Тема работы: "Разработка водоотливной установки с регулируемой подачей насосов".
Научный руководитель: доцент, к. т. н. Малеев В. Б.
Электронная библиотека
INTERNET - РЕСУРСЫ
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Повышение добычи угля путем увеличения производительности труда на основе применения передовой техники при широкой механизации и автоматизации всех основных и вспомогательных процессов, а также улучшения условий труда и снижения себестоимости добычи угля при повышении его качества - актуальная тема в связи со сложившейся экономической ситуацией в нашей стране.
Решение выше изложенных вопросов с различными своего рода факторами и требованиями. Одним из них является требование к усовершенствованию и развитию средств и способов шахтного водоотлива.
Условия работы шахтных водоотливных установок значительно отличается от условий работы насосных станций на поверхности, что обуславливается большой глубиной шахт, горно-геологическими особенностями месторождений, наличием внезапных повышенных притоков шахтных вод и специальными требованиями правил техники безопасности.
Надежная работа водоотливных установок - одно из необходимых условий для обеспечения планомерной работы горных предприятий.
Наряду с надежностью стоят требования: безопасности и уменьшению трудоемкости процессов, так как шахтный водоотлив относится к числу трудоемких вспомогательных процессов горного производства, увеличения срока службы водоотливных установок и их экономичности работы, так как водоотлив является одним из самых энергоемких процессов.
Одно из самых перспективных направлений осуществления этих требований является автоматизация водоотлива.
Автоматизация водоотливных установок повышает безопасность и надежность работы водоотлива, высвобождает значительное количество людей, уменьшает расходы на капитальный и текущий ремонты оборудования и дает значительную экономическую эффективность. Однако практика эксплуатации существующих схем и аппаратуры автоматизации показывает, что наличие в гидравлических схемах автоматизации водоотливных установок элементов для осуществления автоматической заливки насосов, программирующих устройств, обеспечивающих очередность автоматического их запуска в работу, а так же большое число других элементов обеспечивающих автоматическое управление, усложняет и ухудшает, а также удорожает аппаратуру автоматизации, снижая при этом ее надежность.
В связи с этим, на основании анализа существующих схем, был решен вопрос создания новой организации водоотлива с работой на приток.
Но переход на новую организацию работы породил новый ряд проблем.
Работа на приток предполагает регулирование насосов. Так как на горных предприятиях в качестве двигателей, в основном, используют электродвигатели асинхронные с коротко замкнутым ротором, то необходимы специальные средства для регулирования насосных агрегатов.
Из-за большого разнообразия притоков и весьма ограниченного ряда шахтных насосов последние должны выбираться с определенным запасом по подаче. Резерв подачи насосов необходим еще и потому, что возможно изменение притока во времени и снижение напорной характеристики. Отсюда вытекает необходимость определения экономически выгодной глубины регулирования насосов.
Поэтому несмотря на большие преимущества, организация работы водоотлива на приток пока еще не получила достаточно широкого распространения.
Цель работы: разработать методику расчета водоотливной установки с регулируемой подачей насосов.
Идея работы: решить вопрос о целесообразном способе и экономически целесообразной глубине регулирования насосов и разработать методику расчета водоотливной установки.
Основные задачи работы:
Практическая значимость и новизна. Внедрение предложенного способа организации работы водоотлива, способа регулирования, схем водоотлива позволит: повысить надежность работы водоотливной установки, значительно сократить капитальные затраты, сократить затраты на электроэнергию.
ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ
У теперішній час на шахтах та рудниках знаходяться в експлуатації велика кількість водовідливних установок. Умови роботи цих установок відрізняються значною різноманітністю. Особливо в несприятливих умовах працюють насоси тимчасових допоміжних установок, обладнаних водозбірниками невеликої місткості. Тяжкі умови експлуатації ставлять підвищені вимоги до надійності насосів.
Ці насоси перекачують неосвітлену воду, часто працюють у режимах кавітації і тому їх параметри в процесі експлуатації швидко погіршуються, із-за чого знижуються напірні характеристики насосів.
Внаслідок цього, також із-за можливих різких змін притоку в часі насоси вибирають з запасом по подачі.Так як водозбірники допоміжного водовідливу в більшості випадків невеликої місткості, а насоси мають велику подачу, організація їх роботи зв'язана з частими пусками та зупинками.
Г.М. Нечушкін [1] обстежив водовідливні установки комбінату "Донецьквугілля" і виявив, що обладнання водовідливу має значні резерви гідравлічної потужності, внаслідок чого середній час роботи на добу головного водовідливу на комбінаті склав 12 годин, а водовідливу ділянок - 7 годин.
Наявність таких невикористаних резервів потужності обладнання знижує техніко-економічні показники водовідливу.
Дослідженням Б.С. Нікешина [2] встановлено, що основна частина відмов (більш, ніж 80%) приходиться на пусковий період насосів. Тому робота водовідливу з частими пусками знижує надійність роботи водовідливних установок.
У своїй роботі Махінін А.И. зробив аналіз характеристик пошкоджень і поломок деталей шахтних відцентрованих насосів, який виявив, що не всі вони можуть бути пояснені дією гідроаброзивного зносу. Суттєвий вплив оказує й режим роботи насосу.
З ціллю визначення кількісних залежностей впливу основних факторів на середній строк служби насосів Махінін А.И. зробив кореляційний аналіз даних по 92 головним водовідливним установкам шахт Донбасу, які обладнанні найбільш сучасними насосами типу 8МС-7 (ЦНС 300-120÷600). В результаті чого була встановлена залежність строку служби насосу, яка представляє собою рівняння регресії:
Т=5500-245Х1+72Х2-4793Х3-1734Х4, (1.1)
де
Із аналізу впливу кожного фактору на середній час служби насосу виходить, що най більший вплив оказує відносне відхилення розрахункової подачі насосу від номінальної, тобто режим роботи насосу.
Водовідлив на шахті відноситься до числа трудомістких допоміжних процесів. Внаслідок чого роботи по зниженню трудомісткості цих процесів повинні продовжуватися. Практика експлуатації існуючих схем і апаратури показує, що наявність в гідравлічних та електричних схемах автоматизації водовідливних установок елементів для здійснення автоматичної заливки насосів, програмуючого обладнання, які забезпечують черговість автоматичного їх запуску в роботу, а також велику кількість інших елементів, які забезпечують автоматичне керування, ускладнюють і погіршують, а також здорожують апаратуру автоматизації, при цьому знижуючи її надійність.
У зв'язку з недоліками існуючих організацій роботи водовідливу було вирішено питання створення нової організації водовідливу з роботою на приток на основі аналізу існуючих схем та досліджень. Дослідження Харитонова А.Г. [3], Кіракосов Г.М. [4] доведена техніко-економічна доцільність організації роботи шахтного водовідливу на приток.
Режим роботи на приток дозволяє:
Останнє можливо при застосуванні нової схеми водовідливу НУО-1, яка була розроблена у Донецькому політехнічному інституті (сьогодні ДонДТУ) для головних водовідливних установок та ділянкових [6]. Ця схема виключає необхідність чистки від твердого водозбірники і приймальні колодці. Її доцільно використовувати при притоках більше ніж 50 м3/г на водовідливах зі строком експлуатації не менше трьох років і особливо при наявності великої кількості твердого в шахтній воді.
Незважаючи на великі переваги, організація роботи водовідливу на приток не отримала достатньо широкого розповсюдження, оскільки вирішені не всі питання, які зв'язані з такими режимами роботи, і, вчасності, о доцільності та економічно вигідній глибині регулювання відцентрованих насосів, і о економічній доцільності способу регулювання відцентрованих насосів.
Із-за великої різноманітності притоку і надто обмеженого ряду шахтних з насосів останні вибираються з визначеним запасом по подачі. Резерв подачі насосів потрібен ще й тому, що можливе змінення притоку у часі і зниження напірній характеристики.
У своїй роботі Гейер В.Г. та інші [7] доказує, що при визначенні раціональної глибини регулювання подачі потрібно крім енергетичних показників враховувати ресурс насосу, оскільки з ростом добової роботи зменшується календарний строк служби.
Оптимальна глибина регулювання подачі насосу при його роботі на приток визначимо припускаючи ,що при регулюванні подачі насосу повітрям зниження КПД буде не більше як на 20% (так як у цих границях регулювання повітрям найбільш економічне):
Qх / Q = [ ( 0,4α / β ) / ( 1-Hг / H ) ]1/3, (1.2)
де
У нашому випадку потрібно перевірити вибраний насос, який повинен регулюватися на глибину, яку визначимо за формулою:
Qх / Q ≤ Qн / ( 1,2Qmaх ), (1.3)
де
Або з формули (1.3):
Qх / Q ≤ 0,83Qн / Qmaх. (1.4)
Питання о регулюванні ми розв'язали. Зробимо аналіз способів регулювання відцентрованих насосів.
На сьогоднішній день відомо багато способів регулювання турбомашин, але всі їх можна поділити на два принципово можливих:
Самим економічним являється регулювання шляхом змінення швидкості обертання робочих коліс, але в умовах роботи на зовнішню мережу з геодезичною висотою використовується рідко. За даними Кіракосова Г.М. [4] його використання складає 8,8%. Це спричинено тим, що в якості приводів переважної більшості водовідливних установок використовують асинхронні з коротко замкнутими роторами електродвигуни, швидкість оберту яких можна регулювати з використання спеціальних засобів.
Для змінення частоти оберту робочих коліс насосу між електродвигуном з коротко замкнутим ротором та насосом можна використати:
При постійній частоті обертання можна використовувати слідуючи види регулювання:
Дроселювання здійснюється шляхом уведення в мережу додаткового гідравлічного опору. Цим методом можна тільки зменшити подачу відцентрованих насосів, енергетична ефективність його дуже низька, так як витрачається значна потужність на регулювання. Дроселювання на всмоктувальному трубопроводі збільшує небезпечність кавітації. Дросельне регулювання на автоматизованих водовідливних установках вимагає використання керованих засувок, що ускладнює гідравлічні й електричні схеми автоматизації.
Спосіб регулювання скиданням частини рідини із нагнітаючого трубопроводу тільки зменшує подачу відцентрованого насосу. Значна чистина потужності витрачається на циркуляцію рідини - водозбірник - насос - водозбірник. Стосовно автоматизації характеристика цього способу аналогічна способу регулювання дроселюванням.
Зменшення діаметра робочого колеса за рахунок його обрізання не більш, ніж на 15% від початкового діаметра колеса - спосіб, який припускає ступінчате регулювання, зменшує подачу відцентрованих насосів і при організації роботи водовідливу на приток не використовується.
Спосіб регулювання подачею повітря в усмоктувальний трубопровід дуже простий і не потребує складних пристроїв для свого здійснення на практиці, може бути легко автоматизований. Регулювання повітрям дозволяє тільки зменшити подачу насосу, цей спосіб знижує КПД насосній установки.
Найбільш характерні способи регулювання для шахтної водовідливної установки такі:
Питанню техніко-економічного порівняння можливих способів регулювання посвячено декілька робіт.
Кандидат технічних наук Харитонов А.Г. [3] порівнюючи вказані способи, доказує, що при об'ємному витрачанні повітря q=5÷3% регулювання повітрям економне при любій його глибині.
Кандидат технічних наук Паршиков А.М. [8] у своїй роботі робить висновок, що з точки зору витрат електроенергії ефективність способів регулювання залежить від відносної геодезичної висоти водопідйому та глибині регулювання.
Дослідженні насосу 8МС/7, А.М. Паршиков приходить до таких висновків. При відносній геодезичній висоті, яка дорівнює 0,9 і глибині регулювання до 18% найбільш ефективним являється спосіб регулювання впуском повітря в усмоктувальний трубопровід, менш ефективний - засувкою і найбільш енергоємне - гідромуфтою. При глибині регулювання, яка дорівнює 18%, способи рівноцінні, і перевитрати енергії складуть при цьому 5,3%. При глибині регулювання більш, ніж 18% саме енергоємне буде являтися регулювання засувкою, менш енергоємне - впуском повітря і найбільш економним стане спосіб регулювання гідромуфтою. Так, при регулюванні насосу на глибину 40% перевитрати електроенергії при регулюванні засувкою склали 20,8%, впуском повітря - 19,6%, гідромуфтою - 15,1%.
В.Г. Гейер та інші [7] встановили, що чим більше технічний ресурс насосу, тим більше оптимальна глибина регулювання, а також те, що при зменшенні відносної висоти водопідйому оптимальна глибина регулювання зростає.
Так як у переважній більшості випадків ділянковий та допоміжний водовідлив працює при невеликій відносній геодезичній висоті, то для ділянкового та допоміжного водовідливу регулювання впуском повітря, як правило, завжди буде економічно вигідним відповідно з роботою кандидата технічних наук Кіракосова Г.М. [4].
Отже регулювання впуском повітря в усмоктувальний трубопровід являється найбільш оптимальним. Тому і приймаємо його як спосіб регулювання насосних агрегатів водовідливної установки.
Існує три можливих способу підводу повітря в усмоктувальний пристрій. Але використовується тільки один, оскільки інші мають ряд недоліків.
Спосіб підводу повітря полягає у тому, що незалежно від місця підключення регулятора другий його кінець виводиться над рівнем води у водозбірнику. Місце же підключення зумовлюється тільки потрібним рівнем води, тобто чим нижче повинен бути рівень, тим ближче до нижнього зрізу усмоктувальної труби підключається регулятор (дивіться малюнок).
Розглянемо схему і принцип дії насосного агрегати з регулюванням впуском повітря в усмоктувальний трубопровід.
Спосіб регулювання подачі відцентрованого насоса впуском повітря в усмоктувальний трубопровід засновано на тому, що при введенні невеликої кількості повітря в усмоктувальний трубопровід зменшується об'єм всмоктувальної води, і крім того зменшується напір, який розвиває робоче колесо насоса, так як питома вага водоповітряної суміші, що надходить у робоче колесо, менше ніж питома вага самої води.
Цей спосіб регулювання подачі відцентрованого насоса простий, він дозволяє отримати плавне регулювання, що економічно корисно. У нашій роботі розглядається варіант підводу повітря нижче рівня води ніж у водозбірнику. Тиск у точки Р підводу повітря (дивіться малюнок 1) визначається гідростатичним тиском стовпа рідини і втратами напору в усмоктувальному трубопроводі на ділянці від вхідного отвору до місця підводу повітря.
Для виводу рівняння, яке характеризує роботу системи, використаємо рівняння Бернулі та схемою, що зображена на малюнку 1.
|
Запишемо рівняння Бернулі:
( αaVa2 ) / ( 2g ) + Pa / ( ρg ) + H = ( αpVp2 ) / ( 2g ) + Pp / ( ρg ) + ΔHпот, (1.5)
де
Для перерізу I-I Vа = 0, так як діаметр водозбірника набагато більше діаметра всмоктую чого трубопроводу.
Враховуючи це, рівняння прийме вигляд:
Pa / ( ρg ) + H = ( αpVp2 ) / ( 2g ) + Pp / (ρg ) +ΔHпот. (1.6)
Pa - Pp = ( αpρVp2 ) / 2 - ρgH + ΔНпот. (1.7)
ΔН'пот = ( αpVp2 ) / ( 2g ) + Pp / ( ρg ) + ΔHпот = ( αpρVp2 ) / 2 + ρgавсQвс2, (1.8)
де
Без врахування першого додатка у виразі витрат напору отримаємо:
Pa - Pp = ρgавсQвс2 - ρgH. (1.9)
Якщо при деякому рівні 1-1 води у водозбірнику величина гідростатичного тиску більше величини витрат напору при початковій подачі насосу, то насос буде працювати на звичайній характеристиці. Але якщо подача насосу більше притоку, рівень води буде повільно знижатися. При деякому рівні води 2-2 у водозбірнику відбудеться рівняння Ра=Рр. Трубка, яка підводить повітря, заповнена повітрям, але підсмоктування не відбувається.
Рівень води 2-2 являється мінімальним для роботи насосу на звичайній характеристиці.
Далі при зниженні рівня води у водозбірнику тиск Рр стає меншим ніж атмосферний і буде відбуватися підсмоктування повітря. У системі починається плавний процес автоматичного регулювання подачі насосу в залежності від рівня води у водозбірнику.
Коли подача насосу Qн=Qвс стане рівною величіні притоку Qпр, рівень води у водозбірнику стабілізується. Насос при цьому буде працювати на деякій штучній характеристиці і буде підсмоктувати постійну кількість повітря. У випадку, якщо приток збільшиться наступить нове розходження і рівень води почне зростати. Процес регулювання буде проходити у зворотному порядку.
Тепер необхідно прийняти схему водовідливної установки, яка повинна забезпечити нормальну роботу не тільки насосним агрегатам, але й усьому підприємству де вона буде використовуватися.
Шахтна вода містить велику кількість нерозчинних твердих сумішей. При попаданні у насос, ці суміші викликають їх швидке абразивне зношення. Освітлення шахтної води здійснюється у водозбірниках і спорудженнях поперед них - попередніх відстійниках. В існуючих типових схемах шахтного водовідливу конструкція водозбірників у вигляді горизонтальних виробок із похилими вхідними ділянками недосконалі. Водозбірники досить швидко замулюються і не забезпечують освітлення шахтної води. Крім того, їх очищення здійснюється з великими затратами тяжкої ручної праці.
Різні способи та засоби механізації очищення шахтних водозбірників існуючих конструкцій не можуть поки кардинально вирішити цю проблему. Необхідно змінити схеми шахтного водовідливу, особливо дільничного, з корінною перебудовою водозбірників і надійної організацією вилучення з них твердого при кожному включенні насосів у роботу.
Як відмічалося раніше у Донецькому політехнічному інституті (ДонДТУ) розроблена для ділянкових та головних водовідливних установок схема водовідливу НУО-1, яка виключає необхідність очищення віл твердого водозбірників і приймальних колодязів [6]. В цій схемі водозбірники будуються так, що вони самі змиваються. Така конструкція водозбірників стала можлива внаслідок того, що глибина їх закладення не зв'язана з обмежувальною геометричною висотою всмоктування насоса.
Досвід експлуатації схеми НУО-1 показав, що застосування водозбірників, які самі змиваються, дозволяє підтримувати незміною запроектовану аварійну місткість, що підвищує надійність водовідливу, зменшує можливість відмов із-за зашламування приймальних спорядження, яке виключає трудомісткий процес очищення водозбірників, дозволяє працювати насосам з невеликою позитивною висотою всмоктування і зберігає можливість регулювання енергоспоживання у часи пікових навантажень енергосистеми. Надійність роботи водовідливної установки залежить не тільки від надійної роботи основних насосів, але й від надійності перекачувального обладнання регулюючого та аварійного водозбірників.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.