Проблемы работоспособности грунтового насоса в горнорудном производстве. Условия эксплуатации и ресурс грунтового насосаОдна из приоритетных задач в рамках модернизации горнорудного производства - повышение эффективности эксплуатируемого оборудования, процессов и инфраструктуры. В первую очередь, это создание транспортной базы, имеющей высокую производительность при значительном снижении себестоимости транспортных перевозок минерального сырья и продуктов его переработки. В особенности такая задача актуальна для гидравлического трубопроводного транспорта. На сегодняшний день в горнорудном промышленном комплексе функционируют около 420 напорных гидротранспортных систем, суммарная длина трубопроводной магистрали которых превышает 1500 км. Ежегодно транспортируется более 2 миллиардов тонн различных твердых сыпучих материалов, в основном - хвосты обогащения минерального сырья и концентратов. Разработка рудных месторождений и их комплексное использование требуют от горнодобывающих компаний необходимости вовлечения в переработку бедных и забалансовых руд, содержание полезного минерала в которых составляет не более 1 - 2 %. По причине низкой концентрации твердого вещества в хвостах обогащения повышается энергопотребление и снижается эффективность гидравлического транспорта в расчете на тонну или кубометр транспортируемого твердого материала [4]. Ряд предприятий выполняет комплекс мер, направленных на повышение эффективности процесса складирования хвостов обогащения. Например, на Михайловском ГОКе внедрена система сгущения хвостов до 45 – 55 % по объему твердого вещества перед его складированием в отработанные выработки. Но, как правило, наиболее эффективным методом повышения эффективности гидротранспорта хвостов обогащения является их сгущение до 30 – 35 % по весу и до 25 % по объему, что позволяет почти вдвое сократить потребление транспортной воды. С учетом описанных факторов перед проектными организациями встают новые задачи по разработке и внедрению наиболее эффективных систем гидротранспорта и сокращению энергетических и капитальных затрат. Решение данных проблем предполагает реализацию следующих мероприятий:
В разрезе данных задач от проектных организаций требуется выполнение тщательного расчета всех технологических параметров процесса и подбор технологичного оборудования. Особенно это касается подбора грунтовых насосов, для которых работа в оптимальном режиме является определяющим фактором, влияющим на срок службы и энергоэффективность насосных систем. Как показывает практика, при выборе насоса проектанты и поставщики оборудования редко задумываются о процессах, происходящих в перекачиваемой гидросмеси и проточной части грунтовых насосов. Определяющие факторы при выборе насосов - значения подачи, напора, потребляемой мощности и КПД. Такой подход к выбору грунтовых насосов для перекачки гидросмесей с разными концентрациями и размерами твердых частиц обусловлен тем, что наибольший объем выпускаемых насосов имеет маркировку, разработанную по методикам 80-х годов ХХ в. [1]. Основой данной маркировки являются тип и параметры насоса (Q и Н). Разделение насосов на параметрический ряд приводит к тому, что проектант не имеет возможности включать в проект грунтовый насос с требуемыми для технологического оборудования параметрами. Подбор насоса по принципу «близлежащий по параметрам» в сторону увеличения, но с максимальным превышением не более, чем на 10 %, и с учетом некорректности определения гидравлических характеристик системы может дать ошибку в определении параметров грунтовых насосов от 15 до 20 %. Использование грунтовых насосов в неоптимальных режимах приводит к возникновению рециркуляции на входе и выходе из насоса, повышенному абразивному износу входных и выходных кромок рабочего колеса, бронедиска и стенок внутреннего корпуса (Рис. 1, 2).
Следствием такого износа является повышение вибрации, падение характеристик насоса, снижение КПД и повышение энергопотребления. Необходимо также констатировать, что проектанты и эксплуатационники систем с грунтовыми насосами практически не уделяют должного внимания анализу перекачиваемой гидросмеси, свойствам и фракционному составу твердого вещества. Так, например, ряд фирм в своей практике используют такое понятие, как «коэффициент абразивности материала» (стандарт ANSI/HI 12.1-12.6-2011), где в качестве эталонной величины принят кварцевый песок (Табл. 1). Таблица 1. Коэффициенты абразивности минералов
Поверхностный анализ данной таблицы дает возможность определить расчетный коэффициент относительного увеличения / уменьшения ресурса грунтового насоса в соответствии с содержащимся в твердом веществе основным минералом. В основном это связано с природной твердостью перекачиваемого минерала, а также с формой частиц (окатанные частицы или частицы с острыми кромками). Например, для двух разных гидросистем (перекачка бокситов и перекачка медной руды) с одинаковой концентрацией твердого материала и схожим фракционным составом один и тот же тип грунтового насоса будет иметь существенную разницу в значениях наработки проточной части. Срок службы проточной части также зависит от концентрации твердого материала и размера частиц, так как потоки гидросмесей с разными характеристиками ведут себя по-разному, и, соответственно, процесс абразивного износа в проточных частях грунтовых насосов протекает также по-разному (абразивное истирание, ударно - абразивный износ и пр.). Для более качественного определения свойств транспортируемой гидросмеси и оценки величины и типа возможного износа насоса для перекачиваемого твердого вещества вводится такое понятие, как «фракционный состав твердого». Типичный фракционный состав приведен в Табл. 2. Таблица 2. Гранулометрический (фракционный) состав перекачиваемой пульпы из классификаторов в гидроциклоны первого приема участка измельчения и обогащения. Управление производством концентрата и окатышей ОАО «Карельский окатыш»
По фракционному составу определяется такой значимый параметр, как средний размер твердого d50. Он является определяющим фактором для расчетов параметров гидросистемы, на основании которых должен выбираться насос. Размер d50 равен размеру частиц, вес которых составляет 50 % от общего веса (выражается в мм или мкм). В современных методиках расчета насоса средний размер d50 применяется для определения основных характеристик гидросмеси и производительности насоса, а концентрацию твердого материала, как правило, указывают для значения d50. В американском стандарте для центробежных шламовых насосов ANSI/HI 12.1-12.6-2011 [5] приводится диаграмма, с помощью которой по значению среднего размера частиц d50 классифицируют перекачиваемые гидросмеси (Рис. 3). Рис. 3. Схема классификации пульп (шламов) в применяемых промышленных трубопроводах C помощью среднего размера частиц d50 производится определение корректирующих коэффициентов напора и КПД насоса по графической диаграмме (Рис. 4). По сопоставлению среднего размера частиц и диаметра рабочего колеса выбираемого насоса можно получить значения корректирующих коэффициентов напора и КПД [5], что необходимо для оценки фактического напора и КПД, создаваемых насосом при перекачке заданной гидросмеси, так как в каталогах параметры грунтовых насосов указаны для чистой воды. Рис. 4. Определение корректирующих коэффициентов напора и КПД по среднему размеру частиц и диаметру рабочего колеса Особое внимание следует также уделять плотности перекачиваемой гидросмеси, значениям скорости потока и критической скорости. С увеличением концентрации твердого вещества седиментационная устойчивость гидросмесей возрастает, так как к силам вязкости добавляются силы механического взаимодействия между отдельными частицами, что в итоге проявляется в возрастающем эффекте вязкости гидросмеси (Vкр). С уменьшением крупности и увеличением концентрации частиц роль Vкр снижается, а при некоторых предельных значениях данных характеристик влияние Vкр на кинематические и динамические параметры потока исчезают, потому что понятие критической скорости как таковое в этих условиях теряет обычный общепринятый смысл. С уменьшением крупности твердых частиц и увеличением в объеме их концентрации смесь необходимо рассматривать как однородную, или гомогенную, отличающуюся по своим физическим свойствам от гетерогенных гидросмесей, с относительно крупными частицами и их невысокими концентрациями. При перекачке мелкофракционных высококонцентрированных смесей основными факторами, определяющими параметры гидравлического транспорта, являются концентрация твердых частиц и вязкость гидросмесей, а не критическая скорость [4]. Энергетически наиболее выгоден гидротранспорт при рабочих скоростях, равных или несколько превышающих критические скорости Vкр, при которых на дне трубопровода начинает образовываться неподвижный слой выпавших из пульпы частиц материала. Скорость потока и диаметр применяемого трубопровода определяют удельные потери напора гидросистемы, которые, в свою очередь, влияют на значение полных потерь напора. При выборе насосного оборудования для определенных условий эксплуатации проектировщики и эксплуатирующие организации пренебрегают этими данными, что приводит к следующему комплексу негативных факторов:
Проанализировав отечественные и зарубежные методики расчета гидротранспорта и выбора грунтовых насосов, можно сделать вывод, что на сегодняшний день по проектированию гидротранспорта отсутствуют общепринятые методики и рекомендации. Существующие в России методы и пособия по расчету гидротранспорта либо рассчитаны для ограниченных условий эксплуатации, либо не могут оценить и рассчитать все необходимые характеристики гидросистемы для оценки режимов работы грунтового насоса и спрогнозировать его износ. Как было отмечено ранее, в России и других странах СНГ выбор насосов в большинстве случаев осуществляется путем подбора «ближайшего» по параметрам насоса, удовлетворяющего полученным расчетам системы гидротранспорта. Такая ситуация привела к тому, что на предприятиях горно-металлургического сектора порядка 60 % эксплуатируемых грунтовых насосов работают в неоптимальных режимах, с повышенным энергопотреблением, износом деталей проточных частей и, как следствие, требуют значительных затрат на эксплуатацию и обслуживание. В настоящее время наиболее универсальным и подробным пособием по выбору грунтовых насосов в зависимости от условий эксплуатации является стандарт для центробежных шламовых насосов ANSI/HI 12.1-12.6-2011, разработанный Американским институтом стандартизации и Гидравлическим институтом совместно с ведущими мировыми горно-металлургическими предприятиями и производителями насосов. Стандарт охватывает разные условия эксплуатации и типичные для этих условий характеристики гидросмесей, способы оценки и выбора материала проточной части и типов конструктивных исполнений грунтовых насосов. В стандарте также представлено описание принципов подбора насоса для перекачки пенных шламов, что на сегодняшний день является особо актуальным для высокопроизводительных флотационных установок. Учитывая представленные в данной статье проблемы, Группа ГМС системно проводит работы по модернизации насосов, традиционно применяемых в горной промышленности. На сегодняшний день холдинг реализует три принципиальных направления: 1. Совершенствование методики расчета параметров гидросистемы и последующего выбора грунтовых насосов. В настоящее время выполняется сравнительный анализ существующих в России и странах СНГ методик и правил по расчету гидротранспорта. В частности, детально проработано «Пособие по проектированию гидравлического транспорта» (СНиП 2.05.07-85), выявлены все допущения и неточности данного документа. Проведено также сравнение существующих методик со стандартом ANSI/HI 12.-12.6-2011. Выполнение данной работы в полном объеме требует обработки значительного объема статистического материала по условиям эксплуатации, характеристикам перекачиваемого шлама и свойствам твердого вещества. Сбор и обработка таких данных возможны лишь при объединении усилий всех участников процесса - от производителей насосов до эксплуатационников. 2. Совершенствование конструкции грунтовых насосов. Дирекция НИОКР Группы ГМС, проведя комплексный анализ условий эксплуатации насосов и возможных процессов в проточной части, разработала комплекс мероприятий по модернизации линейки грунтовых насосов, выпускаемой структурным предприятием Группы - ОАО «Бобруйский машиностроительный завод». Данный комплекс мероприятий включает:
Ряд мероприятий в настоящее время уже реализован, и в конце 2013 г. ожидается получение подтверждения о наработке модернизированных грунтовых насосов. 3. Способы регулирования грунтовых насосов для эксплуатации в рабочем диапазоне. НИОКР Группы ГМС совместно со специалистами «Бобруйского машиностроительного завода» проводят работы по оптимизации работы грунтовых насосов и увеличению показателей их надежности в соответствии с параметрами гидросиситемы. Комплекс работ включает:
В среднесрочной перспективе Группа ГМС планирует осуществить первую поставку грунтовых насосов, соответствующих повышенным требованиям эффективности, технологичности, надежности и энергоэффективности.
1. Орешкин В. Л., Слепой Ю. Ш., Колбенева М. Д. (ПромтрансНИИпроект) при участии: Бассоло К. С. (ВНИПИИстройсырья), Седлович Д. С. (Атомтеплоэлектропроект), Сазонов Г. Т., Райлян Г. А. (Механобр). Пособие по проектированию гидравлического транспорта (к СНиП 2.05.07-85). Москва, 1986.
Назад в раздел |
- Проекты
