Содержание к диссертации
Введение
I. Анализ и синтез структуры объекта исследования
1.1. Характеристика объекта исследования .
L1.1. Схемы трубопроводного гидротранспорта
1.1.2. Хараюперистикаусловий эксплуатации
1.2. Методы оптимизации технических систем
1.2.1. Способы оптимизации техничесіаїх систем .
1.2.2. Методы определения оптимальных параметров систем гидротранспорта .
1.3. Методология исследования
1.4. Цель, задачи и методология исследования
IS Выводы .
II Формирование гидротранспортной системы на основе системного подхода .
2.1. Функциональный анализ систем трубопроводного гидротранспорта
2.1.1. Содержание функционального подхода при построении модели
2.1.2. Функциональный состав гидротранспортной системы
2.1.3. Структурная модель гидротранспортной системы
2,2. Обоснование и выбор комплекса характерных параметров
2.3. Методика формирования структуры транспортной системы .
2.4. Выводы
Построение математической модели функционирования гидротранспортной системы .
3.1. Унифицированный модуль математической
модели системы .
3.2. Модуль узла пульпоподготовки ...
3.3. Модуль узла линейной части ...
3.3.1. Насосный агрегат .
3.3.2, Напорный трубопровод . 145
3.3.3, Обоснование методики гидравлического расчета . 152
3.3.4. Исследование процессов изнашивания трубопроводов 155
ЗА. Описание процессов в хвостохранилище . 165
3.5. Математическая модель процесса функционирования гидротранспортной системы . 174
ЗЛ Выводы 178
IV. Критериальная модель гидротранспортной системы 180
4.1. Обоснование комплекта критериев оптимальности . 180
4.1.1. Эволюционный критерий оценки эффеюпивности ГТУ 184
4.1.2. Выбор критериев оценки эффективности ГТУ , 185
4.2. Критериальная модель проектируемой установки 186
43. Критериальная модель эксплуатируемой гидротранспортной установки . 209
4,4. Выводы 212
V. Имитационная модель ГТУ . 214
5.1. Система мониторинга гидротранспортных установок . 214
5.1.1. Организация мониторинга . 214
5.1.2. Контрольно-измерительный комплекс . 217
5.2. Алгоритм оптимизации гидротранспортных установок 224
5.3. Оптимизация режимов работы ГТУ
обогатительной фабрики Уданнинского ГОКАКАЛРОСА 226
5.3.1. Особенности условий эксплуатации ГТУ . 228
5.3.2. Экспериментальные исследования параметров ГТУОФМ12 232
5.3.3. Выбор методики гидравлического расчета ГТУ . 238
5.3.4. Расчет оптимальныхреоісимов эксплуатации ГТУ . 240
5.4. Анализ результатов оптимизации режимов работы . 242
Заключение . 247
Литература
- Способы оптимизации техничесіаїх систем
- Функциональный состав гидротранспортной системы
- Исследование процессов изнашивания трубопроводов
- Алгоритм оптимизации гидротранспортных установок
Введение к работе
В настоящее время в России весьма актуальна проблема повышения эффективности процессов перевозки грузов и в конечном итоге -конкурентоспособности производимой продукции. В горной промышленности одним из наиболее перспективных способов транспортирования является трубопроводный гидротранспорт. Чаще всего он используется при транспортировании руды и угля, продуктов и отходов их обогащения, продуктов сгорания твердого топлива, строительных материалов и т.д. По оценкам специалистов [13,42 (Г)] ежегодно в мире транспортируется по трубопроводам около 3 млрд. т сыпучих грузов, в том числе в нашей стране — около 1.0 млрд. т. Практика показывает, что гидротранспортные системы экономичны не менее, чем газо- и нефтепроводы. Экономически уже выгоден гидротранспорт при годовой производительности 100 тыс. т концентрата руд цветных металлов и железорудного концентрата - 1 млн. т. В Кузбассе и других промышленных районах экономически оправдан гидротранспорт рядового энергетического угля и угольного концентрата на десятки, сотни и даже тысячи километров (трубопровод Белово - ТЭЦ-5 г. Новосибирск).
Исследованиями отечественных и зарубежных специалистов доказана техническая возможность и экономическая целесообразность магистрального транспорта угля по трубопроводам. Углепроводы, по сравнению с железнодорожным транспортом, обладают рядом преимуществ: непрерывностью и равномерностью потока, постоянством (усреднением) качества доставляемого продукта, независимостью работы от условий погоды и отсутствием негативного влияния на окружающую среду и потерь продукта при транспортировании. Кроме того, они обладают значительной пропускной способностью при небольшом количестве обслуживающего персонала и высоким потенциалом автоматизации транспортных и погрузочно-разгрузочных операций.
Исследованиями [116,194] установлено влияние производительности
и расстояния транспортирования на удельные эксплуатационные затраты
(таблица 1).
Таблица 1. Удельные эксплуатационные затраты на гидротранспорт
^__ (в у.е. на 1 т/км угля).
В этих же работах показано влияние дальности транспортирования на капиталовложения и эксплуатационные издержки в системах трубопроводного транспорта водоугольных суспензий при пропускной способности углепровода 10 млн. т в год, концентрации угля - 70 %, скорости течения 0,9 м/с и удельных потерях напора по длине - 64,26 кПа/км (таблица 2).
Таблица 2. Экономические показатели углепроводов
В 1987 г. Совмином СССР утвержден проект строительства трубопровода Белова-Новосибирск с мощностью по переработке до 3 млн. т угля в год. Сметная стоимость строительства пускового комплекса мощностью 1,2 млн. т в год составляла 127,4 млн. руб. (в ценах 1984 г.). Однако, по разным причинам до сих пор устойчивая эксплуатация этого углепровода с диаметром труб 530 мм и протяженностью 262 км не достигнута.
США. располагают практическим опытом сооружения и эксплуатации углепроводов большой протяженности. В период 1957-1963 гг. в штате Огайо действовал углепровод протяженностью 175 км и
пропускной способностью 1,2 млн. т угля в год. В 1970 г. построен второй углепровод "Black Mesa" протяженностью 440 км и грузопотоком 4,8 млн. т угля в год [195]. Этот трубопровод обслуживают примерно 50 человек, работающих в три смены.
В различных штатах США спроектированы углепроводы общей протяженностью порядка 20 тыс. км суммарной пропускной способностью 250 млн.т в год . Характеристика этих углепроводов приведена в таблице 3.
Таблица 3
Все проекты находятся на различных стадиях реализации по причинам территориально-правового характера и противодействия железнодорожных компаний.
В Канаде фирма "TKV Construction" планирует сооружение углепровода диаметром 590 мм и протяженностью 233 км от шахт г. Голд Леик, провинция Альберта, до ТЭС в г. Эдмонтон. Проектная стоимость углепровода 81 млн. канадских долл. Фирма "Celanese" разработала проект углепровода "Trans Mountain Pipeline" от пяти новых шахт к западным
канадским портам. Его пропускная возможность должна составить 10,2 млн. т угля в год, протяженность - 1287 км, проектная стоимость - 2 млрд. канадских долл [18,30,79].
Во Франции фирма "Nevtec" намерена сооружать углепровод пропускной способностью 0,33 млн. т угля в год и протяженностью в 7,2 км от завода по подготовке угля в г. La Yauve до ТЭЦ в г. Emile. Зальгиттер для сталелитейных заводов (протяженность - 220 км, пропускная способность - 3-4 млн. т в год).
Итальянская фирма "Tesle Montalcone" участвовала в сооружении углепровода из Польши в Австрию. Его длина 400 км, пропускная способность - 5 млн. т в год.
В КНР с привлечением компании "Becktelmternational Service Inc" запроектирован углепровод с пропускной способностью 30 млн. т угля в год от шахт Чжунге-эр к крупным ТЭС в городах Циньхуандао, Цэисянь, Чжанцэяшшу и Даиго и к порту Циньхуандао. Проектная стоимость - 2 млрд. долл.
В Индии строится углепровод протяженностью 100 км с пропускной способностью 26 млн.т угля в год. Проектная стоимость углепровода - 100 млн.долл. Этот углепровод станет первым этапом создания в Индии крупного углепровода Бихар-Пенджаб, протяженность которого 2500 км.
Основные средневзвешенные (для различных стран) технико-экономические показатели в сравнении с существующими транспортными системами [76, 97,151,172] представлены в таблице 4.
Таблица 4, Основные средневзвешенные показатели транспортных систем при пассажиропотоке свыше 1000 пасс./ч и грузопотоке свыше 1000 т/ч
Экологические показатели
Основные средневзвешенные (для различных стран) экологические показатели в сравнении с существующими транспортными системами представлены в таблице 5.
Таблица 5.
Основные средневзвешенные показатели транспортных систем при пассажшропотоке свыше 1000 пасс/ч и грузопотоке свыше 1000 т/ч
* пересчитано из расчёта 1 литр бензина = 8,78 кВт часа электроэнергии ** трасса с инфраструїсгурой
*** в виде разливов нефти и нефтепродуктов, выброса природного газа **** оценка по аналогии с другими видами транспорта
Трубопроводы широко применяются для гидротранспорта отходов обогащения горнообогатительных комбинатов, для золопшакоудаления на тепловых электростанциях, для перемещения огромных масс грунта при строительстве гидротехнических сооружении. Такой транспорт снижает себестоимость перевозок по сравнению с ленточными конвейерами в 1.5 -2 раза, с железнодорожными перевозками на короткие расстояния - в 2.5 -4 раза, с автотранспортом — в б - 8 раз.
Таблица 6. Характеристика некоторых действующих пульпопроводов
Традиционно в качестве несущей жидкости используется вода. В последние годы обсуждается вопрос о выборе новых видов носителей, что связано с дефицитом воды в районах добычи минерального сырья, необходимостью ее последующей очистки и осуипси транспортируемых материалов. Для устранения этих недостатков предлагаются различные решения [138]. Так, в США использовались в качестве носителя природные воды с большим содержанием солей, непригодные для использования в быту (например, морскую воду, засоленные грунтовые воды и т.п.), предварительно повысив в них концентрацию солей с таким расчетом, чтобы носитель имел плотность до 1.2 кг/м . Благодаря тому, что плотности носителя и частиц станут более близкими, осаждение транспортируемого материала будет затруднено.
В Австралии разработана технология транспортировки угля совместно с водой, маслом и небольшим количеством присадок. Перед смешением уголь размалывают. Достоинством этой технологии является то, что в процессе последующего движения по трубопроводу вода вымывает породу, а уголь с маслом и присадками образует гранулы. Теплотворная способность гранулированного угля на 20% выше, чем не гранулированного.
Отрабатывается технология использования в качестве носителей таких жидкостей, как нефть, метанол, сжиженный нефтяной газ и водонефтяные смеси. Теплотворная способность угля, транспортируемого в потоке нефти, существенно увеличивается, а устойчивость пульпы вследствие более высокой вязкости носителя возрастает.
Для исключения затрат на отделение носителя в Англии угольный порошок транспортируют в смеси с 50% топливного мазута. Смесь подается к паровым котлам, где сжигается с распылением в форсунках. В США для аналогичных целей используется смесь, состоящая из 50% угля, до 40% мазута и 10 - 20% воды.
Другое направление совершенствования технологии
гидротранспорта - это поиск новых материалов и конструкций труб, способных сократить абразивный износ оборудования и внутренней поверхности трубопровода. С этой целью используются закаленная сталь и трубы из полиэтилена низкого давления или металлические с различными покрытиями.
Эффективность работы гидротранспортной системы может быть обеспечена путем непрерывного контроля и автоматического регулирования концентрации твердого в пульпе, подачи пульпы, давления в трубопроводе, уровня пульпы в технологических емкостях, исправности узлов дозирования и подачи ингибиторов. Параметры пульпы должны постоянно контролироваться с помощью комплекта измерительных приборов. При этом должны измеряться потери напора в зависимости от изменения подачи насосов, плотности пульпы и гранулометрического состава твердой фазы.
Исследования ряда российских институтов стоимости и натурных показателей различных вариантов перевозок энергетических углей показали, что по сравнению с железнодорожным транспортом и с вариантом передачи электроэнергии гидротранспорт становится более эффективным при производительности 40 млн. т угля в год. При транспортировании на расстояние 2500 км гидротранспорт становится эффективным при производительности 25 ~ 30 млн. т в год.
Технико-экономический анализ затрат на транспортирование угля по напорным трубопроводам показывает несомненные преимущества
гидравлического способа перевозок перед железнодорожным. Ниже приведены результаты многофакторного анализа различных вариантов развития полигона транспортной сети Кузбасс - Урал - Центр для транспортировки угля Канско-Ачинского месторождения.
Таблица 7.
Приведенные данные показывают выравнивание удельных затрат для железнодорожного транспорта и гидравлического уже с объемов перевозок более 30 млн. т. Металлоемкость и трудовые затраты гидротранспорта значительно ниже.начиная с объемов 15 млн. т. Эти данные показывают высокую экономичность и конкурентоспособность гидротранспорта.
Правильно выбранные параметры режимов гидротранспортирования, параметры потока пульпы, технические характеристики установки обеспечат достаточно высокую надежность и экономичность гидротранспортной системы. Такие показатели позволяют поставить гидротранспортную систему непрерывной подачи твердых материалов без промежуточных перегрузок вне кошсуренции по сравнению с железнодорожным и автомобильным транспортом - наиболее эффективными способами транспорта.
Эффективность гидротранспортиой системы формируется как на стадии ее проектирования, так и в процессе эксплуатации. При проектировании необходимо рассмотреть различные варианты структуры системы и выбрать наиболее выгодный, обеспечивающий надежную и
экономичную работу всей установки. В процессе эксплуатации требуется поддерживать оптимальный режим работы, [109.112] оперативно реагируя на изменяющиеся условия и состояние всей системы. Эта задача довольно сложна и ее решение возможно только при использовании ЭВМ и автоматизации управления процессами в гидротранспортной системе [98].
Довольно часто управление гидротранспортньгми системами, осуществляемое на практике, не соответствует по своему характеру требованиям принципа системности, что приводит к возникновению проблемных ситуаций [103.106]. Это связано с тем, что системное содержание гидротранспортных установок раскрывается не только в производственной и технологической обусловленности их функционирования. Знание любой системы предполагает возможность оперировать ее параметрами с учетом известных закономерностей поведения, свойственных данной системе, изменяющегося исходного состояния, определяющего меры управления для достижения необходимого результата, системных свойств, формирующих реакцию системы и подсистем на изменение входных параметров, вероятностного характера поступающей информации и принимаемых решений. Для этого необходимо иметь возможность оценивать систему в целом и последствия для нее от внешних воздействий и принимаемых частных решений по подсистемам.
Все это говорит о необходимости научного обоснования аппарата управления, адекватного сложности системы, на основе системного анализа.
Таким образом, анализ изложенных материалов позволяет сделать вывод, что трубопроводный гидротранспорт в настоящее время широко используется для транспортировки твердых материалов, а в ближайшее время его применение будет расширяться за счет строительства новых трубопроводных линий на всех континентах. Количество перемещаемых
масс также будет возрастать за счет увеличения производительности существующих установок (при увеличении концентрации твердого материала в пульпе), совмещенного транспорта различных материалов, строительства более производительных систем. Наблюдается также увеличение протяженности трубопроводных линий.
Все это обязательно приведет к возрастанию роли оптимизации рабочих параметров систем трубопроводного гидротранспорта при проектировании и при их эксплуатации. Таким образом, изложенное выше показывает перспективность и актуальность создания методологии оптимизации установок гидротранспорта твердых материалов на основе системного подхода.
1. АНАЛИЗ И СИНТЕЗ СТРУКТУРЫ ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ
Как известно, оптимизация предшествует этапу автоматизации работы технической системы [173]. Для оптимизационного исследования, в первую очередь, необходимо проанализировать основные характеристики системы и условия ее взаимодействия с надсистемой (внешней средой) [114], установить метод оптимизации, соответствующий условиям задачи.
Способы оптимизации техничесіаїх систем
Существует широкий спектр методов решения оптимизационных задач [121]. Все они имеют свои достоинства и недостатки, имеют свои наиболее эффективные области применения [124,126,127,128].
В работе [193] рассматриваются задачи математического программирования, вариационного исчисления, оптимального управления. Автор изложил в основном те аспекты оптимизации, которые служат теоретической основой конструктивных алгоритмов поиска экстремумов. Значительная часть работы посвящена задачам оптимального управления в системах обыкновенных дифференциальных уравнений я уравнений с частными производными. В этих разделах главное внимание уделено конструктивным итерационным алгоритмам, основанным на принципе максимума проф. Л.С. Понтрягина [149,150].
В [7,8,20,21,158,159] также рассмотрены различные методы решения оптимизационных задач с точки зрения использования математических подходов при описании моделей исследуемых процессов и поиске оптимальных управлений процессом. Работы составлены на основе курса лекций, читаемых на математических факультетах университетов.
В работах [34,152] рассмотрен процесс анализа, подготовки и поддержки принятия решений на основе интегрированной информации о состоянии и поведении объекта в чрезвычайных ситуациях, связанных с природной средой. Сформирована методология построения и развития систем поддержки принятия решений, структурно связывающая в единый комплекс цели, решения, затраты, эффекты, моделирование и анализ альтернатив. Разработаны требования и рекомендации по реализации системы поддержки принятия решений, по организации входного потока информации, по созданию баз данных и знаний. Рассмотрены вопросы разработки оптимизационных, имитационных и прогностических моделей, создания картографических баз данных. Таким образом, работа посвящена в основном проблеме поиска оптимальных управленческих решений.
Работа [75] посвящена различным вопросам линейной оптимизации. В первую очередь речь идет о теории линейных неравенств и линейном программировании. Основная часть книги рассматривает несобственные задачи и теорию двойственности для них (личная разработка автора), лексикографические, кусочно-линейные задачи с точки зрения теории двойственности. Показаны некоторые методы организации вычислительных процессов для нахождения решений задач линейной оптимизации, вопросы устойчивости и коррекции несобственных задач.
Задачи оптимизации транспортных систем наиболее подробно рассматривались в работах Бородавкина П.П., Шора Н..3.5 Покровской В.Н. Кшондзера Э.Г., Трайниса В.В., Офенгендена Н.Е., Смолдырева А.Е., Курносова A.M. и многих других российских ученых. Известны также работы зарубежных специалистов: Гаррисона, Марбля, Льюиса, Квандта, Уилкинсона, Каннского и др. Различные подходы к решению таких задач были очень подробно разработаны при проектировании магистральных газо-нефтепроводов [26, 43, 29, 14, 175], систем гидротранспорта песков, угля на большие расстояния, гравия [101,119,132] и т.д. Все эти многочисленные работы относятся, прежде всего, к установлению закономерных связей и взаимозависимостей между структурой транспортных схем и различными экономическими факторами с учетом общих и специализированных ограничений технического, технологического, организационного и другого характера [1,99,100,115].
В ряде случаев оптимизационная задача решается путем расчета ряда вариантов формирования транспортной системы и выбора в качестве оптимального такого варианта, в котором критерий оптимальности принимает экстремальное значение. Так, в работе Городецкого В.И. [35], посвященной исследованию оптимальных параметров систем дальнего транспорта газа, предлагается с помощью ЭВМ определять оптимальные сочетания диаметров труб, типы компрессорных машин и места их расположения на первом участке. Исходными параметрами на этом этапе служат давление, температура и расход газа. Из сравниваемых вариантов ЭВМ запоминает информацию более перспективных вариантов. Затем перспективные варианты этого участка продолжаются всеми возможными вариантами участка два. После сопоставления всех вариантов сочетаний участков 1 и 2 запоминается информация о наиболее перспективных из них. Такой метод позволяет сократить время расчета по сравнению с методом прямого перебора всех возможных вариантов реализации проекта. После расчета оптимальные значения диметров труб и мощностей компрессорных станций приходится округлять до стандартных величин. В итоге расчет сводится к построению серии графиков-номограмм для различных сочетаний сортамента труб и компрессорных машин.
Функциональный состав гидротранспортной системы
Главное предназначение модуля - прием пульпы из технологического процесса и подготовка к дальнейшему транспортированию в соответствии с реализуемой на данный момент эксплуатационной задачей. Для выполнения задачи с наибольшим эффектом значения параметров потока пульпы должны соответствовать требованиям управляющих сигналов от блока мониторинга и управлений.
В модуле реализуются процессы сгущения или разбавления пульпы до требуемых концентраций и соответствующая обработка (магнитная, химическая, вибрационная, ультразвуковая и др.) для придания ей необходимых свойств (повышение скорости осаждения твердых частиц или ее снижение; уменьшение сил трения в потоке, повышение абразивности при движении по слою кольцевого льда и пр.) Вначале производится сгущение пульпы, хотя иногда прибегают к предварительной обработке пульпы для интенсификации процессов сгущения, а затем — к процессам придания пульпе необходимых свойств для повышения эффективности транспортирования по пульпопроводу [13].
Эффективность гидротранспортирования во многом определяется стабильностью режимов движения гидросмеси. Таким режимом является расчетный режим, обеспечивающий поддержание оптимальных параметров транспортирования. Устойчивость этого режима определяется постоянством таких параметров, как скорость движения потока пульпы, степень ее насыщения при условии сохранения оптимального гранулометрического состава твердой фазы. Отечественный и зарубежный опыт показывает, что основным направлением стабилизации режимов движения потока является создание в начале транспортной линии комплекса подготовки гидросмеси и автоматизированного контроля основных параметров, определяющих устойчивость процесса [22,25,26,28].
Комплекс подготовки обычно включает контроль гранулометрического состава, твердой фазы, расхода и концентрации потока.
В настоящее время на крупных горно-обогатительных предприятиях напорные гидротранспортные системы в основном работают без подготовительных комплексов. Пулвпа поступает от обогатительной фабрики в приемный зумпф. В нем происходит осаждение гидросмеси для предотвращения чего необходимо наличие устройства для смешивания с целью восстановления свойств пульпы. В противном случае существенно ухудшаются условия работы насосов. Кроме того, в значительных пределах происходит изменение уровня гидросмеси в приемном зумпфе, что также отрицательно сказывается на режиме работы насосов. Необходимо для приготовления, аккумуляции и сгущения пульпы применять различное вспомогательное оборудование.
Для сгущения применяют гравитационные сгустители, гидроциклоны и центрифуги, обезвоживающие грохоты и сита, вакуум-фильтры, отстойники и др. Центробежные сгустители, а также сгустители с применением различных фильтрующих перегородок малоэффективны для больших объемов гидросмеси с тонкодисперсным твердым материалом (например, хвосты обогащения). В таких случаях предпочтение отдают сгустителям гравитационного типа, обычно это - седиментационные бассейны (бассейн Дора), обеспечивающие достаточно большие производительности и высокое качество сгущения (очистки слива). Это устройства большого диаметра (до 180м), которые требуют больших затрат на защиту от климатических воздействий, характерных для условий ряда районов России. В горнорудной промышленности широкое распространение получили пластинчатые сгустители различных конструкций. В ОНИЛ ГТР СПГГИ (ТУ) им. Г.В. Плеханова разработан параметрический ряд [80] пластинчатых сгустителей, характеристики которых приведены в таблице 3.1.
Твердые частицы пульпы, попадая в каналы между пластинами, движутся вдоль канала со средней скоростью Vf и одновременно опускаются вертикально вниз со скоростью w (гидравлическая крупность). Частицы по мере продвижения выпадают из потока, оседают на нижнюю пластину и образуют слой, который скользит вниз в накопительный бункер. В нижней части каналов выпадают крупные частицы, а в верхней -все более мелкие. Таким образом, к нижнему концу пластины образуется слой из частиц, крупность которых возрастает снизу вверх. Формирование осадка на поверхности пластин имеет непрерывный характер с изменяющейся по длине канала структурой.
Исследование процессов изнашивания трубопроводов
При перемещении пульпы по трубопроводу и в насосах рассматривают несколько видов изнашивания абразивное (соскабливание, резкое воздействие на стенки), трение (скольжение и качение частиц), эрозию (вымывание разрушенной поверхности), кавитацию (распад пузырьков воздуха под давлением) и коррозию (химические реакции). Основными видам изнашивания считаются абразивно-эрозионное, а также изнашивание вследствие коррозии. Наиболее активно проявляются коррозионные и абразивные процессы, причем для концентрированных гидросмесей характерно их совместное проявление
Эксплуатационные свойства трубопроводов при гидротраыспортировании твердых материалов во многом зависят от способности труб сопротивляться различным разрушающим воздействиям. Трубопроводы приходят в негодность главным образом вследствие гидроабразивного изнашивания в результате совместного воздействия на стенки трубы абразивных частиц и потока жидкости, транспортирующей эти частицы. При гидроабразивном изнашивании поверхность разрушается в основном в результате удаления пластически выдавленного металла из лунок и бороздок, образующихся при соударении частиц с изнашиваемой поверхностью. В меньшей мере происходит также снятие металла микрорезанием, что зависит от угла атаки абразива и способности его внедряться в изнашиваемую поверхность.
Наблюдения за гидроабразивным изнашиванием транспортных трубопроводов позволяют в общих чертах характеризовать особенности движения гидросмесей в трубопроводах. Твердые частицы распределяются в потоке пульпы по поперечному сечению трубы неравномерно. В нижней части сосредоточено наибольшее количество частиц. Здесь располагаются наиболее тяжелые частицы, а в верхней части - более легкие. Нижняя часть потока оказывает наибольшее сопротивление движению пульпы. В смесях, состоящих из частиц разной крупности, наиболее мелкие фракции перемещаются во взвешенном состоянии в верхних слоях потока, более крупные фракции движутся в нижних слоях этого потока скачкообразно и реже во взвешенном состоянии, а наиболее крупные частицы перемещаются перекатыванием или скольжением по нижней стенке трубы. В зависимости от траектории движения частиц характер воздействия их на стенки труб бывает разным. Поэтому трубы по окружности изнашиваются неравномерно. Наибольшему износу подвержена нижняя стенка труб, наименьшему - верхняя. Износ боковых стенок имеет промежуточную величину. Более неравномерно изнашиваются стенки горизонтальных труб и менее неравномерно - стенки на наклонных участках. В последнем случае степень неравномерности изнашивания зависит также от направления потока пульпы: при нисходящих потоках она больше, чем при восходящих. Замечено также, что с увеличением скоростей транспортирования неравномерность износа стенок труб по окружности уменьшается.
В потоках пульпы с развитой турбулентностью происходит интенсивное вихреобразование, сопровождающееся винтовым движением пульпы, которое приобретает характер волнового поступательного движения вдоль трубопровода. При этом изнашиваемая поверхность стенок труб приобретает в продольном направлении волнисто-винтовой характер. Неравномерность изнашивания возрастает с увеличением крупности и удельного веса твердых частиц. Волнисто-винтовая поверхность износа особенно четко проявляется в местах с повышенным сопротивлением в трубопроводе (за коленами, задвижками, местами некачественного соединения труб и пр.)
Наиболее интенсивное и неравномерное изнашивание наблюдается при ударном воздействии на стенки частиц, когда они движутся скачкообразно и во взвешенном состоянии. Однако интенсивность изнашивания может быть еще большей, если частицы перемещаются скольжением по нижней стенке трубы. В таких случаях изнашиваемая поверхность часто имеет вид непрерывных глубоких бороздок, параллельных оси трубопровода.
Проникновение в поток воздуха способствует появлению кавитации. Пустоты, наполненные парами, воздухом и газами в виде пузырей, мешков, перемещаются вместе с потоком жидкости в зоне более высоких давлений. Пар конденсируется, газы растворяются и пузырьки лопаются. В образовавшиеся пустоты с громадной скоростью устремляются частицы жидкости и при этом происходит ударное восстановление сплошности потока. Время, в течение которого возникают, а затем исчезают (разрушаются) кавитационные пузырьки, составляет тысячные доли секунды. При лопаний кавитационных пузырьков давление на микроучастках твердой поверхности, по которой движется поток жидкости, может достигать 10000 атмосфер. Удары оказывают разрушающее воздействие на поверхность.
Наиболее характерными местами в трубопроводах, где могут возникнуть пониженное давление и появиться кавитационные каверны, являются: шероховатость и неровность стенок труб, бугры и наплывы от электросварки, резкое изменение направления потока в колене, резкое сужение потока запорным устройством. Разрушающее воздействие кавитационных каверн и ударных импульсных струй резко усиливается за счет присутствия в жидкости абразивных частиц, через которое передается динамическая нагрузка на стенки трубопровода. Как было экспериментально установлено [93], при кавитации гидроабразивное изнашивание происходит в 3...5 раз быстрее, чем при ее отсутствии.
Алгоритм оптимизации гидротранспортных установок
Система мониторинга обеспечивает информацией имитационную модель ГТУ и позволяет отслеживать изменения условий эксплуатации, на которые необходима немедленная корректировка режима работы. Состав и последовательность работы имитационной модели представлен на рис. 5.1 в виде алгоритма.
Вначале анализируется и оценивается характер отклонений входных параметров от их проектных значений. В соответствии с текущей эксплуатационной задачей выполняется расчет новых оптимальных значений рабочих параметров ГТУ, позволяющих наилучшим образом скорректировать режим работы. Далее на экран монитора выводится информация для оператора (ЛПР) и рекомендации по оптимальному управлению. Эта информация содержит и прогноз (в виде графиков) дальнейшего возможного развития ситуации в изменившихся условиях. Решение о принятии управляющих воздействий принимает ЛПР.
При необходимости имеется возможность построить прогноз развития ситуации и для принятых управлений. Все результаты расчетов записываются в специальный файл (журнал истории эксплуатации ГТУ), который можно просмотреть и использовать накопленную информацию для корректировки имитационной модели, методов расчета характеристик движения потока пульпы, совершенствования способов проектирования аналогичных гидротранспортных установок.
Система удаления отходов обогащения руды на обогатительной фабрике №12 Удачнинского ГОК работает в сложных климатических условиях. Климат района - резко континентальный, с суровой продолжительной зимой и коротким, сравнительно теплым летом. Переходные сезоны короткие. Среднегодовая температура воздуха минус 11 С, абсолютный минус 58С — в январе, абсолютный максимум -плюс 33С - в июле. Переход среднесуточной температуры воздуха через 0С происходит в начале июня, осенью - в конце сентября. Продолжительность периода с положительной температурой 50-100 дней, с отрицательной - в среднем 254 дня. Атмосферные осадки распределяются неравномерно в течение года (в среднем 346мм) и в теплый период выпадает 65%. Высота снежного покрова на закрытых участках достигает 60-70см. Ветреная погода наблюдается в весенне-летний период, с порывами ветра до 28м/с; в зимний период средняя скорость ветра 2,5-4,4м/с. Климатические условия создают дополнительные трудности в работе трубопроводного транспорта. Так известен случай, когда при запуске ГТС в декабре 2000 года (на чистой воде) произошел разрыв трубопровода на повороте трассы. В зимний период осуществляется подводный сброс пульпы в пруд хвостохранилища. В летний период крупная часть твердой фазы отходов обогащения используется для намыва ограждающей дамбы.
Режим работы насосных установок в ПНС также изменяется в довольно широких пределах основных рабочих параметров. Это связано с поступлением разного количества руды на переработку и разного минералогического состава даже в течение суток, возможностью соблюдения технологической дисциплины. Колебания параметров режима работы насосных установок могут достигать 80%. Так среднечасовая обработка руды на фабрике №12 колеблется в пределах от 400 тонн до 2000 тонн. Средний удельный вес руды - 2.75 т/м3 (по данным геологов УГОКа), максимальный - 2.9 т/м3, минимальный - 2.2 т/м3 Суммарная подача пульпы может достигать 8500 м /час, но может быть и в пределах 6500 м /час. В результате этого насосы работают с очень низкой эффективностью, требуют повышенных затрат на ремонты и техническое обслуживание.
Эффективность работы системы гидротранспорта в значительной степени зависит от того, насколько фактические режимы работы насосов по своим параметрам соответствуют номинальным. Эффективная работа системы достигается совмещением напорной характеристики трубопровода с напорной характеристикой насоса в рабочей точке. Решение данной задачи может быть реализовано с помощью двух наиболее часто используемых методов: изменением характеристики трубопроводной сети; изменением частоты вращения рабочего колеса насоса. Первый метод реализуется путем введения добавочного сопротивления движению пульпы в виде запорно-регулирующей арматуры (метод дросселирования), за счет чего характеристика сети изменяется более круто и пересекает напорную характеристику насоса в нужной точке. Введение добавочного сопротивления связано с повышенными потерями энергии и для насосов большой производительности и мощности неприемлемо. Еще одни способ - регулирование впуском воздуха во всасывающий патрубок насоса. В зумпфе устанавливают вертикально трубу с клиновидной щелью вдоль образующей. При снижении уровня пульпы в патрубок поступает все большее количество воздуха, изменяется расход гидросмеси (трехфазной) и обеспечивается значение расхода сети в соответствии с необходимым напором.
