Как расстояние до трубопровода влияет на производительность гидроэжекторного земснаряда
Увеличение длины напорного трубопровода обычно снижает объем песка, транспортируемого земснарядом с гидроразмывом и насосным всасыванием, если насосная система не располагает достаточным напором для преодоления дополнительного сопротивления. Эффект нельзя выразить простой потерей в процентах на каждый метр: производительность зависит от рабочей характеристики насоса, диаметра трубопровода, перепада высот, концентрации песка и состояния трубопровода.
Увеличение длины трассы также может сместить рабочую точку насоса к расходу, при котором песок уже не транспортируется надежно. Риск заключается не только в снижении производительности. Осаждение песка, засоры и повторные промывки могут привести к тому, что проектная производительность станет недостижимой в условиях ежедневной работы.
Почему увеличение длины трубопровода меняет рабочую точку
Насос земснаряда должен обеспечивать достаточную энергию для подъема пульпы на требуемую высоту и преодоления сопротивления во всей системе напорного трубопровода. К этому сопротивлению относятся трение на прямых участках трубы, потери на изгибах и фитингах, а также дополнительные потери при транспортировке твердых частиц. При одинаковых трубопроводе, пульпе и расходе увеличение длины повышает составляющую требуемого напора, обусловленную трением.
Фактический расход определяется точкой пересечения характеристики насоса с характеристикой напора системы. При увеличении длины трубопровода характеристика системы поднимается. Если частота вращения насоса и остальные параметры системы остаются неизменными, точка пересечения обычно смещается в сторону меньшего расхода. Земснаряд может продолжать перекачку, однако за единицу времени к месту сброса поступает меньше пульпы.
Производительность по песку не равна расходу пульпы. Для ее оценки можно использовать следующее соотношение:
Производительность по сухому песку (т/ч) = расход пульпы (м³/ч) × объемная доля твердых частиц × плотность сухих частиц (т/м³).
Например, при расходе пульпы 400 м³/ч, объемной доле твердых частиц 15% и плотности частиц песка 2,65 т/м³ расчетная производительность по сухим твердым частицам составляет примерно 159 т/ч. Это пример расчета, а не паспортная характеристика земснаряда. Если расход снизится до 300 м³/ч, а концентрация останется неизменной, расчетная производительность упадет примерно до 119 т/ч. На практике концентрация также может изменяться, поэтому одних измерений расхода недостаточно для определения массы доставленного песка.
Длина — лишь один из факторов трассы
Для двух трубопроводов одинаковой длины могут потребоваться совершенно разные параметры перекачки. Прежде чем сопоставлять планируемую трассу с заявленной дальностью сброса земснаряда, необходимо выяснить, при каких условиях указана эта дальность: важны диаметр и материал труб, перепад высот, концентрация пульпы и частота вращения насоса. Дальность, указанную для воды или разбавленной смеси, нельзя автоматически считать пределом для крупного песка при рабочей концентрации.
Перепад высот: Чистая разница высот между источником и уровнем воды в месте сброса или выпускным отверстием создает статический напор. Поэтому более длинная трасса с небольшим подъемом может предъявлять меньшие требования, чем более короткий трубопровод, по которому пульпа сбрасывается на значительно более высокий уровень. Также следует учитывать верхние точки трассы: скопление воздуха и местные условия давления могут нарушить работу системы.
Диаметр: При заданном расходе трубопровод большего диаметра снижает среднюю скорость и может уменьшить потери на трение. Однако скорость должна оставаться достаточно высокой для транспортировки конкретных твердых частиц. Увеличение диаметра без проверки скорости транспортировки может заменить проблему трения проблемой осаждения. Диаметр следует выбирать с учетом диапазона ожидаемых расходов, а не только максимальной производительности насоса в наилучших условиях.
Фитинги и состояние трубопровода: Изгибы, клапаны, переходники и гибкие секции создают дополнительные потери, которые нельзя учесть, измерив только прямолинейное расстояние по плану участка. Отложения, повреждения и шероховатость внутренней поверхности со временем могут увеличить сопротивление. При расчете трассы следует учитывать фактическую установленную длину и расположение всех фитингов, включая плавучие и береговые участки.
Материал: Гранулометрический состав частиц, концентрация и характер осаждения влияют как на сопротивление, так и на минимальную скорость транспортировки. Для крупного песка или гравия может потребоваться более тщательный контроль скорости, чем для разбавленной смеси мелкого песка. В некоторых условиях добавление воды облегчает транспортировку, однако при этом уменьшается доля песка в каждом кубическом метре пульпы и возрастает нагрузка на систему отвода воды в месте сброса.
Критический баланс между концентрацией и скоростью
В зоне всасывающей головки водяные струи размывают и смешивают песок перед его поступлением в насос. Повышение концентрации твердых частиц может увеличить производительность по сухому песку при заданном расходе пульпы, но только пока смесь остается пригодной для транспортировки, а насос обеспечивает требуемый напор. По мере увеличения расстояния попытка сохранить ту же концентрацию может настолько повысить сопротивление системы, что скорость снизится или начнется осаждение.
Когда частицы начинают накапливаться на дне трубопровода, эффективная площадь проходного сечения может уменьшиться. Сопротивление возрастает еще больше, расход может снова снизиться, и трубопровод может постепенно засориться. Для надежной работы важнее поддерживать скорость с достаточным запасом выше соответствующего порога осаждения, чем добиваться максимальной концентрации в ходе короткого испытания. Этот порог нельзя выразить одной универсальной скоростью: он зависит от трубопровода, характеристик частиц и условий перекачки пульпы.
Расход воды для гидроразмыва также влияет на общие показатели производства. В зависимости от конструкции земснаряда подача воды к гидромониторам может ограничивать доступную мощность или производительность перекачки. Высокий расход на сбросе, достигнутый главным образом за счет разбавления, не следует принимать за высокую производительность по песку. Расход и концентрацию твердых частиц следует измерять одновременно, предпочтительно в репрезентативной точке и при стабильном режиме работы.
Проверка плана увеличения длины напорного трубопровода до начала работ
Практическая оценка начинается с характеристики насоса при планируемой частоте вращения и расчета характеристики системы для предполагаемой пульпы. Их следует сопоставить для исходной трассы и для самой длинной трассы, ожидаемой в ходе проекта. При сравнении необходимо учитывать весь профиль высот, диаметры труб и фитинги, а также реалистичный диапазон концентраций песка и размеров частиц.
Для полученной рабочей точки необходимо выполнить две проверки: обеспечивает ли она требуемую производительность по сухому материалу и остается ли скорость пульпы в трубопроводе достаточной для надежной транспортировки. Кроме того, необходимо проверить мощность насоса, допустимое давление и пределы его рабочего режима. Расчетной точки пересечения недостаточно, если двигатель не может обеспечить требуемую мощность или допустимое давление какого-либо участка трубы ниже ожидаемого.
Если самая длинная трасса выходит за пределы рабочего диапазона, можно укоротить или изменить трассу, изменить диаметр трубопровода, скорректировать состав смеси или установить бустерный насос. Каждый из вариантов по-разному изменяет систему. Бустерный насос может восстановить напор, однако его расположение, давление на входе, система управления и допустимое давление трубопровода должны проектироваться как единая система. Простое увеличение мощности насоса на земснаряде не гарантирует достаточного давления на всасывании или безопасного давления на всей трассе.
Способ разработки грунта также важен для общего плана производства. Для материала с высокой долей глины или гравия вместо насосного всасывания в точке разработки можно рассмотреть экскавацию ковшами; например, черпающий земснаряд с цепью ковшей для добычи алмазов предназначен для таких условий работы с материалом. Однако это не отменяет необходимости оценивать отдельный трубопровод для пульпы, используемый на последующих этапах.
Используйте измерения на площадке, чтобы обеспечить плановую производительность
Во время работы регулярно фиксируйте расход на сбросе, концентрацию твердых частиц, частоту вращения насоса, мощность и давление. Показания давления в подходящих точках трубопровода помогают отличить рост сопротивления трубопровода от изменения подачи материала или состояния насоса. Сравнивайте показания при близких расходе и концентрации: само по себе повышение давления не доказывает наличие засора, если изменились и условия работы.
При планировании производства необходимо учитывать удлинение трубопровода, его перемещение, промывку и простои, а не принимать непрерывную теоретическую производительность за среднесуточную. При изменении расстояния сброса следует пересчитать ожидаемую рабочую точку и подтвердить ее измерениями, прежде чем рассчитывать на первоначальную производственную цель. Определяющим ограничением является сочетание достижимой производительности по песку, стабильной транспортировки и пределов оборудования по давлению и мощности, а не только длина трубопровода.
