Патент на изобретение №2310102

(54) СПОСОБ ПОДЪЕМА МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ СМЕСИ С БОЛЬШИХ ГЛУБИН И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

(57) Реферат:

Изобретения относятся к машиностроению и могут быть использованы при подводной разработке полезных ископаемых. Способ включает транспортирование воды в составе водовоздушной смеси, создание многокомпонентной смеси после поступления твердых частиц (ТЧ) в поток (П) водовоздушной смеси нагнетательного трубопровода (НТ) насоса и транспортирование П многокомпонентной смеси в НТ. Далее способ включает выведение из состава П многокомпонентной смеси воздуха с последующим формированием П гидросмеси в НТ. Предварительно задают величину концентрации отдельного П гидросмеси до выведения из его состава ТЧ в океане на глубине, отвечающей параметрам подъема и составу гидросмеси. Непрерывно выводят из состава отдельного П гидросмеси ТЧ, поступающие в П водовоздушной смеси НТ. Повторно подают выведенный из состава П многокомпонентной смеси воздух в П воды НТ, контролируют величину концентрации П гидросмеси НТ. Сравнивают контролируемую величину с заданной и достигают их соответствия путем регулирования величины давления водовоздушной смеси, в П которой происходит поступление ТЧ. Изобретения направлены на обеспечение возможности непрерывного подъема в составе многокомпонентной смеси полезных ископаемых, исключая их агломерацию, транспорт ТЧ через насос. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано непосредственно при разработке подводных месторождений полезных ископаемых.

Известен способ регулирования подачи насосом жидкости, включающий откачку жидкости в составе газожидкостной смеси путем подачи сжатого газа в насос, отделение газа от жидкости до выхода его из нагнетательного трубопровода и подачу его повторно на сжатие в промежуточную ступень насоса, при этом предварительно задают величину подачи насосом жидкости, контролируют ее во время работы насоса, сравнивают эти величины и достигают их соответствия путем регулирования величины расхода высоконапорной газожидкостной смеси, подаваемой в промежуточную ступень насоса (патент Украины №64283 А, кл. F04F 1/10, 1/20, Е21F 17/00, 2004 г.).

Недостатками известного способа являются ухудшение напорно-расходных характеристик насоса в результате подачи сжатого газа непосредственно в насос и транспортирования элементов разрабатываемых подводных месторождений полезных ископаемых в составе гидросмеси через насос, что предопределяет существенное измельчение твердых частиц, вследствие чего ухудшается процесс их последующей переработки.

Известна система для регулирования подачи насосом жидкости, содержащая многоступенчатый насос с всасывающим и нагнетательным трубопроводами, аккумулятор, компрессор, сливной трубопровод, сливной резервуар, сигнализаторы уровня жидкости, расположенные в аккумуляторе, датчики определения давления, расхода жидкости и сжатого газа, при этом аккумулятор и нагнетательный трубопровод, в свою очередь, соединены соответствующими трубопроводами с промежуточной ступенью насоса (патент Украины №64283 А, кл. F04F 1/10, 1/20, Е21F 17/00, 2004 г.).

Недостатками известной системы являются ухудшение напорно-расходных характеристик насоса в результате подачи сжатого газа непосредственно в насос и транспортирования элементов разрабатываемых подводных месторождений полезных ископаемых в составе гидросмеси через насос, что предопределяет существенное измельчение твердых частиц, вследствие чего ухудшается процесс их последующей переработки.

Наиболее близким технологическим решением является способ подъема многокомпонентной смеси с больших глубин насосной установкой, включающий запуск установки, откачку воды в составе водовоздушной смеси путем подачи сжатого воздуха в промежуточную ступень насоса, отделения воздуха от смеси в промежуточном сечении нагнетательного трубопровода, повторной подачи его на сжатие в насос установки, при этом предварительно задают скорость транспортирования твердой составляющей пульповоздушной смеси, а затем в стационарном режиме работы установки на водовоздушной смеси с заданной скоростью подают твердую составляющую пульпы в нагнетательный трубопровод и транспортируют многокомпонентную смесь при поддержании заданной величины скорости (патент Украины №61294 А, кл. F04F 1/00, F04F 1/20, Е21F 17/00, 2003 г.).

Недостатками наиболее близкого технологического решения являются возможность вступления в процесс агломерации твердых частиц до их введения в нагнетательный трубопровод и ухудшение напорно-расходных характеристик насоса в результате подачи сжатого воздуха непосредственно в насос.

Наиболее близким технологическим решением является насосная установка для перекачивания пульпы, содержащая две рабочие камеры, нижние части которых соединены между собой, а с центробежным насосом – системой трубопроводов, подводные и нагнетательные трубопроводы, соединяющие соответственно источник перекачиваемой смеси и потребитель с рабочими камерами, при этом насосная установка дополнительно содержит питатель, аккумулятор пневматической энергии, многосекционный центробежный насос для создания водовоздушной смеси, выполняющей роль рабочего агента, соединенный с нагнетательным трубопроводом через загрузочные камеры односекционный центробежный насос, соединенный со шнековым питателем с помощью сети трубопроводов, содержащих управляемые задвижки (патент Украины №61294 А, кл. F04F 1/00, F04F 1/20, Е21F 17/00, 2003 г.).

Недостатками наиболее близкого технологического решения является цикличность процессов загрузки – разгрузки загрузочных камер пульпой, которая имеет высокую концентрацию твердых частиц, что создает условия вступления в процесс агломерации твердой составляющей пульпы и заштыбовки соответствующих элементов насосной установки во время ее функционирования и ухудшение напорно-расходных характеристик насоса в результате подачи сжатого воздуха непосредственно в насос.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа подъема многокомпонентной смеси с больших глубин, в котором путем контроля величины концентрации потока гидросмеси нагнетательного трубопровода насоса обеспечивается возможность гарантированного непрерывного подъема в составе многокомпонентной смеси элементов разрабатываемых подводных месторождений полезных ископаемых, избегая создания условий их вступления в процессы агломерации и исключая транспортирование твердых частиц через насос.

Поставленная задача решается таким образом, что способ подъема многокомпонентной смеси с больших глубин, включающий транспортирование воды в составе водовоздушной смеси, создание многокомпонентной смеси после поступления твердых частиц в поток водовоздушной смеси нагнетательного трубопровода насоса, транспортирование потока многокомпонентной смеси в нагнетательном трубопроводе насоса, выведение из состава потока многокомпонентной смеси воздуха с последующим формированием потока гидросмеси в нагнетательном трубопроводе насоса, который в соответствии с изобретением отличается тем, что предварительно задают величину концентрации отдельного потока гидросмеси до выведения из его состава твердых частиц, в океане на глубине, отвечающей параметрам подъема и составу гидросмеси, непрерывно выводят из состава отдельного потока гидросмеси твердые частицы, поступающие в поток водовоздушной смеси нагнетательного трубопровода насоса, повторно подают выведенный из состава потока многокомпонентной смеси воздух в поток воды нагнетательного трубопровода насоса, контролируют величину концентрации потока гидросмеси нагнетательного трубопровода насоса, сравнивают контролируемую величину с заданной и достигают их соответствия путем регулирования величины давления водовоздушной смеси, в поток которой происходит поступление твердых частиц.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования системы для подъема многокомпонентной смеси с больших глубин, в которой путем иных соединений элементов известной конструктивной схемы обеспечивается возможность гарантированного непрерывного подъема в составе многокомпонентной смеси элементов разрабатываемых подводных месторождений полезных ископаемых, избегая создания условий их вступления в процессы агломерации и исключая транспортирование твердых частиц через насос.

Поставленная задача решается таким образом, что система для подъема многокомпонентной смеси с больших глубин, содержащая насос с всасывающим и нагнетательным трубопроводами, компрессор, соединенный с трубопроводом, оборудованным обратным клапаном, аккумулятор, установленный в ставе нагнетательного трубопровода насоса, дополнительный насос с соответствующими всасывающим и нагнетательным трубопроводами и дополнительный аккумулятор, соединенный с трубопроводом, оборудованным управляемой задвижкой, которая в соответствии с изобретением отличается тем, что аккумулятор, содержащийся в ставе нагнетательного трубопровода насоса, погружен в океан и установлен в промежуточном поперечном сечении всасывающего трубопровода дополнительного насоса, оборудованное лопастями рабочее колесо установлено в аккумуляторе, соединенный с компрессором трубопровод оборудован управляемой задвижкой и соединен с нагнетательным трубопроводом насоса, нагнетательный трубопровод насоса имеет специальный наконечник, расположенный в аккумуляторе, соединенный с дополнительным аккумулятором трубопровод сообщен через специальную камеру с нагнетательным трубопроводом насоса, дополнительный аккумулятор содержит сигнализаторы уровня жидкости и отдельно соединен с нагнетательным трубопроводом насоса, при этом нагнетательный трубопровод дополнительного насоса соединен через поворотный позиционный распределительный кран и соответствующий патрубок с аккумулятором, а нагнетательный трубопровод насоса в зоне отдельного соединения с дополнительным аккумулятором имеет наклонный участок. Кроме того, оборудованное лопастями рабочее колесо имеет дополнительные лопасти.

На фиг.1 изображена схема системы для подъема многокомпонентной смеси с больших глубин; на фиг.2 – узел I на фиг.1; на фиг.3 – узел II на фиг.1.

Система для подъема многокомпонентной смеси с больших глубин содержит насос 1 с всасывающим 2 и нагнетательным 3 трубопроводами, компрессор 4 соединен с трубопроводом 5, оборудованным обратным клапаном 6 и управляемой задвижкой 7, содержащийся в ставе нагнетательного трубопровода 3 и погруженный в океан на глубину, отвечающую параметрам подъема и составу гидросмеси, аккумулятор 8, дополнительный насос 9 с соответствующими всасывающим 10 и нагнетательным 11 трубопроводами, дополнительный аккумулятор 12 соединен с трубопроводом 13, оборудованным управляемой задвижкой 14, содержащийся в ставе нагнетательного трубопровода 3 аккумулятор 8 установлен в промежуточном поперечном сечении всасывающего трубопровода 10, оборудованное лопастями 15 рабочее колесо 16 установлено в аккумуляторе 8, трубопровод 5 соединен с нагнетательным трубопроводом 3, нагнетательный трубопровод 3 имеет расположенный в аккумуляторе 8 специальный наконечник 17, соединенный с дополнительным аккумулятором 12 трубопровод 13 сообщен через специальную камеру 18 с нагнетательным трубопроводом 3, дополнительный аккумулятор 12 содержит сигнализаторы верхнего 19 и нижнего 20 уровней жидкости и отдельно соединен с нагнетательным трубопроводом 3, нагнетательный трубопровод 11 соединен через поворотный позиционный распределительный кран 21 и соответствующий патрубок 22 с аккумулятором 8, при этом всасывающий трубопровод 10 оборудован консистометром 23, оборудованное лопастями 15 рабочее колесо 16 имеет дополнительные лопасти 24 и соединено с датчиком определения скорости вращения – тахометром 25, а нагнетательный трубопровод 3, в свою очередь, соединен с консистометром 26, датчиком определения давления – манометром 27 и в зоне отдельного соединения с дополнительным аккумулятором 12 имеет наклонный участок АВ. Система дополнительно содержит блок управления 28.

Способ с помощью системы для подъема многокомпонентной смеси с больших глубин реализуется следующим образом.

Предварительно задают величину концентрации отдельного потока гидросмеси всасывающего трубопровода 10 до выведения из его состава твердых частиц. Заданную величину концентрации отдельного потока гидросмеси всасывающего трубопровода 10 определяют с помощью консистометра 23. Перед запуском системы для подъема многокомпонентной смеси с больших глубин управляемые задвижки 7 и 14 полностью закрыты, а нагнетательный трубопровод 11 через поворотный позиционный распределительный кран 21 сообщен с окружающей его средой (см. фиг.2).

Блок управления 28 запускает заполненные жидкостью насос 1 и дополнительный насос 9. По истечении определенного времени работы насоса 1, отвечающего выходу насоса 1 на его рабочие характеристики, блок управления 28 выполняет запуск компрессора 4 и открывает управляемую задвижку 7. Сжатый компрессором 4 воздух поступает через оборудованный управляемой задвижкой 7 и обратным клапаном 6 трубопровод 5 в нагнетательный трубопровод 3. После поступления сжатого воздуха в поток жидкости нагнетательного трубопровода 3 в нем формируется поток водовоздушной смеси.

Параллельно с этим дополнительный насос 9 откачивает воду, находящуюся в верхней части аккумулятора 8. При откачивании воды из погруженного в океан аккумулятора 8 в него начинает поступать через всасывающий трубопровод 10 поток гидросмеси, содержащий элементы разрабатываемых подводных месторождений полезных ископаемых. Процесс формирования гидросмеси в нижних сечениях всасывающего трубопровода 10 относится непосредственно к функциям агрегата сбора и в данной заявке не рассматривается. В аккумуляторе 8 скорость движения гидросмеси значительно ниже, чем во всасывающем трубопроводе 10. Таким образом, в аккумуляторе 8 под действием сил гравитации происходит процесс непрерывного осаждения элементов разрабатываемых подводных месторождений полезных ископаемых из состава проходящего через него потока всасывающего трубопровода 10. В процессе осаждения элементы разрабатываемых подводных месторождений полезных ископаемых поступают в нижнюю часть аккумулятора 8, где они попадают в поток нагнетательного трубопровода 3 и транспортируются дальше в его составе. Давление в потоке водовоздушной смеси нагнетательного трубопровода 3 непосредственно перед поступлением в него твердых частиц значительно меньше, чем давление в аккумуляторе 8, что, в свою очередь, обеспечит гарантированное введение осаждаемых элементов подводных месторождений полезных ископаемых в поток нагнетательного трубопровода 3. Это обеспечивает возможность непрерывного подъема в составе многокомпонентной смеси элементов разрабатываемых подводных месторождений полезных ископаемых, исключая транспортирование твердых частиц через используемые насосы 1 и 9. Специальный наконечник 17 помогает эффективно формировать поток нагнетательного трубопровода 3 после поступления в него твердых частиц разрабатываемых подводных месторождений полезных ископаемых. При этом внутренний диаметр специального наконечника 17 изменяется по его длине.

Транспортирование потока всасывающего трубопровода 10 через объем аккумулятора 8 приводит к принудительному вращению оборудованного лопастями 15 рабочего колеса 16, что, в свою очередь, способствует процессу равномерного осаждения элементов полезных ископаемых, а также препятствует возникновению процессов агломерации в аккумуляторе 8 и его заштыбовке. Дополнительные лопасти 24 способствуют поступлению твердых частиц в поток нагнетательного трубопровода 3.

После запуска дополнительного насоса 9 блок управления 28 с помощью тахометра 25 осуществляет контроль скорости вращения оборудованного лопастями 15 рабочего колеса 16.

При прохождении потоком трехкомпонентной смеси наклонного участка АВ нагнетательного трубопровода 3 сжатый воздух, входящий в состав многокомпонентной смеси, благодаря своим физическим свойствам и действующим на него в процессе подъема силам перемещается в верхнюю часть этого потока. В конце наклонного участка АВ нагнетательного трубопровода 3 сжатый воздух полностью концентрируется в верхней части потока и непрерывно выводится из его состава. Выведенный из состава потока нагнетательного трубопровода 3 сжатый воздух аккумулируется в дополнительном аккумуляторе 12. При снижении уровня воды в дополнительном аккумуляторе 12 до соответствующего сигнализатора 20 блок управления 28 выполняет остановку компрессора 4, частично открывает управляемую задвижку 14 и полностью закрывает управляемую задвижку 7. Уровень погружения дополнительного аккумулятора 12 находится ниже, чем уровень погружения специальной камеры 18, через которую трубопровод 13 сообщен с нагнетательным трубопроводом 3 (см. фиг.3). Таким образом, давление в дополнительном аккумуляторе 12 превышает давление в специальной камере 18 и после частичного открывания управляемой задвижки 14 аккумулируемый в дополнительном аккумуляторе 12 сжатый воздух через трубопровод 13 и специальную камеру 18 повторно поступает в нагнетательный трубопровод 3. Поступление сжатого воздуха в нагнетательный трубопровод 3 через специальную камеру 18 позволяет повысить эффективность процесса интеграции потоков сжатого воздуха и воды в поток водовоздушной смеси.

После частичного открывания управляемой задвижки 14 блок управления 28 с помощью консистометра 26 контролирует величину концентрации потока гидросмеси нагнетательного трубопровода 3, сравнивает контролируемую величину с заданной и достигает их соответствия путем регулирования величины давления водовоздушной смеси, в поток которой происходит поступление твердых частиц. Величину давления водовоздушной смеси, в поток которой происходит поступление твердых частиц, определяет датчик определения давления – манометр 27.

Регулированием величины открытия управляемой задвижки 14 блок управления 28 управляет величиной давления водовоздушной смеси, в поток которой происходит поступление твердых частиц.

В случае остановки оборудованного лопастями 15 рабочего колеса 16 при прохождении потока всасывающего трубопровода 10 через аккумулятор 8 контролируемая величина скорости вращения рабочего колеса 16 равняется нулю. При этом блок управления 28 осуществляет изменение положения поворотного позиционного распределительного крана 21. Вследствие этого нагнетательный трубопровод 11 через поворотный позиционный распределительный кран 21 сообщен с патрубком 22. Высоконапорный поток из нагнетательного трубопровода 11 через поворотный позиционный распределительный кран 21 и патрубок 22 направляется на лопасти 15 рабочего колеса 16, что, в свою очередь, обеспечивает его вращение. Сразу после стабилизации величины скорости вращения рабочего колеса 16 блок управления 28 осуществляет изменение положения поворотного позиционного распределительного крана 21. Вследствие этого нагнетательный трубопровод 11 через поворотный позиционный распределительный кран 21 сообщен с окружающей его средой (см. фиг.2).

При функционировании системы для подъема многокомпонентной смеси с больших глубин в реальных условиях имеют место неконтролируемые утечки сжатого воздуха из системы через уплотнения, содержащиеся в ее соответствующих структурных элементах, в окружающую систему среду. Вследствие неконтролируемых утечек из системы сжатого воздуха уровень воды в дополнительном аккумуляторе 12 во время длительной эксплуатации системы медленно повышается. В случае достижения водой расположенного в дополнительном аккумуляторе 12 сигнализатора верхнего уровня жидкости 19 блок управления 28 осуществляет зарядку системы сжатым воздухом, что происходит после запуска компрессора 4 и открывания управляемой задвижки 7 при работающем насосе 1. Это обеспечит поступление сжатого компрессором 4 воздуха через оборудованный управляемой задвижкой 7 и обратным клапаном 6 трубопровод 5 в нагнетательный трубопровод 3. После снижения уровня воды в дополнительном аккумуляторе 12 до соответствующего сигнализатора 20 блок управления 28 прекращает зарядку системы сжатым воздухом путем остановки компрессора 4 и полного закрывания управляемой задвижки 7.

Непосредственно перед остановкой системы для подъема многокомпонентной смеси с больших глубин блок управления 28 выполняет остановку дополнительного насоса 9, полностью закрывает управляемые задвижки 7, 14 и устанавливает поворотный позиционный распределительный кран 21 в положение, отображенное на фигуре 2, с последующей остановкой насоса 1.

Таким образом, применение заявляемого изобретения позволит осуществлять подъем элементов подводных месторождений полезных ископаемых, исключая заштыбовку элементов гидротранспортной системы во время ее функционирования без существенного измельчения твердых частиц, ухудшающего процесс их последующей переработки, что, в свою очередь, обеспечит улучшение условий эксплуатации используемых насосов, а также повысит эффективность разработки подводных месторождений полезных ископаемых.

Формула изобретения

1. Способ подъема многокомпонентной смеси с больших глубин, включающий транспортирование воды в составе водовоздушной смеси, создание многокомпонентной смеси после поступления твердых частиц в поток водовоздушной смеси нагнетательного трубопровода насоса, транспортирование потока многокомпонентной смеси в нагнетательном трубопроводе насоса, выведение из состава потока многокомпонентной смеси воздуха с последующим формированием потока гидросмеси в нагнетательном трубопроводе насоса, отличающийся тем, что предварительно задают величину концентрации отдельного потока гидросмеси до выведения из его состава твердых частиц в океане на глубине, отвечающей параметрам подъема и составу гидросмеси, непрерывно выводят из состава отдельного потока гидросмеси твердые частицы, поступающие в поток водовоздушной смеси нагнетательного трубопровода насоса, повторно подают выведенный из состава потока многокомпонентной смеси воздух в поток воды нагнетательного трубопровода насоса, контролируют величину концентрации потока гидросмеси нагнетательного трубопровода насоса, сравнивают контролируемую величину с заданной и достигают их соответствия путем регулирования величины давления водовоздушной смеси, в поток которой происходит поступление твердых частиц.

2. Система для подъема многокомпонентной смеси с больших глубин, содержащая насос с всасывающим и нагнетательным трубопроводами, компрессор, соединенный с трубопроводом, оборудованным обратным клапаном, аккумулятор, установленный в ставе нагнетательного трубопровода насоса, дополнительный насос с соответствующими всасывающим и нагнетательным трубопроводами и дополнительный аккумулятор, соединенный с трубопроводом, оборудованным управляемой задвижкой, отличающаяся тем, что аккумулятор, содержащийся в ставе нагнетательного трубопровода насоса, погружен в океан и установлен в промежуточном поперечном сечении всасывающего трубопровода дополнительного насоса, оборудованное лопастями рабочее колесо установлено в аккумуляторе, соединенный с компрессором трубопровод оборудован управляемой задвижкой и соединен с нагнетательным трубопроводом насоса, нагнетательный трубопровод насоса имеет наконечник, расположенный в аккумуляторе, соединенный с дополнительным аккумулятором трубопровод сообщен через камеру с нагнетательным трубопроводом насоса, дополнительный аккумулятор содержит сигнализаторы уровня жидкости и отдельно соединен с нагнетательным трубопроводом насоса, при этом нагнетательный трубопровод дополнительного насоса соединен через поворотный позиционный распределительный кран и соответствующий патрубок с аккумулятором, а нагнетательный трубопровод насоса в зоне отдельного соединения с дополнительным аккумулятором имеет наклонный участок.

3. Система для подъема многокомпонентной смеси с больших глубин по п.2, отличающаяся тем, что оборудованное лопастями рабочее колесо имеет дополнительные лопасти.

РИСУНКИ