Реферат: Національний гірничий університет реферат науково-дослідної роботи

Національний гірничий університет


РЕФЕРАТ

науково-дослідної роботи

“Динаміка глибоководних гідропідйомів

в морській гірничій справі”



Виконавці: ________________

В.Г. Шворак

________________

В.Є. Кириченко

________________

В.В. Євтєєв



Дніпропетровськ

2010 р.

У зв’язку з інтенсифікацією виробничих процесів у всіх галузях народного господарства України на початку 21-го століття гостро ставиться проблема поповнення мінерально-сировинної бази. У цьому плані освоєння сировинного потенціалу Світового океану не має альтернативи. Найбільший інтерес викликають залізомарганцеві конкреції, кобальто-марганцеві корки, поліметалеві сульфіди тощо. Розробка родовищ газу, нафти, газогідратів, піску, гравію та ін. у Чорному й Азовському морях є одним з найважливіших завдань для економіки України. При цьому сумісна розробка твердих підводних корисних копалин та зосереджених на великих глибинах покладів енергоносіїв дозволить підвищити рівень енергетичної незалежності держави.

Тому роботи щодо створення унікального гірничо-морського обладнання набувають особливу актуальність. Однією з основних технологічних операцій є транспортування добутих корисних копалин на поверхню. Серед відомих способів, що базуються на гідравлічному принципі транспортування твердих матеріалів фахівці виділяють ерліфтний гідропідйом, завдяки високим показникам надійності в складних умовах великих глибин.

Важливим конструктивним параметром, який суттєво впливає на енергоємність глибоководних ерліфтних гідропідйомів, є глибина занурення змішувача. Згідно із прийнятим на сьогодні підходом, вона обмежена максимальним напором, що розвиває компресор і не відповідає максимальному ККД установки. Недолік цього проектного рішення викликаний розглядом робочих режимів у відриві від характеристик перехідних процесів (запуск – зупинка). У той же час існуючі компресори необхідної продуктивності здатні забезпечувати робочий режим на раціонально розташованому змішувачі, глибина занурення якого відповідає максимальному ККД установки й перевищує максимальний напір компресора. Стримуючим фактором є відсутність ефективного способу запуску на раціонально зануреному змішувачі.

Для забезпечення режимів експлуатації глибоководних гідропідйомів з високими техніко-економічними показниками потрібні ефективні системи керування установками, які враховували б обмеження, що накладаються технологією видобувних робіт, а також параметри суміжних підсистем (продуктивність агрегатів-збірників, характеристики блоку перекачування пульпи від агрегатів-збірників в бункер-накопичувач та ін.). На сьогодні розробка цих систем стримується, в першу чергу, відсутністю базових параметрів керування, а саме: швидкості поширення хвиль тиску (швидкості звуку) в елементах глибоководних гідропідйомів та інерційності системи (часу відгуку системи на керуючі впливи). Саме величина швидкості звуку дозволяє оперативно визначати час відгуку системи на керуючі впливи (запізнювання у відповідних динамічних рівняннях елементів глибоководних гідропідйомів) при автоматизованому керуванні.

Розробка способів й алгоритмів керування стримується, в першу чергу, відсутністю результатів досліджень нестаціонарних режимів і динамічних процесів в елементах глибоководних гідропідйомів, закономірностей поширення хвиль тиску й керуючих впливів, а також математичного опису перехідних режимів.

У гірничорудній промисловості використовуються аналоги глибоководних гідропідйомів для гідровидобутку, водовідливу, чищення водозбірників і зумпфів й ін. Незважаючи на велику кількість робіт, присвячених розрахунку статичних параметрів шахтних ерліфтів, перехідні процеси у цих установках практично не вивчені.

Тому визначення раціонального (з урахуванням перехідних процесів) занурення змішувача й відповідних йому витрат повітря й об'ємної концентрації твердого матеріалу, що забезпечують максимальний ККД установок, а також встановлення закономірностей поширення хвиль тиску в багатофазних потоках в елементах глибоководних гідропідйомів і визначення базових параметрів керування перехідними процесами (швидкості звуку й інерційності системи), є актуальною науковою задачею.

Науково-дослідна робота виконана на підставі рішення Ради національної безпеки та оборони України від 16 травня 2008 року “Про заходи щодо забезпечення розвитку України, як морської держави”, введеним в дію указом Президента України № 463/2008 від 20 травня 2008 року, передбачена розробка нової “Національної програми досліджень і використання ресурсів Азово-Чорноморського басейну, інших районів Світового океану на 2009-2034 роки”.

^ Мета науково-дослідної роботи полягає в обґрунтуванні параметрів глибоководних ерліфтних гідропідйомів з урахуванням перехідних процесів і розробці технічних рішень, що забезпечують ефективне функціонування системи гідротранспорту у складі суднових видобувних комплексів.

^ Наукова новизна одержаних результатів:

– вперше встановлено, що при вирішенні задач керування нестаціонарний трифазний потік у верхній трубі глибоководних гідропідйомів, на відміну від однофазного, потрібно розглядати як суцільне середовище з деякою “динамічною” щільністю, яка відрізняється від середньої об’ємної щільності суміші, внаслідок того, що рідина, тверді частинки й газові пухирці мають різну інерцію і різним чином реагують на зміну швидкості;

– вперше розроблена багатошвидкісна динамічна модель багатофазної суміші, що відрізняється від відомих коректним урахуванням сил взаємодії між несучою й дисперсними фазами. На базі розробленої моделі вперше отриманий вираз для визначення швидкості звуку в трифазній суміші, що узагальнює усі раніше відомі співвідношення й відрізняється найбільш повним урахуванням інерційних складових сил міжфазної взаємодії;

– вперше встановлено, що в двофазній гідросуміші величина швидкості звуку визначається як характеристиками пульпи, так і параметрами трубопроводу, а залежно від об’ємної концентрації твердого має екстремальний характер, при цьому мінімуми значень швидкості звуку лежать на одній прямій. Швидкість звуку в трифазній суміші фактично не залежить від характеристик твердого матеріалу і параметрів трубопроводу, а змінюється прямо пропорційно тиску і, залежно від газовмісту, має мінімум при С2 = 0,37 незалежно від тиску.

^ Практичне значення роботи полягає в розробці автоматизованого способу запуску й роботи глибоководних гідропідйомів (патент України № 84333, патент Російської Федерації № 2346161), які обладнані сучасними компресорами з обмеженим тиском стисненого повітря, на раціонально розташованому змішувачі, що забезпечує експлуатацію установок з найбільш високими техніко-економічними показниками. Урахування впливу параметрів перехідних процесів дозволяє збільшити ККД базового варіанта глибоководних гідропідйомів на 5...7 %.

^ У першому розділі наведені загальні відомості, способи й засоби видобутку твердих корисних копалин із дна Світового океану. Зроблено висновок щодо перспективності застосування глибоководних гідропідйомів завдяки їх високій надійності, незважаючи на значну енергоємність. Основним напрямом розвитку глибоководних гідропідйомів є забезпечення їх експлуатації в області раціональних робочих режимів, які відповідають максимальному ККД установок.

^ У другому розділі отримана континуальна багатошвидкісна модель в одномірному наближенні, що складається із трьох рівнянь нерозривності і трьох рівнянь імпульсів, які записані для кожної фази.

Система отриманих диференціальних рівнянь містить шість невідомих параметрів, що характеризують рух рідини із твердою й газоподібною фазами.

На основі аналізу характеристичних властивостей цієї системи рівнянь отримана формула для визначення швидкості звуку D0 для трифазної суміші:





де Dтр, Е, δ – відповідно внутрішній діаметр, модуль пружності й товщина стінки трубопроводу; ρд = μ∙ ρ0 – «динамічна» щільність суміші;



;


ρi ,Ci – відповідно певні щільності та об'ємні концентрації фаз; p – тиск; Ki  – об'ємний модуль пружності; ki – коефіцієнти, які враховують інерційні ефекти міжфазної взаємодії з урахуванням впливу несферичності твердих частинок і пухирців газу, а також їх концентрацій на величину приєднаних мас. Індексами позначені: 0 – рідина, 1 – тверді частинки, 2 – газ.

Отримана формула відрізняється від відомих формул А.М. Лурьє і Р.І. Нігматуліна, які отримані у рамках роздільної моделі, а також формул Вуда і Пірсола, які отримані у рамках термодинамічного підходу.

Досліджені залежності поширення звукових хвиль від концентрації дискретних фаз: для пульпи в усьому діапазоні зміни концентрацій, для пульпи в нижній трубі глибоководного гідропідйому та для трифазної суміші при незалежній зміні газовмісту від тиску.

У трифазній суміші величина швидкості звуку змінюється прямо пропорційно тиску, має екстремальний характер залежно від газовмісту з мінімумом при С2 = 0,37, і фактично не залежить від характеристик твердого матеріалу і параметрів трубопроводу. У верхній трубі глибоководного гідропідйому при С2 <0,37 зниження швидкості звуку обумовлено падінням тиску й зростанням газовмісту, а при С2 >0,37 – домінуючим впливом падіння тиску, незважаючи на ріст газовмісту. З використанням отриманої графічної залежності визначано час відгуку системи на керуючі впливи, що є базовим параметром розроблюваної автоматизованої системи керування технологічними процесами глибоководних видобувних комплексів.

^ У третьому розділі розглянуті аспекти розробки стратегії й загальних принципів побудови автоматизованої системи керування технологічними процесами глибоководних видобувних комплексів. Розроблена блочно-ієрархічна трирівнева структура експериментальної автоматизованої системи керування процесами видобутку, перекачування й підйому залізомарганцевих конкрецій, що відображає рух потоку твердого матеріалу в технологічному ланцюгу, а також протікання статичних, динамічних й енергетичних процесів в елементах глибоководних видобувних комплексів, що передбачає послідовне пошарове вирішення задач керування в спадному порядку. При цьому результати розв'язання задач вищих рівнів передаються у виді відповідних обмежень, можливого діапазону зміни параметрів, а також формулювання вимог до постановки й рішення задач нижніх рівнів.

У складі побудованої структури автоматизованої системи керування технологічними процесами глибоководних видобувних комплексів розроблена ієрархічна функціонально-оптимізаційна схема керування гідропідйомами, яка дозволяє підвищити їх ефективність шляхом оптимізації, регулювання й стабілізації параметрів, а також узгодження робочих режимів елементів комплексу. Запропонована схема дозволяє гарантовано виключити визначення раціональних параметрів в області таких експлуатаційних режимів гідропідйому, що не реалізуються на практиці, і сконцентрувати зусилля розробників у найбільш пріоритетних напрямах.

В роботах Скориніна М.Й., Кириченка Є.О., Логвінова В.Г., Юшина В.В. та ін. способи запуску ерліфта в елементах глибоководного гідропідйому розглядаються у відриві від способів його зупинки, а також від функціонування устаткування видобутку, тому вони об'єктивно не можуть служити основою для розробки автоматизованого способу управління перехідними режимами гідропідйомів у складі гірничо-морських підприємств.

На наш погляд, вказаних недоліків позбавлений розроблений в даній роботі спосіб управління запуском і зупинкою глибоководного ерліфта на змішувачі з раціональною глибиною занурення (патент України № 84333, патент Російської Федерації № 2346161). Цей спосіб, в контексті специфіки експериментальної автоматизованої системи керування, що розробляється, задовольняє наступним вимогам:

реалізація запуску глибоководного гідропідйому безпосередньо на змішувачі, глибина занурення якого відповідає максимальному ККД в робочому режимі;

здійснення управління процесом запуску глибоководного гідропідйому в автоматизованому режимі комплексно з перехідними режимами в елементах устаткування видобутку донного блоку;

забезпечення надійності протікання пускових операцій і стійкості до різного роду обуренням;

забезпечення прийнятної тривалості запуску глибоководного гідропідйому з врахуванням необхідності виконання добового завдання по підйому мінеральної сировини.

У рамках розробленої функціонально-оптимізаційної схеми окрім вказаного способу керування запуском й зупинкою глибоководного гідропідйому на раціонально розташованому змішувачі запропоновано, алгоритми і циклограми, які його реалізують, а також нові технічні рішення, що забезпечують експлуатацію глибоководного гідропідйому з найкращими технічними показниками.

Питання про економічну ефективність не розглядалося, оскільки на теперішній час відсутній промисловий видобуток твердих корисних копалин з глибин Світового океану.

Публікації. Отримані результати науково-дослідницької роботи опубліковані в 27 наукових статтях, у т.ч. 27 – в спеціалізованих виданнях, затверджених ВАК України, та в 19 патентах на винаходи України та 9 патентах на винаходи іноземних країн.