Как выбрать насос и трубу для водоснабжения промывочных установок

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 Н_СТ — разность отметок между точкой выпуска воды в технологический процесс и поверхностью водоема;

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

в) необходимый технологический напор h_ТЕХН., обеспечивающий дезинтеграцию песков и зависящий от типа промывочной установки. Наибольшую величину h_ТЕХН 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 = Н_СТ + h_ТР + h_ТЕХН, м вод. ст.          (1)

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

N =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 h_ТЕХН и статического напора Н_СТ 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, h_ТЕХН (напор в оросительной трубе скруббер-бутары) — 10 м вод. ст.;

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

- длина трубы (дальность транспортировки воды) L_ТР — 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 (h_ТР) 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, h_ТЕХН = 10 м и h_ТР = 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 h_ТР 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)

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

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.