книги / Эксплуатационные характеристики земснарядов с погружными грунтовыми насосами

ны. Поэтому встала задача исследования энергоемкости земсна­ рядов с погружными грунтовыми насосами и разработки реко­ мендаций для снижения удельных энергозатрат. Энергетическое совершенство гидротранспортной землесосной установки можно оценить показателем, представляющим отношение затраченной мощности к производительности земснаряда (по твердому мате­ риалу) Q7.

Аналогичные задачи применительно к гидромониторноземлесосным комплексам решались в последние годы В.И. Шелогановым, целью этих исследований являлось создание энерго­ сберегающих гидромониторно-землесосных комплексов.

Задача определения наиболее экономичных режимов работы грунтового насоса, соответствующих минимальному значению показателя удельных энергозатрат Nq решалась на примере насо­ са Гру 200/63 (см. раздел 3). Кроме этого, для расширения облас­ ти анализа рассматривались варианты с большей глубиной по­ гружения hn грунтового насоса. Подсчет производился следую­ щим образом. По данным графических зависимостей рис. 3.2, 3.3, 3.4 определялись рабочие режимы работы насоса— подачи Q для различных значений консистенции (плотности) гидросмеси. По значениям подачи Q определялись производительности земсна­ ряда по твердому материалу QTвеличины консистенции S и плот­ ности гидросмеси рг. То есть подсчитывались потребляемая насо­ сом мощность Nr и показатель удельной мощности Nv затрачи­ ваемой на единицу перекачиваемого твердого материала. По под­ считанным значениям построены графические зависимости Nq = = Д б т ) (рис. 5.1) и Nq= Дрг) (рис. 5.2) для вариантов погружного (кривая 1) и непогружного (кривая 3) грунтовых насосов. Кроме того, на этом же рисунке приведена часть кривой 2, соответст­ вующей зоне подач, меньших Q = 2100 (т. Б на рис. 3.4), при ко­ торых даже наличие погружного насоса (h„ = 3 м), не обеспечива­ ет бескавитациониой работы, то есть всасывающая линия являет­ ся ограничивающим фактором для работы насоса на гидросмеси с увеличением плотности (консистенции). При большем заглубле­ нии погружного грунтового насоса (например 1гп = 5 м), в соот­ ветствии с кривыми рис. 3.4 всасывающая линия не будет являть­ ся ограничением повышения плотности гидросмеси (кривая 2)

31

Nq, iBTV

Рис. 5.1. Зависимость удельных энергозатрат от производительности зем­

снаряда (грунтовый насос Гру 2000/63:

1 — насос погружной h„ = 3 м; 2 — то же, зона ограничения по всасыванию; 3 — насос непогружной

будет располагаться выше кривой 7). В этом случае, напорный гидротранспорт гвдросмеси с рг> 1300 кг/м3 не может обеспечить стабильную эксплуатацию всей гидротранспортной системы изза снижения скоростей течения в трубопроводах — ниже крити­ ческой.

На рисунках приведены графические зависимости показате­ ля энергозатрат/V? от режима работы насоса — его подачи Q.

В своих работах [33, 34, 35] В.И. Шелоганов предлагает ис­ следовать энергоемкость гидромониторно-землесосных комплек­ сов, рассматривая их как совокупность машин оборудования и процесса гидротранспортирования. Для энергетической оценки работы гидромониторно-землесосных комплексов разработана методика, позволяющая выявить факторы, влияющие на энерго­ затраты и установить направления их снижения.

32

Nq.KBT/W*

рг.т/ч*

Рис. 5.2. Зависимость удельных энергозатрат от плотности гидросмеси (грунтовый насос):

1 — насос погружной h„ = 3 м; 2 — то же, зона ограничения по всасыванию;

3 — насос непогружной (грунтовый насос) Гру 2000/63

Оценку удельных энергозатрат гидромониторно­ землесосного комплекса предлагается производить, исходя из суммы удельных энергозатрат электроэнергии I (кВт-ч/м3): I = 1Р+ + 1Г, где /р и 1Г— удельные расходы электроэнергии соответствен­ но на разработку 1 м3 грунта гидромониторами и на гидротранс­ портирование соответственно. Поскольку для решения постав­ ленной нами задачи интерес представляют затраты на гидро­ транспорт, рассмотрим предложенную в этой работе зависимость для определения /г, которая представляет отношение затраченной мощности к производительности по породе:

г3,610Ч л эб /

где цэ>Tjr — коэффициенты полезного действия электродвигателя и грунтового насоса соответственно. Как видно из приведенной зависимости показатель 1Гявляется функцией параметров грунто­ вого насоса при работе его на гидросмеси.

33

Как известно, в каталогах и справочниках приводятся графи­ ческие характеристики при работе насоса на воде Н - f(Q),

Л =Л 0» ^ = Д 0 , а также ДЛД0П(или Н*™ = f( Q ) ). Все эти харак­ теристики изменяются при переходе с воды на гидросмесь и их можно определить по рекомендациям для каждого значения плотности и крупности твердых частиц гидросмеси.

В разделе 3 даны рекомендации по пересчету этих характе­ ристик. Как было указано в предыдущих разделах применение погружных грунтовых насосов на земснарядах позволяет исполь­ зовать часть напора насоса на всасывании для интенсификации грунтозабора. В этом случае оценку удельных энергозатрат сле­ дует производить с учетом затрат энергии на процесс грунтоза­ бора. В данном разделе проанализируем зависимость удельных энергозатрат земснаряда на гилротранспортирование; учету энер­ гозатрат в грунтозаборном устройстве будет посвящено специ­ альное исследование. Для оценки удельных затрат электроэнер­ гии земснаряда с погружным грунтовым насосом на гидротранс­ портирование введем показатель удельной энергоемкости Nq ана­ логично показателю /г в рассмотренной выше работе [34]. Одна­ ко, учитывая, что при определении параметров грунтового насо­ са, работающего на гидросмеси, необходимо в каждом конкрет­ ном случае пересчитывать их с данных на воде, предлагается за­ висимость показателя Nq в функции параметров насоса при рабо­ те на воде Я0, t|0, N0, которые приводятся во всех каталогах (ин­ дексы относятся к параметрам на воде). В соответствии с реко­ мендациями работы [5] мощность насоса при работе на гидро­ смеси Nr увеличивается по сравнению с мощностью на воде (при той же подаче насоса 0 пропорционально отношению плотно­

стей Гили удельных весов) гидросмеси и воды— , то есть мощ-

Ро

ность насоса при работе на гидросмеси равна:

Ро О^оРэ

где <Xi — переводной коэффициент единиц изменения.

34

Тогда показатель удельной энергоемкости

плотность твердой фракции), то

Как видно из формулы, зависимость удельных энергозатрат от плотности перекачиваемой гидросмеси не является очевидной, так как при изменении плотности рг изменяется режим работы грунтового насоса — подача Q и соответствующие ей значения напора # 0 и кпд Т|0. Поэтому аналитическое решение задачи на минимум величины Nq, то есть

лг,_4^лрг)]_о

*Рг

возможно лишь при известных аналитических зависимостях изменения подачи Q, и следовательно напора Я0 и т|0 от плотности гидросмеси рг. В связи с тем, что в настоящее время не существует аналитических зависимостей Q = Дрг), Я = Д 0 , т\0 = f (Q), нами предлагается решение задачи на минимум показателя Nq

35

графическим путем. Зная величины плотности гидросмеси рГ) производительность земснаряда QT, подачи насоса Q, соответствующие минимуму удельных энергозатрат, можно установить рациональный режим работы насоса, то есть его подачу Q, при которой грунтовый насос будет работать с минимальными удельными энергозатратами. При этом производительность земснаряда Qr может не соответствовать его возможной максимальной производительности QT.max, а подача насоса Q будет отличаться от номинальной подачи (указанной в каталогах и стандартах) и от оптимальной подачи Qom (соответствующей максимальному значению кпд насоса, см. рис. 3).

На рис. 5.3 и 5.4 приведены графические зависимости пока­ зателя удельных энергозатрат от производительности земснаряда <2т (рис. 5.3) и плотности гидросмеси рг (применительно к грун­ товому насосу Гру 1600/63). Из приведенных графиков ясно вид­ но, какой производительности QT и плотности гидросмеси рг со­ ответствуют минимумы удельных энергозатрат.

Анализ приведенных выше графических зависимостей по­ зволяет сделать следующие выводы:

1. Удельные энергозатраты постоянно снижаются при увели­ чении плотности перекачиваемой гидросмеси до рг = 1300— 1400 кг/м3. Причем наиболее интенсивное снижение удельных энерго­ затрат происходит при повышении плотности начиная с рг = 1250 кг/м3. Следует отметить, что полученные данные, во-первых, подтверждают известное положение об экономичности работы на гидросмесях с повышенной консистенцией, во-вторых, достаточ­ но хорошо корреспондируются с результатами исследований В.И. Шелоганова [35], Так, в случае гидромониторно-землесосного комплекса наиболее интенсивное снижение удельных энергоза­ трат на гидротранспорт происходит при увеличении плотности до рг = 1200— 1300 кг/м3.

2.При дальнейшем увеличении плотности гидросмеси рг £

>1250 кг/м3 происходит выполаживание графических зависимо­

стей Ng = /(рг)» без существенного изменения показателя Nq (см.

.график рис. 5.2). В соответствие же с графиком рис. 5.4 дальней­ шее повышение плотности рг> 1450 приводит к снижению пока­ зателя удельной энергоемкости Ng. Такие же тенденции просле­ живаются в результатах исследований В.И. Шелоганова [35].

36

L .

Рис. 5.3. Зависимость удельных затрат от производительности земснаряда (грунтовый насос Гру 1600/63)

3. Режим работы насоса Гру 2000/63, соответствующий мак­ симальной производительности земснаряда бт.тах (рис. 5.1 и 5.2) (в данном случае Qr.max = 250 м3/ч) не является оптимальным с

точки зрения энергосбережения. Так, минимальные удельные за­ траты соответствуют плотности гидросмеси > 1300 кг/м'’, в то время как максимальная производительность имеет место при ПЛОТНОСТИ рг = 1210 КГ/М3. ТаКИМ обраЗОМ бт.тах < бопт» ГДе боггг соответствует режиму работы с минимальными удельными энер­ гозатратами.

4. Такое положение, когда бт.тах < бот обусловлено не толь­ ко ограничивающими факторами, исходя из возможностей на­ порной гидротранспортной и всасывающей способности земсна­ ряда, но, главным образом, снижением скоростей течения в тру­ бопроводе, которые могут оказаться ниже критических скоро­ стей, особенно для гидросмесей с повышенными значениями консистенции S и плотности рг.

37

Nq, кВт/M1

pr, кг/м3

Рис. 5.4. Зависимость удельных энергозатрат от плотности гидросмеси (грунтовый насос Гру 1600/63)

Несмотря на то, что режим работы насоса, соответствующий минимальным значениям удельных энергозатрат является недогрузочным режимом для насоса, то есть Q < Qom, при котором его кпд существенно ниже, чем КПД рекомендуемых режимов работы, суммарные удельные энергозатраты становятся сущест­ венно ниже. Таким образом, влияние снижения коэффициента полезного действия грунтового насоса на удельные энергозатраты значительно меньше, чем повышение консистенции гидросмеси.

6. Ограничивающим фактором при работе на пониженных подачах грунтового насоса, но с повышенной консистенцией, яв­ ляется не снижение кпд грунтового насоса, а снижение скоростей течения гидросмеси в трубопроводе (особенно во всасывающем,

38

если dK > dH. Поэтому при оценке рациональных режимов работы грунтового насоса необходимо проверять скорости течения гид­ росмеси в трубопроводе с тем, чтобы v > vhl).

7. Рекомендации по рабочим режимам грунтовых насосов, указанные в каталогах и справочниках (волнистые линии на на­ порной характеристике насоса рис. 3.1) для погружных грунто­ вых насосов следует несколько пересмотреть.

Рассмотрим более подробно последний вывод (7). Как из­ вестно в стандартах и каталогах указываются основные характе­ ристики грунтового насоса при его работе на воде — его подача и напор, которые называются обычно номинальными показателями и вводятся в название насоса, например насос Гру 200/63 (то есть подача QH= 2000 м3/ч, напор #„ = 63 м). Как правило, в грунто­ вых насосах эта подача не совпадает с подачей, соответствующей максимальному значению КПД насоса (последняя обычно назы­ вается оптимальной подачей QonT). Кроме того, в каталогах ука­ зывается рекомендуемая рабочая зона подач (на рис. 3 она указа­ на двумя волнистыми линиями). Граница малых подач Q < Q,, режим недогрузки устанавливается обычно, исходя из значений КПД насоса, чтобы обеспечить экономичный режим эксплуата­ ции насоса. Граница повышенных (перегрузочных режимов) ус­ танавливается, исходя из двух положений: значений кпд насоса и допустимого кавитационного запаса Ahm\ который резко возрас­ тает при повышении подачи. Статистический анализ сущест­ вующих грунтовых насосов показывает, что рекомендуемые ми­ нимальные и максимальные значения подач находятся примерно в следующем соотношении с £ |ЮМ: <2min = 0,6 QHи Qmx = 1,4 QH. Как было указано выше, снижение КПД на режимах пониженных подач не оказывает практически влияния на показатель удельных энергозатрат Nq при повышенных значениях плотности перекачи­ ваемой гидросмеси. В связи с этим при применении погружных грунтовых насосов экономически обоснована их эксплуатация на режимах <2раб ^ 0,6 QH. Ограничением в снижении рабочей подачи менее указанного является обязательное условие обеспечения ра­ боты трубопроводов в незаиляющем режиме. Применительно к рассматриваемому насосу 2000/63 для грунта категории 1П [8] — крупнозернистые пески с содержанием гравия до 10 % и конси-

39