Зниження енерговитрат на транспортування водовугільного палива вдосконаленням процесів та режимів роботи гідротранспортних систем - Автореферат

Використання водовугільного палива в промисловості має ряд значних переваг: ВВП є екологічно чистим енергоносієм, в продуктах його згорання значно менше сажі, оксидів азоту і сірки у порівнянні з використанням вугілля; для приготування палива можна використовувати шлами і відходи вуглезбагачення; ВВП є економічним видом палива, воно має достатньо високу теплоту згоряння і дозволяє скоротити витрати на його транспортування за рахунок використання трубопровідного транспорту. У звязку з цим актуальним є задача раціонального підбору концентрації і забезпечення гранулометричного складу, відповідного максимально можливій упаковці часток для кожної конкретної марки вугілля, оскільки невиконання цієї умови призводить до підвищення витрат на транспортування ВВП і збільшення часу простою на обслуговування промислової гідротранспортної системи (ПГТС). Дослідження і уточнення закономірностей плину водовугільного палива в системах промислового гідротранспорту дозволить зменшити до необхідного рівня величину енергетичних витрат на транспортування на стадії приготування ВВП, що призведе до підвищення ефективності роботи ПГТС. Вперше встановлені експериментальні залежності комплексного впливу концентрації, гранулометричного складу, зольності вихідного вугілля і швидкості плину на гідравлічні параметри транспортування палива, що дозволило визначити закономірності впливу вищезгаданих факторів на енергетичні витрати при транспортуванні ВВП. Використання запропонованих методик дозволяє зменшити енерговитрати на транспортування ВВП, збільшити міжремонтні терміни насосного обладнання, зменшити кількість аварійних зупинок, подовжити час безупинної роботи ПГТС з 15 до 18 годин на добу та зменшити енергетичні витрати на транспортування на 7,3%.Уточнено закономірності реологічних та гідродинамічних характеристик внутрішньої течії неньютонівських рідин, в основному висококонцентрованих водовугільних суспензій, що дозволяють визначити енергетичні параметри їх транспортування в промислових трубопроводах. Проведений аналіз процесів транспортування водовугільного палива в системах промислового гідротранспорту показав, що на реологічні характеристики і гідравлічні параметри плину ВВП найбільше впливають наступні чинники: якість вихідної сировини, зокрема зольність, концентрація твердого компоненту в суспензії, його гранулометричний склад, тип і кількість хімічних домішок, температурні і швидкісні режими. Запропонована математична модель враховує незалежні реологічні параметри суспензії, що залежать від концентрації, гранулометричного складу і зольності вугілля, а також швидкісних режимів транспортування водовугільного палива. Величина питомих втрат напору при гідравлічному транспорті водовугільного палива з обємною концентрацією вугілля від 40 до 60% зумовлена формою просторової структури суспензії, що характеризується значенням вязкості, концентрації і гранулометричним складом. Виконані експериментальні дослідження процесів транспортування водовугільного палива з використанням розробленого відповідно до критеріїв гідродинамічної подібності лабораторного стенду довели, що основними чинниками впливу на енергетичні витрати при транспортуванні є: концентрація, гранулометричний склад вугілля, його зольність і середня швидкість плину ВВП.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

В результаті виконаних досліджень була вирішена актуальна науково-технічна задача, що полягає у зниженні енерговитрат на транспортування водовугільного палива у промислових гідротранспортних системах.

Уточнено закономірності реологічних та гідродинамічних характеристик внутрішньої течії неньютонівських рідин, в основному висококонцентрованих водовугільних суспензій, що дозволяють визначити енергетичні параметри їх транспортування в промислових трубопроводах.

1. Проведений аналіз процесів транспортування водовугільного палива в системах промислового гідротранспорту показав, що на реологічні характеристики і гідравлічні параметри плину ВВП найбільше впливають наступні чинники: якість вихідної сировини, зокрема зольність, концентрація твердого компоненту в суспензії, його гранулометричний склад, тип і кількість хімічних домішок, температурні і швидкісні режими. Отримані раніше залежності, що визначають енергетичні витрати на транспортування, базуються на класичних законах гідродинаміки і не враховують комплексний вплив вищезгаданих чинників і фізико-механічних властивостей ВВП.

2. Отримано уточнену реологічну модель неньютонівських рідин, яка враховує особливості плину палива, що дозволяє визначити напруження зсуву і вязкість ВВП при різних значеннях швидкості зсуву.

3. Складена вдосконалена математична модель плину неньютонівських рідин, створена на основі рівнянь Навьє-Стокса, рівняння нерозривності і отриманої реологічної моделі. Запропонована математична модель враховує незалежні реологічні параметри суспензії, що залежать від концентрації, гранулометричного складу і зольності вугілля, а також швидкісних режимів транспортування водовугільного палива.

4. Величина питомих втрат напору при гідравлічному транспорті водовугільного палива з обємною концентрацією вугілля від 40 до 60% зумовлена формою просторової структури суспензії, що характеризується значенням вязкості, концентрації і гранулометричним складом.

5. Виконані експериментальні дослідження процесів транспортування водовугільного палива з використанням розробленого відповідно до критеріїв гідродинамічної подібності лабораторного стенду довели, що основними чинниками впливу на енергетичні витрати при транспортуванні є: концентрація, гранулометричний склад вугілля, його зольність і середня швидкість плину ВВП. Розроблена методика експериментальних досліджень, що забезпечує отримання достовірних даних про зміну питомих втрат напору. Розбіжність між теоретичними і експериментальними даними не перевищила 9,2% при довірчій вірогідності .

6. Експериментальні дослідження показали, що питомі втрати напору збільшуються із збільшенням концентрації вугільних часток. Залежно від параметра гранулометричного розподілу, втрати напору змінюються за квадратичним законом і досягають мінімуму при . Мінімум втрат напору спостерігається при поєднанні вказаного значення параметра із значеннями швидкості транспортування і зольності вугілля в межах від .

7. Запропоновано методику вибору насосного обладнання, що заснована на використанні законів подібності турбомашин, а також методику визначення гідравлічних параметрів плину водовугільного палива, що характеризують енергетичні витрати на транспортування залежно від реологічних особливостей ВВП і середньої швидкості руху по трубопроводу, що також дозволяє визначити діаметр трубопроводу, необхідний для забезпечення заданої продуктивності ПГТС.

8. Розроблено рекомендації щодо забезпечення раціонального складу та реологічних характеристик водовугільного палива з урахуванням марки вихідного вугілля.

9. Використання запропонованих у роботі методик та розроблених рекомендацій дозволяє зменшити енергетичні витрати при транспортуванні водовугільного палива на 7,3%.

10. Запропоновані методики були реалізовані на підприємствах ЗАТ ГЗФ «Луганська», ВАТ ГЗФ «Білореченська» і науково-дослідних інститутах НВО НДПКІ «Вуглемеханізація». Економічний ефект від впровадження результатів роботи станом на 2009 рік склав 92 тис. 600 грн.

1. Рациональный выбор оборудования и проектирование промышленных гидротранспортных систем: монография / [Рисухин Л.И., Чернецкая Н.Б., Коваленко А.А., Шворникова А.М., Капустин Д.А.]. Луганск: изд-во ВНУ им. В. Даля, 2010. 92 с.

2. Чернецкая Н.Б. Исследование реологических характеристик водоугольного топлива, созданного на основе углей Донбасса / Н.Б. Чернецкая, А.М. Шворникова, Е.А. Варакута, Н.И. Брагин // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля. 2007. № 3(109) ч. 2. С. 213.

3. Чернецкая Н.Б. Исследование седиментационной стабильности водоугольных суспензий / Н.Б. Чернецкая, А.М. Шворникова, А.В. Кущенко // Вісник Інженерної академії України: зб. наук. праць. К.: 2007. Вип. 2-3. С. 101-104.

4. Чернецька Н.Б. Аналіз вибору насосу для перекачування висококонцентрованих водовугільних суспензій / Н.Б. Чернецька, Г.М. Шворнікова // Вісник Інженерної академії України: зб. наук. праць. К.: 2008. Вип. 2. С. 189-192.

5. Чернецька Н.Б. Определение параметров реологических моделей водоугольного топлива / Н.Б. Чернецкая, А.М. Шворникова // Рухомий склад та спеціальна техніка залізничного транспорту: збірник наукових праць. Х., 2008. Вип. 96. С. 83-88.

6. Шворнікова Г.М. Дослідження закономірностей впливу властивостей вихідного вугілля на реологічні характеристики водовугільного палива / Г.М. Шворникова., Н.Б. Чернецька, О.В. Кущенко // Вісник Східноукраїнського нац. ун-ту ім. В. Даля. 2009. №2(132). С. 447 - 451.

7. Шворнікова Г.М. Математична модель плину водовугільного палива у промислових гідротранспортних системах / Г.М. Шворнікова // Вісник Східноукраїнського нац. ун-ту ім. В. Даля. 2010. №1(143). С. 254 - 259.

8. Коваленко А.А. Расчет вязкости водоугольного топлива / А.А. Коваленко, Л.И. Рисухин, А.М. Шворникова, Е.С. Гусенцова // Вісник Східноукраїнського нац. ун-ту ім. В. Даля. Науковий журнал - електронне наукове фахове видання. 2009. № 3Е.

9. Чернецька, Н.Б. Стенд для дослідження реологічних характеристик водовугільного палива / Н.Б. Чернецька, О.В. Кущенко, Є.О. Варакута, Г.М. Шворнікова // Рухомий склад та спеціальна техніка залізничного транспорту: збірник наукових праць. Х., 2009. Вип. 107. С. 52-56.

10. Пат. Україна, МПК F17D 1/14. Система підготовки водовугільного палива до транспортування / Коваленко А.О., Чернецька Н.Б., Шворникова Г.М., Варакута Є.О., Брагін М.І.; заявник та патентовласник Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля. №25361; заявл. 05.03.07; опубл. 10.08.07, Бюл. №12.

11. Пат. Україна, МПК F17D 1/14. Система підготовки водовугільного палива до транспортування / Коваленко А.О., Чернецька Н.Б., Шворникова Г.М., Варакута Є.О., Брагін М.І., Гусєнцова Є.С.; заявник та патентовласник Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля. №30330; заявл. 15.10.07; опубл. 25.02.08, Бюл. №4.

12. Пат. Україна, МПК F17D 1/00. Система підготовки водовугільного палива до транспортування / Коваленко А.О., Чернецька Н.Б., Шворникова Г.М., Варакута Є.О., Гусєнцова Є.С.; заявник та патентовласник Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля. №33464; заявл. 11.02.08; опубл. 25.06.08, Бюл. №12.

13. Шворникова А.М. Исследование влияния зольности исходного угля на реологические характеристики водоугольного топлива/ А.М. Шворникова, Н.Б. Чернецкая, О.В. Кущенко, Е.А. Варакута // Политранспортные системы: VI Всерос. науч.-техн. конф., 21-23 апреля 2009 г.: тезисы докл. Ч.2. Новосибирск, 2009. С. 362-366.

14. Cherneckaya Natalia. Ecological aspects of transportation and application of water coal fuel / Natalia Cherneckaya, Anna Shvornikova, Inna Ovsepyan // Современные достижения в науке и образовании: III междунар. науч. конф., 16-23 сент. 2009 г.: тезисы докл. Тель-Авив (Израиль), 2009. С. 75-78 (англ.).

15. Cherneckaya Natalia. Mixing of water-coal fuel compositions with rational rheological and energy performances on a basis of Donbass coalfield / Natalia Cherneckaya, Anna Shvornikova // Motrol. Motorization and power industry in agriculture. Lublin, 2008. volume 10A. P. 18-24.