Главная страница ДонНТУ
Портал магистров ДонНТУ
Главная страница Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальное задание
2. Цели и задачи,поставленные в работе
3. Обзор существующих путей решения проблемы
4. Физическая модель исследуемой системы
5. Математическая модель процесса подъема твердого полезного ископаемого
Сокращение запасов полезных ископаемых, доступных для добычи на суше с помощью шахтного либо открытого способов делает все более актуальной разработку подводных месторождений полезных ископаемых, находящихся на дне морей и океанов. При нынешнем уровне потребления подтвержденных запасов газа должно хватить на 67 лет, нефти – на 41 год, меди, никеля и олова – на 30-35, свинца и цинка – на 20-25, золота и серебра – на 15-20 лет, марганца, хрома, молибдена – на 25…30 лет. Только запасы каменного угля могут обеспечить потребности мировой экономики более чем на 200 лет. И если pазработка месторождений нефти и газа на относительно небольших глубинах (шельфовые месторождения) ведется уже относительно давно, то разработка даже относительно мелководных (до 500 м) шельфовых месторождений твердых полезных ископаемых до сих пор не получила широкого распространения ввиду отсутствия технических решений для их подъема. [2]
Исследованиями, проведенными в конце XIX столетия (первая океанографическая экспедиция на судне «Челленджер» 1872-1876 года и последующие), в донных отложениях океана были обнаружены большие запасы так называемых железомарганцевых конкреций (ЖМК) – минеральных агрегатов, формирующиеся за счет диффузионной концентрации рассеянных компонентов вмещающей среды вокруг одного или нескольких минеральных центров, размером от нескольких сантиметров до метра, содержащих, помимо железа и марганца, медь, цинк, кобальт, никель и другие металлы. При этом в ЖМК содержание и концентрация некоторых металлов в несколько раз превышает запасы месторождений суши.
В таблице 1 представлены оценочные запасы некоторых цветных металлов в месторождениях суши и морского дна и приведено сравнение этих запасов.
| Мировой океан | Суша | Соотношение прогнозных ресурсов океана/суши | ||||
| Металлы | Содержания | Прогнозные ресурсы | Металлы | Содержания | Прогнозные ресурсы | |
| Ni | 0,6-1,4% | 569,5 млн.т | Ni | 0,3-2,44% | 87,7 млн.т | 6,5 |
| Cu | 0,4-1,2% | 348,5 млн.т | Cu | 0,6-4,0% | 619,0 млн.т | 0,56 |
| Co | 0,2-0,8% | 339,2 млн.т | Co | 0,1-0,6% | 6,14 млн.т | 55,2 |
| Mn | 20-42% | 18153 млн.т | Mn | 20-44% | 15571 млн.т | 1,2 |
| Pt | 0,5-0,8 г/т | 11,1 тыс.т | Pt | 3,9-4,2 г/т | 24,0 тыс.т | 0,47 |
| Mo | 0,04-0,06% | 30,2 тыс.т | Mo | 0,01-0,12% | 11,6 тыс.т | 2,6 |
Таблица 1 - Сопоставление прогнозных ресурсов и содержаний металлов в рудах Мирового океана и суши.[5]
Наибольшие залежи ЖМК находятся в абиссальной области океанов на глубинах 1000-2000 м, распространенны на подводных поднятиях и встречаются во всех климатических зонах, в прибрежных, гемипелагических и пелагических обстановках на глубинах от нескольких десятков до нескольких тысяч метров. В наибольшей степени они распространены в Тихом океане - на подводных горах Мид Пацифик и Магеллановых, в северной части экваториальной зоны, на склонах Гавайского хребта, на подводных горах в районе Маршалловых о-вов и архипелага Туамоту и в других районах.
Следует отметить, что на подводных горах Мид Пацифик рудные корки мощностью свыше 60 мм до 250 мм находятся в интервале глубин от 1500 до 2100 м. Выше и ниже этого интервала их мощность сокращается до 5…35 мм. На склонах Гавайского хребта корки мощностью 20…40 мм нередко образуют сплошной покров, простирающийся на несколько километров на подводных террасах, находящихся на глубинах 370…560 и около 1000 м. [2]
В химическом составе рудных корок Тихого океана, изученных наиболее детально, доминируют марганец и железо, при средних содержаниях соответственно 22,5 и 15%. Наиболее ценный компонент – кобальт – концентрируется местами до 2,5%, при среднем содержании 0,68%. В некоторых районах, например на подводных склонах Гавайского хребта и островов Туамоту, в корках отмечалось повышенное содержание платины (до 4 г/т), серебра (до 3,7 г/т) и золота (до 0,169 г/т).
Согласно вышеизложенному, в ближайшей перспективе, как необходимость, требуется разработка рентабельных, высокопроизводительных технологических методов, а также оборудования для промышленной добычи и подъему в Мировом Океане металлов стратегического значения, большая часть которого сосредоточенна в международном районе морского дна.
Организация добычи и переработки твердых полезных ископаемых (далее ТПИ) с морского дна связана с четырьмя этапами операций, осуществляемых комплексом машин и механизмов, размешенных на плавсредстве или основании, в водной среде.
Первый технологический этап принято осуществлять гидравлическим, пневматическим или механическим воздействием, а в некоторых случаях – комплексным воздействием на массив месторождения.
При гидравлическом и пневматическом способе воздействия применяют грунтовые насосы или землесосы, гидромониторы, компрессорную технику в сочетании с породоразрущающими насадками, соплами, сифонами. При механическом способе применяют бульдозерные лопаты, шнеки, грейферы, ковши и т. п.
Работы второго этапа ведут с помощью грейферов, многоковшовых тросовых или цепных драг, шнековых и ленточных конвейеров, многосекционных высоконапорных насосов, эрлифтов, гидроэлеваторов на основе эжекторного принципа.
Третий этап осуществляется грохотами, гидроциклонами, виброситами или сепараторами.
На четвертом этапе необходимы хранилища, а также средства транспорта для переброски навалочных грузов – баржи, рудовозы, а в некоторых случаях трубопроводы-рефулеры. [1], [2].
Выбор тех или иных средств и способов добычи является многофакторной задачей, решение которой зависит от вариации многих компонентов, основным из которых является глубина разработки месторождения.
Целью работы является увеличение возможной глубины разработки подводных месторождений и сокращение затрат энергии за счет обоснования рациональных параметров турбогидронасосной установки.
Основными задачами работы являются:
По принципу подъёма твердых полезных ископаемых все системы можно разделить на два вида – системы механического и гидравлического принципов действия. К системам механического принципа действия относятся одно- и многоковшовые драги. К системам гидравлического принципа действия относятся системы подъема с насосами, установленными выше уровня воды, погружными насосами, эрлифтные, эжекторные системы.
Одночерпаковые драги характеризуются большой максимально возможной глубиной разработки (в случае грейферных и тросовых драг), однако низкой производительностью в связи с небольшой предельно допустимой скоростью подъема заполненного ковша и значительным временем, затрачиваемым на его опускание на дно. Средняя глубина разработки для земснарядов, оснащенных ковшом типа «механическая лопата» составляет 20 м, скорость экскавации – 10…15 в минуту, средняя скорость подъема черпаков – 50 м/мин, емкость черпаков от 25 до 900 л. Из наиболее известных и зарекомендовавших грейферных снарядов можно отметить комплексы «Таиланд» – максимальная глубина разработки – 75 м., производительность – 190 м3/ч, число черпаний в минуту 10…15, разработка оловянистых месторождений; «Мерси» (Англия) – глубина разработки – 25 м., «Би-арриц»(Германия)- 30 м. В работе [3] приведен расчет тросовой драги с глубиной драгирования до 4000 м.
Многочерпаковые драги напротив, отличаются большей производительностью, но их глубина разработки намного ниже в связи с тем, что при увеличении глубины разработки значительно увеличивается масса рамы, удерживающей черпаки, что делает применение таких комплексов для подъема ТПИ с дна морей и океанов при глубинах более 100 м непригодными. С увеличением глубины разработки резко возрастает металлоемкость и стоимость постройки драги. К примеру, при одинаковой производительности драга, предназначенная для добычи с глубины 30 м, в шесть раз тяжелее подобной драги с максимальной глубиной разработки 15 м. При этом, для таких средств подъема, увеличение глубин приводит к росту динамических нагрузок, гидравлических сопротивлений при перемещении рабочего органа, металлоемкости несущих элементов добычного комплекса. Кроме того, из практики работы многочерпаковых драг известно, что они вынуждены прекращать работу при волнении 2…3 балла и при силе ветра 3…4 балла. При таком волнении жесткая черпаковая рама подвержена деформации и разрушению вследствие динамических ударов о дно водоема рабочего органа. [1] Однако, существуют глубоководные многочерпаковые драги, не имеющие жесткой рамы для подвески черпаков, например, японская драга на базе судна «Чиода Мару», имеющая канат длиной 8200 м с 240 черпаками емкостью 45 кг каждый, осуществлявшая подъем песка с глубины 1000 м и конкреций с глубины 3500 м. При подъеме конкреций набегающий поток воды вымывал из ковшей песок, в результате чего происходило обогащение конкреций.
Эрлифтные земснаряды осуществляют подъем гидросмеси с помощью сжатого воздуха, подаваемого в смеситель. Глубина разработки месторождений такими земснарядами в значительной степени ограничена максимальным давлением, которое возможно создать компрессором, а производительность ограничивается только производительностью компрессора. В то же время к недостаткам такого способа подъема можно отнести низкий КПД и необходимость в обязательном вертикальном расположении подъемного трубопровода. Известные венгерские эрлифтные земснаряды «Гидроп» и «Гидроп зонд», фирмы «Коллинз» (США) ведут добычу нерудных материалов, песка и гравия, а также алмазов с глубин 40…60 м. [1]
В основе земснарядов эжекторного типа лежит принцип подъем гидросмеси за счет подачи во всасывающую трубу потока жидкости и взаимодействия ее с потоком поднимаемой гидросмеси. Как и в случае с эрлифтными земснарядами, производительность и глубина разработки эжекторных земснарядов определяется параметрами насоса, подающего воду к эжектору. Основным недостатком таких установок является низкий КПД. Эжекторные земснарядные комплексы «Эйджа Гоу» и «Эйджа Гоу №1» производства Японии имеют глубины разработки 70…100 м, эжекторные земснаряды фирмы «Пасифик» США – 60…65м, «Бэвер Мастер» производства Голландии – 30... 35м. [1]
Главным достоинством эрлифтных и эжекторных земснарядов является отсутствие движущихся частей в системе подъема, что обеспечивает им большую надежность в сравнении с другими схемами подъема.
Земснаряды с грунтонасосами, установленными на борту выше уровня воды применяются в основном на небольших глубинах – для очистки дна водохранилищ и фарватеров рек, каналов, дноуглубительных работ, добычи нерудных материалов с небольших глубин. К их достоинствам относятся конструктивная простота, возможность создания машин большой производительности. Однако главный недостаток – малая возможная глубина разработки вследствие ограничения давления на входе в насос давлением насыщенных паров жидкости (условие бескавитационной работы грунтонасоса) делает их непригодными для разработки глубоких морских и океанских месторождений ТПИ. Обычно рабочая глубина таких земснарядов составляет 2 – 20 м, производительность же по твердому может достигать 500 м3/ч.
Земснаряды с погружными насосами можно разделить по виду привода на 3 категории:
Основными элементами установки (рис. 3) являются: один или не-скольких погружных центробежных насосов 2, соединенных валами с при-водными турбинами 3. По энергетическому трубопроводу 5 с помощью приводного насоса 1, установленного на судне, поступает вода, приводящая во вращение турбины, которые, в свою очередь, вращают валы погружных насосов. Погружные насосы поднимают подготовленную загрузочным устройством 6 гидросмесь по подъемному трубопроводу 4 на судно, где производится ее обезвоживание и первичное обогащение обогатительной установкой 8.
К недостаткам первого варианта можно отнести работу нижней части транспортного трубопровода (ниже насосов) в режиме превышения наружного гидростатического давления по отношению к внутреннему гидродинамическому давлению. В этом случае возникают проблемы динамической устойчивости секций транспортного трубопровода (сплющиванию трубопровода). Особые требования должны быть предъявлены к уплотнению первого (снизу) насоса, где будет наибольший перепад давлений, вследствие чего при незначительном износе уплотнений появятся подсосы воды из океана. Также при увеличении сопротивления всасывающего трубопровода сверх расчетного (заиливание, забутование крупными кусками твердого) возможно возникновение кавитационных режимов работы турбогидронасоса.
В случае схемы с равномерным расположением корпусно-секционных турбомашин по длине подъёмного трубопровода, количество которых определится в зависимости от напора одного насоса (так называемая бустерная схема) создаются наилучшие условия для работы насосов с точки зрения допустимых давлений на всасывании (необходимый подпор для исключения подсосов окружающей воды) и обеспечивается работа транспортного трубопровода по всей длине в режиме превышения внутреннего давления над внешним гидростатическим давлением. Кроме того, появляется возможность гибкого варьирования количества турбонасосных агрегатов и напора единичного турбогидронасоса с целью выбора оптимальных параметров.
При размещении насосов в придонной зоне принципиально возможно разработать схему с одним агрегатом, создающим необходимый напор для подъёма заданного количества ТПИ. Подъёмный трубопровод по всей длине будет работать в режиме превышения внутреннего давления над внешним гидростатическим давлением. В этом варианте также решается проблема сброса загрязненной воды в придонную зону. Однако, в случае последовательного размещения нескольких насосных агрегатов в придонной зоне каждый следующий агрегат будет работать при большем давлении во всасе, что будет негативно сказываться на надежности уплотнений.
Исходными параметрами для математической модели подъемной турбогидронасосной установки будут являться: средний диаметр частиц поднимаемого твердого dт, м, плотность твердого ρТ, кг/м3, часовая массовая производительность установки по твердому QМТ, кг/ч, глубина разрабатываемого месторождения Н, м, объемная концентрация твердого в пульпе sТ.
Для упрощения математической модели были приняты следующие допущения:
Объёмная производительность установки по твердому:
Необходимая подача погружного насоса по пульпе при концентрации твердого в пульпе sT
Для определения скорости восходящего потока жидкости, необходимой для транспортировки частиц твердого рассмотрим равновесие частицы твердого.
Опущенное в жидкость тело под действием силы тяжести G=ρТgVТ и архимедовой силы Pa=ρgVТ где g – ускорение свободного падения, а VТ – объём тела, будет двигаться вниз. При появлении относительной скорости между телом и жидкостью возникает сила сопротивления:
где cx - безразмерный коэффициент, зависящий от формы тела, шероховатости поверхности, режима движения; S – площадь миделя тела (площадь проекции тела на плоскость, перпендикулярную вектору скорости); v – скорость тела относительно среды.
Тогда дифференциальное уравнение движения тела под действием этих сил можно записать в виде:
Или после подстановки:
После преобразований получим:
Из данного уравнения найдём гидравлическая крупность – скорость восходящего потока, при которой частицы твердого находятся во взвешеном состоянии:[6]
Учитывая допущения, преобразуем выражение для гидравлической крупности:
Для устойчивого подъема частиц твердого скорость движения жидкости принимаем расчетную скорость подъема равной vp=1,2vкр.
Тогда максимальный диаметр подъёмного трубопровода может быть определен как:
Необходимый напор, создаваемый погружным насосом, может быть представлен как:
Подставив выражение для сопротивления подъемного трубопровода а, получим полное выражение для необходимого напора погружного насоса:
Гидравлическая мощность погружного насоса:
Подставив в выражение плотность пульпы получим:
Мощность на валу погружного насоса:
Мощность на валу погружного насоса равна мощности на валу приводной турбины.
Гидравлическая мощность, подводимая к приводной турбине:
Диаметр энергетического трубопровода для унификации рационально принять равным диаметру подъемного трубопровода. Скорость движения жидкости в нем для сокращения потерь принимаем равной v=1...1,2 м/с
Pасход жидкости через турбину будет равен:
Гидравлическая мощность турбины равна:
откуда напор, срабатываемый турбиной, равен:
Сопротивление энергетического трубопровода:
Необходимая величина подачи приводного насоса равна расходу турбины.
Необходимая величина напора приводного насоса может быть вычислена как:
Гидравлическая мощность приводного насоса будет равна:
Мощность электродвигателя приводного насоса может быть определена как:
где ηПРН - КПД приводного насоса.
Удельные затраты мощности на подъем единицы массы твердого:
Подставим в выражение для удельной мощности значения всех величин и выразим через исходные величины. После подстановки получим выражение:
Величиной 0,0086v3D0,7 ввиду малости можно пренебречь. Выразив диаметры трубопроводов через исходные параметры, получим выражение вида:
Дифференцирование данного выражения по плотности твердого, концентрации твердого в пульпе и подаче по пульпе сопряжена с трудностями, поэтому рациональнее представить зависимость удельной мощности от входящих величин в графическом виде (рис. 4).
Из графиков видно, что удельные затраты мощности на подъем единицы массы ТПИ монотонно растут с увеличением глубины разработки Н (рис 4,а), производительности установки по твердому QТ (рис. 4, б), плотности поднимаемого твердого ρТ (рис. 4, в), диаметра частиц твердого dТ (рис. 4, г) и монотонно падают с увеличением объемной концентрации твердого в пульпе SТ (рис. 4, д). Также очевидно, что удельные затраты мощности уменьшаются с увеличением КПД составляющих установки – погружного насоса, приводной турбины и приводного насоса.
Из рис. 4, д видно, что удельные затраты мощности значительно снижаются с повышением объемной концентрации от 0,1 до 0,4, однако при дальнейшем увеличении концентрации такого сильного снижения не наблюдается. При больших концентрациях твердого в пульпе возможна забутовка проточной части погружного насоса, всасывающего и нагнетательного трубопроводов и срыв подачи. Таким образом, можно считать, что оптимальная объемная концентрация твердого в пульпе составляет около 0,4, в то время как в среднем для грунтонасосов она принимается от 0,1 до 0,2 [3], [4]. При этом следует учитывать, что концентрацию твердого в пульпе при данном способе гидроподъема можно варьировать с помощью породопогрузочного устройства.
При добыче полезных ископаемых с больших глубин следует учитывать, что напор большинства серийно выпускаемых корпусно-секционных насосов ограничен примерно значением в 1200-1500 м. При необходимости получения больших напоров для привода во вращение турбины возможна последовательная установка насосов, однако при этом каждый последующий насос будет работать с большими давлениями на всасе, что неблагоприятно сказывается на надежности их работы. В таком случае рациональнее увеличивать расход жидкости через турбину и при необходимости использовать параллельное включение энергетических насосов. Однако при увеличении расхода через энергетический трубопровод потери напора в нем также возрастут. В такой случае при инженерном расчете системы подъема рационально исходить из определения расхода турбины, задавшись некоторым значением напора приводного насоса, однако при больших значениях потерь по длине энергетического трубопровода будет рациональным увеличить диаметр энергетического трубопровода исходя из оптимальной скорости движения.
Также необходимым является технико-экономический расчет подъемного и энергетического трубопроводов, сопоставляющий капитальные затраты на трубопровод и эксплуатационные затраты на перемещение жидкости по нему.
Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:
На данный момент квалификационная работа магистра находится в стадии разработки. Срок выполнения работы - декабрь 2010 года. Конечные результаты работы могут отличаться от приведенных на сайте.