Рисунок 1 - Гистограмма работы погружных насосных агрегатов АНПШ 375-400 на водоотливном комплексе вертикального ствола №27 ш. Миусская.
УДК.662.276.52.532.529
Кукиб С.В., студент, Кононенко А.П., доктор технических наук, профессор.
Донецкий национальный технический университет
1. Существующие способы решения задачи
2. Опыт использования эрлифтных установок в угольной промышленности
3. Выбор оптимального относительного погружения для односекционных эрлифтов
4. Выбор оптимального относительного погружения для двухсекционных эр-лифтов
Согласно решению Министерства топлива и энергетики Украины № 401 от 03.07.2002г ликвидация нерентабельных шахт в Украине производится затоплением горных выработок угольного предприятия, так называемым методом «мокрой консервации».
Поддержание проектного уровня подземных вод, исключения воз-можного подтопления территорий и дополнительных водопритоков в соседние, действующие шахты, вытеснения из подработанного горного массива и прорыва метана на земную поверхность осуществляются посредством погружных средств откачки, размещаемых обычно в шахтном стволе. Однако, такие решения имеют целый ряд недостатков:
- низкая надежность погружных электронасосных агрегатов как отечественного, так и зарубежного изготовления. Осредненное время работы агрегатов типа АНПШ - 0,5 месяца. Данные о работе насосов типа АНПШ на шахте Миусская приведены на рисунке 1 [4];
- частые пуски негативно сказываются на работе приводных электродвигателей;
- большие капитальные затраты на оборудование таких водоотливных комплексов и их дальнейшее обслуживание;
- необходимость регулярного контроля состояния насосных агрегатов, сложность в монтаже и демонтаже.
Перспективным является использование для откачки воды из консервированных шахт эрлифтов. К их преимуществам можно отнести:
- простоту конструктивного исполнения и малые капитальные затраты. Эрлифт представляет собой металлоконструкцию, не требующую применения литья и механической обработки;
- отсутствие трущихся и вращающихся деталей в составе эрлифта;
- высокую надежность и долговечность;
- возможность работы на неосветленной воде, очистка водосборников от твердого с помощью самого эрлифта;
- саморегулируемость;
- тяжелое энергоемкое оборудование вынесено на поверхность, что облегчает доступ к нему;
- часть эрлифтной установки, размещенная под поверхностью, практически не требует обслуживания.
В качестве источников энергии для эрлифта целесообразно использовать стационарную компрессорную установку шахт, где широко используется пневматическая энергия (крутое падение). Для создания необходимого погружения эрлифта можно использовать непосредственно затопленную часть ствола либо углубленные зумпфы вертикальных стволов шахт.
Таблица 1. Данные о водоотливных установках закрытых шахт использованием погружных насосов.
| Шахта | Заперевальная №2 | Миусская №27 | Голубовская | Первомайская | Октябрьская |
| Насосный агрегат | АНПШ 350-350 | АНПШ 375-400 | н/д | н/д | KSB UPA 300-400 |
| Глубина погружения | 317 м | 375 м | 300 м | 80 м | 380 м |
| Количество насосных агрегатов | 3 раб. | 6 раб,3 резерв | н/д | н/д | 3 раб, 1 резерв |
| Водоприток | 202-227 м3/ч | 1600-2100 м3/ч | 1160 м3/ч | 1600 м3/ч | 210-284 м3/ч |
Основными недостатками эрлифтов является более низкий, чем у аналогичных по подаче и напору насосов КПД, малый создаваемый на выходе напор и снижение подачи и КПД с уменьшением относительного погружения.
К содержаниюПервая реализация результатов разработок Донецкого индустриального института в области использования эрлифтов для водоподъема в условиях горных предприятий относится к откачке затопленной шахты им. Ворошилова треста «Дзержинскуголь» в 1944-45 г.г. Эрлифтами откачивали воду на горизонты 140, 235 и 365 м, откуда она поднималась на поверхность насосами. Подача эрлифтов составляла Qэ = 500-1170 м3/ч, удельный расход воздуха q = 6,3-14,6.
Применялись эрлифты также при откачке шахт «Юнком» треста «Орджоникидзеуголь» и «Ильич» треста «Кадиевуголь» [7]. Были разработаны эрлифтные схемы откачки воды из уклонных полей, в частности шахты «Центральная №1» треста Красноармейскуголь.
Выполненные исследования по обеспечению водоотлива эрлифтными установками при проходке глубоких стволов повысили надежность и безо-пасность ведения горных работ. Нашли применение эрлифты для механизированной чистки зумпфов и вспомогательного водоотлива [8].
Выполненные в 1950-1965 г.г. в Донецком (индустриальном) политехническом институте научно-исследовательские работы и опыт эксплуатации эрлифтов на угольных предприятиях послужили основой для их широкого применения в качестве средств гидроподъема и водоотлива.
Два уникальных эрлифтных шахтных гидроподъема, выдающих гор-ную массу и обеспечивающих водоотлив, эксплуатировались в Донбассе:
- на шахте «Красноармейская» производственного объединения (ПО) «Добропольеуголь» - с 1967 года;
- на шахте им. 50-летия СССР («Самсоновская №1») ПО «Краснодонуголь» - с 1970 года.
На шахте «Красноармейская» горная масса от забоев безнапорным транспортом подавалась в углесосные станции (северную – подачей до 1500 м3/ч и южную – подачей до 2100 м3/ч), в состав которых входило по два (рабочий и резервный) углесосных агрегата ЗГМ-2м. По трубопроводам Ду400 гидросмесь углесосами транспортировалась в зумпф эрлифтного гидроподъема, который поднимал ее на 70 м выше поверхности.
В главном стволе шахты глубиной 320 м и диаметром 5,5 м было оборудовано два односекционных эрлифта с эквивалентными диаметрами подъемных труб Dэ = 840 мм. От воздухоотделителей эрлифтов гидросмесь безнапорным транспортом по трубопроводам Ду600 подавалась на обогатительную фабрику, расположенную на расстоянии 150 м от ствола. В качестве источников пневмоэнергии использовались турбокомпрессоры К500-61-1 (номинальные производительность 525 м3/мин, давление 0,9 МПа).
В 1993 году эрлифтный гидроподъем шахты «Красноармейская» был подвергнут реконструкции с изменением подачи до 1000 м3/ч [9].
Гидроподъем шахты им. 50-летия СССР представлял собой пятисекционный эрлифт, смонтированный в главном стволе глубиной 718 м и диаметром 5,5 м. Поднимаемая на поверхность гидросмесь транспортировалась на обогатительную фабрику, расположенную на расстоянии 970 м, установленными последовательно углесосами ЗГМ-2м по трубопроводам Ду400. В качестве источников пневмоэнергии также использовались турбокомпрессоры К500-61-1.
Эрлифтный гидроподъем имел значительный резерв по подаче, достигающий 40-50% (рис. 2).
Шахтный эрлифтный гидроподъем, кроме функций по подъему горной массы, обеспечивает главный и зумпфовой водоотливы с гидромеханизированной чисткой их емкостей, выполняет функции генератора гидравлической энергии при гидроотбойке и безнапорном транспорте угля по выработкам, охлаждает горные выработки.
Развитие угольного бассейна Донбасса предполагает увеличение глубин залегания разрабатываемых пластов до 800-1500 м. Использование центробежных насосов в качестве средств водоотлива шахт существенно усложняется с увеличением глубины разработок свыше 500 м из-за проблем с реализацией одноступенчатых схем, значительных габаритов агрегатов и мощностей приводных электродвигателей. В условиях увеличивающейся на больших глубинах газообильности необходимо применять дорогостоящее электрооборудование во взрывобезопасном исполнении. Существенной проблемой является также подземное осветление шахтной воды во избежание интенсивного абразивного износа проточной части насосов и чистка подземных емкостей от твердых отложений.
В ряде случаев предпочтительным является эрлифтный вариант шахтного главного водоотлива [3]. Так, в 1980 году институтом «Южгипрошахт» выполнен проект эрлифтного водоотлива подачей 4395 м3/ч с глубины 700 м для шахты «Краснопольевская» ПО «Стахановуголь», расчеты по которому подтвердили его техническую и экономическую эффективность
Обоснование зон рационального применения эрлифтов в системах главного водоотлива выполнено Донецким политехническим институтом совместно с институтом «Южгипрошахт» на основе анализа водоотливных комплексов 164 угольных шахт. Выполненные исследования подтвердили целесообразность использования эрлифтов для водоотлива в широких диапазонах притоков шахтных вод и высот подъема [9].
Доказана также экономическая эффективность применения перекачных эрлифтных установок в условиях углубки стволов шахт и сохранения главных водоотливных установок на ранее разрабатываемых горизонтах.
Подтверждением эффективности применения эрлифтов в системах шахтного водоотлива является их успешная многолетняя эксплуатация на шахтах «Игнатьевская» ПО «Донецкуголь», «Селидовская-Южная» и «Красноармейская-Капитальная» ПО «Красноармейскуголь», им. Гаевого ПО «Артемуголь», №7 «Белянка» «Ворошиловградуголь», «Скальная» ПО «Кизилуголь», «Красный Профинтерн» ПО «Орджоникидзеуголь» и др.
Широкое применение нашли эрлифты в качестве средств чистки под-земных технологических емкостей (водосборников, водозаборных колодцев, зумпфов, предварительных отстойников и др.). Для этих целей эрлифты были внедрены и эксплуатировались на шахтах им. Стаханова и им. Димитрова ПО «Красноармейскуголь», им. Изотова, им. Гаевого, им. ХХII съезда КПСС и «Кочегарка» ПО «Артемуголь», им. Скочинского, «Южнодонбасская №1», «Кировская», «Лидиевка» и «Октябрьская» ПО «Донецкуголь», «Миусинская» ПО «Донбассантрацит», им. Артема ПО «Дзержинскуголь», «Красный Профинтерн» ПО «Орджоникидзеуголь», «Коммунист» и «Комсомолец Донбасса» ПО «Октябрьуголь» и др.
Перекачная эрлифтная водоотливная установка для подачи притока воды с горизонта 860 м на горизонт 740 м, где оборудована главная водоотливная установка, была реализована в условиях шахты им. Гаевого (ствол № 8А) ПО «Артемуголь» (рис. 3, а). Подача эрлифта составляла Qэ = 31,3 м3/ч, расход воздуха, обеспечиваемый из общешахтной пневмосети, - Qв = 12,7 м3/ч. При расчетном геометрическом погружении смесителя h = 50 м максимально возможная подача эрлифта Qэ макс = 40 м3/ч (рис. 3, б).
Чистка зумпфа ствола №1 восточной панели шахты им. Скочинского ПО «Донецкуголь» была обеспечена эрлифтной установкой со смесителем с элементами струйного аппарата, обеспечивающем устойчивую работу при относительных погружениях ? < 0,15 (рис. 4). Приток воды в зумпф составлял 2,5-6,8 м3/ч, возможное геометрическое погружение смесителя h = 0,95 м при требуемой высоте подъема H = 15,1 м. Длительная эксплуатация установки подтвердила ее работоспособность, надежность и экономическую эффективность.
Важнейшим направлением совершенствования эрлифтов является по-вышение их КПД. Для этого необходимо рассмотреть рабочий процесс эр-лифта и исследовать баланс энергии в нем. Исследованиями многих авторов доказано, что во всех эрлифтах, независимо от их параметров, процесс расширения газообразной фазы близок к изотермическому. Зная это, всегда можно определить мощность, подводимую к смесителю эрлифта.
Рабочая характеристика эрлифта приведена на рис. 5. По оси абсцисс откладывается расход подводимого к смесителю сжатого воздуха (газа) QВ, а по оси ординат – подача жидкости QЭ при постоянном относительном погружении.
На характеристике нанесены четыре характерные точки:
Рабочая часть характеристики эрлифта находится между точками 2 и 3. На участке 1-2 эрлифт работает в период пуска. Участок 3-4 – нерабочий.
Для исследования баланса мощности принимаем оптимальный режим работы (точка 2).
При составлении уравнения энергетического баланса воспользуемся мощностью, отнесенной к 1 м3/с жидкости поднимаемой в эрлифте (удельная мощность). Уравнение баланса мощности запишется в следующем виде:
где N - полная удельная мощность подводимого к смесителю воздуха;
Nпол - полезная мощность, затрачиваемая на подъём в эрлифте 1 м3/с жидкости;
N'ин - мощность, затрачиваемая на разгон 1 м3/с жидкости от скорости в смесителе до скорости в воздухоотделителе;
N"ин - мощность, затрачиваемая на разгон сжатого воздуха, необходимого для подъёма 1 м3/с жидкости;
Nдл - мощность, затрачиваемая на преодоление гидравлического сопротивления по длине подъёмного трубопровода, отнесенные к 1 м3/с поднимаемой жидкости;
Nсм и Nво - мощности, затрачиваемые на преодоление местный сопротивлений в смесителе и воздухоотделителе соответственно, отнесенные 1 м3/с поднимаемой жидкости;
Nод - мощность, затрачиваемая на относительное движение фаз, отнесенная 1 м3/с поднимаемой жидкости;
Перечисленные затраты мощности, кроме затрат на относительное движение фаз, имеют место также при движении однородных жидкостей и газов. Поэтому их можно определить по известным зависимостям.
Затраты мощности на относительное движение фаз имеют место только при движении многофазовых потоков. Они обусловлены процессом передачи энергии от энергоносящей (в эрлифте – газ или воздух) к энергопотребляющей среде (в эрлифте – поднимаемая жидкость).
Этот процесс сложен и до настоящего времени недостаточно изучен. Поэтому эту составляющую будем определять как разность полной подводимой мощности и расчётных, т.е.:
Для 45 одноступенчатых эрлифтов, испытанных в ДПИ и на промышленных предприятиях подачи составляли от 20 до 150 м3/ч, диаметры подъёмных труб от 0,1 до 0,25 м, глубины погружения от 3 до 68 м, относительные погружения от 0,082 до 0,75.
Из эксперементальных данных видно, что наибольшее значение на удельный расход воздуха q , а следовательно, и на КПД, оказывает относительное погружение, однако увеличивать его не всегда представляется возможным. На рис. 6. приведена зависимость удельного расхода воздуха a от относительного погружения . Данное распределение достаточно точно соответствует зависимости [6]
В диапазоне относительных погружений a=0,08-0,8 можно использовать зависимость, полученую аппроксимацией данных табл.2 и рис.6:
При невозможности создать необходимое погружение для одной ступени эрлифта целесообразно применять двух- (рис. 7,б) или многосекционные (рис. 8) схемы эрлифтов.
Первая секция двухсекционной эрлифтной установки содержит подъемную трубу 1, смеситель 4 и воздухоотделитель 3. Поднятая в первой секции на высоту H1 жидкость из воздухоотделителя 3 поступает в трубопровод 2, соединенный с промежуточным всасывающим устройством 7, благодаря чему и создается погружение второй секции эрлифтной установки. Вторая секция содержит смеситель 6, подъемную трубу 4 и воздухоотделитель 5. Сжатый воздух от компрессора 12 через общий коллектор по воздухопроводам 8 и 9 с регулировочными задвижками 10 поступает в смеситель первой 11 и второй 6 секций эрлифтной установки.
Первую секцию таких эрлифтов целесообразно оборудовать смесителем с элементами струйного аппарата. Относительное погружение такой секции может быть уменьшено до a1=0,05-0,15 [2].
Принимая во внимание достаточно высокую энергоемкость эрлифтных установок, определяемую затратами на производство и транспортировку сжатого воздуха, в качестве критерия оптимизации таких установок принят минимум суммарного расхода воздуха обеими секциями установки , необходимого для обеспечения необходимой подачи гидросмеси Qэ.
Суммарный объемный расход сжатого воздуха определяется из выражения [2]:
Где Qэ - подача двухсекционной эрлифтной установки;
А и В – постоянные коэффициенты в инетрвале относительных погружений первой секции двухсекционной эрлифтной установки 0,05 h1 - глубина погружения первой секции эрлифтной установки; a2 - относительное погружение второй секции эрлифтной установки; H - общая высота подъема гидросмеси эрлифтной установкой; C - постоянная величина при a>0,15. Наименьший суммарный расход сжатого воздуха двумя секциями будет обеспечен при минимальном значении функции: В свою очередь, эта функция будет иметь минимум при условии: Путем преобразований получим следующее выражение для относительного погружения: где Е - показатель степени при значениях относительных погружений секций 0,05 Приведенное уравнение не может быть решено в общем виде, для его решения может быть применен метод итераций (последовательного приближения [2]. С его помощью находится относительное погружение второй секции эрлифта a2. Погружение первой секции эрлифта a1 находится по следующей зависимости: В связи с трудоемкостью расчета по методу последовательных при-ближений, выполнять его рационально с использованием ЭВМ по методике, представленной в [2]. В выполненой научной работе дано решение новой научной задачи, состоящей в обосновании рациональных параметров одно- и многосекционных установок для водоотлива закрывающихся угольных шахт Донбасса. Применение таких установок позволяет снизить капитальные и эксплуатационные затраты на 10-15% и повысить надежность водоотливного комплекса в целом. Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:
Заключение
К содержанию
Список литературы
К содержанию