close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Технологическое и экспериментальное обоснование очистки трубопроводов мелиоративных насосных станций напорно-вакуумной установкой

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Беспалов Михаил Сергеевич
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ
ОЧИСТКИ ТРУБОПРОВОДОВ МЕЛИОРАТИВНЫХ НАСОСНЫХ
СТАНЦИЙ НАПОРНО-ВАКУУМНОЙ УСТАНОВКОЙ
06.01.02 – Мелиорация, рекультивация и охрана земель
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Новочеркасск – 2018
1
Работа выполнена в Новочеркасском инженерно-мелиоративном
институте имени А.К. Кортунова – филиале Федерального государственного
бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Донской
государственный аграрный университет».
Научный руководитель:
Тарасьянц Сергей Андреевич
доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты: Бегляров
Давид
Суренович,
доктор
технических наук, профессор, профессор
кафедры
«Сельскохозяйственное
водоснабжение и водоотведение» ФГБОУ ВО
«Российский
государственный
аграрный
университет – МСХА имени К. А.
Тимирязева» (РГАУ)
Есин
Александр
Иванович,
доктор
технических наук, профессор, профессор
кафедры «Техносферная безопасность и
транспортно-технологические
машины»
ФГБОУ ВО Саратовский ГАУ им. Н. И.
Вавилова
Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное научное
учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт систем
орошения и сельскохозяйственного водоснабжения «Радуга» (ФГБНУ
ВНИИ «Радуга»)
Защита диссертации состоится «___» _____________2018 года в
___ч_____мин на заседании диссертационного совета Д220.008.02 при
ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ по адресу: 400002, г Волгоград,
Университетский проспект, 26, ауд.303 Д..
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке и на сайте
ФГБОУ ВО «Волгоградский ГАУ http://volgau.com.
Автореферат разослан «___» _____________2018 года
Ученый секретарь
диссертационного совета
Седов Алексей Васильевич
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Эксплуатация закрытых
оросительных систем, отработавших не одно десятилетие, сопровождается
большим количеством проблем, заключающихся в наличии коррозии в
стальных трубопроводах, старении и износе резиновых уплотнений в
асбестоцементных и чугунных трубопроводах. Наиболее важным
параметром, влияющим на КПД оросительной сети, является степень
заиления закрытых трубопроводов, включая и всасывающие трубопроводы
насосных агрегатов, скорость движения потоков которых, в большей степени
влияющих на процесс заиления, уменьшается при проектировании для
увеличения допустимой вакуумметрической высоты всасывания насосов и
составляет 1-1,5 м/с против 2-2,5 м/с в напорных трубопроводах. Увеличение
степени заиления в трубопроводах влечет за собой уменьшение поперечного
сечения, увеличение скорости движения потоков и, как следствие,
увеличение потерь напора, увеличение напора насосных агрегатов и
уменьшение подачи. Во всасывающих трубопроводах уменьшение площади
поперечного сечения трубопровода также увеличивает скорость потока,
уменьшает кавитационный запас и может привести к полной остановке
насосной станции с возможными тяжелыми последствиями.
Процесс заиления трубопроводов происходит в основном при
переходных режимах, остановках, изменениях подачи и напора в сети.
Особенно данный процесс актуален для водоисточников с высоким
содержанием взвешенных частиц в горных районах. Аванкамеры насосных
станций заиливаются до такой степени, что при остановках в зимний период
десятки тонн илистых и песчаных отложений выбираются экскаваторами и
вывозятся мобильным транспортом. Наиболее тяжелая обстановка создается
в аванкамерах с круглогодичной эксплуатацией насосного оборудования без
возможной остановки для профилактических работ. Кроме того, при
эксплуатации трубопроводных систем на животноводческих комплексах
имеют место навозные пробки, создающие ряд проблем в работе
сельхозпредприятий.
В
связи
с
вышеизложенным,
актуальность
исследований,
направленных на разработку вопроса очистки трубопроводов, не вызывает
сомнений.
Степень разработанности темы. Проблемой исследования струйных
аппаратов как в режиме землесоса, так и в других областях науки и техники
занимались многие ученые: В. М. Папин (1953), В. П. Лахтин (1963),
П. Г. Каменев (1964), Л. Г. Подвидз (1964), Х. Ш. Мустафин (1965), Н. П.
Юфин (1974), Г. Е. Мускевич (1980), А. Н. Царевский (1985), Б. Э. Фридман
(1990), С. А. Тарасьянц (2002).
4
Анализ литературных источников показал полное отсутствие
исследований струйных аппаратов (струйных насосов) в области очистки
напорных и всасывающих трубопроводов насосных станций. В связи с
вышеизложенным, проведение исследований, направленных на разработку
устройств, где в качестве основного рабочего органа используется струйный
аппарат (струйный насос), является актуальной проблемой, не изученной в
достаточной степени в настоящее время.
Цель и задачи исследований. Целью настоящей диссертационной
работы является разработка технологического и экспериментального
обоснования очистки трубопроводов насосных станций напорно-вакуумной
установкой.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить
следующие задачи.
1. Изучить современные способы очистки трубопровода, конструкции
и методы расчета струйных аппаратов, используемых для их гидравлической
очистки.
2. Разработать теоретические основы расчета элементов струйной
системы очистки трубопроводов.
3. Экспериментальным путем определить оптимальные геометрические
и гидравлические параметры основного рабочего органа – струйной напорновакуумной установки.
4. Разработать технологический процесс механизированной струйной
очистки трубопроводов от заиления.
5. Выполнить технико-экономическое обоснование очистки напорных
и всасывающих трубопроводов мелиоративных насосных станций.
Научная новизна. В работе научно обоснованы: методика расчета
напорно-вакуумной установки при струйной очистке трубопроводов;
математические зависимости для определения геометрических и
гидравлических параметров элементов основного рабочего органа;
технологический процесс очистки закрытых напорных и всасывающих
трубопроводов на мелиоративных насосных станциях.
Объекты
исследований.
В
качестве
основных
объектов
исследовались: процесс очистки напорных трубопроводов мелиоративных
систем; струйная напорно-вакуумная установка новой конструкции на воде
и пульпе.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая
значимость работы состоит в результатах исследований напорно-вакуумной
очистки всасывающих и напорных трубопроводов и может быть
использована при расчете, проектировании и эксплуатации насосных станций
мелиоративного назначения. Практическая значимость работы состоит в
5
разработке усовершенствованной технологии очистки всасывающих и
напорных трубопроводов насосных станций.
Методология и методы исследований построены на имеющихся в
литературных источниках данных по расчету гидротранспорта песчаноглинистой пульпы и расчете струйных аппаратов геометрических и
гидравлических параметров их элементов. При проведении и обработке
результатов лабораторных и напорных исследований использовались
рекомендации В. Н. Вознесенского по теории планирования эксперимента, а
также ГОСТ 24026 - 80 «Исследовательские испытания», ГОСТ 7.32 - 2001
«Отчет о научно-исследовательской работе», ГОСТ 6134 - 2007 «Насосы
динамические».
Экспериментальные исследования проведены в натурных и
лабораторных условиях с применением теории планирования эксперимента.
При проведении исследований использовались стандартные общепринятые
методики.
В основу теоретических исследований положены уравнение количества
движения и уравнение Д. Бернулли.
Положения, выносимые на защиту: теоретические основы расчета
струйной напорно-вакуумной установки для очистки от заиления заиленных
трубопроводов мелиоративных насосных станций;
эмпирические
зависимости для определения геометрических и гидравлических параметров
элементов струйной напорно-вакуумной установки;
эмпирические
зависимости для определения плотности перекачиваемой пульпы и
критической скорости движения потока в очищаемых трубопроводах;
технологический процесс очистки закрытых трубопроводов оросительных
систем.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность
результатов исследований подтверждается проведенными лабораторными
исследованиями с использованием современных тарированных расходомеров
и манометров. Степень достоверности доказывается статистическими
методами оценки полученных данных, степенью сходимости теоретических
исследований и экспериментальных данных.
Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на
научно-практических конференциях: Всероссийская заочная научнопрактическая конференция, посвящённая памяти д-ра техн. наук, проф.,
заслуженного мелиоратора РФ И.С. Алексейко «Актуальные проблемы,
современное состояние, инновации в области природообустройства и
строительства» (г. Благовещенск); XIV международная научно-практической
конференция (г. Волгоград); X международная практическая конференция
молодых исследователей (г. Волгоград).
6
Публикации. Основное содержание работы изложено в 14 печатных
работах, из них 5 работ опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК
РФ. Кроме того по теме диссертационной работы получен патент №160830.
Общий объем опубликованных работ составляет 6.5 п. л., из них 4,75 п.л.
принадлежит автору.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из
введения, пяти глав, выводов и предложений производству. Работа изложена
на 135 страницах, включает 20 таблиц, 40 рисунков и 7 приложений. Список
использованной литературы состоит из 109 наименований, из них 13 работ
написаны зарубежными авторами.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении описана актуальность, степень разработанности темы,
цель и задачи исследований, научная новизна, объекты исследований,
теоретическая и практическая значимость, методология и методы
исследований, положения выносимые на защиту, степень достоверности и
апробация, публикации, структура и объем работы.
В первой главе проведен литературный обзор существующих средств
очистки трубопроводов. В настоящее время в мелиоративных системах с
использованием центробежных насосов, как всасывающие, так и напорные
трубопроводы, заилены по поперечному сечению на 30–50 %, что
отрицательно сказывается на проектные характеристики насосной станции и
КПД оросительной сети.
Литературный обзор существующих способов очистки от заиления
всасывающих трубопроводов насосных станций не выявил серьезных
способов разработки вопросов удаления илистых отложений и представляет
нерешённую задачу в области эксплуатации мелиоративных систем.
Наиболее вероятными признаками заиления напорных трубопроводов
является отсутствие необходимого давления и расхода на гидранте. На
основании вышеизложенного сформулирована цель и задачи настоящей
работы.
Вторая глава посвящена теоретическим основам расчета струйного
аппарата. Целью теоретического расчета является определение всех
оптимальных гидравлических и геометрических параметров струйного
аппарата основного узла установки для очистки трубопровода, с КПД до 45%
(А. с. СССР 1620693) (рисунок 1), при геометрической характеристики m
(отношение площади поперечного сечения смесителя к площади поперечного
сечения кольцевого сопла) от 2 до 4 и относительной величины радиуса
/
наружного сопла r0 от 0,8 до 0,9 (отношение радиуса наружного сопла к
радиусу смесителя) (рисунок 2).
7
1 – патрубки соединительные;
2 – внутренняя камера; 3 – камера
смесительная; 4 – сопло активное;
5 – щель между соплами; 6 – фланец
внутренний задний; 7 – фланец
внутренний передний; 8 – кольцевой
внутренний коллектор; 9 – наружный
фланец задний; 10 – наружный
коллектор кольцевой; 11 – наружный
фланец передний
Рисунок 1 – Схема кольцевого двухповерхностного струйного аппарата
/
Рисунок 2 – Оптимальные величины m и r0 при максимальном КПД
Анализ литературных данных и собственных исследований показал,
что кольцевая струя сопла исследуемого аппарата способствует созданию
вогнутой эпюры скорости в смесителе (рисунок 3), которая уменьшает
коэффициент гидравлического сопротивления д до величины 0,10 – 0,12,
при этом коэффициент гидравлического сопротивления сопла 0 остается в
пределах величин насадков аппаратов с центральной струей 0,06 (рисунок 4).
Рисунок 3 – Эпюра скоростей в смесителе струйного аппарата с
кольцевой двухповерхностной рабочей струей
8
Рисунок 4 – Зависимость коэффициентов гидравлических
сопротивлений кольцевого сопла от чисел Рейнольдса Re
По параметрам эксплуатируемой насосной станции (таблица 1) (в
качестве насоса нагнетателя принимается один насосный агрегат) проведен
расчет основных гидравлических и геометрических параметров (таблица 2).
Для примера принята насосная станция ООО «Калалинское»
Ставропольского края с насосами 1Д630 – 90 (3 шт.).
Таблица 1 – Исходные данные для расчета
Наименование
Длина всасывающего очищаемого трубопровода, м
Диаметр очищаемого трубопровода, мм
Плотность разрабатываемого ила ρт, т/м3
Объемная консистенция пульпы в очищаемом трубопроводе при вакуумном и
напорном режимах, М1, %
Напор насоса нагнетателя, м
Подача насоса нагнетателя Q0, м3/ч/м3/с
Коэффициенты гидравлических сопротивлений:
Сопло струйного аппарата ξ0 (по экспериментальным данным)
Входного участка камеры смешения ξс (принимается по литер. данным)
Диффузора ξд (получен опытным путем, зависимости 15,16)
Значение
100
400
2,78
0,53
90
630/0,34
0,06
0,05
0,12
Таблица 2 - Расчет
№
пп
1
1
2
Наименование параметра
2
Плотность пульпы в
очищаемом трубопроводе
Оптимальный критический
весовой коэффициент эжекции
докавитационный
ед.
изм.
3
т/м3
-
Кол во
5
Формула или обозначение
4
̅1 =
 ( −0 )0
(1)

αopt = √(
t
ρ
t− 2 qopt
ρ1
ρ
t− 0 qopt
ρ1
t
)2
+ ρ0
ρ
m− 0 t
ρ2
ρ
t− 0 q
ρ2 ρ1 opt
(2)
1,25
−
1,60
9
Продолжение таблицы 2
1
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
2
3
4
Скорость в сопле аппарата, V0 м/с
V0=√2
(3)
Расход пульпы в очищаемом
 0 0
трубопроводе (при вакуумном м3/с
1 =
(4)

1
режиме), Q1
3
Критическая скорость
кр = 8 √ 6√0 ∗ (5)
принимается по опытным
где: ψ* - коэффициент
м/с
данным напорного и
транспортабельности принимается
вакуумного режимов), Vкр
0,20;
Скорость пульпы в
1
Vп.в=0,785
(6)
очищаемом трубопроводе при м/с
2
в
вакуумном режиме Vпв
Расход пульпы в очищаемом
трубопроводе при напорном
м3/с
Q2 (подача двух насосов)
режиме (принимается по
подачам насосов)
Скорость пульпы в
Q2
(7)
Vп.н. 
очищаемом трубопроводе при м/с
2
0
,
785

D
в
напорном режиме Vпн
3
Производительность по грунту м /ч
П=360М1Q1
(8)
Время очистки трубопровода определяется по п.9
Потери напора в очищаемом
трубопроводе при вакуумном
hwвс.тр (рассчитывается по
м/с
и напорном режимах, и
литературным данным)
скорости пульпы 10 м/с
н2
Потери напора в диффузоре
м/с
hwд=ξд2
(9)
при скорости пульпы 11,08 м/с
Итого:
Геометрическая
mоpt=(1+α0)2-(1+ξ2+ ξд)(02 q) (10)
характеристика струйного
(принимается по рисунку 3)
аппарата mоpt
Относительный напор насоса
нагнетателя
м
Нн 
H н пр
V02
2g
(11)
5
33,60
0,54
0,82
11,08
0,34
6,92
10,20
80,00
8,00
88,00
4,00
1,1–
1,2
Приведенный выше порядок расчета позволяет определить все
геометрические и гидравлические параметры струйного аппарата по
имеющимся параметрам эксплуатируемой насосной станции.
В третьей главе описаны экспериментальные исследования,
проводимые в натурных условиях на насосной станции ООО «Калалинское»
Ставропольского края (рисунок 5, 6, 7) и лабораторных (рисунок 8).
В задачи натурных исследований входило определение величины
критических скоростей и плотности перекачиваемой гидросмеси при очистке
всасывающего трубопровода.
10
1 – трубопровод подвода рабочей жидкости; 2 – корпус струйного насоса; 3 –
всасывающий трубопровод центробежного насоса; 4 – конфузор; 5 – смеситель; 6 –
диффузор; 7 – задвижка; 8 – пульпопровод; 9 – наружное сопло; 10 – наружное напорновакуумное пространство; 11,12 – обратные клапана; 13 – внутреннее сопло; 14 – кольцевая
щель; 15 – внутреннее напорно-вакуумное пространство
Рисунок 5 – Конструкция струйной напорно-вакуумной установки
Рисунок 6 – Всасывающий трубопровод насосной станции ООО
«Калалинское» Ставропольского края
Рисунок 7 – Схема работы струйного аппарата при очистке
всасывающих трубопроводов
Питание струйного аппарата осуществлялось от напорных
трубопроводов. Очистка производилась поочередно каждого трубопровода,
двумя режимами: напорным, когда регулирующая задвижка закрыта и весь
поток, через струйный аппарат направляется в очищаемый трубопровод и
11
водозаборное сооружение; вакуумным, когда регулирующая задвижка
открыта, в струйном аппарате и во всасывающем трубопроводе создается
вакуум, способствующий движению потока в трубопроводе в обратном
направлении через струйный аппарат за пределы насосной станции.
Рисунок 8 – Схема и общий вид лабораторной установки
Рабочие параметры струйной напорно-вакуумной установки
устанавливались оптимальные, ранее рассчитанные по приведенным выше
зависимостям.
Опытами определялась плотность смеси при напорном и вакуумном
режиме с помощью отбора проб.
Задача оптимизации решалась методами теории планирования
эксперимента. В качестве факторов при напорном цикле (первая группа
опытов) приняты возможные скорости движения потока «Vп» пульпы в
очищаемых трубопроводах и теоретически возможный коэффициент
транспортабельности «ψ*» принятый по рекомендациям ВНИИГа. Интервалы
варьирования факторами приняты по величинам возможных скоростей в
исследуемой насосной станции и приведены в таблице 3.
Таблица 3 – Обозначение и интервалы варьирования факторами при
экспериментальном напорном цикле
Наименование факторов
Скорость движения воды в
трубопроводе
Коэффициент
транспортабельности
Обозначение
факторов
Расчетное
среднее
значение
Принятый
диапазон
варьирования
Vп, м/с
10
515
ψ*
1,2
0,42,0
Для оценки влияния вышеуказанных факторов на критерий (плотность
транспортируемой смеси 1) проведена 1-я группа опытов по
двухфакторному плану. Матрица планирования и результаты первой группы
опытов показаны в таблице 4.
12
Таблица 4 – Матрица планирования и результаты первой группы
опытов
План
№ опыта
Х1(Vг)
+
+
+
-
1
2
3
4
5
6
Относительная
плотность смеси ρ’1
1,12
1,10
1,06
1,05
1,14
1,05
X2(ψ*)
+
+
0
0
Обработка результатов 1-й группы опытов позволила получить
математическую модель второго порядка.
1 =1,31+0,10Х1-0,20Х2-0,13Х12+0,20Х22-0,21Х1Х2
(13)
Относительная
плотность ̅ 1,т/м3
Весовой расход
G2=̅ 1Qн, кг/с
Консистенция С0,
%
1370
1365
457,8
460,0
1370
460,0
1,08
1,07
1,03
1,04
1,04
1,06
1268,0
1460,0
444,6
442,3
1268,0
433,9
4,8
4,7
3,3
3,1
5,0
3,1
60,8
68,6
14,6
14,26
63,4
13,45
0,4
0,52
0,48
0,84
1,2
2,0
3
Подача пары
насосов Q1+Q2
м3/ч
69,0
71,3
82,0
84,4
68,2
82,3
8√ 6√0 ∗
Напор пары
насосов при
параллельном
включении Нц
1
2
3
4
5
6
Производительнос
ть по грунту
Пг=3600 G2С0,
м3/ч
Коэффициент
транспортабельно
сти
Критическая
скорость кр =
№ опыта
По полученной зависимости 13 рассчитывалась величина плотности
смеси в намеченных интервалах скоростей и коэффициентов
транспортабельности, вычислялась величина консистенции «С0» и в
дальнейшем вычислялись величины Vкр, , Нгпр, ζ0, Пг. Результаты
вычислений сведены в таблицу 5.
Таблица 5 – Результаты вычислений по первой группе опытов (при
напорном цикле)
0,64
0,70
0,82
0,74
0,70
0,63
Анализ таблицы 5 показывает, что величина критических скоростей не
превышают 0,82 м/с, что значительно ниже скорости создаваемой в
трубопроводе, вследствие чего, без возможных рисков в отношении
поднятых отложений, имеется возможность проводить очистку трубопровода
при напорном цикле.
Исследования, при вакуумном цикле проводились аналогично
напорному. Обозначения и интервалы факторов приведены в таблице 6.
13
Таблица 6 – Обозначение и интервалы факторов при вакуумном цикле
Наименование
Скорость воды в
трубопроводе
Коэффициент
транспортабельн
ости
Обозначен
ие
факторов
Расчетное
среднее
значение
Расход в
сопле
средний, м3/с
Принимаемый диапазон
варьирования принимаемый
по скорости Vв, м/с
Vв, м/с
18
0,0659
16-20
ψ*
1,2
1,2
0,40 – 2,0
Обработка результатов второй группы опытов позволила получить
математическую модель второго порядка.
(14)
1 =1,06+0,33Х1-0,28Х2-0,41Х12+0,13Х22,
по которой определялась критическая скорость Vкр величины КПД,
приведенного напора в напорном трубопроводе струйного аппарата Нгпр,
коэффициент гидравлического сопротивления сопла ζ0 и производительность
по грунту Пг. Результаты вычислений показывают, что величины
критических скоростей, аналогично напорному циклу, значительно ниже
скоростей в трубопроводе 0,44 – 0,82 м/с, против 1,5 – 2,0 м/с.
В задачу лабораторных исследований входило определение
коэффициента гидравлического сопротивления диффузора ζg.. Установлено,
что на величину коэффициента ζg влияют факторы:
d 0/ (X1), b(X2), Lu(X3), θ (X4), Z(X5) и α0(X6),
где d 0/ – внутренний диаметр внешнего сопла;b – ширина щели в сопле;
Lц – длинна смесителя; θ – угол раскрытия диффузора; Z – расстояние от
обреза сопла до начала камеры смешения; α0 – коэффициент эжекции
(отношение эжектируемого расхода θ1 к рабочему θ0).
Степень влияния вышеуказанных факторов на коэффициент ζg
определялась с использованием теории планирования эксперимента. По
результатам математической обработки опытных данных величин «ζg» по
двум группам опытов в окончательном виде получены уравнения 15 и 16 в
кодированном виде и натуральных величинах:
ζg= 0,1 +0,03X1+0,025 X2 – 0,08X3 + 0,04X6 – 0,038X1X3 + 0,057X12 (15)
ζg = 5,56 + d0´(10,4 d0´ - 0,326 Lu – 15,14) + 0,96b + 0,1 d0 + 0,219 Lu (16)
Уравнение 16 позволяет вычислять коэффициент гидравлического
сопротивления ζg с углом конусности θ = 8º в исследованных интервалах
факторов, при работе струйного аппарата. Рассчитанные величины ζg
колеблются от 0,12 до 0,15.
Четвертая глава посвящена описанию технологического процесса
очистки напорных трубопроводов насосных станций.
Технологический процесс очистки всасывающих трубопроводов
описан в разделе 3. Для очистки напорных трубопроводов оросительной сети
14
в работе предлагается технологическая схема (рисунок 9). При рассмотрении
данной технологической схемы и проведенных исследованиях решены
некоторые задачи, входящие в проблемы очистки трубопроводов:
регулирование расхода, независимо от отметок в накопителе 22 и дальней
точки трубопровода, контроль расхода с помощью манометров. Питание
струйного аппарата осуществлялось от напорных трубопроводов основных
насосов 2. Направление движение потока регулировалось задвижками 8, 10.
1 – накопитель чистой воды; 2 – насосный агрегат нагнетатель; 3 – струйный насос;
4 – трубопровод подачи рабочего расхода к струйному насосу; 5 – заиленный
трубопровод; 6,7,8,9,10,11,12,13,14,22 – задвижки; 15,16 – расходомеры;
17,18,19 – манометры; 20 – дренажный приямок; 21 – накопитель отложений
Рисунок 9 – Технологическая схема очистки заиленных трубопроводов
закрытой оросительной сети
Работа струйной напорно-вакуумной установки, аналогично очистки
всасывающих трубопроводов, заключалась в создании попеременного
давления и вакуума в очищаемом трубопроводе, что способствовало
постепенному освобождению трубопровода от илистых отложений.
Разработанные
технологические
процессы
очистки
всасывающих
трубопроводов насосных станций и напорных трубопроводов оросительных
систем позволяют проводить очистку трубопроводов, изменяя и контролируя
величины расходов в трубопроводах, простым доступным для машинистов
методом, с помощью пружинных манометров.
В пятой главе рассчитана технико-экономическая эффективность
струйной системы очистки трубопроводов. Данный раздел разбит на
варианты расчета экономического эффекта от внедрения разрабатываемой
технологии, по очистке всасывающего и напорного трубопроводов. В расчете
рассмотрены варианты изменения характеристики исследованного насосного
агрегата с насосом 1Д 630 – 90, длиной всасывающего трубопровода 100
метров и диаметром 400 мм. Геометрическая расчетная разность отметок
горизонта водоисточника и оси насоса Hг, в зависимости от скорости потока
15
во всасывающем трубопроводе, вычислена по зависимости Hг=Σhвс+v2/2∙g и
приведена в таблице 7.
Таблица 7 – Геометрическая расчетная разность отметок горизонта
водоисточника и оси насоса, в зависимости от скорости потока во
всасывающем трубопроводе
Скорость,
м/с
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
Потери
напора
Σhw, м
0,57
1,01
1,56
2,15
3,06
4,0
5,06
Скоростной
напор V2/2g,
м
0,11
0,2
0,30
0,45
0,62
0,81
1,03
Расчетное
проектное, Нг, м
0,68
0,68
0,68
0,68
0,68
0,68
0,68
Разница между проектной и
фактической отметками
горизонта воды и оси насоса, м
0,68 - 1,21= -0,53
0,68 -1,86 = -1,18
0,68 – 2,6 = -1,92
0,68 – 3,68 = - 3,0
0,68 – 4,81 = - 4,13
0,68 – 6,09 = - 5,41
Анализ таблиц 7 показывает, что разница между проектной и
фактической отметками горизонта воды и оси насоса в зависимости от
скорости потока во всасывающем трубопроводе, в случае заиления, может
колебаться от 1,5 до 4,5 м/с, и превышает величину 5,41, что несовместимо с
эксплуатацией насосного оборудования.
Восстановление
эксплуатационного
режима
по
заводской
характеристике насоса возможно двумя вариантами: замена всасывающих
трубопроводов, что повлечет за собой капитальные вложения и практически
невозможна, и очистка трубопровода с помощью разработанной технологии.
При расчете экономической эффективности очистки напорных
трубопроводов оросительных систем за базовый вариант принят способ
подачи воды на орошение при незаиленных очищенных трубопроводах, при
этом сравнение проводится с вариантами, когда трубопровод заилен от 10 до
50% сечения.
Годовые издержки С0 рассчитываются путем разности потребляемой
электроэнергии при эксплуатации заиленного и очищенного трубопровода.
С0 = С 1-С 2
где С1-годовые издержки на эксплуатацию системы трубопроводов в
заиленном варианте; С2-годовые издержки при очищенном трубопроводе.
В качестве примера проводится расчет годовых издержек одного
насосного агрегата 1 Д 630 – 90 при длине напорного трубопровода 3100
метров, диаметре 300 мм, подачей 540 м3/час и напором 72 метра.
Годовые издержки на эксплуатацию трубопровода определяются по
зависимости:
С1=н ·n·8·120
16
где н - издержки на эксплуатацию одного насосного агрегата, при
сниженном КПД; n – количество одновременно работающих насосных
агрегатов в насосной станции; 8 – количество часов работы в сут.; 120 –
поливной период, сут.
Издержки на эксплуатацию одного насосного агрегата в КВт,
определяется по затраченной мощности:
н =
9,8н Нн
н
, кВт
где Nн – мощность одного насосного агрегата; Qн – подача насоса, м3/с; Нн –
напор насоса, м; η н – КПД насоса (0,8).
При незаиленном трубопроводе диаметром 280 мм, скорость
равняется 2,44 м/с, потери напора 67,04 м, издержки при полном напоре
67,34
м
н =
составляют:
9,8·0,15·67,34
0,8
=123,75
кВт.
При
заиленном
трубопроводе на 10%, диаметр уменьшается до 252 мм, при этом
увеличивается скорость до 3,01 м/с и потери напора до 113,54 м. При полном
напоре 114 м, издержки составляют:н =
9,8·0,15·114
0,8
=209,47 кВт.
Экономический эффект,
руб.
Эгод=С0·3,5, руб.
Годовые издержки,
С0 = С1-С 2, кВт·час
К-во израсходованной эл-и
за поливочный период,
С1=н ·n·8·120, кВт·час
ηн
, кВт
67,04
67,34
113,54 114,00
204,60 205,33
398,89 400,15
862,16 864,50
2145,34 2150,18
Мощность Nн =
м
9,8∙Q∙H
υ2
Полный напор H = Δh + 2,

2,44
3,01
3,81
4,97
6,77
9,75
υ2
Скорость υ=Q/ω, м/с
0,06
0,05
0,04
0,03
0,02
0,02
∙ 2 ,м
Площадь ω=0,785∙D2, м
0,280
0,252
0,224
0,196
0,168
0,140
3100
Диаметр D, м
0
10
20
30
40
50
Потери напора Δh = 0,002 ∙
Степень заиления,%
При стоимости электроэнергии 3,5 руб./кВт·час годовой
экономический эффект при эксплуатации насосной станции в денежном
выражении составит:
Эгод = С0·3,5 =164591,30·3,5 = 576069,57 рублей.
Зависимость работы заиленного трубопровода от экономической
эффективности приведена в таблице 8.
Таблица 8 – Зависимость экономической эффективности от степени
заиления напорного трубопровода с внутренним Ø280 мм, при стоимости
1 кВт·час электроэнергии 3,5 руб. Поливной сезон 120 суток. Насосы
1 Д 630 – 90.Расход Q = 0,15 м3/c
123,75 237592,22
209,47 402183,53 164591,30 576069,57
377,30 724421,63 486829,41 1703902,93
735,28 1411742,78 1174150,55 4109526,94
1588,52 3049958,03 2812365,81 9843280,34
3950,96 7585851,69 7348259,47 25718908,13
17
Анализ главы 5 показал, что при заиленном трубопроводе до 30%
годовые издержки составляют 1174150,55кВт·час. Расчетный экономический
эффект от работы двух агрегатов насосной станции за поливной сезон
960 часов при очистке трубопровода Ø280 мм заиленного на 30% равен
4109,53 тыс. руб.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. В результате проведенного анализа существующих литературных
источников по способам очистки трубопроводов и методам расчета струйных
аппаратов установлено: к существующим средствам очистки относятся
механические и гидравлические способы. Считается, что наиболее
эффективным способом является гидравлический с использованием
струйных кольцевых двухповерхностных аппаратов с повышенным КПД по
сравнению с существующими конструкциями 1,5-1,8 раза; при расчетах
основного критерия работы струйных аппаратов (КПД) используются
формулы в зависимости от назначения установок, при эксплуатации
аппаратов в режиме землесоса, КПД считается произведением коэффициента
эжекции на отношение напоров на выходе и входе.
2. Разработанные теоретические основы расчета элементов струйной
системы очистки трубопровода позволяют определять оптимальные
гидравлические (объёмный вес пульпы во всасывающем патрубке 1,
оптимальный весовой коэффициент эжекции opt, расходы струйного
аппарата рабочий Q0 и подсасываемой пульпы Q1, коэффициенты
гидравлических сопротивлений сопла 0, входного участка камеры смешения
с, диффузора д) и геометрические параметры исследуемой струйной
установки (диаметры насадков, трубопроводов, смесителя и диффузора).
3. По результатам экспериментальных исследований с использованием
теории планирования эксперимента выведены эмпирические зависимости для
определения оптимальных геометрических и гидравлических параметров
основного рабочего органа струйной напорно-вакуумной установки:
плотности 1 и критической скорости Vкр перекачиваемой пульпы;
коэффициента гидравлического сопротивления сопла ζ0 = 0,06 ÷ 0,10;
коэффициента гидравлического сопротивления диффузора ζд = 0,12;
относительного напора струйного аппарата ̅̅̅
г = 0,1÷0,25; относительного
напора насоса нагнетателя ̅̅̅̅
н = 1,1; коэффициента эжекции α0 = 1,6 ÷ 2,0.
4. Настоящей работой обоснован и разработан технологический
процесс струйной системы очистки напорных и всасывающих
трубопроводов, где в качестве основного рабочего органа используется
струйная установка, позволяющая доступным для низкоквалифицированного
персонала методом проводить очистку трубопровода. Предложена
технологическая схема очистки заиленных магистральных трубопроводов
18
закрытой оросительной сети с расставленным технологическим
оборудованием (основными насосными агрегатами, струйной напорновакуумной установкой и необходимыми задвижками) и измерительными
приборами (расходомерами, манометрами).
5. Экономическая эффективность результатов диссертационной работы
достигается за счет увеличения КПД оросительной системы и КПД насосных
установок, зависящих от скорости движения воды, полного напора и расхода
насосных установок, и составляет в зависимости от степени заиления,
диаметра и длины трубопровода до 4 109,53 тыс. руб.
РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ
Результаты
проведенных
научно-исследовательских
работ
рекомендуются для использования при ремонтах всасывающих и напорных
трубопроводов насосных станций и переданы в «Ростовмелиоводхоз»,
«Ставропольмелиоводхоз», «Курскмелиоводхоз», «Белгородмелиоводхоз»,
«Орелмелиоводхоз», «Краснодармелиоводхоз».
ПЕРСПЕКТИВЫ ДАЛЬНЕЙШЕЙ РАЗРАБОТКИ ТЕМЫ
Дальнейшая разработка темы предполагает конкретное определение
скорости и стоимости очистки заиленных трубопроводов различных
диаметров, а также разработку технологического процесса с учетом
существующих колодцев и гидрантов оросительных систем.
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
В рецензируемых научных изданиях
1. Беспалов М. С. Расчет кольцевых двухповерхностных струйных
насосов с повышенным КПД [Электронный ресурс] / М. С. Беспалов,
С. С. Ананьев, Ю.С. Вакуленко, Е. В. Соколова, Ю. С. Уржумова,
О. И. Рахнянская, С. А. Тарасьянц //Дальневосточный аграрный вестник –
Благовещенск, 2015. - № №4(36) – Режим доступа:
http://www.vestnik.dalgau.ru/downloads.php?cat_id=1
2. Беспалов М.С. Оросительные низконапорные сети для удобрительных
поливов смесью воды животноводческих стоков и минеральных удобрений /
Ю.С. Вакуленко, Ю.С. Уржумова, К.А. Дегтярева, Е.В. Соколова,
Е.Д. Павлюкова, О.И. Рахнянская, М.С. Беспалов, С.А. Тарасьянц // Научное
обозрение. – Саратов, 2015 г. - №21.- С. 34-41
3. Беспалов М.С. Структура потока в смесителе и опытное определение
коэффициента гидравлического сопротивления диффузора в кольцевых
двухповерхностных
струйных
насосах
[Электронный
ресурс]
/
М.С. Беспалов, О.И. Рахнянская, Ю.С. Уржумова, Е.В. Соколова,
Ю.В. Бандюков, Ю.С. Вакуленко, С.А. Тарасьянц/ Редакция научных и
образовательных изданий // Научное обозрение. - 2016. - №1. Режим доступа:
19
http://www.sced.ru/ru/index.php?option=com_content&view=article&id=411:nau
chnoe-obozrenie-1-2016&catid=43&Itemid=156
4. Беспалов М. С. Анализ существующих методов расчета коэффициента
полезного действия струйных аппаратов [Электронный ресурс] /
М. С. Беспалов, С. А. Тарасьянц, Ю.С. Уржумова, Е. В. Соколова // научный
журнал: «Проблемы развития АПК региона» / Международная научнопрактическая конференция посвященная 90-летию чл. корр. РАСХН,
заслуженного деятеля науки РСФСР и РД, профессора М.М. Джамбулатова /
ФГБОУ ВО «Дагестанский государственный аграрный университет имени
М.М. Джамбулатова» – Махачкала, 2016. – Режим доступа:
http://даггау.рф/images/nash_journal/apk2016/apk_nomer3_2016.pdf
5. Беспалов М. С. Экспериментальное определение коэффициентов
сопротивлений и расчет критических скоростей в проточной части струйных
насосов/ М.С. Беспалов, Ю.С. Вакуленко, Ю.С. Уржумова, С.А. Тарасьянц//
научный журнал: «Проблемы развития АПК региона» / Международная
научно-практическая конференция посвященная 90-летию чл. корр. РАСХН,
заслуженного деятеля науки РСФСР и РД, профессора М.М. Джамбулатова /
ФГБОУ ВО «Дагестанский государственный аграрный университет имени
М.М. Джамбулатова» – Махачкала, 2016. – Режим доступа:
http://даггау.рф/images/nash_journal/apk2016/apk_nomer2_2016.pdf
Патент
Пат. на полезную модель №160830 Струйная напорно-вакуумная
установка для промывки всасывающих патрубков струйных насосов и
заиленных трубопроводов /Беспалов М. С., Бандюков Ю. В., Иванова Н. А.,
Тарасьянц С. А.; заявитель и патентообладатель: Новочеркасский
инженерно-мелиоративный институт имени А.К. Кортунова – филиал
федерального государственного бюджетного образовательного учреждение
высшего образования «Донской государственный аграрный университет». –
№ 2015129957. Зарегистрирован в гос. реестре полезных моделей РФ 11. 03.
16 г. Действие патента до 20.07.25 г.
Статьи в журналах, тематических сборниках
и материалах научных конференций
1. Рахнянская О. И. Определение средней скорости и расхода воды в
трубопроводах мелиоративных насосных станций / О. И. Рахнянская,
М. С. Беспалов //Наука и молодёжь: сб. науч. тр./ Новочеркасский инж. –
мелиор. ин-т имени А. К. Кортунова. ФГБОУ ВПО ДГАУ, фак. водного
хозяйства и мелиорации – Новочеркасск, Лик, 2015. С. 40 – 44.
2. Беспалов М. С. Технологический процесс очистки трубопроводов
мелиоративных систем от заиления струйными насосами / М. С. Беспалов,
О. И. Рахнянская // Наука и молодёжь: сб. науч. тр./ Новочеркасский инж. –
мелиор. ин-т имени А. К. Кортунова. ФГБОУ ВПО ДГАУ, фак. водного
хозяйства и мелиорации – Новочеркасск, Лик, 2015. С. 28 – 32.
20
3. Беспалов М. С. Экономическая эффективность струйной системы
очистки трубопроводов от заиления/ М. С. Беспалов // Наука и молодёжь: сб.
науч. тр./ Новочеркасский инж. – мелиор. ин-т имени А. К. Кортунова.
ФГБОУ ВПО ДГАУ, фак. водного хозяйства и мелиорации – Новочеркасск,
Лик, 2015. С.26 – 28.
4. Беспалов М. С. Методы расчета струйных аппаратов, основанные на
эмпирических данных//М. С.Беспалов, Ю. В. Бандюков, Е. В. Соколова,
С. А. Тарасьянц /Актуальные проблемы, современное состояние, инновации
в области природообустройства и строительства: матер. Всерос. заоч. науч.практ. конф., посвящ. памяти д-ра техн. наук, проф., заслуженного
мелиоратора РФ И.С. Алексейко (г. Благовещенск, 11 ноября 2015 г.) / отв.
ред. М.В. Маканникова. – Благовещенск: Изд-во Дальневосточного ГАУ,
2015. – С. 37 – 43
5. Бандюков Ю. В. Высокоэффективные существующие струйные
насосы-смесители с повышенным КПД // Ю.В. Бандюков, Ю.С. Вакуленко,
М.С. Беспалов, Е.Д. Павлюкова, А.С. Тарасьянц / Природноресурсный
потенциал, экология и устойчивое развитие регионов России: сборник статей
XIV Международной научно-практической конференции / МНИЦ ПГСХА. –
Пенза: РИО ПГСХА, 2016. – С. 11 – 19
6. Бандюков Ю. В. Расчет струйных аппаратов, основанный на теории
смешения потоков и элементах теории свободной затопленной струи //
Ю.В. Бандюков, Ю.С. Вакуленко, М.С. Беспалов, А.С. Тарасьянц /
Природноресурсный потенциал, экология и устойчивое развитие регионов
России: сборник статей XIV Международной научно-практической
конференции / МНИЦ ПГСХА. – Пенза: РИО ПГСХА, 2016. – С. 20 – 26
7. Беспалов М. С. Конструктивные особенности насосов для жидкостей
с твердыми включениями // М. С. Беспалов, Е. В. Соколова, Е.Д. Павлюкова,
С. А. Тарасьянц/ Природноресурсный потенциал, экология и устойчивое
развитие регионов России: сборник статей XIV Международной научнопрактической конференции / МНИЦ ПГСХА. – Пенза: РИО ПГСХА, 2016. –
С. 26 – 35
8. Беспалов М.С. Коэффициент гидравлического трения по
поверхности затопленной турбулентной струи струйных насосов
транспортирующих жидкости с плотностью отличной от плотности воды//
М.С. Беспалов, Ю.С. Уржумова, С. А. Тарасьянц / Наука и молодёжь: новые
идеи и решения: сборник статей X Международная практическая
конференция молодых исследователей/ Волгоградский ГАУ - Волгоград,
2016. – С 291 - 294.
Подписано в печать «___»_________2018 года. Формат 60х84/1/16
Объем уч. изд. 1 п.л.
Тираж 100 экз.
Заказ №
Отдел оперативной полиграфии НИМИ ФГБОУ ВО Донской ГАУ, 346428,
г. Новочеркасск, ул. Пушкинская, 111
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа