Реферат по теме выпускной работы
Содержание
Введение
Угольная промышленность остается ведущим звеном в системе энергетической независимости и безопасности Донецкой Народной Республики. На сегодняшний день добычу угля ведут 17 крупных государственных шахт и одна – частной формы собственности, общая численность трудовых коллективов превышает 31 тыс. человек. За годы существования ДНР в эксплуатацию введены 48 новых лав и 1 новый горизонт, а горняки постоянно выполняют и перевыполняют производственные задания, что позволило добыть и выдать «на-гора» более 43 млн. тонн угля, а проходческим бригадам пройти 224 километра горных выработок[1].
Шахты продолжают работать, заряжать новые лавы и добывать топливо во многом благодаря специализированным заводам угольного машиностроения, входящим в состав угледобывающих объединений[2].
Уровень добычи угля, конечно же, напрямую зависит от спроса на твердое топливо, и в Республике он неуклонно растет. В текущем году Министерство планирует добыть чуть меньше 8 млн. тонн угля, а уже в 2021 году перешагнуть отметку в 10 млн. тонн выемки «черного золота»[3].
«На сегодняшний день Донецкая Народная Республика не только полностью обеспечена необходимым объемом угля для собственных нужд, но и имеет серьезный потенциал для экспорта качественных сортовых марок «черного золота» за пределы нашего государства. При условии роста внутреннего потребления, в частности, увеличения загрузки крупных промышленных предприятий Республики и, соответственно энергогенерирующего сегмента, угледобывающая промышленность в состоянии значительно увеличить объем добычи твердого топлива», – заявил заместитель Министра угля и энергетики.
Промышленные запасы «черного золота» по предприятиям Министерства угля и энергетики составляют 846 млн. 789 тыс. тонн. Уголь поступает на коксохимические и металлургические предприятия, а также теплоэлектростанции Республики. На территории ДНР работают 2 ТЭС, 7 которые не только полностью обеспечивают потребности Республики в электроэнергии, но и поставляют её в соседнюю республику[4]:
Рисунок 1 – Схема гидроэлеватора.
Как мы видим из сказанного выше, в угольной промышленности достигнуты положительные результаты во всех аспектах. Однако, есть проблема с тем, что с увеличением глубины разработки месторождений на угольных шахтах усложняются горные и гидрогеологические условия, существенно снижают эффективность использования горной техники ухудшают условия труда горняков.
Интенсификация добычи угля требует увеличения темпов проведения выработок по подготовке новых рабочих горизонтов отрабатываемых пластов или вскрытию новых. При наличии притока воды в проходческие забои производительность и условия труда рабочих зависят от своевременности и надежности откачки воды. Особенно важное значение имеет забойный водоотлив при проведении наклонных выработок. Даже небольшое количество воды в забое снижает эффективность работы погрузочных механизмов, затрудняет ведение бурильных работ по почве, ухудшает условия труда рабочих. Вода нередко становится причиной выхода из строя низкорасположенных приводных электродвигателей ходовой части комбайнов и породопогрузочных машин. Несвоевременность откачки воды является причиной длительных простоев забоев. Нормы выработки проходчиков, работающих в обводненных забоях, снижаются на 5…15%. На практике же, темпы проведения выработок уменьшаются еще в большей степени.
Снижение темпов проведения выработок приводит к срыву сроков ввода в действие новых мощностей и нарушению ритмичности работы угольного предприятия.
Насосы, применяемые на действующих шахтах в качестве средств откачки воды из забоя, не удовлетворяют в полной мере требованиям, предъявляемым к ним. Все применяемые в настоящее время для проходческого водоотлива насосы не обеспечивают полного осушения призабойного пространства.
Из всех возможных средств забойного водоотлива наибольший интерес представляют водоструйные насосы-гидроэлеваторы. Они конструктивно просты, не имеют вращающихся и трущихся поверхностей, что обеспечивает их надежную и длительную работу на воде, содержащей абразивный твердый материал[5]. Гидроэлеваторы могут быть изготовлены на практически любые необходимые подачи[6].
Из выше сказанного следует, что работы, направленные на совершенствование водоотлива при проведении наклонных горных выработок, обеспечивающего создание комфортных и безопасных условий работы шахтеров при минимальных материальных и трудовых затратах, способствующего росту производительности их труда, актуальны для угольной промышленности[7].Проходческие гидроэлеваторные водоотливные установки применяются для надежного удаления воды и шлама из забоя при проведении горизонтальных и наклонных выработок[8]. Их ключевое преимущество — способность транспортировать гидросмесь с твердыми включениями при сравнительно небольших энергетических затратах, используя эффект эжекции и соплового ускорения струи рабочей жидкости[9]. В условиях переменного притока воды и нестабильной гранулометрии шлама именно гидроэлеватор позволяет обеспечить устойчивость технологического процесса, минимизируя простой и повышая безопасность работ[10].
Рисунок 2 – Гидроэлеватор.
Отсутствие необходимости в смене инструмента обусловлено тем, что при резке классическими видами обработки, для разных материалов необходим различный инструмент, в отличие от системы гидроабразивной резке, в которой одно сопло возможно использовать для различных материалов без его смены. Таким образом, для различных материалов хватит лишь регулировки параметров, таких как подача воды или водно-абразивной смеси.
Недостатки у такого метода тоже есть, и главным из них будет то, что после обработки водой с абразивом или без, заготовка будет ржаветь, если ее не покрыть защитным слоем. Сопло для гидроабразивной резки не требует смены для резки иного типа материала, однако срок его службы ограничен[11], таким образом для рубиновых сопел, срок службы составляет от 40 до 50 часов работы, а для алмазных от 1000 до 1500 часов работы. Вывод можно сделать такой, что экономия на этом элементе не целесообразна ввиду того, что для всех материалов используется одно и то же сопло. Из менее значительного можно выделить регулярное пополнение бункера с абразивом.
Также стоит выделить, что оборудование для гидроабразивной резки массивное и громоздкое. Из-за использования мультипликаторного насоса создается высокий шум.
1. Теоретические основы
Эффект работы гидроэлеватора основан на передаче импульса от струи рабочей жидкости потоку гидросмеси в камере смешения. Условием эффективной эжекции является достаточный скоростной напор до сопла, обеспечивающий число Рейнольдса в турбулентной области для интенсивного перемешивания и стабилизации структуры струи. Коэффициент захвата определяет отношение расхода эжектируемой смеси к расходу рабочей воды и зависит от безразмерных параметров: отношения диаметров сопла и камеры, относительной длины конфузора и диффузора, углов раскрытия, шероховатости и потерь на входе. Рациональное сочетание этих параметров повышает коэффициент полезного действия установки и дает требуемую высоту подъема смеси. Гидравлические потери в подводящем и нагнетательном трубопроводах существенно влияют на выбор напора рабочего насоса[12]. При длинных подводящих линиях критично сократить местные сопротивления и исключить карманы, где возможно выпадение частиц. Практика показывает, что размещение гидроэлеватора на расстоянии нескольких метров от забоя и последовательное наращивание подводящего трубопровода по мере продвижения позволяет стабилизировать режим эжекции. Для запуска необходим резерв объема в приемной емкости, предотвращающий кавитацию и срыв струи.
Рисунок 3 – Схема Гидроэлеватора Г-600А.
2. Расчет основных параметров
Исходными данными служат ожидаемый приток воды в забой, массовая концентрация твердой фазы, максимальный размер частиц, требуемая высота подъема до зумпфа или сборной емкости и длины участков трубопроводов. На первом этапе задают рабочий расход и давление на сопле, обеспечивающие коэффициент захвата не ниже целевого для заданной концентрации. Затем подбирают диаметр камеры смешения и диффузора, чтобы суммарные потери после гидроэлеватора не приводили к недобору напора. Для ограничения абразивного износа выбирают сопла из твердых сплавов и ограничивают удельные скорости в конфузоре и диффузоре.
Рисунок 4 – Гидроэлеватор Г-600А (в разрезе).
3. Критерии рациональности
Рациональными считаются параметры, при которых достигаются: устойчивый подсос смеси без пульсаций; отсутствие засорения конфузора крупными частицами; минимально возможный расход рабочей воды для достижения требуемой производительности; допустимые скорости в трубопроводе для предотвращения оседания частиц; приемлемый уровень шума и вибрации; возможность быстрого запуска и остановки с сохранением целостности арматуры. Дополнительно оценивают устойчивость к изменению притока и состава шлама, наличие режима рециркуляции при кратковременном снижении забойного притока, удобство обслуживания и массогабаритные показатели[13].
Отношение диаметров сопла к камере смешения в пределах 0,3–0,5 обеспечивает компромисс между высоким коэффициентом захвата и приемлемыми потерями. Длина камеры выбирается кратной диаметру для завершения обмена импульсом, но без излишнего роста потерь. Угол раскрытия диффузора принимают малым для предупреждения отрыва потока и потерь на турбулентность, что особенно важно при присутствии твердой фазы. Конфузор должен обеспечивать плавный подвод пульпы с минимальными местными сопротивлениями, для чего применяют плавные радиусы и износостойкие вкладыши.
4. Планировка и схема
Рациональная схема проходческого водоотлива сочетает: подводящую линию с самоспуском, гидроэлеватор, нагнетательный трубопровод до сборной емкости, запорную и обратную арматуру, байпас для запуска, а также линии рециркуляции. Положение гидроэлеватора ближе к забою снижает депрессию и повышает надежность подсоса, однако требует защиты от ударов и выпадения кусков породы. Вентиляционные и энергетические коммуникации должны быть разведены, исключены участки, где возможно образование пробок шлама. Для пуска применяют заполнение магистралей и частотно регулируемый привод рабочего насоса для мягкого разгона струи[14].
Рисунок 5 – Схема проходческого водоотлива.
5. Материаловедение и надежность
С учетом абразивного износа выбирают износостойкие покрытия сопла и камеры, применяют сменные вкладыши, а также резинотехнические элементы в зонах ударного воздействия частиц. Учитывают электрохимическую коррозию при присутствии солей. Конструктивно необходимо предусмотреть ревизионные люки, быстрые разъемы, датчики давления до и после сопла, виброконтроль и расходометр на линии рабочей воды. Интеллектуальная защита от сухого хода и кавитации повышает ресурс насосов и устойчивость режима[15].
6. Алгоритмы управления
Система управления поддерживает целевой расход рабочей воды по сигналу с расходомера и корректирует давление на сопле по обратной связи с датчиков уровня и давления в камере смешения. При росте притока в забое допускается кратковременное увеличение расхода рабочей воды, затем включается параллельный гидроэлеватор или перевод потока на резервный диффузор большего диаметра. При падении притока включается рециркуляция для сохранения струи и предотвращения отложений[16]. Параметры ПИД регуляторов настраиваются по критерию минимизации колебаний давления и расхода при ступенчатых возмущениях.
7. Технико экономическая оценка
Гидроэлеваторная установка выигрывает в условиях высокой мутности и наличия твердых включений по сравнению с традиционными насосами засоряемых типов. Экономический эффект складывается из сокращения простоя из за забоев, уменьшения затрат на прочистку зумпфов и труб, повышения межремонтного ресурса и снижения аварийности. Расход рабочей воды рассматривается как плата за надежную транспортировку пульпы;[17] он оптимизируется геометрией сопла и режимом работы, а также организацией оборотного водоснабжения с фильтрацией.
Рисунок 6 – Гидроэлеваторная установка в рабочих условиях.
8. Рекомендации по параметрам
Для типового притока 25–60 м?/ч при массовой концентрации твердой фазы 5–12% и максимальном размере частиц до 20–30 мм целесообразно выбирать отношение диаметров сопла и камеры 0,35–0,45, относительную длину камеры 6–10 диаметров, угол диффузора 5–7°, скорости в нагнетательном трубопроводе 1,5–2,0 м/с, давление на сопле 0,6–1,2 МПа, коэффициент захвата 1,2–2,0. Размещение гидроэлеватора на 3–7 м от забоя с возможностью быстрого наращивания подводящего трубопровода обеспечивает устойчивый режим. Для пуска необходим объем заполнения, не меньший суммарного объема подводящих и нагнетательных линий[18].
Обязательны обратные клапаны для исключения обратного удара, плавный пуск насоса, защита от гидроударов, ограждения вращающихся частей, а также периодическая проверка износа сопла и состояния арматуры. В зонах шумового воздействия применяют средства защиты слуха. Вентиляция должна исключать аэрозольное увлажнение оборудования и скольжение персонала.
Рисунок 7 – График типового притока.
Заключение
Обоснование рациональных параметров проходческой гидроэлеваторной водоотливной установки опирается на согласование геометрии эжектора, гидравлики трассы, алгоритмов управления и эксплуатационных ограничений[19]. Приведенные рекомендации обеспечивают устойчивый подсос, требуемую производительность, минимизацию расхода рабочей воды и повышение надежности. При внедрении следует учитывать конкретные гидрогеологические условия месторождения и корректировать параметры по данным наладочных испытаний и мониторинга[20].
Список использованных источников:
3. Лямаев Б.Ф. Гидроструйные насосы и установки. Л.: Машиностроение, 1988. – 256 с.
6. Подвидз Л.Г. Кавитационные особенности струйных насосов // Вестник машиностроительство, 1978. – №3, – С. 17-20.
8. Яковлев В.М. Обоснование параметров проходческой гидроэлеваторной установки. Горный журнал, 2023.
10. Зингер Н.М., Соколов Е.Я. Струйные аппараты. М.: Энергоиздат,1989. – 352 с.
11. Каменев П.Н. Гидроэлеваторы и другие струйные аппараты. – М.: Недра,1978.
20. Гидроэлеватор Г-600: принцип работы и схемы. Каталог, 2023.