Введение к работе
Актуальность работы. При проектировании гидротранспортных систем (ГТС) на горно-обогатительных комбинатах возникает необходимость определения характерных параметров гидравлического транспорта, на основании которых будет выбрано насосное оборудование, соответствующее требуемой производительности ГТС по твердым хвостам обогащения и необходимому напору для преодоления сопротивлений по длине трубопровода.
Разработанные в разные годы расчетные эмпирические методики определения параметров гидравлического транспорта, базирующиеся на трудах Покровской В.Н., Смолдырева А.Е., Аксенова Н.И., Войтенко В.И., Дмитриева Г.П., Евдокимова П.Д., Кнорозы В.С., Коберника С.Г., Криля С.И., Мельникова Т.И., Сазонова Г.Т., Силина Н.А., Подкорытовой В.С. и др. охватывают практически весь возможный диапазон изменения характеристик гидросмесей хвостов обогащения, но каждая из них в отдельности справедлива лишь для ограниченного диапазона параметров гидросмеси, и приводит к неадекватным расчетным результатам за пределами этого диапазона. В связи с этим проектные решения по расчетным характеристикам гидравлического транспорта и режимам работы грунтовых насосов требуют значительной корректировки при эксплуатации ГТС, что приводит к повышению энергозатрат, значительному водопотреблению и снижению КПД применяемых грунтовых насосов.
В связи c увеличением выхода твердых хвостов обогащения с крупностью частиц до 80-90 % класса -0,044 мм сформировались две фракции твердых частиц гидросмесей хвостов обогащения по крупности на два основных класса: мелкозернистые (средний размер частиц 0 < dcp < 0,1 мм) и крупнозернистые (средний размер частиц 0,1< dcp 1,0 мм). Теоретически и экспериментально обоснованных расчетных методик для определения параметров гидравлического транспорта мелкозернистых и крупнозернистых хвостов обогащения к настоящему времени не создано.
Применяемые в практике гидравлического транспорта хвостов обогащения способы регулирования режимов работы грунтовых насосов направлены в основном на обеспечение необходимого расхода, при котором достигается максимальный КПД насосной установки. При этом концентрация твердой фазы в потоке пульпы при регулировании не учитывается, и грунтовый насос в системе гидротранспорта работает неэффективно с переменными значениями расхода твердой фазы и, соответственно, развиваемого напора.
Из сказанного следует, что разработка способа регулирования режимов работы грунтовых насосов и методик расчета параметров гидротранспорта мелкозернистых и крупнозернистых гидросмесей хвостов обогащения является актуальной задачей и требует дополнительных теоретических и экспериментальных исследований.
Цель работы – разработка способа регулирования работы грунтовых насосов по величине расходной концентрации твердой фазы на основе обобщенной методики расчета гидротранспортных систем горных предприятий при перекачке мелкозернистых и крупнозернистых продуктов переработки минерального сырья.
Основные задачи:
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
выполнить сравнительный анализ энергетических характеристик гидротранспортных систем и способов регулирования грунтовых насосов при перекачке мелкозернистых и крупнозернистых продуктов переработки минерального сырья;
провести теоретический анализ рациональной области применения существующих расчетных методик параметров гидротранспорта и оценить адекватность расчетных результатов для заданного диапазона изменения кинематических характеристик перекачиваемых гидросмесей;
разработать метод расчета параметров гидротранспорта мелкозернистых и крупнозернистых гидросмесей продуктов переработки минерального сырья на основе обобщенных характеристик гранулометрического состава и коэффициента крупности твердой фазы;
обосновать способ регулирования режимов работы гидротранспортных систем по величине расходной концентрации твердой фазы и разработать передаточную функцию грунтового насоса как объекта управления динамической системы;
провести экспериментальные исследования энергетических характеристик гидротранспортных систем при перекачке мелкозернистых и крупнозернистых гидросмесей в условиях горного предприятия и оценить адекватность теоретических зависимостей и математических моделей.
разработать программу компьютерного моделирования для расчета и проектирования гидротранспортных систем предприятий горной промышленности.
Идея работы – режим работы грунтового насоса необходимо регулировать с учетом соответствия его гидромеханических характеристик расчетным параметрам потока гидросмеси по величине расчетной концентрации твердой фазы и заданному расходу пульпы, а параметры потока гидросмеси при гидравлическом транспорте мелкозернистых и крупнозернистых гидросмесей рудных хвостов обогащения следует определять на основе расчетных методик.
Методы исследований – включают теоретический анализ существующих расчетных методик с использованием математического аппарата, экспериментальные исследования по определению основных параметров гидротранспорта и КПД насоса в лабораторных и промышленных условиях, обработку результатов методами математической статистики.
Научная новизна:
- получена зависимость частоты вращения рабочего колеса грунтового насоса от номинальной концентрации твердой фазы в объеме перекачиваемой гидросмеси.
- установлено, что потери напора при гидротранспорте твердой фазы гидросмесей рудных хвостов обогащения пропорциональны концентрации твердой фазы в степени 0,67 и величине обобщенного коэффициента крупности, значение которого зависит от средневзвешенного диаметра твердых частиц мелкозернистых и крупнозернистых гидросмесей.
Защищаемые научные положения:
1. С целью достижения наибольшей эффективности гидравлического транспортирования и максимизации КПД грунтового насоса необходимо использовать регулирование гидромеханических характеристик и частоты вращения рабочего колеса грунтового насоса по величине отклонения расходной концентрации твердой фазы от расчетных номинальных значений и расходу пульпы на основе разработанной математической модели грунтового насоса.
2. В процессе гидравлического транспортирования твердой фазы в режиме критической скорости во всем диапазоне гранулометрического состава твердых частиц потери напора следует определять с учетом обобщенного коэффициента крупности, линейно зависящего от средневзвешенного диаметра твердых частиц, и принимающего соответствующие значения для мелкозернистых и крупнозернистых гидросмесей рудных хвостов обогащения, учет которого позволяет повысить точность расчета потерь напора при транспортировании твердой фазы.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена теоретическими исследованиями, результатами лабораторных экспериментов, сопоставлением результатов теоретических и экспериментальных исследований с применением методов математической статистики и регрессионного анализа. Среднеквадратичное отклонение фактических от расчетных значений параметров не превышает 2-5%.
Практическая значимость работы:
- разработан алгоритм управления ГТС и способ регулирования гидромеханических характеристик и частоты вращения рабочего колеса грунтового насоса по отклонению величины расходной концентрации от расчетных номинальных значений, соответствующих заданной производительности ГТС по твердому материалу.
- разработана методика инженерного расчета параметров гидротранспорта мелкозернистых и крупнозернистых гидросмесей рудных хвостов обогащения, алгоритм и программа компьютерного моделирования ГТС горно-обогатительных комбинатов;
Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертационной работы обсуждались на межрегиональной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (Воркута, 2009), научной конференции молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» (Санкт-Петербург, 2006, 2007, 2009); 14-ой Международной конференции “Transport and Sedimentation of Solid Particles”, 21-27 июня 2008 г.; межкафедральных семинарах горно-электромеха-нического и нефтегазового факультетов Санкт-Петербургского государственного горного института (технического университета), (2007, 2008), на заседаниях кафедры транспорта и хранения нефти и газа СПГГИ (ТУ).
Личный вклад соискателя:
разработан способ регулирования гидромеханических характеристик грунтового насоса и алгоритм управления гидротранспортной системой, основанный на изменении концентрации твердых частиц в потоке гидросмеси;
разработана методика расчета параметров потока мелкозернистых и крупнозернистых гидросмесей;
разработан стенд и методики проведения экспериментальных исследований.
Публикации: по теме диссертации опубликовано 7 научных работ, в том числе 3 работы в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, изложенных на 217 страницах, содержит 58 рисунков, 17 таблиц, список литературы из 95 наименования и приложений.
Автор выражает искреннюю благодарность коллективу кафедры транспорта и хранения нефти и газа СПГГИ(ТУ), а также к.т.н. Кибиреву В.И., к.т.н. Чеснокову П.С., Виногородскому Э.Б. за помощь и консультации в процессе выполнения работы.
