Транспорт является одной из основных частей технологического процесса предприятий горно-обогатительной отрасли. По различным оценкам на него приходится 40-70% себестоимости переработки минерального сырья. Государственная научно-техническая программа "Создать и освоить технологии и технические средства, обеспечивающие экологически чистые процессы добычи и переработки полезных ископаемых за счет использования безотходных технологий и утилизации отходов промышленных производств" определяет повышение эффективности работы транспорта как основную задачу современного промышленного производства .

Основным недостатком гидротранспортных установок является их высокая энергоемкость. Существующие методики расчета систем гидротранспорта предполагают транспортирование твердых материалов при скоростях потока гидросмеси на 15-20% выше критических скоростей. При этом не учитывается тот факт, что на процесс транспортирования гидросмеси в трубопроводе большое влияние оказывают колебания плотности смеси по всему пути транспортирования, где амплитуда колебаний составляет 30-40%. Данные колебания плотности являются причиной того, что при некоторых условиях критическая скорость повышается до величины, большей скорости транспортирования. При этом происходит процесс осаждения твердых частиц на дно трубопровода, т.е. осуществляется процесс заиливания, что приводит к увеличению энергозатрат на транспортирование твердого материала.

В результате изучения состояния вопроса установлено ,что большинство инженерных методов расчета гидротранспорта имеют узкую область применения, ограниченную условиями эксперимента, и базируются на определении характеристик потока гидросмеси, выборе насосно-перекачного оборудования и определении энергоемкости гидротранспорта без учета стоимостных параметров [1-7]. Ниже рассмотрены наиболее характерные методы расчета параметров гидротраспортирования [1-5]. Изложение методов расчета ведется применительно к условиям транспортирования ,наиболее часто встречающимся в металлургической и горной промышленности. В работах [1,2] рассматриваются методы расчета режимных параметров гидротранспортной установки (ГТУ),основанные на использовании фиксированных значений исходных данных, т.е. могут быть применимы лишь при постоянстве значений параметров как гидросмеси, так и параметров ГТУ.

Также А.Е.Смолдыревым в работах [3,4] разработана методика расчета, основанная на различии гранулометрического состава гидросмесей. При этом автор классифицирует гидросмеси на содержащие материалы тонких, мелких, кусковых классов, а также разнофракционные рядовые и мелкие материалы. Рациональные параметры транспортирования определяются из условия минимальности энергетических затрат на транспортирование. В работе [5] приводится метод оценки эффективности работы гидротранспортных комплексов. Авторами представлены интегральные, погонные, удельные и отвлеченные параметры, используемые при оценке эффективности работы ГТУ.

Представленные выше методы расчета параметров гидротранспортирования твердых материалов [1-5] не учитывают наличие постоянных колебаний плотности гидросмеси в процессе транспортирования, также как и возможность изменения производительности установки по "твердому". К тому же указанные методы не учитывают влияние экономического фактора строительства и эксплуатации ГТУ на выбор оптимальных параметров транспортирования. Выполнение оптимизации по энергозатратам, при выборе проектных параметров ГТУ, позволяет повысить к.п.д. установок, однако может приводить к росту их стоимости. Это обстоятельство делает актуальной задачу определения проектных параметров ГТУ на базе экономико-математического моделирования.

Таким образом, технико-экономические соображения, в основном, влияют на выбор диаметра нагнетательного трубопровода, скорости транспортирования "твердого" и требуемой характеристики насоса. Согласно общепринятой методике проектирования различных инженерных систем, оптимальные значения этих параметров должны соответствовать минимуму суммарных приведенных затрат на гидротранспортный комплекс.

Целью данной работы является определение влияния колебаний плотности гидросмеси и производительности по "твердому" на режимы транспортирования, построение экономико-математической модели гидротранспортной установки, определение влияния средней скорости транспортирования гидросмеси на суммарные приведенные затраты на гидротранспортный комплекс и выбор величины оптимального диаметра напорного трубопровода. С использованием общепринятых формул [1-5] были выполнены расчеты по определению критических и средних рабочих скоростей гидросмеси, приведенные к одинаковым условиям в широком диапазоне изменения исходных данных.

Анализ влияния параметров движения гидросмеси на процесс транспортирования осуществлялся путем систематического числового моделирования. В рамках многофакторного числового эксперимента проводилась оценка влияния на значения критических и рабочих скоростей гидротранспортирования твердых материалов как параметров гидротранспортной системы, так и параметров смеси. На рис. 1 изображены полученные многопараметрические зависимости средней и критической скоростей от плотности гидросмеси, а также от производительности установки по "твердому".

Р1, Р2, Р3, Р4 - режимы работы гидротранспортной установки
Рис. 1 - Зависимость критической и средней скоростей транспортирования от плотности гидросмеси и производительности по "твердому"

Из рис. 1 видно, что увеличение (уменьшение) значения плотности смеси в 1,3 раза приводит к уменьшению (увеличению) значения средней скорости u в точках Р1 и Р3 меньше значений в точках Р2 и Р4, соответственно, в 4 раза. Тогда как то же изменение плотности смеси вызывает прямо пропорциональное изменение критической скорости u в 1,5 раза. Такая зависимость характерна для всего диапазона возможных изменений производительности установки по "твердому" G и не изменяет своего характера.

При малых значениях производительности увеличение значения плотности смеси в 80% случаев приводит к переходу установки в неэкономичный режим работы (отрезок кривой АР 2). При максимальных значениях производительности установка переходит в неэкономичный режим лишь в 40% случаев (отрезок кривой ВР 4). Приведенные затраты, которые учитывают составляющие, зависящие от определяемых параметров, в первом приближении могут быть рассчитаны по формуле:

где Е – коэффициент эффективности капитальных затрат; бтр и бн – норма амортизации нагнетательного трубопровода и насоса, соответственно; ктр - строительная стоимость одного килограмма трубопровода, грн/кг; тр - плотность материала трубопровода , кг/м3; g – свободного падения, м/с2; L – длина нагнетательного трубопровода, м; Dвн.тр. – внутренний диаметр и толщина стенки трубопровода, м; N – мощность, потребляемая насосным агрегатом, кВт; Сн – строительная стоимость насосной установки, принимаемая прямопропорциональной величине потребляемой мощности, грн; ? - время работы комплекса за год, час; ? –стоимость расходуемой энергии, грн/кВт*ч.

В качестве примера был выполнен расчет величин средней скорости транспортирования гидросмеси и оптимального диаметра нагнетательного трубопровода при фиксированной плотности гидросмеси для промышленной гидротранспортной установки производительностью 1200 тонн в час по "твердому" и длиной трубопровода 2500 м. Неизвестные величины, входящие в выражение (1), задавались приближенно, поэтому полученные результаты носят качественный характер. Одновременно с этим, неучет экономической составляющей приведет к получению искаженных данных относительно оптимальных параметров транспортирования гидросмеси.

Ниже представлены наиболее характерные результаты по определению оптимальных параметров работы ГТУ (рис. 2-7). На рис.2 приведена в зависимость относительных суммарных приведенных затрат от относительной средней скорости транспортирования гидросмеси для значений диаметра нагнетательного трубопровода D вдиапазоне 0,25-1,4 мпри плотности гидросмеси p см = 1250 кг/м3. В качестве масштабов использованы величины оптимальной скорости транспортирования гидросмеси и минимальных приведенных затрат, соответствующих оптимальным параметрам установки. Оптимальная скорость транспортирования гидросмеси определяется минимальным значением суммарных приведенных затрат.

Рис. 2 - Зависимость относительных суммарных приведенных затрат от относительной средней скорости транспортирования гидросмеси

По зависимости ,представленной на рис.3, можно определить оптимальный диаметр нагнетательного трубопровода ГТУ, соответствующий оптимальной скорости транспортирования гидросмеси, определяемой по рис.2.

Рис. 3 - Зависимость относительного диаметра нагнетательного трубопровода от относительной средней скорости транспортирования гидросмеси

На рис.4 приведена многопараметрическая зависимость относительных суммарных приведенных затрат от относительного диаметра нагнетательного трубопровода при плотности гидросмеси p см в диапазоне значений 1,1-1,4 т/м3. В качестве масштабов использованы величины оптимального диаметра нагнетательного трубопровода и минимальных приведенных затрат.

Рис. 4 - Зависимость относительных суммарных затрат от относительного диаметра нагнетательного трубопровода ГТУ для различной плотности гидросмеси

Темная полоса на образованной поверхности (см. рис.4) соответствует минимальным значениям относительных суммарных приведенных затрат, соответствующим оптимальным значениям относительного диаметра нагнетательного трубопровода ГТУ для диапазона значений плотностей транспортируемой смеси. Из рис.4 видно, что при увеличении плотности гидросмеси значение оптимального относительного диаметра уменьшается соответственно изменению минимального значения относительных суммарных приведенных затрат.

Рис. 5 - Зависимость относительных суммарных приведенных затрат от относительного диаметра нагнетательного трубопровода ГТУ для разной производительности установки по "твердому"

На рис. 5 приведена многопараметрическая зависимость относительных суммарных приведенных затрат от относительного диаметра нагнетательного трубопровода при производительности установки по "твердому" G в диапазоне значений 800-2000 т/ч. Темная полоса на образованной поверхности (см. рис.5) соответствует минимальным значениям относительных суммарных приведенных затрат, соответствующим оптимальным значениям относительного диаметра нагнетательного трубопровода ГТУ для диапазона значений производительности установки по "твердому". Из рис. 5 видно, что при увеличении производительности установки по "твердому "значение оптимального диаметра увеличивается незначительно.

Путем анализа зависимостей, представленных на рис.1-5, получен новый научный результат, заключающийся в том, что существующие колебания плотности гидросмеси и производительности установки по "твердому "оказывают значительное влияние на режим работы установки. К тому же, увеличение или уменьшение средней скорости транспортирования гидросмеси приводит к увеличению значения суммарных приведенных затрат, а также к обратнопропорциональному изменению оптимального значения диаметра нагнетательного трубопровода ГТУ.

Анализ результатов позволяет сделать вывод о целесообразности применения специальных мер, обеспечивающих стабилизацию режимов работы гидротранспортной установки по плотности транспортируемой пульпы, а также целесообразности предварительного определения оптимальных параметров транспортирования гидросмеси с учетом стоимостных факторов. Предметом дальнейших исследований является разработка метода расчета оптимальных параметров ГТУ и средств программно-алгоритмического обеспечения, а также разработка специальных конструкций всасывающих устройств и зумпфов.

Список литературы

1.Движение гидро- и аэросмесей горных пород / А .О .Спиваковский, А.Е.Смолдырев – М.:Наука, 1966. – 164 с.

2.Криль С.И. Напорные взвесенесущие потоки. – Киев: Наукова думка, 1990. – 170 с.

3.Смолдырев А.Е. Трубопроводный транспорт. – М.: Недра, 1980. – 390 с.

4.Смолдырев А.Е. Гидро- и пневмотранспорт в металлургии. – М.: Металлургия, 1985. – 383 с.

5.Проблемы разработки россыпных месторождений / И.Л.Гуменик, А.Сокил, Е.В.Семененко, В.Д.Шурыгин – Днепропетровск: Січ, 2001. – 224 с.

6.Мучник В.С., Голланд Э.Б., Маркусс.Н Гидравлическая добыча угля. – М.: Недра, 1986. – 170 с.

7.Дмитриев Г.П., Ахарадзе Л.И., Гочиташвили Т.Ш. Напорные гидротранспортные системы. – М.:Недра, 1991. – 304 с.