Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние проблем при подводной разработке твердых полезных ископаемых 10
1.1 Общие сведения о твердых полезных ископаемых, залегающих на глубине 10
1.2 Анализ существующих технических средств для подводной добычи... 19
1.2.1 Механические машины для подводной добычи 20
1.2.2 Механогидравлические и гидравлические машины 24
1.3 Комплексы для подводной добычи с промежуточной капсулой 34
1.4 Капсула с пульпоперекачным оборудованием 42
1.5 Выводы, цель и задачи исследования 43
ГЛАВА 2 Теоретическое исследование процесса добычи конкреций с донной поверхности 46
2.1 Физическая модель морского добычного комплекса 46
2.2 Математическая модель системы гидравлического подъема 48
2.3 Энергоёмкость гидроподъёма конкреций от погруженной капсулы до рудосборника с учётом энергозатрат на приготовление гидросмеси 57
2.4 Обоснование рациональных параметров грунтозаборного устройства. 64
2.4.1 Обоснование повышения производительности грунтозаборного устройства 64
2.4.2 Обоснование типа рабочего органа грунтозаборного устройства... 67
2.4.3 Особенности расчета двигателя рабочего органа грунтозаборного устройства в условиях подводной добычи 81
2.5 Основные выводы по теоретическому исследованию
ГЛАВА 3 Экспериментальные исследования местных сопротивлений объемного гидродвигателя 90
3.1 Обоснование типа приводных двигателей придонного оборудования и способа их энергопитания 90
3.1.1 Приводные двигатели 90
3.1.2 Энергообеспечение придонного оборудования 95
3.2 Конструкция объемного гидродвигателя 100
3.3 Определение влияния коэффициента сброса на параметры струеформирующего устройства 104
3.3.1 Особенности определения необходимого напора насоса 104
3.3.2 Методика эксперимента 111
3.3.3 Обработка экспериментальных данных 115
3.3.4 Анализ экспериментальных данных 122
3.4 Выводы по экспериментальному исследованию 125
ГЛАВА 4 Технико-экономические показатели работы добычного комплекса и предлагаемые технические решения 126
4.1 Совершенствование конструкции гидродвигателя 126
4.2 Результаты испытаний объёмного водяного гидродвигателя 128
4.3 Технико-экономические показатели комплекса 134
Заключение 138
Список литературы
- Механические машины для подводной добычи
- Капсула с пульпоперекачным оборудованием
- Обоснование повышения производительности грунтозаборного устройства
- Особенности определения необходимого напора насоса
Механические машины для подводной добычи
Работа канатно-скреперной установки заключается в следующем: скрепер 5, соединенный гибким тяговым органом с лебедкой 2 экскаватора 1 протаскивается по дну, зачерпывая полезные ископаемые. Перемещение производится в сторону берега, где расположен экскаватор 3. Таким образом, можно сказать, что у установки такого типа рабочий орган (скрепер) выполняет как функцию добычи, так и транспорта. Существуют также конструкции установок, у которых лебедка выполнена в виде стационарной установки [27,29]. Отметим, что производительность таких канатно-скреперных установок невелика, ввиду периодичности ведения работ и необходимости перемещения порожнего скрепера обратно к месту добычи. Так же недостатком является глубина разработки, которая не превышает 5-10м [82]. Существуют скреперные драги, позволяющие вести добычу ПИ с очень больших глубин, однако, они используются, в основном, в геологоразведочных целях [25].
Основной проблемой добычи ПИ с помощью скреперных установок является перенос концевого блока по дну моря. Решением этой проблемы стали различные специальные конструкции скреперов, имеющие колесный привод [38], специальные лыжи, обтекаемую форму и крылья различной конструкции [82,27,29]. Существуют различные усовершенствования указанной выше конструкции скреперной установки, например, использование скрепера оригинальной конструкции, имеющего барабанный исполнительный орган с перфорацией [79], или использование вместо экскаватора (или стационарной лебедки, установленной на берегу) специально оборудованного плавсредства, ковша уникальной конструкции, а так же систему буев, позволяющих добывать ТПИ вдалеке от берега [81].
Следующий вид механических механизмов - грейферные драги; общий вид грейферной драги представлен на рис. 1.5.
Принцип работы грейферной драги схож с принципом работы скреперной драгой. Разница заключена непосредственно в рабочем органе: грейфер для зачерпывания и поднятия ПИ на поверхность не нуждается в протаскивании по дну. Описать конструкцию можно следующим образом: на плавсредестве монтируется кран (например, башенный), который, собственно, и осуществляет подъемно-опускные операции грейфера. Поднятое полезное ископаемое выгружается на судне в специальный отсек (трюм), после чего грейфер опускается на дно для продолжения добычи. Для увеличения производительности на плавательном судне могут быть установлены несколько кранов и, соответственно, несколько грейферов. Современные грейферы имеют производительность, достигающую 250м3/ч при глубине разработки до 75м [27,29].
Известны так же многочерпаковые драги [27,29,65,40,93] (рисунок 1.6). Принцип работы такой драги следующий: рабочий орган (состоящий из черпаковой цепи с закрепленными на ней ковшами и черпаковой рамы) опускается на заданную глубину, где происходит добыча полезного ископаемого при горизонтальном перемещении черпаковой рамы. Как и в вышеуказанных добычных устройствах, функция добычи и транспорта совмещены. Ковши поднимают ПИ на поверхность и выгружают в трюм судна.
Производительность такой драги может достигать 200м3/час, глубина разработки - до 40м. Однако, имеются значительные недостатки, такие как: невозможность работать в открытых акваториях и при сильных волнениях моря, значительное увеличение металлоемкости драги при увеличении глубины разработки, сильное снижение производительности при добыче полезных ископаемых высокой твердости.
Увеличение глубины разработки достигнуто в опытной установке [27,29], разработанной в 1970 году японской компанией Sumitomo. Такая система представляет механический способ добычи, основанный на использовании многочерпаковой канатной системы со свободно двигающейся по дну океана петлей. Установка была испытана в Тихом океане на глубине 4500 м; при этом мощность лебедок составляла всего 22 кВт. Ковши черпали донные отложения и восходящей ветвью поднимались на палубу для разгрузки. Испытания дали положительный результат. Однако, недостатком этой системы стал низкий коэффициент заполнения ковшей, который составлял 25-30%, иногда доходил до 60%. После положительных результатов испытаний данная система была усовершенствована: была увеличена глубина разработки, емкость ковшей, и тем самым производительность системы.
Однако общий недостаток всех канатно-ковшовых устройств - плохое заполнение ковшей из-за их свободного протаскивания по дну, и как следствие, низкое качество отработки донных участков месторождения [82].
Капсула с пульпоперекачным оборудованием
Производительность и энергопотребление добычного комплекса с погруженной под уровень капсулой зависят от ординаты её погружения Н\ по рисунку 1.12. С увеличением Н\ растёт скорость доставки конкреций (корок) по нижнему пульповоду до капсулы и удельный расход, что при сохранении заданной производительности комплекса по массе ПИ приводит к росту расхода электроэнергии по доставке ПИ от капсулы до рудосборника по верхнему пульповоду, которая осуществляется грязевыми насосами с приводом от электродвигателей. Кроме того, неверный монтаж капсулы может привести к выпадению твёрдого в осадок и к прекращению работы комплекса. Следовательно, определение величины погружения капсулы в комплексах этого типа является актуальной задачей.
Установлению ординаты погружения Н\ капсулы посвящена часть работы [18]. С этой целью предложено уравнение «энергетического баланса»: где: с - средняя скорость движения пульпы, humax- максимальное значение потерь напора в нижнем пульповоде, Н - глубина моря в районе добычи, р- плотность воды, рсм - плотность пульпы.
Здесь нет учёта таких факторов, как критическая скорость пульпы в нижнем пульповоде, производительность комплекса по массе, удельный расход воды на транспортировку ПИ, концентрация ПИ в гидросмеси и др. И нет возможности управлять процессом выбора оптимального погружения капсулы, т.к. входящие в это уравнение исходные величины не показаны.
С учётом сказанного в настоящем исследовании сделана попытка получить иной расчётный аппарат по установлению глубины погружения капсулы в соответствии с геологическими характеристиками района добычи ПИ и производственными нагрузками на комплекс.
Наиболее перспективными подводными ТПИ являются железомарганцевые конкреции, кобальт марганцевые корки и глубинные полиметаллические сульфиды. Однако, наиболее выгодной является разработка месторождений ЖМК. Месторождения этих ископаемых в разном объеме присутствуют как на шельфах РФ, так и в глубоководных участках океана, а их запасы очень значительны.
Существующие технологии и средства добычи ТПИ (ЖМК в частности) не являются в полной мере эффективными и не всегда отвечают современным требованиям безопасности, производительности, энергоэффективности, экологичности.
Известные средства для подводной добычи ТПИ выполняют (в основном) две функции: отделение от массива полезного ископаемого и его транспортировка на рудосборник (иногда может иметь место дополнительная функция - частичное обогащение). Эти функции выполняются механизмами, которые делятся на механические и гидравлические. Наиболее эффективной технологией для подводной добычи является разделение этих функций, причем отделение от массива осуществляется механическим способом, а поднятие на поверхность - гидравлическим (гидроподъем).
Известны глубоководные комплексы, в состав которых входит промежуточная подводная капсула с атмосферным давлением, вводимая в процесс добычи с целью снижения энергозатрат на этапе гидроподъёма ПИ. Величина ординаты погружения этой капсулы влияет как на эффективность процесса гидротранспорта пульпы, так и на общую эффективность работы комплекса, что приводит к необходимости ее определения, что является актуальной задачей.
Рабочий орган грунтозаборного устройства такого комплекса в виде барабана с резцами - рыхлителями и встроенного в него привода в форме осевой многоступенчатой турбины имеет недостатки, например, низкие производительность, перегрузочную способность турбины и высокий уровень загрязнения окружающей среды. Разработка более эффективного привода РО и самой конструкции РО - актуальная задача.
Целью диссертационной работы является повышение производительности грунтозаборного устройства и снижение энергоемкости процесса добычи конкреций с морского дна за счёт использования в качестве источника энергии гидростатического давления, определяемого глубиной расположения промежуточной капсулы, и совершенствования конструкции грунтозаборного устройства с гидроприводом.
Обоснование повышения производительности грунтозаборного устройства
Придонное оборудование должно выполнять следующие основные функции, реализуемые посредством двигателей: - Вращение исполнительного органа, отделяющего ПИ от дна (создание момента резания и угловой скорости РО). - Поворот стрелы исполнительного органа в горизонтальной плоскости (усилие подачи и скорости подачи). - Подъем/опускание стрелы исполнительного органа (забуривание РО в пласт). - Приведение в движение гусениц самоходной тележки (перемещение придонного оборудования по дну).
Можно использовать различные типы двигателей, подходящие для реализации указанных функций, например, турбодвигатель - на основе многоступенчатой осевой турбины [53, 86] или на основе радиальной гидротурбины [48], электродвигатель, объёмные гидродвигатели масляный или водяной [57], пневмодвигатель.
Двигатель исполнительного органа должен обеспечивать необходимые рабочие параметры такие как: угловая скорость вращения (Duo, крутящий момент Мио и эффективную мощность ТУэф. Так же он должен быть надежен при работе в морской воде под давлением и быть компактным (иметь минимально возможный диаметральный размер корпуса А«,р) для обеспечения условий гидротранспортирования конкреций и корок максимальной крупностью 8тах=100мм по кольцевому каналу, образованному двигателем и защитным кожухом (см.рисунок 2.14).
Заметим, что с ростом диаметра L\ov при Smax=const будет увеличиваться площадь сечения кольцевого канала, а это приведет к необходимости увеличивать расход для достижения критической скорости в соответствии с указанной в 2.4.2 зависимостью ук,факт= Q/Sk. Рост же расхода увеличит скорость в пульповоде (при неизменном его диаметре) и, следовательно, увеличит потери напора в транспортной линии.
Двигателем исполнительного органа теоретически может быть любой из указанных выше. Однако пнеемодеигатель меньше всего подходит для условий подводной добычи и предъявляемым требованиям. Это объясняется, в первую очередь, низким значением КПД, который в редких случаях достигает 30%; во-вторых, пневмодвигатель не обладает достаточной степенью компактности, его размеры в среднем превышают гидравлические аналоги примерно в 5-10 раз; в-третьих, сложности применения пневмодвигателя при больших давлениях в системе (обычно давление не превышает 1МПа), и, как следствие, недостаточное усилие на РО, по сравнению с гидро двигателем и электродвигателем. Основные преимущества пневматических двигателей такие как: пожаро- и взрывобезопасность, возможность развития значительной частоты вращения (более 10000 об/мин) при подводной добыче ТПИ с помощью ГЗУ не являются актуальными. [13,83]
Электродвигатель имеет самое высокое значение КПД, которое может превышать 90% (положительное качество). Но выбор его для вращения ИО приведет к необходимости применения редуктора, понижающего частоту вращения и увеличивающего Мио. При этом из-за потерь в редукторе общий КПД узла, состоящего из двигателя и трансмиссии, снизится (отрицательное качество). Заметим, что диаметр электродвигателя изначально превышает диаметр объемного гидродвигателя такой же мощности примерно в 3 раза (отрицательное качество). [20]
Кроме того, морская вода, окружающая придонное оборудование, требует применения электродвигателя в «морском» исполнении со специальными уплотнениями, однако в таком исполнении КПД будет ещё снижен по отношению к типовому исполнению и будет составлять меньше 80% (ослабление положительного качества). С учетом необходимости установки механической трансмиссии величина общего КПД может стать сопоставимой с КПД, получаемым при использовании объемного гидродвигателя. Электродвигатель имеет значительный маховый момент и, следовательно, момент инерции, а так же жесткую механическую характеристику, что является положительным качеством при резко переменных нагрузках на ИО.
Объемные гидродвигатели [13,83]. Рабочей жидкостью объемных машин служит масло, однако возможно использование и воды, но при понижении КПД двигателя. При использовании масляного типа гидродвигателя КПД будет в диапазоне 70-90%, а при водяном исполнении не более 70%. Возможность работы двигателя при высоком давлении (по крайней мере, до 32МПа) позволяет создать значительный крутящий момент на валу по сравнению с пневмодвигателем и турбодвигателем и, как следствие, исключает применение редуктора. Жесткость механической характеристики позволяет использовать объемный высокомоментный гидродвигатель в условиях добычи ПИ, характеризующихся динамическими случайными нестационарными нагрузками наИО [41,78].
Турбодвигатели в качестве рабочей жидкости использую воду, именно поэтому их применение в условиях подводной добычи видится достаточно актуальным решением. Но их общий КПД обычно не превышает 50%. Турбодвигатели менее компактны и по радиальному размеру превышают объемные двигатели. Ввиду небольшого давления, при котором работает турбина, создание соизмеримого с объемным аналогом крутящего момента на ИО может быть достигнуто путем установки редуктора или увеличения длины и диаметра. Мягкая механическая характеристика и, как следствие, склонность к опрокидам не позволяет использовать турбину при переменных нагрузках без применения маховика
Особенности определения необходимого напора насоса
Этот двигатель в экспериментальном исполнении был установлен на стреле рабочего органа комбайна К56мг (рисунок 3.1) и испытан в 1989 году в шахте Заречная ПО Ленинскуголь Кемеровской обл. При этом входной напор на двигатель составил 300 м вод.ст., мощность потока - 100кВт, следовательно, полезная мощность достигала примерно 50 кВт. У заменённого электродвигателя паспортная мощность была 45 кВт. Гидродвигатель работал безотказно в течение 10-ти рабочих смен при проведении по углю крепостью 1,2-1,3 (по М.М. Протодьяконову) 50-ти метров нарезной выработки средним сечением 6м2 и был рекомендован приёмочной комиссией к производству опытной партии после устранения замеченных недостатков (низкий уровень КПД).
Располагаемая мощность нового насоса по рисунку 4.3 в зоне действия характеристики двигателя А равна 80...85 кВт. Увеличение КПД двигателя при работе на воде, например, до 60% (рисунок 4.4) за счёт снижения объёмных и гидромеханических потерь (п. 4.1) приводит к достижению расчётной мощности 60 кВт при давлении примерно ЗМПа.
Эта серия испытаний показала принципиальную жизнеспособность двигателя типа ДМ при питании от центробежного насоса (не в лучших условиях энергопитания). И об аналогичной схеме энергопитания говорится в3.1.
Но использование вместо лопастного насоса (на рудосборнике) насоса объёмного типа позволит стабилизировать работу гидродвигателя придонного оборудования в части поддержания постоянной частоты вращения при переменных нагрузках на насос маслостанции. И поскольку при этом последний насос будет поддерживать постоянным расход, гидродвигатель исполнительного органа будет иметь примерно постоянную частоту вращения, что повышает надёжность всей гидравлической системы придонного оборудования.
Технико-экономические показатели комплекса Применение добычного комплекса с промежуточной капсулой для добычи подводных твердых полезных ископаемых имеет достаточно преимуществ, в частности увеличивает эффективность добычи путем снижения удельных затрат энергии при поднятии на поверхность гидросмеси.
Основным параметром, влияющим на эффективность работы комплекса, является ордината заглубления капсулы. По предложенной в работе математической модели определим этот параметр, а так же оценим эффективность работы комплекса при различных глубинах акватории в диапазоне 50 - 300м. Для примера представлен алгоритм расчета для глубины 120м.
Исходные данные: Н\= 120м - глубина акватории в месте добычи ТПИ R= 100м - радиус обрабатываемого поля D= 0,25м - диаметр трубопровода, транспортирующего гидросмесь = 5м - длина одной секции шарнирно -сочлененного трубопровода 135 A= 0,02 - коэффициент гидравлического трения = 1,76 - местные потери напора в одном шарнирном соединении рт= 2,1т/м3 - плотность добываемых ТПИ (ЖМК в шельфовой зоне) pw= 1,03т/м3 - плотность морской воды т= 0,25 - пористость ЖМК Gm= 320т/час= 0,089т/с - производительность ГЗУ по массе С= 0,45 - коэффициент лобового сопротивления d= 50... 100мм - крупность добываемых ТПИ (ЖМК в шельфовой зоне) г/нг = 0,6 - КПД грунтового насоса т]э = 0,9 - КПД приводного электродвигателя насоса Определим коэффициенты К1...К4.
При установке капсулы с атмосферным давлением на такой глубине будет выполняться условие гидроподъема (2.3) фракций заданной крупности.
Таким образом, подъем заданного количества горной массы (ЖМК) на высоту 68,4м осуществляется за счет сработанного гидростатического напора, затраты энергии для которого отсутствуют. Для поднятия гидросмеси из капсулы на плавсредство используются грунтовые насосы. Мощность насосной установки определяется по формуле (2.28):
Эффективность применения капсулы можно оценить следующим образом: при ее отсутствии насосная установка должна поднять гидросмесь на высоту акватории в зоне добычи (120м). Тогда мощность установки составит порядка 2730 кВт. А энергоемкость процесса возрастет до 8,5 , что в 4,9 раз больше, чем при условии использования капсулы. В диапазоне глубин шельфа (50-300м) значения энергоемкости процесса добычи комплексом при использовании капсулы и без нее представлены в таблице 4.2, по результатам которой представлена графическая зависимость (рисунок 4.6).