CC BY
26
УДК 622.271
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОТРАНСПОРТА ТВЕРДЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ В СИСТЕМЕ ГИДРОПОДЪЕМА С ПОДВОДНОЙ СТАНЦИЕЙ
И.В. Егоров, А.Б. Жабин, А.В. Поляков
Развитие горной отрасли в направлении подводной добычи твердых полезных ископаемых требует новых научных исследований гидротранспорта твердого минерального сырья в морских условиях, направленных на уменьшение энергетических затрат гидроподъема твердого со дна на добычное судно. На основании этого представлены результаты численного моделирования гидроподъема твердых полезных ископаемых в подводном добычном комплексе с подводной станцией. Численное моделирование позволило установить зависимости для определения рациональных параметров гидротранспорта: объемной концентрации твердого и плотности гидросмеси, позволяющих повысить энергетическую эффективность работы системы гидроподъема.
Ключевые слова: подводная добыча, гидравлический транспорт, гидравлическая система, гидроподъем, твердые полезные ископаемые, рациональные параметры гидротранспорта, подводная станция.
Система гидроподъема с подводной станцией 8 (рис. 1) состоит из трубопроводных ставов 2 и 3, простирающихся от горной машины 4 по гибкому трубопроводу 1 в бункер 5 на добычное судно 7 , и насосного агрегата, расположенного в подводной стации, транспортирование до которой осуществляется за счет работы естественной тяги [1 - 3].
Определение рациональных параметров гидротранспорта позволит проводить транспортирование подводных твердых полезных ископаемых с наименьшими энергетическими затратами. Количественным показателем энергетических затрат является энергоемкость процесса транспортирования E , Вт-ч/т [4], рассчитываемая по формуле
N s ■ Н ■ От
E — н =& 11 н >^см (1)
h ■ Отв Пн ■ Отв где Nн - мощность насосного агрегата, Вт; Отв - производительность системы гидроподъема по твердому, т/ч; Г!н - КПД насосного агрегата; Нн -
т
см
необходимый напор насосного агрегата для перекачки гидросмеси, м; £ - массовая производительность системы по гидросмеси, кг/с.
Исходя из выражения (1) основными параметрами, определяющими мощность насосного агрегата, определяемая по энергоемкости процесса гидроподъема. являются напор насосного агрегата и массовая производительность по гидросмеси. Напор насосного агрегата, в свою очередь, зависит от длины трубопроводов 2 и 3 и удельных потерь напора при вертикальном транспортировании гв [5]
Нн.пс = Нпс + гв 'Нпс = Нпс (1 + гв ), (2)
где Нпс - глубина погружения подводной станции, м.
Рис. 1. Функциональная схема системы гидроподъема с подводной
станцией: 1 - гибкий трубопровод; 2 и 3 - вертикальный трубопроводный став; 4 - горная машина; 5 - бункер; 6 - минеральные полезные ископаемые; 7 - добычное судно; 8 - подводная станция
Длина трубопроводов 2 и 3 с одной стороны определяется глубиной расположения разрабатываемого поля, а с другой стороны зависит от глубины погружения подводной станции, которая определяется по условию работы естественной тяги и является функцией глубины разрабатываемого месторождения и удельных потерь напора [5 - 7]
г ■ Н
Нпс = ^^, (3)
1 + гв
которое после преобразований запишется в виде
Н = г ■ Н (4)
11 н 11 тр ■> \ ;
где Нтр - глубина, с которой необходимо произвести транспортирование
твердых полезных ископаемых на добычное судно, м.
До настоящего времени не установлено, как влияние удельных потерь напора на параметры трубопроводов при использовании энергии естественной тяги в результате наличия подводной станции отразится на характеристиках системы и энергоемкости процесса гидроподъема твердого со дна на добычное судно. Также стоит отметить, что процесс гидравлического транспортирования в морской среде существенно отличается от обычного гидротранспорта в сухой среде, ввиду наличия гидростатического давления.
Определение влияния параметров гидротранспорта на характеристики системы и энергоемкость процесса гидроподъема проводится на основе численного моделирования работы этой системы [8, 9]. Исходя из условий добычи железомарганцевых конкреций (ЖМК) и глубоководных полиметаллических сульфидов (ГПС) [5], к исследованию принят следующий диапазон изменения основных параметров. Производительность по
твердому Qтв изменялась от 100 до 300 т/ч, плотность твердого ртв - от 2000 до 4000 т/м3, диаметр транспортируемых частиц С - от 0,01 до 0,1 м и концентрация с0 - от 0,1 до 0,6.
Удельные потери напора определяются на основе метода расчета гидротранспорта [10], описывающего сложное движение двухфазной смеси в вертикальном трубопроводе.
Численное моделирование процесса гидроподъема проводилось в несколько этапов. На начальном этапе исследовалось влияния скорости гидросмеси и концентрации твердого на удельные потери напора при С = 0,03 м; Qтв = 150 т/ч; ртв = 3000 кг/м3 и варьировании с0 от 0,05 до 0,25. Результаты этих исследований приведены на рис. 2. Следует отметить, что начальное значение диаметра трубопровода соответствовало В > 3Стах - по условию гидротранспорта [11].
Анализ полученных результатов (рис. 2) позволил установить наличие точек минимума вертикальных удельных потерь напора, которые находятся на линии перехода из 1-й области, где их повышение обусловлено влиянием гидравлической крупности w на действительную плотность гидросмеси, во 11-ую область, где в результате увеличения скорости гидросмеси, увеличиваются потери на трение. Эти точки при проекции на кривую диаметра трубопровода 6 позволяют определить его рациональные значения.
Кроме того, из рис. 2 видно, что при уменьшении начальной концентрации вертикальные удельные потери на гидроподъем снижаются, тем самым снижая напор насосного агрегата. При этом увеличивается производительность комплекса по гидросмеси - перекачивается больше чистой воды, что может негативно отразиться на энергоемкости процесса добычи.
Рис. 2. Зависимости вертикальных удельных потерь напора от скорости гидросмеси и концентрации твердого: 1 - при со=0,05; 2 - при со=0,1; 3 - при со=0,15; 4 - при со=0,2; 5 - при со=0,25; 6 - характер изменения диаметра трубопровода
91
Д м
кД
На основе выражений (1) и (2), а также результатов исследований, приведенных на рис. 2, выполнены расчеты и построена зависимость энергоемкости транспортирования от концентрации твердого при глубине транспортирования Нтр = 1000 м (рис. 3). Установлено, что энергоемкость, описанная относительно концентрации, имеет зону минимума, полученную в результате определения оптимального соотношения между напором насосного агрегата, увеличивающимся при повышении концентрации (рис. 4), и массовой производительностью по гидросмеси, уменьшающейся при снижении объемной составляющей морской воды в гидросмеси. Наименьшее пиковое значение энергоемкости транспортирования (точка минимума) характеризует энергоэффективный режим работы системы гидроподъема при заданных параметрах.
Рис. 3. Зависимость энергоемкости транспортирования от концентрации твердого при Нтр = 1000 м
<2ш ■■ кг/с
н, м
500 400 300 200 100
гт И. ПС
ЗС-СМ
500 400 300 200 100 0
0 0,05 0,1 0,15 ¿о
Рис. 4. Характеристики системы гидроподъема
В подводном гидротранспорте, где геодезическая высота компенсируется за счет гидростатического столба жидкости, напор насосного агрегата при изменении концентрации увеличивается интенсивнее, чем при гидротранспорте в условиях шахт и рудников, что и послужило причиной для определения энергоэффективного режима работы системы гидроподъема.
На следующем этапе для анализа параметров гидротранспорта на положение точки минимума энергоемкости проведено численное моделирование при варьировании ртв от 2000 до 4000 кг/м3, результаты которого представлены на рис. 5 и 6.
Е. кВт ч/т
4,0
3,0
2,0
О ОД 0,2 с„
Рис. 5. Зависимости влияния плотности твердого на положение минимума энергоемкости: 1 - при ртв = 2000 кг/м3;
2 - при ртв = 2500 кг/м3; 3 - при ртв = 3000 кг/м3; 4 - при ртв = 3500 кг/м3;
5 - при ртв = 4000 кг/м3
При увеличении плотности твердого, концентрация, соответствующая точке минимума энергоемкости, понижается. При этом плотность гидросмеси изменяется в незначительных пределах - от 1219 до 1261 кг/м3 (рис.6).
Раи ■
1,25 1,2 1,15 1,1
1,5 2,5 3,5 Ртп -Ю\ кг/м3
Рис. 6. Эффективная плотность гидросмеси, соответствующая точкам минимума энергоемкости
Малая изменчивость плотности объясняется тем, что при вертикальном транспортировании она оказывает наибольшее влияние на удельные потери напора, и соответственно, определяет напор насосного агрегата. Плотность гидросмеси, соответствующую точкам минимума энергоемкости и определяющую энергоэффективный режим работы системы гидроподъема, обозначим как рсм.эф, представляющую собой рациональную величину, необходимую для достижения минимальных энергетических затрат на гидроподъем твердых полезных ископаемых.
93
10 , кг/м
Далее было проведено моделирование влияния производительности по твердомуо и диаметра транспортирующих частиц на границы распределения рациональной плотности гидросмеси. Результаты исследований показаны на рис.7.
Рем.эф '10'> К|/М_
' > -- Е>=Ъс1
о 0,02 0,04 0,06 0,08 (3, м
Рис. 7. Зависимости влияния диаметра частиц и производительности на эффективную плотность гидросмеси: 1 - при Qтв = 100 т/ч;
2 - при Отв = 200 т/ч; 3 - при Qтв = 300 т/ч;
Установлено, что при увеличении диаметра транспортируемых частиц эффективная плотность гидросмеси изменяется по линейной зависимости, что обусловлено влиянием й на гидравлическую крупность w, которая в свою очередь определяет действительную концентрацию твердых частиц в вертикальном трубопроводе. Отметим, что при моделировании на этом этапе нами учитывалось ограничение по диаметру трубопровода, который должен быть не меньше трех диаметров транспортируемых частиц.
Результаты математической обработки результатов исследований влияния диаметра частиц й на плотность рсм.эф приведены в таблице. Для всех зависимостей коэффициент корреляции составил более 0,9.
Выражения для определения эффективной плотности смеси
Отв, т/ч Отв, кг/с Рсм.эф, кг/м3
100 27,77 Рсм.эф = 2232й + 1176
200 55,55 Рсм.эф = 1513й + 1177
300 83,33 Рсм.эф = 1252й + 1177
Проведем обобщение полученных зависимостей и представим их в общей форме:
Рсм.эф = а ■ й +1177 , (5)
где а является степенной функцией производительности и определяется как
а = 12951 ■ От0/3. (6)
При увеличении производительности по твердому (рис. 8) влияние й на плотность смеси уменьшается, так как происходит увеличение сечения трубопровода. Это приводит к уменьшению изменчивости гидравли-
94
ческой крупности в стесненном пространстве трубопровода w'. Изменение производительности при значениях больших 300 т/ч не окажет существенного влияния.
Рсм.эф> ХГ/м ' _
3
2
I
100 200 О т/ч
Рис. 8. Зависимости влияния производительности по твердому на плотность смеси: 1 - при ртв = 4000 кг/м3; 2 - при ртв = 3000 кг/м3;
3 - при ртв = 2000 кг/м3
В результате исследований установлено, что при изменении плотности твердого на 1000 единиц плотность гидросмеси изменяется в пределах 25 единиц. Данное влияние плотности твердого было учтено на основе добавления в выражение (5) переменной Ь, описываемой законом
Ь = -0,025Рпш + 74. (7)
Окончательно с учетом зависимостей (6) и (7) общее эмпирическое выражение для определения эффективной плотности гидросмеси запишется в виде
Рсмэф = 12951 • а • бт°'53 + 0,025Ртв +1251. (8)
Результаты выполненных исследований позволили построить номограмму для определения рсм эф (рис. 9).
Рсм, кг/м'
1320
11601-------
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 а, м
Рис. 9. Номограмма зависимости плотности смеси от параметров
гидротранспорта
На основе монограммы (см. рис. 9) или уравнения (8) и значений диаметра транспортируемых частиц, плотности и производительности по твердому можно определить эффективную плотность гидросмеси, которая позволит найти рациональное значение объемной концентрации твердого по следующей формуле:
Рсм.эф + р0 Лч
с0.эф =---• (10)
ртв - р0
Таким образом, проведенные исследования процесса гидроподъема минерального сырья позволили установить энергоэффективный режим работы системы гидроподъема и определить зависимости для выбора рациональных параметров гидротранспорта, уменьшающих энергетические затраты на подъем горной массы.
Список литературы
1. Aleksandrov V., Sobota E., Voznjak P. Simulation and Calculation of System Hydraulic Lifting of Minéral coarse Solid Particles from Seabed to the Water Surface // Marine Minerals: Crossroads of Science, Engineering, and the Environment UMI 2005. California US, 2005. P. 8 - 14.
2. Soboty J. IV. Systemy i technologie wydobycia konkreji z dna oceanow. Wroclaw, 2005. 140 p.
3. Сержан С. Л., Медведков В.И. Влияние глубины погружения капсулы с пульпоперекачным оборудованием на эффективность добычи полезного ископаемого морским добычным комплексом // Горное оборудование и электромеханика. 2016. № 3. С. 34 - 42.
4. Александров В.И., Махараткин П.Н., Авксентьев С.Ю. Энергоемкость гидравлического транспортирования крупнодисперсных и мелкодисперсных гидросмесей // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2012. №7. С. 72 - 79.
5. Иванов В.В. Железомарганцевые конкреции рудной провинции Кларион-Клиппертон и гайота Бутакова, Магеллановы горы, Тихий океан: сходства и отличия // Металлогения древних и современных океанов. 2015. №21. С. 79 - 82.
6. Александров В.И. Егоров И.В. Расчет глубины погружения буферной емкости в системах гидроподъема горной массы с морского дна // Горное оборудование и электромеханика // Новые технологии. М., 2015. № 4. С. 37 - 40.
7. Сержан С.Л., Медведков В.И. Особенности энергообеспечения грунтозаборного устройства добычного комплекса для подводной добычи // Горное оборудование и электромеханика. 2014. № 10. С. 23 - 29.
8. Deep-sea Fe-Mn Crusts from the Northeast Atlantic Ocean: Composition and Resource Considerations / Muinos S.B., Hein J.R., Frank M., Monteiro J.H., Gaspar L., Conrad. T., Pereira H.G., Abrantes F. // Marine Georesources & Geotechnology. 2013. No. 31 - 1. P. 40 - 70.
9. Егоров И.В. Рациональные параметры подводного добычного комплекса, определяющие наименьшую энергоемкость гидроподъема горной массы с морского дна // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2016. № 6 (специальный выпуск 19). 12 с.
10. Юфин А. П. Гидромеханизация. М.: Стройиздат, 1974. 223 с.
11. Смолдырев А. Е. Трубопроводный транспорт. М.: Недра, 1980.
293 с.
Егоров Илья Викторович, инженер, egorov ivabk.ru, Россия, Санкт-Петербург, ООО «Линде Северсталь»,
Жабин Александр Борисович, д-р техн. наук, профессор, zhabin. [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Поляков Андрей Вячеславович, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
DETERMINA TION OF RA TIONAL PARAMETERS OF HYDRA ULIC TRANSPORT OF SOLID USEFUL FOSSILS IN THE HYDROPOD-EMA SYSTEM WITH UNDERWATER
STATION
I. V. Egorov, A.B. Zhabin, A. V. Polyakov
The development of the mining industry in the direction of underwater mining of solid minerals requires new studies of hydrotransport of solid mineral raw materials in marine conditions, aimed at reducing the energy costs of hydraulic lifting of solid from the bottom to a mining vessel. The article presents the results of numerical modeling of hydraulic lifting of solid minerals in an underwater mining complex with an underwater station. Numerical modeling made it possible to establish the dependences for determining the rational parameters of hydraulic transport: volumetric solid concentration and density of hydraulic mixtures, which make it possible to increase the energy efficiency of the hydraulic lifting system.
Key words: underwater mining, hydraulic transport, hydraulic system, hydraulic lift, solid minerals, rational parameters of hydraulic transport, underwater station.
Egorov Ilya Viktorovich, engineer, egorov_iv@bk. ru, Russia, St. Petersburg, Linde Severstal LLC,
Zhabin Aleksandr Borisovich, doctor of technical sciences, professor, zhabin. tiilaamail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Polyakov Andrey Vyacheslavovich, doctor of technical sciences, professor, poly-akoff-an@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
