В журнале и на сайте «Золотодобыча» в 2018 г. была опубликована моя статья «Как выбрать насос и трубу для водоснабжения промывочных установок». Статья вызвала отклики, были и критические замечания, которые в основном сводились к тому, что статья имеет большой объём и сложна для понимания. Так как тема актуальна, то есть смысл к ней вернуться с учётом выданных замечаний. Сразу замечу, что коротко и просто изложить решение задачи водоснабжения промприбора затруднительно.
Итак, надо выбрать насос и трубу для водоснабжения промприбора. И насос, и труба должны обеспечить максимальное извлечение золота при наименьших капитальных и эксплуатационных затратах на подаче воды.
Параметры насоса и диаметр трубы зависят от:
- производительности промприбора, его типа, и схемы обогащения;
- свойств песков (промывистость, ванунистость, грансостав);
- геодезического перепада между отметками забора воды и её выдачи в процесс;
- протяжённости водовода.
Эти показатели могут изменяться как в течение одного сезона, так и по годам. Желательно иметь такой насос и трубу, при которых можно было бы обеспечить необходимые параметры водоснабжения при изменяющихся горнотехнических условиях.
В настоящей статье вопрос обоснования величины подачи воды (Q, м3/ч) и напора у насоса (Н, м) не рассматривается. Эта проблема требует отдельного анализа.
Учитывая изменчивость горнотехнических условий переработки песков, следует для водоснабжения принимать наихудший вариант, при котором Q и Н максимальны. В то же время система водоснабжения должна без каких-либо переделок работать и при наименьших Q и Н.
Дальнейшее рассмотрение задачи проведём на примере насоса 1Д1250-63. Он относится к насосам с двухсторонним всасом (тип Д) и по своей характеристике находит широкое применение на практике. Характеристика насоса приведена на рис. 1.
Частота вращения n = 1450 об/мин.
Дк — диаметр колеса
Насос поставляется, как правило, в виде насосных агрегатов (установок) с двумя видами привода: с асинхронными двигателями с постоянными оборотами и с дизелем с возможностью изменения оборотов от 800 до 2200 об/мин.
Из теории центробежных насосов известно, что при изменении оборотов его характеристики изменяются следующим образом [1]:
n1 — обороты насоса с известными Q1, Н1 и N1 (мощность, кВт);
n2 — изменённые обороты с новыми параметрами насоса (Q2, H2, N2).
Кроме изменения оборотов, параметрами насоса можно управлять и заменой рабочего колеса на другой диаметр. На рис. 1 показаны характеристики насоса для трёх диаметров колеса.
В каждом конкретном случае Q и H насоса при постоянных оборотах будут находиться в точке пересечения его характеристики с характеристикой сети, которая зависит от геодезического перепада между отметками выпуска воды на промприборе и поверхности водоёма, а также от степени закрытия задвижки на напорной линии. На рис. 1. показана произвольная характеристика сети.
Для смонтированного промприбора характеристику сети можно изменять лишь степенью открытия напорной задвижки. При закрытии задвижки характеристика сети становится круче, и точка пересечения двух характеристик на графике будет сдвигаться влево. То есть при любом положении задвижки показатели насоса Q и H будут располагаться на линии характеристики насоса.
Главным преимуществом насосных агрегатов с дизельным приводом является возможность плавного изменения оборотов рабочего колеса, что позволяет получить принципиально иной вид характеристики насоса.
На рис. 2 представлены характеристики насосного агрегата 1Д1250-63 с дизельным приводом для трёх диаметров колёс. Характеристики построены по формулам (1). При этом значения n1, Q1, H1 и N1 взяты из рис. 1. Ограничивающие обороты приняты равными 1000 и 1800 об/мин.
при изменении оборотов от 1000 до 1800 об/мин.;
а) Дк — 455 мм; б) Дк — 418 мм; в) Дк — 390 мм
Сравнивая рисунки 1 и 2, видно, что характеристика насоса с дизельным приводом представлена не линией, как при электроприводе, а площадью (рабочей зоной). Такая характеристика позволяет изменять Q и H в широком диапазоне при наименьших затратах энергии.
Оценим эти преимущества на следующем примере. Требуется подать воду с расходом 900 м3/ч и напором у насоса 35 м. На электроприводе для заданного расхода и диаметра колеса 455 мм напор составит 69 м, а потребляемая мощность 210 кВт (см. рис. 1). Такой напор по технологической потребности не нужен и приводит лишь к повышенному расходу электроэнергии. Можно заменить рабочее колесо на диаметр 390 мм, что позволит снизить напор до 46 м, а потребляемую мощность до 170 кВт (см. рис. 1). Если же через несколько дней потребуется из-за изменения горнотехнических условий увеличить расход, то вновь потребуется остановка на замену рабочего колеса.
На дизельном агрегате, не меняя диаметр колеса (Дк = 455 мм), можно получить заданные Q и H изменением оборотов насоса. Пользуясь представленными графиками и формулами (1), приближённо определим обороты, обеспечивающие заданные Q и H.
На рис. 3 представлен вспомогательный график (фрагмент рис. 2а) для необходимых расчётов, выполняемых в следующем порядке:
оборотов насоса при Q = 900 м3/ч и Н = 35 м
- на графике наносится точка а, соответствующая Q2 = 900 м3/ч и H2 = 35 м;
- через точки о и а проводится прямая до пересечения в точке б с
характеристикой насоса при n1 = 1450 об/мин.;
- для расчётов по формулам (1) принимаем следующие параметры насоса (см. рис. 3):
n1 = 1450 об/мин., Q1 = 1200 м3/ч, H1 = 64 м, N1 = 260 кВт;
n2 = х, Q2= 900 м3/ч, H2 = 35 м, N2 = х;
- определяем по формуле (1) n2 через изменение расхода:
То есть при оборотах около 1080 об/мин. будет достигнут требуемый режим работы насоса, при котором потребляемая мощность составит:
Потребляемая в этом варианте мощность на 63 кВт меньше, чем при электроприводе с оборотами 1450 об/мин. и Дк = 390 мм. Как уже указывалось выше, параметры насоса определяют точкой пересечения характеристик насоса и сети. При достаточном диаметре трубы нужная точка пересечения характеристик достигается положением задвижки на напорной линии.
На практике можно не проводить изложенные расчёты. Они приведены для доказательства широких возможностей дизельного привода. Достаточно подобрать необходимые обороты и степень закрытия задвижки по визуальной оценке расхода и напора.
Дизельные насосные установки (ДНУ) на базе насосов типа Д обычно поставляются с мощностью двигателя, рассчитанной на штатные обороты асинхронных двигателей (980, 1450, 2900 об/мин.). Поэтому для повышения Q и H сверх обозначенных в паспорте ДНУ «разогнать» насос не удается. Нужна дополнительная мощность дизеля.
Разберём этот случай на примере. Имеется ДНУ-1250/63 с двигателем ЯМЗ 8503/10 мощностью 290 кВт, обеспечивающим подачу 1300 м3/ч и напор 63 м. Возникла необходимость увеличить подачу до 1600 м3/ч и напор до 70 м. Эту точку можно нанести на рабочую зону на рис. 3. Потребляемую мощность насоса при этих параметрах можно определить по упрощённой эмпирической формуле:
N = Q × H × 0,0035 = 1600 × 70× 0,0035 = 392 кВт.
То есть при имеющемся двигателе указанные параметры мы не достигнем. Из этого следует, что при заказе ДНУ следует ориентироваться на максимально возможные Q и H, которые могут потребоваться в производстве.
Коротко о диаметре трубы водовода. При его определении рекомендуется принимать в качестве критерия скорость движения воды в трубе (V) — она не должна превышать 3 м/с. Потери напора за счёт трения воды на 100 м длины водовода (i) определяются по формуле (2):
То есть потери напора возрастают нелинейно от скорости в квадрате. Излишние потери напора требуют дополнительного расхода дизтоплива и, соответственно, затрат. Так, при расходе воды 1100 м3/ч и длине водовода 100 м затраты на водоснабжение при сезоне 140 суток будут меньше на 2,1 млн руб, если трубу диаметром 300 мм заменить на 400 мм. Из этого следует, что не стоит экономить на диаметре трубы — потеряешь больше, чем сэкономишь.
Для удобства лучше заменить одну трубу большого диаметра на два- три плоскосворачиваемого рукава меньшего диаметра.
Рекомендации
1. Для водоснабжения промприбора целесообразно использовать дизельные насосные агрегаты, которые способны обеспечить необходимые для обогащения расход и напор воды в широком диапазоне при минимальных затратах.
2. При заказе ДНУ следует ориентироваться на максимально возможные Q и H, которые могут потребоваться в производстве.
3. Диаметр водовода желательно принимать с таким расчётом, чтобы скорость движения воды не превышала 3 м/с.
Литература
1. Киселёв П.Г. Справочник по гидравлическим расчётам. М.:Госэнергоиздат. 1957. 352 с.
2. Шевелёв Ф.А. Таблицы для гидравлического расчёта стальных, чугунных, асбестоцементных и пластмассовых водопроводных труб. М.: Стройиздат, 1970. 112 с.