Как выбрать насос и трубу для водоснабжения промывочных установок

Пятаков В.Г., д.т.н., ОАО «Иргиредмет»

На разработке россыпных месторождений используются сотни промывочных установок, и, казалось бы, особых проблем с их водоснабжением не должно быть: по необходимому расходу воды и требуемому напору выбирай подходящий насос и обустраивай систему водоснабжения. Однако весьма часто на практике эта важнейшая для россыпей технологическая операция не отвечает ни параметрам обогатительных процессов, ни принципу наименьших затрат. В первом случае недропользователь теряет в извлечении золота, во втором — несет излишние затраты, которые можно избежать. 

На рис.1 показана принципиальная схема водоснабжения промывочной установки, которая в упрощенном виде характеризуется следующими показателями:

а) статический напор НСТ — разность отметок между точкой выпуска воды в технологический процесс и поверхностью водоема;

б) гидравлические потери напора при движении воды в трубе hТР (величина гидравлических потерь зависит от расхода воды и диаметра трубы);

в) необходимый технологический напор hТЕХН., обеспечивающий дезинтеграцию песков и зависящий от типа промывочной установки. Наибольшую величину hТЕХН имеют гидромониторные установки (до 50 м вод.ст.), наименьшую — скруббер-бутарные;

г) расход воды Q, величина которого определяется производительностью промывочной установки и необходимым соотношением Ж:Т для выбранного способа обогащения.

Полный напор Н, который должен обеспечивать насос, при данной схеме водоснабжения, равен:

Н = НСТ + hТР + hТЕХН, м вод. ст.          (1)

Мощность N, потребляемая насосом при плотности воды 1 т/м3, определяется следующей зависимостью [1]:

=QH/102*η, кВт                                (2)

где Q — л/с, Н — м вод. ст.; η — КПД насоса.

Наша задача сводится к тому, что при известных показателях расхода воды Q, величины необходимого технологического напора hТЕХН и статического напора НСТ требуется выбрать марку насоса и диаметр трубы, при которых обеспечивались бы наименьшие затраты на операции водоснабжения при надежном соблюдении необходимого расхода Q.

Решение задачи приведем на примере. Исходные данные следующие:

- промывочная установка в голове процесса имеет скруббер-бутару (требуется небольшой технологический напор);

- расход воды, необходимый для обеспечения обогатительных процессов с требуемым Ж:Т, — 700 м3/ч;

- потери напора для обеспечения технологического процесса, hТЕХН (напор в оросительной трубе скруббер-бутары) — 10 м вод. ст.;

- статический напор (геометрический перепад) НСТ — 15 м вод. ст.;

- длина трубы (дальность транспортировки воды) LТР — 200 м;

- привод насоса — от дизельного двигателя при стоимости 1 кг дизтоплива 35 руб.;

- стоимость 1 т стальных труб — 40000 руб.;

- толщина стенки стальной трубы — 7 мм;

- срок эксплуатации стальной трубы — 5 лет.

Известно, что расход воды и ее напор в начале трубы определяются в точке пересечения характеристики насоса и характеристики сети. Если характеристику насоса можно найти в Интернете, то характеристику сети для конкретных условий должен определять  производственник.

Для удобства решения задачи на рис. 2 приведены зависимости гидродинамических потерь напора (hТР) от расхода воды для 100-метрового участка труб различных диаметров. Данные зависимости построены на основании «Таблиц гидравлического расчета…»  проф. Ф.А. Шевелева [2].

С использованием зависимостей на рис. 2 строятся характеристики сети для трубы длиной 200 м. Чтобы далее правильно выбрать диаметр трубы, желательно построить такие характеристики для нескольких диаметров. В нашем случае на рис. 3 приведены характеристики сети для труб диаметром 250, 300, 350 и 400 мм.

Следующим этапом является выбор марки центробежного насоса и частоты его оборотов. Из рис. 3 видно, что при заданном расходе 700 м3/ч напор воды при выходе из насоса должен быть в пределах 27–40 м вод. ст. для труб диаметром 400 и 250 мм соответственно. (В том числе Hст = 15 м, hТЕХН = 10 м и hТР = 2–15 м вод. ст).

Обычно характеристика насоса дополнительно включает зависимости потребляемой мощности и КПД от расхода воды. Желательно выбрать такую марку насоса, которая бы обеспечивала требуемый расход и напор при наименьшей потребляемой мощности насоса и, по возможности, высоком значении КПД. Результаты сравнения характеристик нескольких центробежных насосов двухстороннего входа типа Д приведены в табл. 1.

Согласно заявленным принципам выбора насоса из представленных в табл. 1 марок более всего подходит насос 1D1250-63 при диаметрах трубы 350 или 400 мм. Он имеет наименьшую потребляемую мощность — 56 кВт и самую высокую величину КПД (см. табл.1). Кроме того, к его преимуществам относится невысокая частота вращения, что способствует более длительному сроку эксплуатации. При открытой задвижке он будет обеспечивать расход 800 м3/ч (при диаметре трубы 350 мм) или 870 м3/ч (при диаметре трубы 400 мм). Чтобы задать требуемый расход 700 м3/ч, потребуется незначительно закрыть задвижку на напорной линии, отчего характеристика сети «поднимется» до заданного расхода, но напор воды на выходе снизится на 1–2 м, что допустимо.

Возможна ситуация, когда нет труб необходимого диаметра, но есть в наличии трубы меньшего диаметра. В этом случае для принятия решения о целесообразности их использования следует выполнить небольшие расчеты.

Так как труба меньшего диаметра вызовет рост гидродинамических потерь при обеспечении заданного расхода, то потребуется изменить марку приобретаемого насоса в сторону увеличения его мощности. Рассмотрим этот вариант на нашем же примере.

Допустим, что в наличии имеется только труба диаметром 250 мм (диаметр 200 мм приведет к величине hТР порядка 40 м вод.ст., поэтому он не рассматривается). Из рис. 3 определяем, что при расходе 700 м3/ч потребуется насос, развивающий напор 40 м вод. ст. Такие параметры имеет насос 1D800-56б (см. табл. 1). Мощность этого насоса — 100 кВт, то есть почти в 2 раза больше, чем у рассмотренного выше 1D1250-63 (см. табл. 1).

Табл.1. Сравнительные показатели наиболее подходящих насосов типа D при расходе 700 м3/ч (данные из техничеких характеристик насосов)


     Марка насоса

Частота
вращения,
об/мин

Возможный
напор, м
вод.ст.

Потребляемая
мощность, кВт

к.п.д.

Масса
насоса, кг

1D800-56

1450

58

148

0,82

560

1D800-56а

1450

49

130

0,80

1D800-56б

1450

40

100

0,75

1D1250-63

980

29

56

0,85

800

1D1600-90а

980

38

87

0,77

1165

1D1600-90б

980

31

68

0,75

 

Затраты на водоснабжение в основном включают расходы на дизтопливо и приобретение насосов и труб. Стоимость насосов 1D800-56б и 1D1250-63 примерно одинакова, и при сравнении вариантов с различными диаметрами трубы затраты на приобретение насосов можно не учитывать. С уменьшением диаметра трубы снижаются затраты на ее приобретение, но возрастает расход энергии и дизтоплива на перекачивание воды по меньшему проходному сечению. В табл. 2 приведены технико-экономические показатели работы насосных установок для четырех диаметров трубы при расходе 700 м3/ч. Для диаметров трубы 250–300 мм необходим насос1D800-56б, а для 350 и 400 мм — насос 1D1250-63. Следует отметить, что в данном расчете затраты на дизтопливо учитывают только расход энергии на преодоление трения воды в трубе. Расход дизтоплива на подъем воды на 15 м и создание необходимого технологического напора (10 м) для всех труб будет одинаковым.

Табл.2. Технико-экономические показатели водоснабжения при различных диаметрах трубы


                                Показатели

Диаметр трубы, мм

250

300

350

400

Потери напора в трубе, hТР, м вод.ст.

15,5

6,4

2,9

1,5

Часовый расход энергии на преодоление гидродинамических
потерь в трубе, кВт•ч (расчет выполнен по формуле 2)

39,1

16,1

6,4

3,3

Расход дизтоплива на преодоление трения воды в трубе,

- кг/ч;

- кг/сут;

- кг/сезон

 

 

9,8

195,5

29325,0

 

 

4,0

80,0

12000,0

 

 

1,6

32,0

4800

 

 

0,8

16,5

2475

Стоимость дизтоплива, расходуемого на преодоление трения,

- руб./ч;

- руб./сут.;

- руб./сезон

 

 

343

6860

1029000

 

 

140

2800

420000

 

 

56

1120

168000

 

 

28

560

84000

Годовые затраты на приобретение 200 м трубы (амортизация), руб./сезон

67200

84800

96000

108800

Суммарные затраты (стоимость дизтоплива +
амортизация трубы), руб./сезон

1096200

504800

264000

192800

 

Из результатов сравнения видно, что наиболее выгоден вариант с трубой диаметром 400 м. Он более чем в 5 раз имеет меньшие годовые затраты.

Если в приведенном выше примере разница в годовых затратах для различных диаметров трубы составляет около 0,8 млн. руб., то для больших расходов воды и протяженных водоводов эта разница может достигать более значительных сумм. Например, при подаче оборотной воды из хвостохранилища обогатительной фабрики с расходом 1100 м3/ч на расстояние 5 км занижение диаметра трубы от рационального всего на 50 мм приведет к увеличению годовых затрат на 6-7 млн. руб.

Литература

1. Справочник по гидравлическим расчётам. П.Г. Киселев, Госэнергоиздат, М., Л., 1957.

2. Таблицы для гидравлического расчёта стальных, чугунных, асбестоцементных и пластмассовых водопроводных труб. Ф.А. Шевелев, Стройиздат. М., 1970. 


-7+0
Просмотров статьи: 14610, комментариев: 16       

Комментарии, отзывы, предложения

Инженер, 14.10.13 16:42:36 — Автору

Спасибо. Сейчас надо экономить. А как вы относитесь к пластиковым трубам? Может, они лучше?

евгений, 18.02.14 08:21:50

Пэ -100 трубы. Хочу их использовать

А-др - Автору, 18.02.14 09:56:29

Тема безусловно важная и актуальная. Однако, чтобы пользоваться изложенными материалами, нужно быть д.т.н. или хотя бы Инженером "по трубам". Хотелось бы, чтобы этот же материал был изложен попроще, а марки насосов, труб и шлангов привязаны к современным вариантам, в т.ч. импортным. Кроме того, на практике пользователь уже имее (приобрел) насос. Что же, ему в соответсвии с этой статьей нужно каждый раз менять насос и установку при очередном перемещении по участку? Наверное, нет.

Александр, 27.01.17 10:29:57 — А-др - Автору

Можете посоветовать? Имееться 2 гидромонитора ГМН 250 трубопровод 200мм длина метров 200 до воды какой лучше поставить насос я планировал с расходом 800 м3/ч на оба ?

Михаил, 02.11.18 11:19:08 — Автору

Здравствуйте. Не совсем понял формулу №2. В оригинале она имеет вид

N=(Qpg*H)/n ОК, разбираемся:

внизу Вы добавили 100, чтобы перевести коэффициент КПД в проценты. Затем убрали ускорение своб.падения g, из-за этого 100 превратилось в 102. Убрали плотность воды p, и теперь стали считать Q в кубах. Вопросов нет. Формула превратилась в

N=(QH)/(102n)

Теперь пытаюсь посчитать часовый расход энергии на преодоление гидродинамических потерь в трубе 250 для насоса 1D800-56б:

-Подача Q=700 кубов

-Потери напора в трубе, hТР=15,5 метров

-КПД = 0,75

N=(70015.5)/(1020.75)=141.83 кВт

Вы в таблице 2 пишете 39,1 кВт. Что я делаю не так?

Заранее спасибо за ответ.

Олег Петрович, 20.12.18 16:44:14 — Михаил

Ответа вероятно не будет, неприятно доктору технических наук признавать свои элементарные арифметические ошибки.

Пятаков В.Г., 24.12.18 08:39:56 — Михаил, 02.11.18

Формула (2) взята из справочника. К сожалению, в статье допущена опечатка - расход воды Q измеряется не в м3/ч, а в л/с. Для нашего примера Q=700 м3/ч = 194 л/с.

При расчете потребляемой мощности надо принимать полный напор, который равен H=15 (H ст)+10 (h техн)+15,5 (h тр) = 40,5 м. В этом случае потребляемая мощность N=19440,5/1020,75 = 102,7 кВт.

39,1 кВт - это расходуемая мощность на преодоление только гидродинамических потерь напора в трубе (сопротивление трения воды о стенки трубы).

Спасибо, за ваше замечание. Ошибка в статье исправлена.

роберт, 24.02.20 23:07:36 — автору

подскажите как определить размеры трубы от давление/расхода насоса. Есть ли формула какая нибудь ? помогите

ЛДН, 28.02.20 13:01:33 — роберт

Одной формулой этот вопрос не решите. Но есть более простой способ решения - скачать программу "Гидравлический расчет напорных трубопроводов". Например оff- лайн калькулятор gradient. Программа является свободно распространяемой. Автор: Таранов Владимир, НПФ "Водные технологии" . Очень удобная и простая, весит мало, сделана по СНиПам. В программе вставлены основные диаметры труб и толщины стенок. Сам пользуюсь много лет.

В первом блоке вводите расход воды и предполагаемый диаметр трубы. Программа считает скорость и удельные потери. Причем она не даст Вам выбрать диаметр в котором скорость воды в трубе выше критической.

Во втором блоке рассчитываются потери напора и требуемый напор. Вы вводите длину водовода, геометрическую разность высот. Программа выдает требуемый напор в начале водовода.

То есть за несколько секунд можно посмотреть различные варианты по диаметрам трубы. Затем, Вам уже самостоятельно, по полученным напору и расходу нужно будет подобрать насос с ЭД.

ЛДН, 28.02.20 16:00:39 — роберт

Ответ конкретно на вопрос. У Вас обратная задача. Например есть насос 1Д-500-63 Подача 340 м3/час (94,4 л/сек), напор 28 м, Nном=38 квт. Требуется определить диаметр трубы.

Как это сделать?

В поле РАСЧЕТНЫЙ РАСХОД в л/сек подставляем 94,4 л/сек, НАРУЖНЫЙ ДИАМЕТР ТРУБЫ 108мм, ТОЛЩИНА СТЕНКИ 2мм. Нажимаем кнопку «ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ УКЛОН». Программа выдает критическре сообщение «Большая скорость движения жидкости» (v=11,11 м/сек). Тогда подставляем диаметр 159 мм, получаем то же критическое сообщение (v=5.02 м/сек). И только на диаметре 219 мм программа не выдаст предупреждение, что означает, что скорость воды (v=2,6 м/сек) и удельные потери с учетом гидравлических сопротивлений в допустимых пределах. Это означает, что для данного насоса с расходом 340 м3/час необходимо применять трубы диаметром от 219 мм и больше.

Василий, 29.02.20 09:22:53 — ЛДН, 28.02.20

Большое вам спасибо за подсказку. Может, это когда-то и рассказывали в институте, но давно и совсем забылось. Наверняка ваша подсказка полезна многим. Жалко, что она здесь быстро потеряется среди комментариев.

ЛДН, 29.02.20 14:22:05 — Василию

Буду рад если это кому то поможет. Но на самом деле это только часть задачи. Это желаемые Q и H. Далее нужно определить действительные Q и H для конкретного водовода и конкретного насоса и выбрать насос в последовательности, как указывает автор статьи. Но при наличии калькулятора это тоже делается быстро и просто и именно для диаметров труб которые выпускаются.

Василий, 11.03.20 14:43:32 — ЛДН, 29.02.20

Спасибо за разъяснение по насосам. Более-менее понятно.

Владимир В., 11.03.20 17:24:55 — ЛДН

Сейчас говорят о гибких водоводах. Иногда применяют пластиковые или брезентовые водоводы типа пожарных шлангов. Они легко соединяются и удобные в работе, но насколько они эффективны по затратам энергии на перекачивание? Конечно, зависит от диаметра, но можно ли считать по формулам для металлических труб. А если диаметра не хватает, так может быть можно положить 2 шланга?

ЛДН, 11.03.20 20:52:28 — Владимир В.

Выскажу сугубо свое мнение о применении рукавов на россыпях.

О рукавах тканевых напорных плоскосворачиваемых Ø 100 - 200мм не только говорят, но и широко применяют их для водоснабжения небольших промустановок, откачек. В принципе сейчас можно найти рукава практически всех диаметров, которые применяются для железных труб. Но нужно учитывать, что рукава, соединительные флянцы диаметром от 300 мм и больше имеют большой вес и монтировать – демонтировать их, как и саму магистраль, уже не так уж просто и удобно. Нужна техника и очень крепкие парни.

Относительно нехватки диаметра. Вы правы, именно так и делают, кладут несколько параллельных ниток рукавов. Конечно потери давления и расхода есть, по сравнению с одним рукавом, но все зависит от того какой % потерь Вы допускаете (считаете приемлемым). Часто, когда «лепится» из того что есть, в том числе насосов, и выбора не предвидится, смысла говорить о потерях нет.

Если говорить об эффективности именно перекачки по плоскосворачиваемым рукавам на россыпях, то конечно она уступает подаче по металлическим трубам и тем более полиэтиленовым. Основная причина ,это уменьшение поперечного сечения рукава на перегибах из-за уменьшения радиуса изгиба рукава, которых по факту очень много. Сделать трассу идеальной под рукав в гоизонтальной и вертикальной плоскости как то не удавалось.

Поэтому считать расход и напор по данным для металлических труб можно, но необходимо корректировать Q и Н в итоговых цифрах экспертно. Конкретную цифру назвать не могу, так как всегда все по разному. Данные по шероховатости и прочим характеристикам встречаются в технической литературе. но потери из-за перегибов их перекроют.

Я лично считаю , что наиболее удобна и эффективна перекачка по полиэтиленовым трубам (100-250 мм) поскольку не бывает перегибов, трубы по сравнению с металлическими не могут быть «замятыми» в принципе, плети можно немного изгибать, в наличии есть «самоприварные флянцы и повороты».

Магадан, 16.03.20 04:04:12 — ЛДН

Спасибо, вы очень понятно и толково написали. Вот бы еще несколько примеров где что лучше. Посмотрел, нашел похожий вариант и сделал так же. Но это наверное из области фантастики.

Уважаемые посетители сайта! Пожалуйста, будьте как дома, но не забывайте, что в гостях. Будьте вежливы, уважайте родной язык и следите за темой: «Как выбрать насос и трубу для водоснабжения промывочных установок»


Имя:   Кому:


Введите ответ на вопрос (ответ цифрами) "четыре прибавить 3":