Головна сторінка ДонНТУ
Портал магістрів ДонНТУ
Головна сторінка
2. Мета й задачі, що поставлені в роботі
3. Огляд існуючих шляхів вирішення проблеми
4. Фізична модель досліджуваної системи
5. Математична модель процесу підйому часток твердої корисної копалини
Зменшення запасів корисних копалин, доступних для видобутку на суші за допомогою шахтного або відкритого способів робить усе більше актуальною розробку підводних родовищ корисних копалин, що перебувають на дні морів і океанів. При нинішньому рівні споживання підтверджених запасів газу повинно вистачити на 67 років, нафти - на 41 рік, міді, нікелю й олова - на 30- 35, свинцю й цинку - на 20- 25, золота й срібла - на 15- 20 років, марганцю, хрому, молібдену - на 25...30 років. Тільки запаси кам'яного вугілля можуть забезпечити потреби світової економіки більш ніж на 200 років. І якщо pазработка родовищ нафти й газу на відносно невеликих глибинах (шельфові родовища) ведеться вже відносно давно, те розробка навіть щодо мілководних (до 500 м) шельфових родовищ твердих корисних копалин дотепер не одержала широкого поширення через відсутності технічних рішень для їхнього підйому.[2]
Дослідженнями, проведеними наприкінці XІХ сторіччя (перша океанографічна експедиція на судні «Челленджер» 1872- 1876 року й наступні), в донних відкладеннях океану були виявлені більші запаси так званих залізомарганцевих конкрецій (ЗМК) - мінеральних агрегатів, що формуються за рахунок дифузійної концентрації розсіяних компонентів середовища навколо одного або декількох мінеральних центрів, розміром від декількох сантиметрів до метра, що містять, крім заліза й марганцю, мідь, цинк, кобальт, нікель і інші метали. При цьому в ЗМК зміст і концентрація деяких металів у кілька разів перевищує запаси родовищ суши.
У таблиці 1 представлені прогнозні запаси деяких кольорових металів у родовищах суши й морського дна й наведене порівняння цих запасів.
| Світовий океан | Суша | Співвідношення прогнозних ресурсів океану/суши | ||||
| Метали | Вміст | Прогнозні ресурси | Метали | Вміст | Прогнозні ресурси | |
| 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 |
Таблиця 1. Зіставлення прогнозних ресурсів і вмістів металів у рудах Світового океану й суши.[5]
Найбільші поклади ЖМК перебувають в абісальній області океанів на глибинах 1000- 2000 м, розповсюджені на підводних підняттях і зустрічаються у всіх кліматичних зонах, у прибережних, гемипелагических і пелагических обстановках на глибинах від декількох десятків до декількох тисяч метрів. Найбільш поширені вони в Тихому океані - на підводних горах Мід Пацифік і Магеллановых, у північній частині екваторіальної зони, на схилах Гавайського хребта, на підводних горах у районі Маршаллових островів і архіпелагу Туамоту й в інших районах.
Слід зазначити, що на підводних горах Мід Пацифік рудні кірки потужністю понад 60 мм до 250 мм перебувають в інтервалі глибин від 1500 до 2100 м. Вище й нижче цього інтервалу їхня потужність скорочується до 5...35 мм. На схилах Гавайського хребта кірки потужністю 20...40 мм нерідко утворюють суцільний покрив, що простирається на кілька кілометрів на підводних терасах, що перебувають на глибинах 370...560 і близько 1000 м. [2]
У хімічному складі рудних кірок Тихого океану, вивчених найбільше детально, домінують марганець і залізо, при середніх змістах відповідно 22,5 і 15%. Найцінніший компонент - кобальт - концентрується місцями до 2,5%, при середньому змісті 0,68%. У деяких районах, наприклад на підводних схилах Гавайського хребта й островів Туамоту, у кірках відзначався підвищений зміст платины (до 4 г/т), срібла (до 3,7 г/т) і золота (до 0,169 г/т).
Відповідно до вищевикладеного, у найближчій перспективі, як необхідність, потрібна розробка рентабельних, високопродуктивних технологічних методів, а також устаткування для промислового видобутку й підйому у Світовому Океані металів стратегічного значення, більша частина якого зосереджена в міжнародному районі морського дна.
Організація видобутку й переробки твердих корисних копалин (далі ТКК) з морського дна пов'язана із чотирма етапами операцій, здійснюваних комплексом машин і механізмів, розмішених на плавзасобі або підставі, у водному середовищі.
Перший технологічний етап здійснюється гідравлічним, пневматичним або механічним впливом, а в деяких випадках - комплексним впливом на масив родовища.
При гідравлічному й пневматичному способі впливу застосовують ґрунтові насоси або землесоси, гідромонітори, компресорну техніку в сполученні з породоруйнуючими насадками, соплами, сіфонами. При механічному способі застосовують бульдозерні лопати, шнеки, грейфери, ковші й т. п.
Роботи другого етапу ведуть за допомогою грейферів, багатоковшевих тросових або ланцюгових драг, шнекових і стрічкових конвеєрів, багатосекційних високонапорних насосів, эрлифтів, гідроелеваторів на основі эжекторного принципу.
Третій етап здійснюється грохотами, гідроциклонами, віброситами або сепараторами.
На четвертому етапі необхідні сховища, а також засобу транспорту для перекидання навалочних вантажів - баржі, рудовози, а в деяких випадках трубопроводи-рефулери.[1], [2].
Вибір тих або інших засобів і способів видобутку є багатофакторним завданням, рішення якого залежить від варіації багатьох компонентів, основним з яких є глибина розробки родовища.
Метою роботи є збільшення можливої глибини розробки підводних родовищ і зменшення витрат енергії за рахунок обґрунтування раціональних параметрів турбогідронасосної установки.
Основними задачами роботи є:
За принципом підйому твердих корисних копалин всі системи можна розділити на два види - системи механічного й гідравлічного принципів дії. До систем механічного принципу дії ставляться одне- і багатоковшеві драги. До систем гідравлічного принципу дії відносяться системи підйому з насосами, установленими вище рівня води, заглибними насосами, эрлифтные, ежекторні системи.
Одночерпакові драги характеризуються великою максимально можливою глибиною розробки (у випадку грейферних і тросових драг), однак низкою продуктивністю у зв'язку з невеликою гранично припустимою швидкістю підйому заповненого ковша й значним часом, затрачуваним на його опускання на дно. Середня глибина розробки для земснарядів, оснащених ковшем типу «механічна лопата» становить 20 м, швидкість екскавації - 10...15 у хвилину, середня швидкість підйому черпаків - 50 м/хв, ємність черпаків від 25 до 900 л. З найбільш відомих грейферних снарядів, що можна відзначити комплекси «Таїланд» - максимальна глибина розробки - 75 м., продуктивність - 190 м3/год, число черпань у хвилину 10...15, розробка олов'янистих родовищ; «Мерсі» (Англія) - глибина розробки - 25 м., «Би-Арриц» (Німеччина)- 30 м. У роботі [3] наведено розрахунок тросової драги із глибиною драгування до 4000 м.
Багаточерпакові драги навпроти, відрізняються більшою продуктивністю, але їхня глибина розробки набагато менше у зв'язку з тим, що при збільшенні глибини розробки значно збільшується маса рами, що утримує черпаки, що робить застосування таких комплексів для підйому ТКК із дна морів і океанів при глибинах більше 100 м непридатними. Зі збільшенням глибини розробки різко зростає металоємність і вартість будівлі драги. ДО прикладу, при однаковій продуктивності драга, призначена для видобутку із глибини 30 м, у шість разів важче подібної драги з максимальної глибиною розробки 15 м. При цьому, для таких засобів підйому, збільшення глибини розробки приводить до росту динамічних навантажень, гідравлічних опорів при переміщенні робочого органа, металоємності несучих елементів добычного комплексу. Крім того, із практики роботи многочерпаковых драг відомо, що вони змушені припиняти роботу при хвилюванні 2...3 бала й при силі вітру 3...4 бала. При такому хвилюванні жорстка черпаковая рама піддається деформації і руйнуванню внаслідок динамічних ударів об дно водойми робочого органа. [1] Однак, існують глибоководні багаточерпакові драги, що не мають жорсткої рами для підвіски черпаків, наприклад, японська драга на базі судна «Чіода Мару», що має канат довжиною 8200 м с 240 черпаками ємністю 45 кг кожний, що здійснювала підйом піску із глибини 1000 м і конкрецій із глибини 3500 м. При підйомі конкрецій потік води, що набігає, вимиває з ковшів пісок, у результаті чого відбувається збагачення конкрецій.
Ерліфтні земснаряди здійснюють підйом гідросуміші за допомогою стисненого повітря, подаваного в змішувач. Глибина розробки родовищ такими земснарядами в значній мірі обмежена максимальним тиском, що можливо створити компресором, а продуктивність обмежується тільки продуктивністю компресора. У той же час до недоліків такого способу підйому можна віднести низький КПД і необхідність в обов'язковому вертикальному розташуванні піднімального трубопроводу. Відомі угорські эрлифтные земснаряди «Гідроп» і «Гідроп зонд», фірми «Коллінз» (США) ведуть видобуток нерудних матеріалів, піску й гравію, а також алмазів із глибин 40...60 м.[1]
В основі земснарядів ежекторного типу лежить принцип підйом гідросуміші за рахунок подачі в усмоктувальну трубу потоку рідини й взаємодії її з потоком гидросуміши, що піднімається. Як і у випадку з эрлифтными земснарядами, продуктивність і глибина розробки эжекторных земснарядів визначається параметрами насоса, що подає воду до ежектора. Основним недоліком таких установок є низький КПД. Эжекторные земснарядные комплекси «Эйджа Гоу» і «Эйджа Гоу №1» виробництва Японії мають глибини розробки 70...100 м, ежекторні земснаряди фірми «Пасіфік» США - 60...65м, «Бевер Мастер» виробництва Голландії - 30...35 м. [1]
Головною перевагою ерліфтних й ежекторних земснарядів є відсутність частин, що рухаються, у системі підйому, що забезпечує більшу надійність у порівнянні з іншими схемами підйому.
Земснаряди із грунтонасосами, установленими на борті вище рівня води застосовуються в основному на невеликих глибинах - для очищення дна водоймищ і фарватерів рік, каналів, днопоглиблювальних робіт, видобутку нерудних матеріалів з невеликих глибин. До їхніх достоїнств відносяться конструктивна простота, можливість створення машин великої продуктивності. Однак головний недолік - мала можлива глибина розробки внаслідок обмеження тиску на вході в насос тиском насичених парів рідини (умова бескавитационной роботи грунтонасоса) робить їх непридатними для розробки глибоких морських і океанських родовищ ТПИ. Звичайно робоча глибина таких земснарядів становить 2 - 20 м, продуктивність же по твердому може досягати 500 м3/ч.
Земснаряди із заглибними насосами можна розділити по виду приводу на 3 категорії:
Основними елементами установки (рис. 3) є: один або декілька заглибних відцентрових насосів 2, з'єднаних валами із привідними турбінами 3. По енергетичному трубопроводі 5 за допомогою приводного насоса 1, установленого на судні, надходить вода, що приводить в обертання турбіни, які, в свою чергу, обертають вали заглибних насосів. Заглибні насоси піднімають підготовлену завантажувальним пристроєм 6 гідросуміш по піднімальному трубопроводі 4 на судно, де вона зневоджується й первинно збагачується у збагачувальній установці 8.
До недоліків першого варіанта можна віднести роботу нижньої частини транспортного трубопроводу (нижче насосів) у режимі перевищення зовнішнього гідростатичного тиску стосовно внутрішнього гідродинамічного тиску. У цьому випадку виникають проблеми динамічної стійкості секцій транспортного трубопроводу (сплющиванию трубопроводу). Особливі вимоги повинні бути пред'явлені до ущільнення першого (знизу) насоса, де буде найбільший перепад тисків, внаслідок чого при незначному зношуванні ущільнень з'являться підсмоктування води з океану. Також при збільшенні опору усмоктувального трубопроводу понад розрахунковий (заиливание, забутование великими шматками твердого) можливе виникнення кавитационных режимів роботи турбогідронасоса.
У випадку схеми з рівномірним розташуванням корпусно-секційних турбомашин по довжині піднімального трубопроводу, кількість яких визначиться в залежності від напору одного насоса (так звана бустерна схема) створюються найкращі умови для роботи насосів з погляду припустимих тисків на усмоктуванні (необхідний підпір для виключення підсмоктувань навколишньої води) і забезпечується робота транспортного трубопроводу по всій довжині в режимі перевищення внутрішнього тиску над зовнішнім гідростатичним тиском. Крім того, з'являється можливість гнучкого варіювання кількості турбонасосних агрегатів і напору одиничного турбогидронасоса з метою вибору оптимальних параметрів.
При розміщенні насосів у придонній зоні принципово можливо розробити схему з одним агрегатом, що створює необхідний напір для підйому заданої кількості ТКК. Піднімальний трубопровід по всій довжині буде працювати в режимі перевищення внутрішнього тиску над зовнішнім гідростатичним тиском. У цьому варіанті також вирішується проблема скидання забрудненої води в придонну зону. Однак, у випадку послідовного розміщення декількох насосних агрегатів у придонній зоні кожний наступний агрегат буде працювати при більшому тиску у всмоктуючомі трубопроводі, що буде негативно позначатися на надійності ущільнень.
Вихідними параметрами для математичної моделі піднімальної турбогидронасосной установки будуть : середній діаметр часток твердого, що підіймаються dт, м, густина твердого ρТ, кг/м3, годинна масова продуктивність установки по твердому QМТ, кг/год, глибина розроблювального родовища Н, м, об'ємна концентрація твердого в пульпі sТ.
Для спрощення математичної моделі були прийняті наступні допущення:
Об'ємна продуктивність установки по твердому:
Необхідна подача заглибного насоса по пульпі при концентрації твердого в пульпі sT
Для визначення швидкості піднімаючогося потоку рідини, необхідної для транспортування часток твердого розглянемо рівновагу частки твердого.
Опущене в рідину тіло під дією сили ваги G=ρТgТ і сили Архімеда Pa=ρgТ де g - прискорення вільного падіння, а VТ - об'єм тіла, буде рухатися вниз. З появою відносної швидкості між тілом і рідиною виникає сила опору:
де cx - безрозмірний коефіцієнт, що залежить від форми тіла, шорсткості поверхні, режиму руху; S - площа миделя тіла (площа проекції тіла на площину, перпендикулярну вектору швидкості); v - швидкість тіла щодо середовища.
Тоді диференційне рівняння руху тіла під дією цих сил можна записати у вигляді:
Или после подстановки:
Після перетворень одержимо:
З даного рівняння знайдемо гідравлічну крупність - швидкість піднімаючогося потоку, при якій частки твердого перебувають у взваженому стані:[6]
З огляду на допущення, перетворимо вираження для гідравлічної крупности:
Для стійкого підйому часток твердого швидкість руху рідини приймаємо розрахункову швидкість підйому vp=1,2vкр.
Тоді максимальний діаметр піднімального трубопроводу може бути визначений як:
Необхідний напір, створюваний заглибним насосом, може бути представлений як:
Підставивши вираз для опору піднімального трубопроводу а, одержимо повний вираз для необхідного напору заглибного насоса:
Гідравлічна потужність заглибного насоса:
Підставивши у вираження густину пульпи одержимо:
Потужність на валу заглибного насоса:
Потужність на валу заглибного насоса дорівнює потужності на валу приводної турбіни.
Гідравлічна потужність, що підводиться до привідної турбіни:
Діаметр енергетичного трубопроводу для уніфікації раціонально прийняти рівним діаметру піднімального трубопроводу. Швидкість руху рідини в ньому для зменшення втрат приймаємо рівної v=1...1,2 м/с
Витрата рідини через турбіну буде дорівнює:
Гідравлічна потужність турбіни дорівнює:
звідки напір, що спрацьовується турбіною, дорівнює:
Опір енергетичного трубопроводу:
Необхідна величина подачі привідного насоса дорівнює витраті турбіни.
Необхідна величина напору привідного насоса може бути обчислена як:
Гідравлічна потужність привідного насоса буде дорівнювати:
Потужність електродвигуна привідного насоса може бути визначена як:
где ηПРН - ККД привідного насоса.
Питомі витрати потужності на підйом одиниці маси твердого:
Підставимо у вираження для питомої потужності значення всіх величин і виразимо через вихідні величини. Після підстановки одержимо вираження:
Величиною 0,0086v3D0,7 через малість можна зневажити. Виразивши діаметри трубопроводів через вихідні параметри, одержимо вираз виду:
Диференціювання даного виразу по густині твердого, концентрації твердого в пульпі й подачі по пульпі сполучена із труднощами, тому раціональніше представити залежність питомої потужності від вхідних величин у графічному виді (рис. 4).
Із графіків видно, що питомі витрати потужності на підйом одиниці маси ТКК монотонно ростуть зі збільшенням глибини розробки Н (рис 4,а), продуктивності установки по твердому QТ (рис. 4, б), густини твердого, що піднімається ?Т (рис. 4, в), діаметра часток твердого dТ (рис. 4, г) і монотонно падають зі збільшенням об'ємної концентрації твердого в пульпі SТ (рис. 4, д). Також очевидно, що питомі витрати потужності зменшуються зі збільшенням КПД складових частин установки - заглибного насоса, приводної турбіни й приводного насоса.
З рис. 4, д видно, що питомі витрати потужності значно знижуються з підвищенням об'ємної концентрації від 0,1 до 0,4, однак при подальшому збільшенні концентрації такого сильного зниження не спостерігається. При більших концентраціях твердого в пульпі можлива забутовка проточної частини заглибного насоса, всмоктуючого та нагнітального трубопроводів і зрив подачі. Таким чином, можна вважати, що оптимальна об'ємна концентрація твердого в пульпі становить близько 0,4, у той час як у середньому для грунтонасосів вона приймається від 0,1 до 0,2 [3], [4]. При цьому варто враховувати, що концентрацію твердого в пульпі при даному виді гідропідйому можна варіювати за допомогою породопогрузочного пристрою.
При видобутку корисних копалин з більших глибин варто враховувати, що напір більшості корпусно-секційних насосЪів, що випускаються серійно, обмежений приблизно значенням в 1200- 1500 м. При необхідності з більших напорів для приводу в обертання турбіни можлива послідовна установка насосів, однак при цьому кожний наступний насос буде працювати з більшими тисками на всмоктуванні, що несприятливо позначається на надійності їх роботи. У такому випадку рациональнее збільшувати витрату рідини через турбіну й при необхідності використовувати паралельне включення енергетичних насосів. Однак при збільшенні витрати через енергетичний трубопровід втрати напору в ньому також зростуть. У такий випадку при інженерному розрахунку системи підйому раціонально виходити з визначення витрати турбіни, задавшись деяким значенням напору приводного насоса, однак при більших значеннях втрат по довжині енергетичного трубопроводу буде раціональним збільшити діаметр енергетичного трубопроводу виходячи з оптимальної швидкості руху.
Також необхідним є техніко-економічний розрахунок піднімального й енергетичного трубопроводів, що зіставляє капітальні витрати на трубопровід і експлуатаційні витрати на переміщення рідини по ньому.
Основні наукові й практичні результати роботи полягають у наступному:
На даний момент кваліфікаційна робота магістра знаходиться у стадії розробки. Строк виконання роботи - грудень 2010 року. Кінцеві результати роботи можуть відрізнятися від приведених на сайті.