрузочно-транспортных машин, составов с локомотивами или другого оборудования, что повышает себестоимость добычи медно-колчеданных руд.

В связи с повышением стоимости энергоресурсов возникает необходимость разработки новых энергосберегающих технологий, как при откачке шахтных вод, так и при очистке водосборных емкостей, так как затраты по электроэнергии на рудничный водоотлив составляют до 45ч50% от общего ее расхода горным предприятием [2].

Поэтому вопросы повышения эффективности эксплуатации рудничного водоотлива, обоснования и разработки эффективных технологий откачки шахтных вод и средств очистки водосборных емкостей при отработке медно-колчеданных месторождений являются актуальными для горных предприятий.



1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ

Рудничный водоотлив при отработке медно-колчеданных месторождений является одним из важных вспомогательных процессов подземной добычи руд, так как несвоевременная откачка шахтной воды делает невозможным выполнение производственного процесса подземных работ и создает угрозу не только затопления подземного рудника, но увеличивает себестоимость добычи руды. Перекачиваемая шахтная вода характеризуется наличием механического, химического и бактериального загрязнения, а также высокой минерализацией (иногда свыше 70 г/л).

По химическому составу шахтная вода (т.е. вода, отводимая от осушаемого месторождения полезного ископаемого отрабатываемого подземным рудником, не проходившая химическую обработку и очистку от механических примесей) классифицируется по водородному показателю (рН) на кислотную, нейтральную и щелочную. В работе[3]приведена классификация шахтной воды по водородному показателю как: сильнокислотная рН=0ч3; кислотная рН=4ч5; нейтральная рН=6ч8; слабощелочная рН=8ч10; щелочная рН=11ч14.

Содержание механических примесей в шахтной воде изменяется в широких пределах: от 20 до 5000 мг/л и выше.

Содержание взвешенных частиц в шахтной воде определяется в химических лабораториях горных предприятий методом взятия проб шахтной воды: при впадении в водосборник и в откачиваемой воде без взмучивания из приемных колодцев насосных станций [2].

В процессе ведения горных работ возникает необходимость в перекачивании больших объемов шлама на дальние расстояния. При этом из-за значительной длины трубопроводов и сложного рельефа местности сопротивления в пульповоде бывают настолько высоки, что напора одного насоса для подачи транспортируемого материала бывает часто недостаточно.

В настоящее время широкое распространение и применение получили центробежные насосы. Оптимальный напор для одного центробежного насоса составляет 50-60 м, хотя иногда, в зависимости от абразивности шлама, применяется напор до 100 м. Для обеспечения перекачки шламов на большие расстояния используется более одного насоса на линии, т.е. применяется так называемая многоступенчатая перекачка.

Для повышения эффективности эксплуатации рудничного водоотлива и снижения энергозатрат на транспортировку шлама предлагается применение поршневых насосов.

Для повышения эффективности эксплуатации рудничного водоотлива и снижения энергозатрат на транспортировку шлама предлагается применение поршневых насосов.

Вышеперечисленные обстоятельства указывают на необходимость научного подхода к решению проблемы эффективного использования поршневых насосов для перекачки шахтного шлама с целью снижения себестоимости выпускаемой продукции и повышения ее тем самым конкурентоспособности.

Определение физико-химических и физико-механических свойств шахтной воды и примесей, содержащихся в шахтной воде, а так же исследование зависимостей относительно контактных пар шлам-трубопровод и шлам-элементы насосав настоящее время являются одним из необходимых направлений исследований.

1.1 Краткие сведения о поршневых насосах

Поршневые насосы находят применение во многих отраслях промышленности. Они применяются в химическом производстве, при добыче нефти и в нефтеперерабатывающих установках, в горном деле, на водном транспорте и в других отраслях народного хозяйства.

Поршневые насосы отличаются большим разнообразием конструкций и широтой применения. Действие поршневых насосов состоит из чередующихся процессов всасывания и нагнетания, которые осуществляются в цилиндре насоса при соответствующем направлении движения рабочего органа - поршня или плунжера. Эти процессы происходят в одном и том же объёме, но в различные моменты времени.

Принцип действия: при возвратно-поступательном движении поршня (плунжера) в цилиндре поршневого насоса происходит всасывание и нагнетание перекачиваемой жидкости. Под действием перепада давлений сначала жидкость поднимается по всасывающему трубопроводу и поступает в цилиндр насоса через открывающийся всасывающий клапан. При возвратном ходе поршня возникает перепад давления и происходит открытие нагнетательного клапана (всасывающий клапан закрыт), по которому жидкость в дальнейшем нагнетается в трубопровод. Цикл повторяется.

Основными узлами поршневых насосов являются цилиндр, поршень или плунжер и регулирующие клапаны.

1.2 Современные типы поршневых насосов, выпускающиеся ведущими мировыми производителями

шахтный шлам поршневой насос

В настоящее время признанными мировыми лидерами в производстве поршневых насосов являются корпорации и фирмы WeirMinerals (дивизион GEHO), Putzmeisterи Feluwa. Помимо насосов для перекачки шахтного шлама, вышеперечисленные производители предлагают комплексные решения по оснащению промышленных предприятий различными технологическими системами такими, как насосы для перекачки хвостов, насосы для закладки отработанных выработок, системы обезвоживания шахтных и карьерных выработок, основанные на применении высокопроизводительных поршневых клапанных насосах, бетононасосы для строительства тоннельных и шахтных галерей, оборудование для торкретирования (набрызга) бетона, а также оборудование для перемешивания и перемещения бетона.

Компания GEHOна данный момент предлагает 6 серий насосов для различных показателей шахтного шлама. Характеристики данных серий насосов приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Характеристики насосов компании GEHO

Серия	Описание насоса	Вязкость, мПА*с	Концентрация твёрдой фазы, %	Размер частиц, мм
ZPR	Двухцилиндровый поршневой насос с приводом от коленчатого вала	< 8000	< 75	< 8
TZP	Трёхцилиндровый поршневой насос с приводом от коленчатого вала	< 8000	< 75	< 8
ZPM	Двухцилиндровый мембранно-поршневой насос с приводом от коленчатого вала	< 8000	< 75	< 8
TZPM	Трёхцилиндровый мембранно-поршневой насос с приводом от коленчатого вала	< 8000	< 75	< 8
DHC	Поршневой насос с гидравлическим приводом клапанного типа	< 50000	< 80	< 15
DHT	Поршневой насос без клапанов с гидравлическим приводом	< 100000	< 90	< 80

Серия TZP - это трехцилиндровые поршневые насосы одностороннего действия с приводом от коленчатого вала. Принципиальное отличие от ZPR - рабочий ход поршня только в одну сторону. В конструкции клапанов отсутствуют сальниковые камеры. Это позволяет уменьшить число изнашиваемых частей и делает этот насос перспективным для перекачки абразивной пульпы при больших давлениях.

Конструкторскими отличиями от так называемых землесосов и от плунжерных насосов являются: большая длина хода поршня, меньшее число ходов поршня в минуту, используются классические типы клапанов и все узлы приводной части имеют значительно больший срок службы, даже, если скорости варьируются в широких диапазонах.



Рисунок 1 - Трёхцилиндровый поршневой насос GEHOTZP

Приводная часть в литом корпусе передает крутящий момент от внешнего понижающего редуктора поршням посредством соединенного линейно коленчатого вала из кованой стали, ползунов и соединительных тяг. Зажимное устройство и специальный инструмент обеспечивают снятие поршня и гильзы цилиндра. Для увеличения срока службы могут использоваться керамические гильзы или высокотвердые покрытия. Поршневое направляющее кольцо центрирует положение уплотнительных колец внутри гильзы. Масло, впрыскиваемое в цилиндр, снижает трение и износ. Конструкция тарельчатых клапанов позволяет производить их техническое обслуживание вместе с гидравлически освобождаемым коническими седлами.

Принципиальное отличие мембранно-поршневых насосов серий ZPM и TZPM от поршневых заключается в наличии формованной мембраны, защищающей поршень и гильзу цилиндра от скользящего контакта с абразивной средой. Мембрана имеет предварительно формованную конструкцию, которая исключает растяжение эластомера. Долгий усталостный срок службы достаточен для замены ее только при плановом годовом обслуживании. Позиция мембраны регулируется в обоих направлениях путем добавления или удаления толкающей жидкости, заполняющей пространство между поршнем и мембраной. Направляющий шток позволяет контролировать положение мембраны.

Рисунок 2 - Трёхцилиндровый мембранно-поршневой насос GEHOTZPM

Рисунок 3 - Мембрана насоса GEHOZPM

Единственными изнашиваемыми частями насоса являются всасывающий и нагнетательный тарельчатые клапаны. Для различных пульп требуются различные конструкции клапанов и соответствующая комбинация металлических и эластомерных компонентов. Они могут быть изменены в процессе работы, на основании анализа эксплуатационных затрат.

Демпфер, предварительно закачанный азотом, служит для снижения пульсаций давления потока в нагнетательном трубопроводе и вызываемых ими ускорений. Объем демпфера пропорционален размеру насоса и зависит, также, от вспомогательных и остаточных колебаний давления. Демпфер на всасывающей стороне насоса служит для повышения существующей высоты столба жидкости над всасывающим трубопроводом или для обеспечения лучшего заполнения насоса.

Поршневой насос серии DHC снабжен гидравлически управляемыми всасывающими и нагнетательными клапанами большого диаметра и хода. Насос предназначен для перекачки довольно вязких паст с размером частиц обычно не более 15 мм. Конструкция клапанов аналогична используемой в мембранных насосах, за исключением того, что тарелка клапана крепится напрямую к приводному штоку. Последовательность работы и нагрузок привода предотвращают возможность открытия клапана при нагнетательном ходе поршня. В результате, система имеет встроенную защиту от противотока, даже в случае блокирования клапана в открытом положении.

Рисунок 4 - Поршневой насос GEHODHCклапанного типа

Поршень представляет собой металлический корпус с направляющим кольцом и заменяемым уплотнительным кольцом, которое скользит в прецизионно-обработанном цилиндре, имеющем хромовое покрытие. Направляющее кольцо предохраняет трение поршня о поверхность цилиндра, а хромовое покрытие толщиной 0, 4 мм удваивает срок службы и уменьшает чувствительность к возникновению царапин и трещин. Проточная часть насосов серии DHT включает бункер с перепускным патрубком. S-образный патрубок способен поворачивается на нагнетательной стороне, в то время как впускная сторона патрубка перемещается между двумя фланцами цилиндров.

Рисунок 5 - Поршень насоса GEHODHC

В конце всасывающего хода патрубок закрывает фланец цилиндра и изолирует заполненный цилиндр от всасывающего бункера. В течение следующего нагнетательного хода поршень проталкивает пульпу через патрубок в нагнетательный трубопровод. Переключение патрубка между цилиндрами происходит за долю секунды.

Рисунок 6 - Поршневой насос GEHODHТбезклапанного типа с S-образным шибером

При перекачке паст противоток из нагнетательной области в бункер будет минимальным и, что немаловажно, пульсации давления будут минимальными в случае жесткого закрепления трубопроводной системы. Впускной конец патрубка снабжен соплом, которое скользит по несущей пластине. В случае работы с абразивными пульпами может применяться керамика для повышения износостойкости и сопротивляемости к коррозионному истиранию.

Осевая нагрузка перемещает конец патрубка к переключающей втулке, что обеспечивает автоматическую настройку положения патрубка и предотвращает преждевременную его замену в результате вымывания и износа шлицевого вала.

Рисунок 7 - S-образный патрубок поршневого насоса GEHODHТ

Шламовый насос HSP 25.100 HP фирмы Putzmeister для перекачки сред с высоким содержанием твёрдого состоит главным образом из двух гидравлических цилиндров, двух подающих цилиндров, а также распределительной головки с тарельчатыми клапанами с гидравлическим приводом. Для привода насоса HSP 25.100 применяется электрогидравлический агрегат мощностью 315 кВт. Распределительная головка насоса имеет большие всасывающие и напорные клапаны с сечением 220 мм на каждый подающий цилиндр. Фирма Путцмайстер специально применяет такие крупные элементы в подающей системе с целью снижения скорости материала, а также минимизации износа клапанных сёдел и тарелок.

Для гарантированного обеспечения круглосуточной непрерывной работы насосного комплекса (8.760 рабочих час/год) помимо основного насоса и приводного агрегата используется один дополнительный насос и приводной агрегат, которые постоянно находятся в резерве.

Две насосные системы установлены рядом друг с другом и соединены с подающей магистралью через гидравлический шибер переключения магистралей DVH 4/2 с Y-образной трубой. С помощью данного шибера и электро-гидравлического привода НА 11 Е каждый из насосов может быть соединён с подающей магистралью.

Рисунок 8 -ШламовыйнасосHSP 25.100 HPфирмыPutzmeister

После Y-образной трубы в подающую магистраль ZX 200 встроен вертикальный гидравлический демпфер HPD 200/750 высокого давления (Рис. 8). В процессе рабочего хода поршня насоса HSP 25.100 демпфер заполняется транспортируемым материалом. Непосредственно перед окончанием рабочего хода подающего поршня включается демпфер и вытесняет набранный в себя материал в подающую магистраль во время краткого перерыва в работе поршней основного насоса, происходящей при их переключении. Благодаря этому обеспечивается непрерывный поток транспортируемого материала и минимизируются декомпрессионные удары.

Опыт производства и новейшие разработки компании Feluwaпривели к созданию шланго-мембранных насосов с двойной шланговой мембраной MULTISAFE. По принципу действия это герметичные объемные насосы с двойной защитой гидравлической приводной части и окружающей среды от перекачиваемого продукта посредством двух шланговых мембран расположенных одна в другой. Плоская мембрана в данных наосах не используется. В насосах MULTISAFE применяется полная система диагностики для постоянного контроля состояния первичной и вторичной шланговых мембран (с помощью датчиков давления), обратных клапанов (система мониторинга работы клапанов FELUWA - FVPMS), всасывающего давления, а также температуры гидравлического масла и смазочного масла приводной части.

Практические испытания, проводимые компанией показывает, что перекачка абразивных материалов выводит из строя дорогостоящий корпус мембраны в течение 3-5 лет.

В конструкции насосов компании Фелува отсутствует контакт среды и корпуса мембраны, следовательно нет износа.

В случае порыва одной шланговой мембраны, ее роль выполняет вторая, что позволяет избежать внеплановой остановки насоса, а также сохранить чистоту гидравлического масла, которое является довольно дорогостоящим.

Рисунок 9 -Двухшланговый мембрано-поршневой насос Feluwa MULTISAFE

Шланговые мембраны насосов MULTISAFE не сдавливаются механически. Вместе с движением поршня они совершают только пульсирующие движения, сравнимые с работой человеческих вен. Эластичный изгиб шланговых мембран управляется и происходит концентрически, благодаря их специфической форме. Благодаря гидравлическому подпору шланговые мембраны подвержены небольшим нагрузкам даже при высоких рабочих давлениях. Высокие показатели средней наработки на отказ шланговых мембран, по утверждениям производителя, выше, чем у плоских мембран.

Одним из главных преимуществ насосов MULTISAFE является прямолинейный поток среды без изгибов через проточную часть насоса, что важно для перекачки агрессивных, абразивных и несущих твёрдые частицы жидкостей, к которым относится и шахтный шлам, и пульп, даже при высокой вязкости. В отличие от мембранных насосов, шланговые мембраны не требуют дополнительных обжимных колец, на которых осаждаются частицы шахтного шлама, что приводит к раннему выхода из строя мембраны.

1.3 Проблемы эксплуатации поршневых насосов

Для устранения неравномерности подачи - специфического недостатка поршневых приводных насосов - имеется ряд конструктивных приёмов.

Одним из них является установка на напорных и всасывающих линиях воздушных колпаков (демпферов), обеспечивающих более равномерную подачу.

Благодаря большой упругости воздуха, находящегося в демпфере, жидкость до всасывающего демпфера и после нагнетательного демпфера имеет меньшую неравномерность потока, достаточную для нормальной работы всей гидравлической системы. Помимо использования демпферов в поршневых насосах применяется конструкция с двухсторонним действием поршня. У поршневых насосов двухстороннего действия камеры с клапанами располагаются по обе стороны цилиндра и, поэтому, движение поршня в любую сторону является рабочим: циклу всасывания в одной камере соответствует цикл нагнетания в другой и наоборот.

Другим, весьма эффективным способом снижения неравномерности подачи, является использование многопоршневых (многоплунжерных) насосов с параллельным подключением цилиндров, поршни (плунжеры) которых приводятся в движение от общего коленчатого вала. Кривошипы коленвала расположены по отношению друг к другу под определённым углом. Наибольшее распространение нашли трёхплунжерные насосы, у которых кривошипы расположены относительно друг друга под углом 120°. Широкое распространение в насосах этой группы получило применение плунжера в качестве вытеснительного элемента рабочей камеры потому, что плунжер допускает большую, чем поршень, быстроходность насоса, что обеспечивает значительное снижение массогабаритных характеристик насоса, а, следовательно, и агрегата.

Плунжер представляет собой цилиндр, имеющий внешнее уплотнение на входе в рабочую камеру и движущийся, не касаясь внутренних стенок рабочей камеры (его направляющие находятся в приводной части и могут смазываться). Поршневые и плунжерные насосы имеют одну и ту же область применения, но последние проще в эксплуатации, т.к. у них меньше изнашиваемых деталей (в гидравлической части отсутствуют поршневые кольца, манжеты и другие детали, работающие непосредственно в рабочей жидкости). Наиболее сложной проблемой для поршневых и плунжерных приводных насосов является регулирование подачи.

Длительное время отечественное машиностроение решало эту проблему для насосов этого типа средней мощности (5, 5 - 90 кВт), встраивая в насос механизм изменения длины хода плунжера (поршня). Это решение воплотилось в насосах типа Тр, ХТр и др. С появлением большой гаммы электроприводов с тиристорными преобразователями частоты (ТПЧ) и снижением их относительной цены насосные заводы перешли на выпуск нерегулируемых насосов, которые для регулирования подачи могут быть укомплектованы системами ТПЧ (по заказу).

Рабочий процесс в насосе объёмного типа основан на перемещении жидкости из рабочей камеры, герметично отделяемой от всасывающей и нагнетательной магистралей. При этом обеспечивается, так называемая, "жёсткая" рабочая характеристика насоса. Теоретическая напорная характеристика в привычных для центробежного насоса координатах (подача откладывается по оси абсцисс) представляет собой практически вертикальную прямую линию, параллельную оси ординат.

В действительности наблюдается незначительное уменьшение подачи с увеличением давления нагнетания (напора), определяемое возрастанием утечки жидкости через зазоры внутри насоса (отклонение характеристики от вертикали). Максимальное давление нагнетания (напор), создаваемое насосом, определяется прочностью насоса и мощностью двигателя. Превышение указанного в паспорте рабочего давления не допускается без согласования с заводом-изготовителем. В системе с насосами объёмного типа должны быть предусмотрены предохранительные клапаны или другие защитные устройства, обеспечивающие перепуск перекачиваемой жидкости из напорного трубопровода во всасывающий (байпасирование), если давление в системе превысит установленный предел, (например, при закупорке трубопровода). Длительность перепуска жидкости через предохранительный клапан (если он предусмотрен конструкцией насоса) ограничивается температурой нагрева клапана или всего насоса.

Величину давления, при котором происходит полный перепуск перекачиваемой жидкости из полости нагнетания в полость всасывания, регулируют пружиной предохранительного клапана, причём эта величина не должна превышать величину максимально допускаемого рабочего давления насоса.

В связи с тем, что насосы объёмного типа создают большой напор, величины напора в напорных характеристиках измеряются в атмосферах (кГс/см²) или мегапаскалях (МПа).

Наличие в перекачиваемой жидкости взвешенного воздуха или других газов может значительно снизить подачу насоса при давлениях более 100 кГс/см².

Область применения поршневых насосов - относительно малые подачи при больших давлениях.

Характерной особенностью эксплуатации объёмных насосов является необходимость обеспечения надёжной работы предохранительных устройств электроконтактных манометров. Это касается прежде всего предохранительных клапанов и мембран.

1.4 Преимущества и недостатки поршневых насосов

Преимущество поршневых насосов - возможность генерировать большие давления. Это достигается установкой цилиндра большего диаметра, или насосной секции меньшего диаметра, что позволяет менять соотношение их сечений, и как следствие, давление в насосной секции. Другое немаловажное преимущество поршневых насосов - благодаря своей конструкции они автоматически останавливаются при достижении рабочего давления. Т.е. не нужны спускные клапаны, улучшается безопасность работы.

Одним из недостатков работы поршневого насоса является падение давление при изменении движения поршня в крайних точках. Из-за этого в потоке возникают пульсации.

Основным недостатком поршневых насосов является необходимость периодической замены уплотнительных элементов, невозможность перекачивать высоконаполненные жидкости или вещества с твердыми включениями, большая длина, необходимость вертикального расположения. Это связано с конструкцией впускного и выпускного клапанов насоса, их различными размерами (выпускной клапан существенно меньше впускного клапана) и наличия уплотнения между поршнем и цилиндром.

Например, при существенном отклонении положения насоса от вертикали, шарики клапанов выпадают из своих седел, и клапаны переходят в положение постоянно открытых. При перекачивании жидкостей, содержащих наполнители или твердые включения, допустимый размер включений определяется диаметром отверстия выпускного клапана, которое невелико. Кроме того, при перекачивании наполненных субстанций происходит абразивный износ шариков и седел клапанов, налипание на них наполнителя, износ и повреждение стенок цилиндра насоса и уплотнения поршня. В результате ухудшается прилегание шариков к седлам, цилиндр покрывается микроскопическими канавками и царапинами, изнашивается уплотнение. Как следствие, насос начинает «протекать»: на такте всасывания выпускной клапан поршня находится в полуоткрытом положении вместо закрытого, поршневое уплотнение неплотно прилегает к стенке цилиндра, и жидкость из верхней камеры перетекает в нижнюю через выпускной клапан и зазоры между уплотнением поршня и цилиндра; на такте выпуска впускной клапан находится в полуоткрытом положении и жидкость течет обратно во впускной коллектор из нижней камеры, и из верхней камеры в нижнюю через зазоры между уплотнением поршня и цилиндра. Это приводит к ухудшению скорости перекачивания насоса, падению давления. В этом случае необходимо разбирать насос, чистить клапаны, менять износившиеся детали, шлифовать внутреннюю поверхность цилиндра насоса с целью удаления микроскопических царапин, оставленных частицами наполнителя.



2. ВЛИЯНИЕ ШАХТНОГО ШЛАМА НА РАБОТУ ПОРШНЕВЫХ НАСОСОВ

2.1 Шахтный шлам, его показатели и характеристики

Шахтный шлам (нем. буквально - грязь)- это осадок водосборных емкостей, содержащий в гидросмеси (шламо-иловой пульпе) взвешенные и твердые частицы горных пород (размером до 2ч3 мм и более).[1]

Шахтный шлам характеризуется показателями, приведёнными в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Показатели шахтного шлама

Наименование	Единица измерения	Значение
Водородный показатель, pH	-	Мера активности (в очень разбавленных растворах она эквивалет на концентрации)ионов водорода в растворе, и количественно выражающая его кислотность, вычисляется как отрицательный (взятый с обратным знаком) десятичный логарифм активности водородных ионов, выраженной в молях на один литр.
Количество твердых частиц	мг/л	Наличие механических примесей
Плотность	кг/л	Скалярная физическая величина, определяемая как отношение массы тела к занимаемому этим телом объёму или площади
Взвешенные вещества	мг/дм3	Вещество, которое обычно называют «взвешенные вещества» (ВВ), включает много различных компонент. В него входят пыль, зола, сажа, дым, сульфаты, нитраты и другие твердые составляющие. ВВ образуются в результате сгорания всех видов топлива и при производственных процессах. В зависимости от состава выбросов они могут быть и высокотоксичными, и почти безвредными. Они могут иметь как антропогенное, так и естественное происхождение, например, образовываться в результате почвенной эрозии. В данных о выбросах все эти вещества отнесены к твердым.
Общая кислотность	-	Характеристика активности ионов водорода в растворах и жидкостях
Общая минерализация	мг/л	Показатель количества содержащихся в воде растворенных веществ (неорганические соли, органические вещества). Также этот показатель называют содержанием твердых веществ или общим солесодержанием. Растворенные газы при вычислении общей минерализации не учитываются.
Жёсткость воды	мгэкв/л	Совокупность химических и физических свойств воды, связанных с содержанием в ней растворённых солей щёлочноземельных металлов, главным образом, кальция и магния (так называемых «солей жёсткости»).

Шахтный шлам подразделяется на два типа: оседающий и на не оседающий, в зависимости от различных параметров.

Неоседающий шлам - это шлам, в котором твёрдые частицы не оседают на дно, остаются во взвешенном состоянии на долгий период времени. Неоседающий шлам ведёт себя как однородная, вязкая смесь, но обладает характеристиками не-ньютоновской жидкости. Размер частиц - менее 60-100 микрометров. Не оседающий шлам может быть определён как однородная смесь.

Однородная смесь - это смесь твёрдых частиц и жидкости, в которой равномерно распределены твёрдые частицы.

Оседающий шлам - это шлам, который быстро оседает в ходе процесса транспортирования, но может удерживаться во взвешенном состоянии посредством турбулентности. Размер частиц - более 100 микрометров. Оседающий шлам может быть определён как псевдо-однородная или разнородная смесь и может полностью или частично наслаиваться

Псевдо-однородная смесь - смесь, где все частицы находятся во взвешенном состоянии, но концентрация частиц увеличивается по направлению ко дну.

Разнородная смесь - смесь твёрдых частиц и жидкости, где твёрдые частицы распределены неравномерно, и становится более концентрированной на дне трубопровода или ёмкости (по сравнению с оседающим шламом).[4]



Рисунок 10 - Классификация шлама по типу оседания

2.2 Определения влияния шахтного шлама на работу поршневых шламовых насосов

Для снижения энергоемкости процесса перекачки шахтного шлама и повышения надежности и долговечности рабочих элементов поршневых насосов, необходимо исследовать и определить оптимальные режимы работы поршневых насосов, при откачке и транспортирование шахтного шлама будет производиться с необходимыми значениями производительности и напора.

При выборе поршневого насоса необходимо учитывать следующие показатели шахтного шлама:

- размеры частиц;

- удельная масса частиц;

- удельная масса жидкости;

- концентрация по весу (в процентах);

- концентрация по объёму (в процентах);

- удельная масса шлама;

- процентное содержание частиц (процент частиц размером менее 75 микрометров);

- форма частиц (круглая или плоская).

Зная значения данных показателей становится возможным произвести поэтапный расчёт необходимого поршневого шламового насоса для заданных условий.

2.3 Методика поэтапного расчёта поршневого шламового насоса

Приведённая методика расчёта поршневого шламового насоса является адаптацией под отечественные нормы и стандарты методики выбора насосов, предлагаемой фирмой Flygt.[4]

Этап 1. Необходимо определить плотность, удельную плотность шлама и удельную плотность твёрдых частиц.

Удельная масса - это плотность определённых материалов, нормированных плотностью воды.

Объемы шламаV(м³) при различной плотности определяются по следующей зависимости

, (2.1)

где Q - количество твердого в единице объема, т/м³; R - отношение массы жидкого к массе твердого, %; с_тв - плотность твердого, т/м³.

, (2.2)



где с_пульпы - плотность пульпы, т/м³ (в данном за значение плотности пульпы применяем значение плотности шлама).

Этап 2. Требуется рассчитать критическую скорость.

В настоящее время одним из основных и наиболее разработанных вопросов гидравлического расчёта является определение критических скоростей.

Критерием для установления скорости потока служит критическая скорость v_кр, т.е. наименьшая скорость, при которой шлам не скапливается в шламопроводе.

При определении скорости, напора или давления несущей среды первостепенное значение имеют крупность частиц и плотность перемещаемой гидросмеси. Размер частиц твердой фазы определяет условия их гидродинамического взаимодействия с потоком несущей жидкости. По преимущественному содержанию определенного класса частиц выделяют следующие виды гидросмесей[5]:

- коллоидные, содержащие частицы размерами до 1 мкм;

- структурные (гидрозоли), содержащие твердые частицы размерами от 1 до 50 мкм, получаемые диспергированием (для частиц структурных жидкостей гидродинамическое взаимодействие определяется в основном силами вязкости -- законом Стокса);

- тонкодисперсные -- с частицами размерами от 50 до 150 мкм, получаемые чаще всего измельчением (для тонкодисперсных гидросмесей -- суспензий -- взаимодействие частиц и жидкости определяется зависимостью гидравлического сопротивления от вязкости жидкости; это сопротивление тем больше, чем мельче частицы);

- грубодисперсные-- с частицами размерами от 0, 1--0, 15 мм до 1, 5--2 мм;

- неоднородные грубодисперсные -- с частицами размерами более 1, 5--2 мм (взаимодействие потока с частницами лежит в области квадратичных сопротивлений);

- полидисперсные -- с частицами различной крупности.

Гранулометрический состав твёрдой фазы гидросмесей можно приближённо охарактеризовать среднеарифметической (средневзвешанной) крупностью частиц [6]:

, (2.3)

где - средняя крупность частиц из i- го интервала, - массовое процентное содержание частиц i- го интервала,

С позиций гидродинамики вструктурныхгидросмесях при насыщении жидкости твердыми веществами более 35 % вследствие малых размеров частиц и большой их концентрации основную роль в движении смеси играет твердая фаза.

В то же время в различных гидросмесях при концентрации до 25--35 % по объему основная роль в переносе твердого компонента принадлежит жидкости. Процессы в них носят гидродинамический характер, обусловленный скоростями и давлениями внутри жидкости и на границах соприкосновения жидкости с поверхностью трубопроводов.

Для определения критических скоростей движения шлама в шламопроводе предложено свыше десятка формул. В некоторых формулах критическая скорость v_кр зависит от плотности пульпы, которая выражена в весовой консистенции по отношению веса воды или в объёмной консистенции, в других формулах вместо плотности пульпы употребляется удельный вес гидросмеси. Так же, в формулы входит весовая консистенция от веса гидромассы употребляется объёмная консистенция от объёма воды.

Аналитическая проверка, проведённая учёными, показывает большое расхождение в значениях критических скоростей и гидравлических уклонов по формулам, предложенным разными авторами.

Опыт гидравлического транспортирования шламов показывает, что наибольшая степень сходимости результатов расчёта критических скоростей с данными эксплуатации получается по формулам Всесоюзного научно-исследовательского института гидротехники им. Веденеева (ВНИИГ). [7, 8]

Данные формулы определены для различных диапазонов средневзвешанного размера твёрдых частиц d_ср, выраженного в миллиметрах.

1) для d_ср ?0, 07 мм

, (2.4)

где - весовое содержание твёрдого в шламе, выраженное в процентах по отношению к весу воды; D - диаметр пульпопровода.

2) для 0, 07 мм<d_ср ?0, 15 мм

, (2.5)

3) для 0, 15 мм<d_ср ?0, 4 мм

, (2.6)

4) для 0, 4 мм<d_ср ?1, 5 мм

, (2.7)

где d - средневзвешенный размер твёрдых частиц, выраженный в миллиметрах.

5) для d_ср >1, 5 мм



. (2.8)

Для расчётов и построения графиков зависимостей между средневзвешенным размером твёрдых частиц, весовым содержанием твёрдого в шламе и диаметром трубопровода принимаем следующие наиболее распространённые на горно-добывающих предприятиях Южного Урала значения:

- диаметр трубопровода - согласно ГОСТ 9940-81 «Трубы бесшовные горячедеформированные из коррозионно-стойкой стали» принимаем диаметры трубопроводов: 76, 83, 89; 95; 102; 114; 121; 127; 133; 140; 146; 152; 159; 168; 180; 194; 219; 245; 273 и 325 метра.[9]

- средневзвешенный размер твёрдых частиц - от 0, 02 до 2 мм;

- весовое содержание твёрдого в шламе - 60 %;

Как видно из формулы, для шлама с d_ср ?0, 07 мм само значение d_ср не влияет на значение критической скорости . Проведённый в среде MSExcelрасчёт показал, что на значение влияют диаметр трубопровода Dи весовое содержание твёрдого в шламеP₁, но т.к. мы принимаем для расчёта весовое содержание твёрдого в шламе - 95%, то получили зависимость критической скорости от диаметра трубопровода D. Полученные расчётные данные приведены в таблице 2.1. Полученный график зависимости критической скорости от диаметра трубопроводаDприd_ср ?0, 07 мм показан на рисунке 11.

Таблица2.1 - Расчётные данные для определения зависимости критической скорости при d_ср ?0, 07 мм

Значение P1, %	Значение D, м	Значение d, мм	Критическая скорость vкр, м/с
95	0, 076	0, 02-0, 07	1, 521
95	0, 083	0, 02-0, 07	1, 543
95	0, 089	0, 02-0, 07	1, 561
95	0, 095	0, 02-0, 07	1, 577
95	0, 102	0, 02-0, 07	1, 596
95	0, 114	0, 02-0, 07	1, 625
95	0, 121	0, 02-0, 07	1, 641
95	0, 127	0, 02-0, 07	1, 655
95	0, 133	0, 02-0, 07	1, 667
95	0, 14	0, 02-0, 07	1, 681
95	0, 146	0, 02-0, 07	1, 693
95	0, 152	0, 02-0, 07	1, 704
95	0, 159	0, 02-0, 07	1, 717
95	0, 168	0, 02-0, 07	1, 733
95	0, 18	0, 02-0, 07	1, 753
95	0, 194	0, 02-0, 07	1, 775
95	0, 219	0, 02-0, 07	1, 811
95	0, 245	0, 02-0, 07	1, 845
95	0, 273	0, 02-0, 07	1, 879
95	0, 325	0, 02-0, 07	1, 935

Рисунок 11- График зависимости критической скорости от диаметра трубопровода Dприd_ср ?0, 07 мм

Аналогичная ситуация наблюдается для шламов со значениями 0, 07 мм<d_ср ?0, 15 мм. Расчётные данные приведены в таблице 2.2. График зависимости критической скорости от диаметра трубопроводаDпри 0, 07 мм<d_ср ?0, 15 мм. показан на рисунке 12.



Таблица 2.2 - Расчётные данные для определения зависимости критической скорости при 0, 07 мм <d_ср ? 0, 15 мм

Значение P1, %	Значение D, м	Значение d, мм	Критическая скорость vкр, м/с
60	0, 076	0, 083-0, 15	1, 770
60	0, 083	0, 083-0, 15	1, 804
60	0, 089	0, 083-0, 15	1, 831
60	0, 095	0, 083-0, 15	1, 857
60	0, 102	0, 083-0, 15	1, 886
60	0, 114	0, 083-0, 15	1, 932
60	0, 121	0, 083-0, 15	1, 957
60	0, 127	0, 083-0, 15	1, 978
60	0, 133	0, 083-0, 15	1, 998
60	0, 14	0, 083-0, 15	2, 020
60	0, 146	0, 083-0, 15	2, 039
60	0, 152	0, 083-0, 15	2, 057
60	0, 159	0, 083-0, 15	2, 077
60	0, 168	0, 083-0, 15	2, 102
60	0, 18	0, 083-0, 15	2, 135
60	0, 194	0, 083-0, 15	2, 170
60	0, 219	0, 083-0, 15	2, 229
60	0, 245	0, 083-0, 15	2, 285
60	0, 273	0, 083-0, 15	2, 341
60	0, 325	0, 083-0, 15	2, 434

Рисунок 12 - График зависимости критической скорости от диаметра трубопровода Dдля 0, 07 мм<d_ср ?0, 15 мм



На данном графике видно, что изменяется форма кривой зависимости и увеличились значения критической скорости при стандартных значениях диаметра трубопроводаD.

В формуле критической скорости для шламов со значениями 0, 15 мм <d_ср ?0, 4 мм наблюдается такое же отсутствие зависимости от величины d_ср как и в двух предыдущих случаях. Расчётные данные приведены в таблице 2.3. График зависимости критической скорости от диаметра трубопроводаDпри 0, 15 мм<d_ср ?0, 4 мм. показан на рисунке 13.

Таблица 2.3 - Расчётные данные для определения зависимости критической скорости при 0, 15 мм <d_ср ? 0, 4 мм

Значение P1, %	Значение D, м	Значение d, мм	Критическая скорость vкр, м/с
60	0, 076	0, 19-0, 4	3, 730
60	0, 083	0, 19-0, 4	3, 781
60	0, 089	0, 19-0, 4	3, 822
60	0, 095	0, 19-0, 4	3, 861
60	0, 102	0, 19-0, 4	3, 903
60	0, 114	0, 19-0, 4	3, 970
60	0, 121	0, 19-0, 4	4, 007
60	0, 127	0, 19-0, 4	4, 037
60	0, 133	0, 19-0, 4	4, 066
60	0, 14	0, 19-0, 4	4, 098
60	0, 146	0, 19-0, 4	4, 125
60	0, 152	0, 19-0, 4	4, 151
60	0, 159	0, 19-0, 4	4, 180
60	0, 168	0, 19-0, 4	4, 216
60	0, 18	0, 19-0, 4	4, 261
60	0, 194	0, 19-0, 4	4, 311
60	0, 219	0, 19-0, 4	4, 393
60	0, 245	0, 19-0, 4	4, 470
60	0, 273	0, 19-0, 4	4, 546
60	0, 325	0, 19-0, 4	4, 671



Рисунок 13 - График зависимости критической скорости от диаметра трубопровода Dпри 0, 15 мм<d_ср ?0, 4 мм

В формуле для определения критической скорости появляется множитель, учитывающий средневзвешенный размер твёрдых частиц d_ср. Вследствие этого, на графике зависимости критической скорости от диаметра трубопровода Dдля 0, 4 мм <d_ср ?0, 5 мм получается не одна кривая, указывающая значения критической скорости , а несколько, в зависимости от того, сколько значений из диапазона от 0, 15 до 0, 4 приняты для расчётов. В нашем случае принято 6 значений d_ср: 0, 58; 0, 76; 0, 94; 1, 12; 1, 3; 1, 5, соответственно на графике получили 6 кривых значений критической скорости .Данный график представлен на рисунке 14, кривые критической скорости выделены красным цветом.



Рисунок 14 - График зависимости критической скорости от диаметра трубопровода Dдля 0, 4 мм <d_ср ?0, 15 мм

Аналогично формуле для определения критической скорости при значениях 0, 4 мм <d_ср ?0, 15 мм в формуле для определения критической скорости при значениях d_ср >1, 5 мм появляется множитель, учитывающий значения средневзвешенный размер твёрдых частиц d_ср. В этом случае на графике зависимости критической скорости от диаметра трубопровода Dдля d_ср >1, 5 мм также появляются несколько кривых значений критической скорости .Для расчёта принято 6 значений d_ср: 1, 55; 1, 6; 1, 7; 1, 8; 1, 9; 2, 0 мм. График представлен на рисунке 15, кривые критической скорости выделены красным цветом.

При расчёте критических скоростей и рассмотрении графиков было определено, что при средневзвешенном размере твёрдых частиц d_ср от 0, 02 мм до 1, 5 мм критическая скорость достигла максимального значения 7, 84 м/с, а при d_ср> 1, 5 мм всего 6, 05 м/с. Таким образом, нельзя с уверенностью утверждать, что с увеличением средневзвешенного размера твёрдых частиц d_ср критическая скорость будет увеличиваться или же наоборот уменьшаться. Это подтверждает вышеприведённое утверждение о том, что в различных методиках расчётов имеются расхождения в значениях критических скоростей.

Можно предполагать, что приведённые формулы справедливы для определенного, возможно какого-то узкого диапазона значений d_ср, D, P₁, но не для широкого интервала основных параметров гидротранспорта.

Рисунок 15 - График зависимости критической скорости от диаметра трубопровода Dдля d_ср >1, 5 мм

Но в тоже время, благодаря построенным графикам можно рассчитать необходимый диаметр трубопровода, зная средневзвешенный размер твёрдых частиц d_ср.

Рассчитывать диаметр трубопроводов требуется так, чтобы скорость воды в трубе была выше критической скорости в 1, 05-1, 1 раз для тонкодиспресных гидросмесей, в 1, 1-1, 15 для грубодисперсных гидросмесей и в 1, 15-1, 2 раза для полидисперсных гидросмесей. Уменьшение скоростей приводит к резкому увеличению сопротивлений, потерь, а также появляется риск закупоривания насоса. Это объясняется тем, что распределение концентрации частиц по высоте весьма неравномерно.

В то же время, при скоростях движения гидросмесибольшая часть твёрдых частиц движется в нижней трети сечения трубы. Вследствие этого происходит более интенсивный гидроабразивный износ нижней трети сечения трубы.

Гидроабразивный износ является результатом процесса постепенного изменения размеров, формы или состояния поверхности, происходящей в результате воздействия твёрдых абразивных частиц, взвешенных в жидкости и перемещающихся вместе с ней относительно изнашиваемой поверхности.

А.О. Спиваковским приведено минимальное значение критической скорости =1, 6 м/с.[10] Б.Ф. Лямаев приводит максимальные значения скоростей для труб диаметром 0, 2-1, 0 в пределах 2, 5-6 м/с. [11]

Для уменьшения удельных затрат энергоресурсов транспортирование шахтного шлама необходимо стремиться производить при скоростях близких к и высоких концентрациях твёрдого вещества в гидросмеси.

В настоящее время, для расчёта внутреннего диаметра нагнетательного шламопроводадля размера частиц от 1 до 70 мм согласно «Пособию по проектированию гидравлического транспорта(к СНиП 2.05.07-85)» не приведено чётких и определяющих формул. Однако, в научно-технической литературе встречается следующая формула[12]:

(2.9)

где Q - производительность поршневого насоса, м3/ч; v_кр - критическая скорость движения пульпы.

Одним из множителей делителя подкоренного выражения в данной формуле является критическая скорость.Данная формула не учитывает размер самих частиц. В данной работе было установлено, что значение критическая скорость в определённых диапазонах средневзвешенного размера твёрдых частиц d_ср как зависят, так и не зависят непосредственно от значения d_ср. Исходя из этого, можно предположить, что приведённая формула для расчёта внутреннего диаметра нагнетательного шламопроводане является корректной и учитывающей факторы и показатели, необходимых для проведения гидравлических расчётов гидротранспорта.

Полученные данные указывают нам на необходимость проведения дальнейших экспериментальных исследований в области гидравлического транспортирования шахтного шлама для выяснения и уточнения закономерности влияния размера частиц, диаметра трубопровода, консистенции шлама и удельного веса твёрдой составляющей на величину критических скоростей.

В данной работе не рассмотрена зависимость между подачей поршневого насоса и критической скорость. Необходимость исследования данной зависимости обусловлена определением оптимальных энергоэффективных режимов работы поршневого насоса и достижением минимального износа рабочих элементов насоса.

Выбор оптимальной критической скорости может предостеречь от выбора трубопровода большего диаметра, чем необходим для перекачки шахтного шлама с определённым средневзвешенным размером твёрдых частиц d_ср и способствовать уменьшению гидроабразивного износа.

Вследствие осуществления и реализации результатов исследований ожидается увеличение экономической эффективности применения поршневых насосов для перекачки шахтного шлама и гидротранспортирования шахтного шлама.

Этап 3. Рассчитать общий напор, являющийся суммой статического напора, потерь в трубопроводной сети и дополнительного давления в трубопроводе.

Потери в трубопроводной сети состоят из потерь напора натрение потока и потерь, полученных в результате прохождения потока через фасонные части типа колен трубопровода, запорной арматуры и т.д.

Основой для расчёта потерь в трубопроводной сети в настоящее время служат полуэмперические и эмперические зависимости, полученные различными авторами [5].

В настоящее время требуемый расчетный напор насоса определяется по формуле:

(2.10)

где ДН_тр - потери напора по длине трубопровода, м; Н_г - разность отметок оси насоса и отметки сливного отверстия трубопровода; ДН_м - местные потери напора (в арматуре), ДН_м=0, 2 ДН_тр.