Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ существующих средств очистки всасывающих и напорных трубопроводов мелиоративных насосных станций 9
1.1 Всасывающие трубопроводы насосных станций и современное состояние возможности их эксплуатации 9
1.2 Напорные трубопроводы и существующие средства их гидравлической очистки 15
1.3 Конструкции струйных насосов, применяемых в гидромеханизации 22
1.4 Критерий эффективности струйных аппаратов – КПД 28
1.5 Расчет насосов, основанный на эмпирических данных 32
2 Теоретические основы расчета струйных аппаратов при использовании напорно-вакуумной установки 36
2.1 Расчет величины максимального значения КПД 36
2.2 Геометрические и гидравлические параметры струйных аппаратов, используемых в установках для очистки трубопроводов 44
2.3 Методика расчета струйного аппарата (гидроземлесоса) 55
3 Экспериментальные исследования 63
3.1 Цель, задачи и методы исследования 63
3.2 Опытная установка 64
3.3 Экспериментальное определение плотности перекачиваемой смеси при напорном и вакуумном режимах 73
3.4 Структура потока в смесителе напорно-вакуумной установки и определение коэффициента гидравлического сопротивления диффузора 79
4 Технологический процесс очистки трубопроводов мелиоративных насосных станций от заиления струйной напорно-вакуумной установкой 91
4.1 Технологический процесс очистки всасывающих трубопроводов насосных станций 91
4.2 Технологический процесс очистки напорных трубопроводов оросительной сети 93
4.3 Контроль величины расходов во всасывающем и напорном трубопроводах манометрами 96
5 Технико-экономическая эффективность струйной системы очистки трубопроводов 101
5.1 Обоснование экономической эффективности струйной системы очистки всасывающих трубопроводов 101
5.2 Расчет экономической эффективности очистки напорных трубопроводов оросительных систем 103
Заключение 108
Список литературы 111
Список иллюстративного материала 122
Приложения 125
- Напорные трубопроводы и существующие средства их гидравлической очистки
- Опытная установка
- Контроль величины расходов во всасывающем и напорном трубопроводах манометрами
- Расчет экономической эффективности очистки напорных трубопроводов оросительных систем
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Эксплуатация закрытых
оросительных систем, отработавших не одно десятилетие, сопровождается
большим количеством проблем, заключающихся в наличии коррозии в
стальных трубопроводах, старении и износе резиновых уплотнений в
асбестоцементных и чугунных трубопроводах. Наиболее важным
параметром, влияющим на КПД оросительной сети, является степень заиления закрытых трубопроводов, включая и всасывающие трубопроводы насосных агрегатов, скорость движения потоков которых, в большей степени влияющих на процесс заиления, уменьшается при проектировании для увеличения допустимой вакуумметрической высоты всасывания насосов и составляет 1-1,5 м/с против 2-2,5 м/с в напорных трубопроводах. Увеличение степени заиления в трубопроводах влечет за собой уменьшение поперечного сечения, увеличение скорости движения потоков и, как следствие, увеличение потерь напора, увеличение напора насосных агрегатов и уменьшение подачи. Во всасывающих трубопроводах уменьшение площади поперечного сечения трубопровода также увеличивает скорость потока, уменьшает кавитационный запас и может привести к полной остановке насосной станции с возможными тяжелыми последствиями.
Процесс заиления трубопроводов происходит в основном при переходных режимах, остановках, изменениях подачи и напора в сети. Особенно данный процесс актуален для водоисточников с высоким содержанием взвешенных частиц в горных районах. Аванкамеры насосных станций заиливаются до такой степени, что при остановках в зимний период десятки тонн илистых и песчаных отложений выбираются экскаваторами и вывозятся мобильным транспортом. Наиболее тяжелая обстановка создается в аванкамерах с круглогодичной эксплуатацией насосного оборудования без возможной остановки для профилактических работ. Кроме того, при эксплуатации трубопроводных систем на животноводческих комплексах имеют место навозные пробки, создающие ряд проблем в работе сельхозпредприятий.
В связи с вышеизложенным, актуальность исследований,
направленных на разработку вопроса очистки трубопроводов, не вызывает сомнений.
Степень разработанности темы. Проблемой исследования струйных аппаратов как в режиме землесоса, так и в других областях науки и техники занимались многие ученые: В. М. Папин (1953), В. П. Лахтин (1963), П. Г. Каменев (1964), Л. Г. Подвидз (1964), Х. Ш. Мустафин (1965), Н. П. Юфин (1974), Г. Е. Мускевич (1980), А. Н. Царевский (1985), Б. Э. Фридман (1990), С. А. Тарасьянц (2002).
Анализ литературных источников показал полное отсутствие
исследований струйных аппаратов (струйных насосов) в области очистки напорных и всасывающих трубопроводов насосных станций. В связи с вышеизложенным, проведение исследований, направленных на разработку устройств, где в качестве основного рабочего органа используется струйный аппарат (струйный насос), является актуальной проблемой, не изученной в достаточной степени в настоящее время.
Цель и задачи исследований. Целью настоящей диссертационной работы является разработка технологического и экспериментального обоснования очистки трубопроводов насосных станций напорно-вакуумной установкой.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи.
1. Изучить современные способы очистки трубопровода, конструкции
и методы расчета струйных аппаратов, используемых для их гидравлической
очистки.
2. Разработать теоретические основы расчета элементов струйной
системы очистки трубопроводов.
3. Экспериментальным путем определить оптимальные геометрические
и гидравлические параметры основного рабочего органа – струйной напорно-
вакуумной установки.
-
Разработать технологический процесс механизированной струйной очистки трубопроводов от заиления.
-
Выполнить технико-экономическое обоснование очистки напорных и всасывающих трубопроводов мелиоративных насосных станций.
Научная новизна. В работе научно обоснованы: методика расчета
напорно-вакуумной установки при струйной очистке трубопроводов;
математические зависимости для определения геометрических и
гидравлических параметров элементов основного рабочего органа; технологический процесс очистки закрытых напорных и всасывающих трубопроводов на мелиоративных насосных станциях.
Объекты исследований. В качестве основных объектов
исследовались: процесс очистки напорных трубопроводов мелиоративных систем; струйная напорно-вакуумная установка новой конструкции на воде и пульпе.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость работы состоит в результатах исследований напорно-вакуумной очистки всасывающих и напорных трубопроводов и может быть использована при расчете, проектировании и эксплуатации насосных станций мелиоративного назначения. Практическая значимость работы состоит в
разработке усовершенствованной технологии очистки всасывающих и напорных трубопроводов насосных станций.
Методология и методы исследований построены на имеющихся в литературных источниках данных по расчету гидротранспорта песчано-глинистой пульпы и расчете струйных аппаратов геометрических и гидравлических параметров их элементов. При проведении и обработке результатов лабораторных и напорных исследований использовались рекомендации В. Н. Вознесенского по теории планирования эксперимента, а также ГОСТ 24026 - 80 «Исследовательские испытания», ГОСТ 7.32 - 2001 «Отчет о научно-исследовательской работе», ГОСТ 6134 - 2007 «Насосы динамические».
Экспериментальные исследования проведены в натурных и
лабораторных условиях с применением теории планирования эксперимента. При проведении исследований использовались стандартные общепринятые методики.
В основу теоретических исследований положены уравнение количества движения и уравнение Д. Бернулли.
Положения, выносимые на защиту: теоретические основы расчета
струйной напорно-вакуумной установки для очистки от заиления заиленных
трубопроводов мелиоративных насосных станций; эмпирические
зависимости для определения геометрических и гидравлических параметров
элементов струйной напорно-вакуумной установки; эмпирические
зависимости для определения плотности перекачиваемой пульпы и критической скорости движения потока в очищаемых трубопроводах; технологический процесс очистки закрытых трубопроводов оросительных систем.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов исследований подтверждается проведенными лабораторными исследованиями с использованием современных тарированных расходомеров и манометров. Степень достоверности доказывается статистическими методами оценки полученных данных, степенью сходимости теоретических исследований и экспериментальных данных.
Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на научно-практических конференциях: Всероссийская заочная научно-практическая конференция, посвящённая памяти д-ра техн. наук, проф., заслуженного мелиоратора РФ И.С. Алексейко «Актуальные проблемы, современное состояние, инновации в области природообустройства и строительства» (г. Благовещенск); XIV международная научно-практической конференция (г. Волгоград); X международная практическая конференция молодых исследователей (г. Волгоград).
Публикации. Основное содержание работы изложено в 14 печатных работах, из них 5 работ опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Кроме того по теме диссертационной работы получен патент №160830. Общий объем опубликованных работ составляет 6.5 п. л., из них 4,75 п.л. принадлежит автору.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и предложений производству. Работа изложена на 135 страницах, включает 20 таблиц, 40 рисунков и 7 приложений. Список использованной литературы состоит из 109 наименований, из них 13 работ написаны зарубежными авторами.
Напорные трубопроводы и существующие средства их гидравлической очистки
Вероятным признаком заиления трубопроводов является уменьшение расхода и напора на гидранте. Места закупорки трубопровода определяются, как правило, экспериментальным путём.
Очистка осуществляется несколькими способами:
- пунктирный способ вскрытия;
- химический;
- механический;
- гидравлический.
При перекладке трубопроводов используют прежние трассы на той же глубине.
Очистка трубопровода ведется устройством колодцев. Чистят трубопровод спецканатом со спиралью на конце. Проталкивается канат вручную, затем проталкивается ёрш и трубопровод промывается водой [20, 21, 22, 23, 60].
Химический способ применяется при водонерастворимых отложениях. При таком способе в трубопровод подаются реагенты.
Реагенты выдерживаются внутри очищаемого трубопровода, затем под давлением выносятся из трубопровода.
За рубежом [16, 41, 69, 75, 84] трубопровод очищается специальным гербицидом, угнетающим развитие корней растений. Гербицид безопасен для птиц и насекомых, не оказывает отрицательного влияния на экологию.
Механический способ. При механическом способе к валу длиной до 40 м диаметром 10-30 мм присоединяется специальный оголовок. За счет вращения оголовка отложения разрыхляются и удаляются напорной водой. Механическая очистка труб от заиления в США [53] проводится специальным устройством – микробуром с электродвигателем в одном корпусе. Бур проталкивают в трубу упругим стержнем. Ротор бура рыхлит наносы и продвигается в трубопроводе. Взрыхленный грунт под давлением выносится водой из трубопровода.
Гидравлический способ очистки [78, 79, 91, 92, 95, 96] наиболее широко распространен. При таком способе по трубе с давлением до 10МПа пропускается шланг с водой, на конце которого закреплена головка для размывания илистых отложений.
При проведении работ используется дренопромывочная машина. Промываются трубы без вскрытия линии. Скорость очистки трубопровода – до 0,3 м/с. Начинается промывка с устья, с перемещением в колодец. Время очистки 100 м – от 2 до 3 часов. К недостаткам такого способа относят:
- отсутствие возможности рыхления;
- увеличенный расход воды;
- отсутствие возможности контроля очистки.
Гидравлическая очистка трубопровода используется не только в РФ, но и за рубежом, но принцип работы идентичен [42, 45]. Ведущими странами в таком способе являются Германия и Голландия [69, 84].
Очистка трубопроводов – дорогостоящий и трудоемкий процесс. Перед ее началом производят обследование состояния трубопроводов.
После определения степени заиления решается вопрос о целесообразности производства работ.
Трубопровод вскрывается, как правило, одноковшовым экскаватором оборудованным обратной лопатой.
В Голландии разработан прицеп с промывающей машиной и трехцилиндровым насосом с напором до 1,8 МПа, гибким шлангом диаметром до 15 мм. Вода для центробежного насоса подается, как правило, из оросительного канала. На конце шланга устанавливаются фронтальные и тыльные насадки. Диаметр насадки выбирается в соответствии с диаметром трубы (от 50 до 200 мм).
Насадка вводится в очищаемый трубопровод, включается насос, и, используя реактивные силы тыльных струй, перемещается в трубопроводе. Фронтальные струи размывают отложения, которые пульпой удаляются на иловые площадки.
В Германии при конструировании машин для гидравлической очистки используется другой путь. Агрегат устанавливается на трактор с мощностью до 30 кВт и состоит из насоса, питающегося из цистерны емкостью до 3000 л и гибкого шланга с насадкой на конце. Перед началом насадка плотно вставляется в трубопровод, включается насос, подающий воду под высоким давлением. Поток воды выносит обратным током наносы.
При голландском способе устанавливается дополнительный насадок, который оборудован щетками для разрушения наносов и облегчения их выноса из трубопровода.
Исследования показали, что гидравлический способ, как правило, малоэффективен, поэтому при удалении плотных наносов в данном случае применяется химический способ. Для этих целей в РФ серийно выпускаются машины: Д-910, ПДТ-125 и МР-18.
Промывочная машина Д-910 (рисунок 1.4) используется для очистки гончарного трубопровода водой, нагнетаемой в реактивную головку. Машина состоит из прицепа, на котором смонтирован насос с емкостью для воды. Транспортируется прицеп трактором класса 1,4. В некоторых случаях машину вместе с цистернами транспортируют экскаватором ЭО-2621.
Насос оборудован двигателем с редуктором для изменения частоты вращения.
Агрегаты насосной станции размещаются в передней части прицепа. На прицепе имеется барабан с шлангами, используемыми для промывки трубопроводов.
При подготовке перед промывкой машину устанавливают так, чтобы имелась возможность проложить нагнетательные шланги вдоль трубопровода. Заборный шланг опускают в емкость с водой или в водоприемник. Запускается двигатель, промывочная головка устанавливается в трубопровод, включается насос. Центральная струя размывает отложения, и они в виде пульпы самотеком удаляются из трубопровода. При остановке головки отключается подача воды и устанавливается степень закупорки.
Промывочная машина ПДТ-125 (рисунок 1.5) предназначена для гидравлической очистки горизонтальных трубопроводов диаметром 100-250 мм и колодцев
Опытная установка
Согласно проекту исследуемая трёхагрегатная насосная станция с насосами Д 630 90 с суммарной подачей трёх насосов 1900 м3/ч и напором 90 м. Всасывающие трубопроводы диаметром 180 мм, приняты по внутреннему диаметру, по предварительным данным заилены на 27 % поперечного сечения. Ил представляет собой в основном смесь глины и песка с плотностью 1,83 т/м3.
Схема включения испытываемой напорно-вакуумной установки (рисунок 3.2) при очистке всасывающих трубопроводов показана на нижеприведенном рисунке 3.3.
Кроме того, при определении коэффициента гидравлического сопротивления диффузора использовалась лабораторная установка (рисунки 3.4, 3.5).
Струйная установка для промывки всасывающих патрубков струйных насосов и заиленных трубопроводов состоит из трубопровода 1, врезанного в стакан 2 круглого сечения, задняя часть которого соединена с заиленным трубопроводом 3, а передняя часть соединена с конфузором 4 через смеситель 5. Диффузор 6 и задвижка 7 с выходным трубопроводом 8, с образованием с наружным соплом 9 прямоугольного сечения внешнего напорно-вакуумного пространства 10, задняя часть которого оборудована обратными клапанами 11, 12, креплением внутреннего сопла 13, с внутренним напорно-вакуумным пространством 15 с образованием кольцевой напорной щели 14.
Всасывающий трубопровод струйного аппарата врезан через задвижки во всасывающие трубопроводы трёхагрегатной насосной станции. Питание струйного аппарата осуществлялось от напорных трубопроводов через задвижку. Очистка каждого трубопровода производилась поочередно, двумя режимами.
Напорным, когда регулирующая задвижка закрыта и весь поток через струйный аппарат направляется с увеличенной скоростью в очищаемый трубопровод и водозаборное сооружение.
Вакуумным, когда регулирующая задвижка открыта, в струйном аппарате и во всасывающем трубопроводе создается вакуум, способствующий движению потока в трубопроводе в обратном направлении через струйный аппарат за пределы насосной станции.
Рабочие параметры струйной напорно-вакуумной установки устанавливались оптимальные, ранее рассчитанные по зависимостям (раздел 2, таблица 2.2) диаметры наружного сопла dg = 88,0 мм, d" = 60,0 мм, ширина щели b = 14 мм, угол раскрытия диффузора = 8 и расстояние от образца сопла до начала камеры смешения Z = 40 мм. Опытами определялась плотность смеси при напорном и вакуумном цикле с помощью проб и тарированного плавучего мерного бака (рисунки 3.6, 3.7, 3.8, 3.9).
При построении вспомогательной кривой Kcp=f(Wb) относительная плотность воды принималась р =1.
При этом по графику [89] (рисунок 3.11) вычислялась консистенция Со.
По полученной консистенции Со и коэффициенту транспортабельности , вычисленному на основании проведенных экспериментальных исследований (см. раздел 3.3), проводился расчет критических скоростей по нижепреведенной зависимости [89]
Эффективность напорно-вакуумной установки (рассчитывается при вакуумном режиме)
Контроль величины расходов во всасывающем и напорном трубопроводах манометрами
Схема расположения оборудования и приборов показана на рисунках 3.3, 4.1. Описание насосной станции приведено в разделе «Экспериментальные исследования».
В напорные трубопроводы центробежных насосов врезана напорная линия струйной установки, оборудованная мановакуумметром 19 для изменения давления (вакуума). Рабочий трубопровод струйной установки оборудован манометром М1 для измерения давления и расходомером, с помощью которого измерялся расход Q0. По результатам натурных испытаний построены опытные зависимости показаний манометров М1 и М2 от подсасываемого расхода Q1 (рисунки 4.2, 4.3).
Расчет опытных зависимостей для характеристики М2 = f(Qi) струйной установки производится по следующей методике:
- устанавливается напор перед струйной установки, регулируемый манометром Мi (величины могут быть разными);
- рассчитывается приведенный напор центробежного насоса где Vi - скорость потока в сечении е-е (величиной — можно пренебречь, т.к. данная велечина несравненно мала по сравнению с показаниями манометра Мi).
- определяется величина скорости в сопле Vo струйной установки и скоростного напора V2o/2g; где Нн = 1 + (о - относительный напор перед струйной установкой
- определяется рабочий расход Qo Qo=V0o, где о- площадь поперечного сечения сопла - по характеристике струйной установки где Яг - относительный напор струйного насоса а0- коэффициент эжекции опытный или построенный по зависимости (2.44);
- принимается ряд величин о, для которых определяется относительный напор Нг в сечении «d - d» (рисунок 4.1).
- по величине Нг определялась величина Нг.пр
– по полученным данным строится зависимость М2=f(Q1) (рисунок 4.3). Расчет опытных зависимостей М1=f(Q1) проводится аналогично предыдущему расчету и может использоваться как при проектировании, так и при работающем струйном аппарате. Подсасываемый расход может регулироваться как рабочим потоком Q0, так и изменением показаний М1 и задвижкой 10 на напорном трубопроводе струйной установки. Зависимость М1=f(Q1) строится по следующей методике:
– принимается ряд величин напора центробежного насоса Нн = 1 + (о - относительный напор центробежного насоса перед струйной установкой; - определяется ряд величин скорости в сопле
- определяются расходы струйной установки Qo=V0o, где о - площадь поперечного сечения сопла;
- принимается ряд величин
- рассчитываются величины
- по характеристике Нг = f(a0) коэффициента эжекции 0;
- по коэффициенту эжекции 0 подсасываемых расходов;
- по величинам QOи QI находится скорость напора на входе Iw;
- по зависимости Нн.пр = Мх + g ± hWBX (4.13) рассчитываются показания манометра Мi Мх = Н,пр - g ± hWBX. (4.14)
Расчет сводится в таблицу, по которой строится зависимость Мi=f(Qi) (рисунок 4.2). При наличии подобных зависимостей машинист меняет напор задвижками 10, 11 (рисунок 4.1), имеет возможность регулировать подсасываемый расход в пределах расчетных значений.
Расчет экономической эффективности очистки напорных трубопроводов оросительных систем
При сравнении за базовый вариант принят способ подачи воды на орошение при незаиленных очищенных трубопроводах, при этом сравнение проводится с вариантом, когда трубопровод заилен от 10 до 50 % сечения.
Расчет выполнен для орошаемого участка ООО «Калалинское» Красногвардейского района Ставропольского края.
Годовой экономический эффект складывается из разницы затрат от создания и эксплуатации сооружения для очистки трубопроводов и затрат, полученных в результате эксплуатации заиленного трубопровода.
Известно, что при уменьшении сечения напорного трубопровода скорость движения воды в нем увеличивается, соответственно увеличивается и полный напор насосной установки при одновременном падении расхода и КПД всей системы и, в частности, насосных установок.
Годовые издержки Со рассчитываются путем разности потребляемой электрической энергии при эксплуатации заиленного и очищенного трубопровода.
Сo = Сi-С 2 , где Сі - годовые издержки на эксплуатацию системы трубопроводов в заиленном варианте; С2 - годовые издержки при очищенном трубопроводе. В качестве примера проводится расчет годовых издержек одного насоса Д 630-90 при длинее трубопровода 3100 метров, диаметре 400 мм, подачей 540 м3/час и напором 72 метра.
Годовые издержки на эксплуатацию трубопровода определяются по зависимости:
Сi=iVHn8 120 , где iVH - издержки на эксплуатацию одного насосного агрегата, при сниженном КПД; п - количество одновременно работающих насосных агрегатов в насосной станции; 8 - количество часов работы в сут; 120 - поливной период, сут.
Издержки на эксплуатацию одного насосного агрегата в КВт определяются по затраченной мощности 77н где TVн - мощность одного насосного агрегата; 2н - подача насоса, м3/с; Нн - напор насоса, м; т/н - КПД насоса (0,8).
При незаиленном трубопроводе диаметром 280 мм, скорость равняется 2,44 м/с, потери напора 67,04 м, издержки при полном напоре 67,34 м составляют: NH = 9 8 0Д5 67,34=123,75 кВт.
При заиленном на 10 % трубопроводе диаметр уменьшается до 252 мм, при этом увеличивается скорость до 3,01 м/с и потери напора до 113,54 м. При полном напоре 114 м издержки составляют AL = =209,47 кВт.
Годовые издержки на эксплуатацию двух насосов при незаиленном трубопроводе составляют Сі = 123/7528120 = 237592,22 кВтчас. Годовые издержки на эксплуатацию двух насосов при заиленном на 10 % трубопроводе составляют С2 = 209,4728120 = 402183,53 кВтчас.
Годовые издержки Со рассчитываются путем разности издержек при эксплуатации заиленного и очищенного трубопровода: Со = 402183,53 - 237592,22 = 164591,30 кВтчас.
При стоимости электроэнергии 3,5 руб./кВтчас годовой экономический эффект при эксплуатации насосной станции в денежном выражении Эгод = Со3,5 =164591,303,5 = 576069,57 рублей.
Зависимость работы заиленного трубопровода от экономической эффективности приведена в таблице 5.3.