Гутаревич Н.В., Гуляев В.Г. - Обзор современных насосных станций, тенденции их развития и проблемы проектирования

Аннотация

Гутаревич Н.В., Гуляев В.Г. Обзор современных насосных станций, тенденции их развития и проблемы проектирования Выполнен обзор и анализ современных гидроэнергетических установок. Рассмотрены требования и характеристики для их проектирования. Приведены рекомендации для создания надежных, малошумных и высоконапорных насосных агрегатов.

Проблема и ее связь с научными и практическими задачами.

В настоящее время на территории Украины работают 153 шах-ты. Согласно сообщению Министерства угольной промышленности и энергетики, с начала 2012 года было добыто в количестве 56,8 миллиона тонн угля. Высокая производительность полностью зависит от качества оборудования, добывающего уголь, а именно – от механизированного комплекса. Главенствующей составляющей комплекса, без которой невозможно его функционирование является гидрофицированная механизированная крепь (ГМК), эксплуатационные свойства которой определяются параметрами гидроэнергетической установки (ГЭУ). В этой связи к ГЭУ предъявляются высокие требования по безопасности и надежности для эффективной работы не только крепи, но и всего комплекса в целом.

Анализ исследований и публикаций.

Насосная станция (НС), она же ГЭУ, обычно состоит из двух высоконапорных агрегатов (ВНА) и подпиточной установки (ПУ). Основными составляющими, определяющими технический уровень ВНА, являются рабочие параметры насосов, входящих в систему, такие как давление нагнетания, подача насоса, способ регулирования подачи и параметры виброакустических характеристик. Последние должны соответствовать требованиям нормативной документации, а именно – уровень звука, гене-рируемый виброакустическим шумом, не должен превышать сани-тарных норм 80 дБА. В тоже время, для современных насосных станций, техническими условиями установлен уровень шума 110 дБА, что очевидно превышает санитарно-допустимые нормы. Фактические параметры вибрационных характеристик ВНА не соответствуют установленным требованиям, что приводит к низким уровням надежности насосных станций, снижению их ресурса почти в два раза и уменьшению эффективности работы. Также превышение санитарных норм приводит к росту числа профессиональных заболеваний персонала, тем самым снижая производительность труда и нарушая гигиену труда. Все вышеуказанные факторы определяют необходимость создания современных насосных станций с пониженными уровнями вибрации и шума [1].

Решение задачи проектирования и конструирования современ-ных насосных станций начинается с анализа развития конструкций и параметров насосных станций, отражающих их показатели – энерго-вооруженность, давление, подачу. Энерговооруженность насосных станций постоянно растет, что связанно с повышенными требованиями к гидроэнергетическим установкам (ГЭУ) механизированных крепей, очистных комбайнов эксплуатирующихся в сложных горно-шахтных условиях [2].

Для эффективной работы крепей в сложных горно-технических условиях сформировались следующие требования к ГЭУ: необходи-мо повышать давление начального распора гидростоек (до 40-52 МПа), применение эффективных способов регулирования подачи и оптимального взаимодействия всех контуров системы крепи, сниже-ние виброактивности и повышения надежности ГЭУ. Насосная стан-ция должна обеспечивать эффективную работу механизированной крепи для надежного управления кровлей и состоянием вмещающих пород в соответствии с характером проявления горного давления в лаве. Кроме того, требования к скорости крепления и коэффициенту затяжки кровли постоянно повышаются в связи с интенсификацией рабочих режимов очистных комплексов с применением высокопроизводительных комбайнов [3].

Постановка задачи.

Обзор тенденций развития ГЭУ и проблемы их проектирования.

Изложения материала и результаты.

С развитием работ по созданию ГЭУ в последние 10 лет возникла необходимость дополнительного анализа изменения параметров и технических характеристик их ВНА. А именно необходимо уделить внимание совершенствованию динамических свойств ВНА, с целью обеспечить снижение вибраций и шума, генерируемых источниками. В таблице 1 указаны результаты исследований по изучению генерации шума современными украинскими насосными станциями.

Таблица 1. Результаты расчетов ожидаемого уровня звукового давления в расчетных точках для насосных станций типа СНУ, СНТ, СНД.

Как видно из результатов расчета звукового давления на осно-вании измерений, выполненных МакНИИ, приведенных в таблице, фактический уровень звука, генерируемый современными украин-скими насосными станциями, превышает допустимые нормы [1].

В развитии структурных схем ВНА можно выделить два основных направления [4]:

- Насосные станции с применением радиально-плунжерного насоса с эксцентриковым приводом. Такая схема используется в насосных станциях СНТ 5, 6. Однако такие насосы (типа ВНР 32/20)имеют ряд недостатков при использовании в ВНА – плохая смазывающая способность эмульсии, чересчур высокая динамика дискретного способа регулирования подачи, недостаточное давление нагнетания (20МПа), не обеспечивающее выполнение требований к усилиям первоначального распора гидростоек. Даже при работе в условиях легких (А1) и среднеустойчивых (А2) кровель одна такая насосная станция не может обеспечить необходимые требования по эффективному функционированию механизированной крепи. Также насосные станции ограничивают скорость крепления и обладают невысокими показателями надежности. В таблице 2 указаны основные технические характеристики насосных станций СНУ.

Таблица 2. Основные технические характеристики станций типа СНУ

- Второй вариант структурной схемы ВНА включает в себя высоко-напорный насос с линейным расположением плунжеров, крившипно-шатунным механизмом в приводе от асинхронного двигателя и зубчатой передачей. Наиболее часто встречающийся привод станций, таких как СНТ, СНД, фирмы Hauhinco. Для таких схем характерны высокая энерговооруженность, достаточные показатели давления и подачи. Однако, достоинства этих насосных станций омрачаются высокими уровнями вибрации и шума, существенно снижающими надежность и ресурс насосного агрегата. К тому же в условиях перехода на длинные лавы оказалось, что станции СНТ с одним насосным агрегатом не могут обеспечить необходимые эксплуатационные характеристики, что потребовало создания и применения насосных станций типов СНД с двумя ВНА [3]. Основные технические характеристики станций типа СНТ и СНД представлены в таблице 3.

Таблица 3. Основные технические характеристики станций типа СНТ и СНД

Как видно, некоторые украинские насосные станции с такой ком-поновочной структурой, могут удовлетворить современные требования к ГЭУ по номинальному давлению и подаче. Однако их виброакустические характеристики (110 дБА по ТУ) не позволяют считать такие насосные станции перспективными агрегатами (как видно из таблицы 1).

Кроме того, насосные станции классифицируются по способу регулирования подачи рабочей жидкости (РЖ) и видам регуляторов [4].

Наиболее распространены насосные станции (СНТ, СНД и др.) с дискретным способом регулирования подачи РЖ. Этому способу присущи известные недостатки [1,2,3] в том числе – формирование вибрации и шума в источниках ВНА при переходных режимах «нагрузка-разгрузка» силового насоса.

Перспективная схема управления насосной станции на базе ча-стотно-регулируемого привода дает возможность плавно регулиро-вать подачу, повышая надежность и безопасность эксплуатации ВНА. Тем не менее, использование такой схемы не отменяет необходимость снижать виброактивность агрегатов. Частотно-регулируемый привод используют в некоторых типах насосных станциях фирма «Хаухинко», однако такое регулирование также не обеспечивает бесшумную работу ВНА, т.к. в структуре ВНА сохранены кривошипно-шатунные механизмы – активные источники вибрации и шума.

Можно считать прогрессивным направлением проектирования высокопроизводительных ГЭУ разработки немецкой фирмы HAU-HINCO. Фирма наладила производство трехплунжерных и пятиплунжерных высоконапорных насосов ЕНР-3К нескольких типоразмеров с варьируемыми значениями подачи рабочего давления. Для ряда насосных агрегатов предусмотрено варьирование частотами вращения приводных механизмов и диаметрами плунжеров в гидроблоке, что позволяет получать различные значения подач и давления нагнетания на одном агрегате.

Как видно из характеристик, указанных в таблице 4, при ком-плектации насосной станции одним насосом ЕНР-3К110, обеспечивается подача 129 л/мин и давление 46,5 МПа, а комплект из двух насосов ЕНР-3К50 – подачу 102 л/мин при давлении 50 МПа. Такие технические характеристики позволяют наиболее выгодно подбирать давления и расход для обеспечения заданных условий оп-тимального взаимодействия крепи с кровлей и необходимой скорости крепления. Частотно-регулируемый привод насосных станций позволяет плавно регулировать подачу в диапазоне от 30 до 100% [1].

Таблица 4. Характеристики некоторых насосов типа ЕНР-3К

Можно считать достаточно перспективными высоконапорные насосные установки швейцарской фирмы HIDROWATT. Они рабо-тают на базе радиально-поршневых насосов с герметично-уплотнёнными поршневыми блоками и принудительной смазкой. Герметично-уплотнённые поршневые блоки с регенерирующийся смазкой обеспечивают высокую скорость движения поршней, отсут-ствие утечек и высокий КПД насоса.

В тоже время, несмотря на отсутствие в схеме зубчатой передачи и кривошипно-шатунного механизма, актуальность снижения виброакустических характеристик сохраняется, поскольку вращающаяся высокоскоростная динамическая система, с наличием возмущений в двигателе и клапанных распределителях, генерирует довольно высокие уровни вибрации и шума, что обязывает фирму рекомендовать операторам применять средства индивидуальной защиты от шума [5].

Выводы и направления дальнейшего исследования:

1. Проведенный анализ ВНА позволяет обоснованно устанавливать рациональную область применения их отдельных типоразмеров в составе насосных станций применительно к конкретным условиям эксплуатации очистных комплексов в Донецком угольном бассейне.

2. В настоящее время не решены все проблемы создания эффективных современных гидроэнергетических установок. Для создания надежных малошумных и высокопроизводительных насосных станций систем гидропривода механизированных крепей очистных комплексов необходимы дополнительные исследования динамических свойств насосных агрегатов и их рабочих процессов.

3. При проектировании энергонасыщенных малошумных насосных агрегатов с кривошипно-шатунными механизмами в приводе линейно расположенных поршней целесообразно использовать выводы и рекомендации работы [1].

Список использованной литературы

1. Гуляев В.Г. Виброакустические процессы и надежность гидроэнергетических устано-вок очистных комплексов: монография / К.В.Гуляев, С.А.Китаева; под общ. ред. В.Г. Гуляе-ва. – Донецк: Технопарк ДонГТУ «Унитех», 2012. – 224 с.: ил, табл.
2. Гуляев В.Г., Бойко Н.Г. Требования к гидроэнергетическим установкам механизиро-ванных крепей нового технического уровня / В.Г.Гуляев В.Г., Н.Г.Бойко // Известия горного института, №2, 2000. – С.47-51.
3. Косарев В.В. Насосные станции ГП «Донгипроуглемаш» нового поколения как источ-ник гидравлической энергии в составе гидропривода механизированных крепей / В.В. Коса-рев, Н.И. Стадник, Ю.И. Варшавский и др. // Сб. научных трудов. – Донецк, - Донгипроугле-маш, 2008. – С. 484-492.
4. Пономаренко Ю.Ф. Насосы и насосные станции механизированных крепей / Ю.Ф.Пономаренко // М.: Недра, 1983. – 183 с. 5. Руководство по эксплуатации и технике безопасности радиально-поршневого насоса R180 S. HYDROWATT AG, Швейцария, 2011. – 50 с.