Руководство по шламовым насосам
Шламовые насосы
Шламовые насосы являются тяжелой и прочной версией центробежных насосов, способных работать в трудном и абразивном режиме.
Шламовые насосы следует также считать общим термином, чтобы отличить их от прочих центробежных насосов, предназначенных в основном для прозрачной воды.
Применение
Шламовые насосы используются для передвижения смесей жидкости и твердых частиц во многих сферах промышленности с широким спектром применения, например для шахтного водоотлива/драгирования прудов осаждения и откачки бурового раствора.
Целями могут быть:
- Откачивание среды, содержащей абразивные частицы
- Перенос как можно большего количества твердых частиц/ гидравлическим способом
- Откачивание конечного продукта в ходе технологического процесса
Погружные насосы используются в различных промышленных отраслях, таких как:
- Металлургиия
- Выработка электроэнергии
- Строительство
- Целлюлозно-бумажная
- Нефтегазовая
- Очистка сточных вод
- Горнодобывающая
- Обогащение полезных ископаемых
Типы шламовых насосов
При откачивании шлама применяются три основных типа шламовых насосов:
- Горизонтальные шламовые насосы
- Вертикальные шламовые насосы
- Погружные шламовые насосы
Горизонтальные шламовые насосы
Данные типы насосов часто называются насосами сухой установки, поскольку гидравлический (мокрый) конец и приводное устройство расположены вне емкости отстойника. Они составляют основную группу шламовых насосов с широким диапазоном параметров напора и расхода, а также подбора материалов.
Вертикальные шламовые насосы
Данный тип насоса может быть разделен на две основные группы:
- Насосы с емкостью
- Консольные/ водоотливные насосы
Насосы с емкостью считаются насосами сухой установки. Емкость отстойника является частью насоса. Открытый отстойник и вертикальный впуск предотвращают появление воздушных пробок и обеспечивают ровную эксплуатацию. Подшипники и уплотнение вала не погружаются в жидкость, но довольно длинный вал доходит от нижнего подшипника до рабочего колеса.
Консольные/водоотливные насосы считаются насосами полусухой установки, поскольку гидравлическая часть заглублена в шлам, а двигатель и опорная конструкция смонтированы методом сухой установки. Аналогично насосам с емкостью, подшипники и уплотнения вала не погружены, и длинный вал свешивается. В зависимости от размера насос либо устанавливается на раму-основание над емкостью отстойника, либо свешивается с крыши.
Насосы консольного типа имеют ряд недостатков, что позволяет заменять их погружными насосами:
- Длинное расстояние между двигателем и гидравлической частью приводит к тому, что насос становится громоздким для обслуживания.
- Ограниченный доступ к отстойнику. Проблемы с накоплением осадка при использовании насосов для отстойников глубже 2 м.
- Негерметичные. Залив повредит двигатель.
- Высокий уровень шума.
Почему погружные?
Некоторые пользователи шламовых насосов, возможно, обладают ограниченными сведениями о погружных шламовых насосах. Поэтому важно привести доводы относительно достоинств погружной концепции.
Погружные насосы имеют ряд преимуществ над насосами сухой установки и главным образом полусухой установки:
- Эксплуатируемому непосредственно в шламе, погружному насосу не требуется рама-основание. Следовательно, он занимает меньше места.
- Двигатель и гидравлическая часть являются единым целым, компактным и удобным для установки.
- Эксплуатация под водой означает снижение уровня шумов или даже бесшумную работу.
- Двигатель, охлаждающийся окружающей жидкостью, допускает до 15 пусков/час, что приводит к использованию отстойников меньшего объема и более высокой эффективности.
- Гибкая установка с несколькими способами установки, являющимися либо переносными, либо полупостоянными.
- Возможность применения технологии Чистого отстойника.
Параметры шлама
При проведение расчета шламового насоса должны быть определены следующие параметры.
1. Размер и распределение частиц
Размер частиц d50 (d85) является единицей измерения, процентного содержания частиц определенного размера или меньшего размера в шламе. Значение определяется посредством отсева твердых частиц через фильтр с меняющимися ситами и затем взвешиванием каждой фракции. Затем можно начертить кривую сева и замерить процентное содержание частиц разных размеров.
Например: d85= 3 мм означает, что 85% частиц имеет диаметр 3 мм или менее.
2. Общая фракция мелких частиц
Фракция частиц менее 75 μm.
Важно определить процентное содержание мелких частиц в шламе. Частицы менее 75 μm могут до некоторой степени содействовать продвижению крупных частиц. Однако, если процентное содержание частиц менее 75 μm ревышает 50%, характер шлама изменяется по направлению к неоседающему.
3. Концентрация твердых частиц
Концентрацию частиц в шламе можно измерить как процентное соотношение по объему Cv, и процентное соотношение по весу Cm.
4. Плотность/Удельная масса
Твердые частицы
Плотность твердых частиц установлена как Удельная масса. Данное значение, SGч, определяется посредством деления плотности твердых частиц на плотность воды.
Вода
Плотность воды составляет 1000 кг/м³. Удельная масса воды составляет 1,0 при температуре 20°C. Значение изменятся в зависимости от температуры.
Шлам
Удельную массу шлама можно определить при использовании номографии или рассчитать. Для этого должны быть известны два значения SGч, Cv, и Cm.
5. Форма частиц
Важно знать форму частиц шлама для определения поведения шлама при откачивании или износе насоса и трубопроводной сети.
Характеристики шлама
Шлам можно разделить на два типа: оседающий и неоседающий, в зависимости от параметров, указанных не предыдущих страницах.
Неоседающий шлам
Шлам, в котором твердые частицы не оседают на дно, остаются во взвешенном состоянии на долгий период времени. Неоседающий шлам ведет себя как однородная, вязкая смесь, но обладает характеристиками не-Ньютоновской смеси.
Размер частиц: менее 60-100 μm.
Неоседающий шлам может быть определен как однородная смесь.
Однородная смесь
Смесь твердых частиц и жидкости, в которой равномерно распределены твердые частицы.
Оседающий шлам
Данный тип шлама быстро оседает в ходе процесса, но может поддерживаться во взвешенном состоянии посредством турбулентности. Размеры частиц: более 100 μm.
Оседающий шлам может быть определен как псевдо- однородная или разнородная смесь и может полностью или частично наслаиваться.
Псевдо – однородная смесь
Смесь, где все частицы находятся во взвешенном состоянии, но концентрация частиц увеличивается в направлении ко дну.
Разнородная смесь
Смесь твердых частиц и жидкости, где твердые частицы распределены неравномерно, и становится более концентрированной на дне трубопровода или емкости (в сравнении с оседающим шламом).
На схеме показано как ведут себя разные типы шлама в зависимости от размера частиц и скорости перекачивания.
Высокая скорость перекачивания и/ или мелкие частицы означают, что все частицы находятся во взвешенном состоянии. Шлам обладает свойствами псевдо-однородной смеси.
Когда размер частиц больше и скорость перекачивания ниже, частицы имеют тенденцию к осаждению на дне трубопровода или находятся в механическом контакте с ним. Шлам ведет себя как разнородная смесь.
При низкой скорости перекачивания и/ или наличии крупных частиц, шлам склонен к скапливанию/ осаждению. Шлам, состоящий из крупных частиц, может скользить по трубопроводу.
Типы жидкостей
За исключением плотности характеристики жидкости определяются ее вязкостью.
Жидкости деформируются непрерывно, пока к ним применяется сила. Они считаются текучими. Жидкость при течении, встречается с сопротивлением внутреннего трения, возникающего при сцеплении молекул. Данное внутреннее трение является свойством жидкости, называемое вязкостью.
Ньютоновские жидкости
Ньютоновские жидкости, у которых скорость растет прямо пропорционально прилагаемому усилию. Вода и большинство жидкостей являются Ньютоновскими.
Не-Ньютоновские жидкости
Некоторые жидкости, такие как шлам на водной основе с присутствием мелких частиц, не Касательное напряжение подчиняются простому соотношению прилагаемого усилия и скорости. Они относятся к не-Ньютоновским жидкостям.
Некоторые не-Ньютоновские жидкости обладают уникальным свойством нетекучести до применения определенного усилия. Данное минимальное касательное напряжение известно как предел текучести.
Системы шламовых насосов
Характеристика насоса
Характеристика центробежного насоса, откачивающего шлам, отличается от характеристики насоса, откачивающего чистую воду, в зависимости от объема твердых частиц, содержащихся в шламе.
Разница зависит от характеристик шлама (размер частиц, плотность, форма).
Показателями, на которые оказывается воздействие, являются мощность (P), напор (H) и КПД (η). Разница между шламом и водой указана схематично ниже.
График показывает увеличивающуюся потребляемую мощность, снижение напора и КПД центробежных насосов, работающих при постоянной скорости и перекачивании шлама.
Расчеты
Чтобы иметь возможность определить параметры насоса, который будет правильно функционировать при определенном типе шлама в отдельно взятой трубопроводной системе, необходимы данные о шламе, а также сведения о напоре, требующемся расходе, конструкции данной сети трубопроводов.
Правильно рассчитанные шламовые насосы должны справиться с потерями, возникшими в результате трения в трубопроводе и запорной арматуре. Также важно, чтобы скорость потока не падала ниже критической скорости, в противном случае образуются осадочные отложения.
Важно, чтобы были указаны насколько возможно точные параметры шлама и трубопроводной сети. В случае необходимости произвести допущения при осуществлении расчетов, важно поставить заказчика в известность.
Проектирование системы
Статический напор
Статический напор является разницей вертикальной высоты от поверхности источника шлама до точки сброса.
Потеря напора на трение потока
Когда жидкость начинает течь по напорному трубопроводу и через запорную арматуру, возникает трение. При откачивании шлама потеря напора на трение потока, вызванная шероховатостью трубопровода, отводов и запорной арматуры, отличается от соответствующих потерь при откачивании воды. Для расчетов вручную потери напора на трение потока для шлама.
Общий напор насоса
Данное значение используется для расчетов размеров насоса и включает в себя статический напор плюс потери напора на трение потока, вызванные трубопроводом и запорной арматурой, преобразованное в метры воды.
Критическая скорость
В общем, скорость потока в трубопроводе должны поддерживаться выше определенного минимального значения.
Если скорость завышена, повышаются потери напора на трение потока. Это также может повысить износ трубопроводной сети. Заниженная скорость потока приводить к образованию отложений на стенках трубопровода, и таким образом увеличит потери.
Это показано на графике ниже, где критическая скорость (Vкр) означает оптимальную скорость, при которой потери сведены к минимуму.
При произведении расчетов для шламовых насосов при определенном расходе, следует сравнить желаемую скорость потока (V) с критической скоростью (Vкр) для шлама и данной трубопроводной сети. Как показано на графике ниже, идеальной скоростью (обозначенной зеленым) является скорость, находящаяся сразу над критической, но в пределах для экстремальных случаев, которые могут возникнуть. Для определения критической скорости необходимо знать диаметр трубопровода и размер частиц (d85). Затем значение корректируется коэффициентом, который зависит от удельной массы твердых частиц.
График, указанный выше, схематически показывает:
- кривую насоса для воды
- пониженную кривую для шлама
- рабочую точку для шлама, т.е. точку, в которой кривая насосной системы и кривая КПД пересекаются.
Прочее
Помимо фактических расчетных работ, ряд практических точек зрения следует принять во внимание при проектировании системы и подборе насосов.
Вакуумметрическая высота всасывания (NPSH)
Всякий раз когда используются центробежные насосы, важно, чтобы давление на входе насоса превышало давление насыщенного пара жидкости внутри насоса. Требуемое давление на входе, установленное для насоса, Вакуумметрическая Высота всасывания (NPSH тр*) должна быть не меньше имеющегося значения в насосной системе NPSH *.
Имеющееся значение зависит от окружающего атмосферного давления (высота над уровнем моря), давления насыщенного пара жидкости, плотности шлама и уровня шлама в отстойнике.
Пример: Откачивание шлама на водяной основе на высоте 1000 м над уровнем моря. Температура жидкости составляет 40°C/ уровень жидкости 2 м над впуском насоса.
Формула:
NPSHи = атмосферное давление – давление насыщенного пара + уровень в отстойнике
NPSHи = 9,2-0,4+2=10,8
Значение NPSHи должно превышать значение, указанное для насоса, NPSHтр
- NPSHтр= NPSH требуемое
- NPSHи = NPSH имеющееся
Кавитация
Если NPSH иниже NPSHтр, в рабочем колесе появляются пузырьки пара. Когда пузырьки достигают зону, где давление выше, они лопаются и могут стать причиной повреждения рабочего колеса и спиральной камеры.
Помимо повреждения насоса, кавитация может стать причиной низкого КПД, возникновения вибрации и шума.
рH
Чтобы предотвратить повреждение, при низком значении pH, насосы покрывают эпоксидной краской (pH-предел 5,5). При высоком содержании хлоридов, используются цинковые аноды в дополнение к эпоксидной краске.
Охлаждение
Погруженные шламовые насосы стандартного типа, как правило, охлаждаются окружающим средой, если температура среды не превышает макс. 40°C.
Однако, возникают случаи когда необходимо принять особые меры для охлаждения насосов:
- Если насос работает над уровнем поверхности жидкости, постоянно или периодически дольше 10 мин.
- Если это насос сухой установки.
- Если температура откачиваемой среды превышает 40 °C.
В данных случаях охлаждение может быть устроено, используя кожух охлаждения. Насосы в случаях 1 и 2 могут охлаждаться внутренней системой охлаждения, а в случае 3 посредством наружной подачи охладителя.
Износ
Износ внутренней части шламовых насосов значительно изменяется в зависимости от скорости, концентрации и угла воздействия частиц. Самому большому износу подвергается рабочее колесо, затем корпус насоса и напорный патрубок.
Завышенная оценка системы потерь
Завышенная оценка потерь может стать причиной определения завышенных размеров насоса. Что в свою очередь может повлечь следующие проблемы:
- Завышенный расход воды
- Высокое энергопотребление
- Перегрузка двигателя
- Порообразование
Технология чистого отстойника
Данная концепция предполагает эффективное откачивание шлама без образования осадочных отложений. Шлам поддерживается во взвешенном состоянии посредством применения агитатора или мешалки. В комплексе с системой охлаждения насоса и эффективной конструкции отстойника это может обеспечить эффективное опорожнение отстойника.
Агитатор
При откачивании шлама, состоящего из крупных частиц, на вал насоса устанавливается агитатор для приведения во взвешенное состояние осевших частиц и облегчения их перекачивания.
Мешалка, устанавливаемая сбоку
Для больших емкостей с крупными и тяжелыми частицами, где недостаточно работы агитатора, чтобы предотвратить формирование отложений, можно установить мешалку.
Охлаждение
Внутренняя/ наружная система охлаждения предполагает, что насос может продолжать откачивание до низких уровней шлама. См. также Охлаждение на предыдущих страницах.
Конструкция отстойника
Так называемые желобные отстойники большого объема имеют зону отложений твердых частиц до перелива в часть меньшего размера, где устанавливается насос. В зону осаждения имеется доступ для экскаватора для удаления отложений.
Отстойники меньшего объема с откосными стенами создают турбулентность и высокую скорость в отстойнике, предотвращая осаждение шлама. Осевшие твердые частицы соскальзывают в зону непосредственно под впуском насоса.
Руководство по применению
Типы установки
Погружные насосы можно установить разными способами, указанными выше. Однако, существует несколько общих правил относительно установки, что следует принять во внимание независимо от применения.
- Сухая установка: Шламовый насос должен быть всегда оборудован системой охлаждения.
Рассмотрите конструкцию отстойника для подачи шлама в насос. При данном методе установки нельзя использовать агитатор и мешалку, устанавливаемую сбоку.
- Погружная установка: Если возможно, отстойник следует оборудовать откосными стенами, чтобы позволить осажденным отложениям соскользнуть вниз непосредственно в зону под всасом насоса. Используйте агитатор при высоком содержании твердых частиц и высокой плотности частиц. Мешалка, устанавливаемая сбоку, является отличной альтернативой для повторного приведения твердых частиц во взвешенное состояние, если отстойник обладает большим объемом или отсутствуют откосные стены.
Можно установить мешалку в помощь агитатору при откачивании частиц высокой плотности.
- Установка на плавающей платформе является возможным вариантом, который следует учесть при откачивании осажденных отложений из прудов и отстойников. Рекомендуется использование агитатора, а также одной или двух мешалок.
Мешалку можно установить либо на насосе или непосредственно на плавающей платформе.
Сферы применения
Металлургическая промышленность
Насосы для перекачивания вторичной окалины
Вода, использованная во время процесса охлаждения, собирается в отстойники. Эта вода отличается высоким содержанием вторичной окалины, являющейся, как правило, очень абразивной смесью. Данные частицы зачастую отделяются и воду снова используют в процессе охлаждения.
Насосы для откачивания воды, используемой для охлаждения
Вода, используемая для охлаждения, может содержать большое количество абразивных частиц, оставшихся от предыдущего использования.
Удаление осадка из хвостовых отвалов
Пыль и твердые частицы, образующиеся при плавке, зачастую собираются в прудах отстойниках. Для откачивания в данных условиях подходит установка на плавающей платформе с использованием агитатора и мешалки, устанавливаемой сбоку.
Насосы для перекачивания охлаждающей жидкости в технологических процессах
Охлаждающее масло, содержащее металлические отходы от шлифовки или подобных технологических процессов.
Выработка электроэнергии (теплоэлектростанция, работающая на угле)
Откачивание донного шлака
Откачивание донного шлака и перекачивание воды в пруды осаждения.
Сточная вода
Сточная вода с угольных складов, зон обогащения угля и угольного конвейера должна собираться и перекачиваться на дальнейшую очистку.
Целлюлозно-бумажная промышленность
Сборные резервуары и переливные отстойники
Черный раствор из котлов-утилизаторов, содержащий песок, летучую золу, абразивную пыль, сосновые сучки, т.д.
Нефтегазовая промышленность
Откачивание бурового раствора
Отработанный буровой раствор с высоким содержанием абразивных материалов. Как правило, насос используют для перекачивания раствора с подающего корабля на установку переработки раствора. Как правило, буровой раствор должен считаться однородным шламом.
Очистные сооружения сточных вод
Отстойник /песколовка
Насосы, установленные после первичной фильтрации для откачивания твердых частиц отложений для утилизации.
Добыча полезных ископаемых
Откачивание более густых шламов
Очистка главного приемника от осевших твердых частиц
Подходит для установки на плавающей платформе с применением агитатора и мешалки, устанавливаемой сбоку.
Обогащение полезных ископаемых
Откачивание на самых низких уровнях технологической установки
- Остерегайтесь крупных, тяжелых предметов и частиц, которые могут остаться на дне отстойника.
- Если возможно, установите сетку на входе в отстойник или фильтрующую корзину.
- Если шлам пенистый, то производительность насоса должна быть увеличена по крайней мере вдвое.
- Если возможно, используйте конструкцию чистого отстойника (для сведения к минимум образования отложений).
- Применим для установки на плавающей платформе с агитатором и мешалкой, устанавливаемой сбоку.
Карьеры (дробленный камень, песок и щебень)
Выемка грунта (понижение уровня )
Применим для установки на плавающей платформе с агитатором и мешалкой, устанавливаемой сбоку.
Карьерные отстойники
Применим для установки на плавающей платформе или стационарной установки, для откачивания твердых частиц, содержащихся в подземных или дренажных водах, или для перекачивания шлама, содержащего песок и щебень.
Откачивание из отстойника на заводе по утилизации бетона
Подходит для откачивания шлама, состоящего из твердых частиц песка и цемента для переработки возвращенного бетона. Используется в комплексе с погружной мешалкой.