Особенности эксплуатации земснарядов с погружными грунтовыми насосами

В последнее время все большую популярность приобретают землесосные снаряды с погружными грунтовыми насосами для добычи песчаных и песчано-гравийных грунтов с глубины более 12 м. Актуальным вопросом подводной разработки месторождений является полное использование запасов по глубине — данное условие записано и в законе «О недрах» РФ.
Погружные насосы имеют значительные преимущества перед традиционными земснарядами с трюмным или палубным расположением грунтовых насосов, которые имеют жесткие ограничения глубины разработки (не более 10–12 м), лимитируемые допустимой всасывающей способностью насосов не более 6–8 м. Палубные или трюмные грунтовые насосы при работе на большей глубине или концентрации пульпы до 1,2–1,3 т/м3 входят в кавитационный режим, и их работа становится невозможной.
При расположении грунтового насоса в трюме нередко исключается возможность создания простого по конструкции разборного земснаряда из-за габаритных ограничений по ширине понтона, по условиям его транспортирования.
При расположении грунтового насоса на палубе ограничивается максимальная глубина разработки, т. к. при этом увеличивается расстояние h от продольной оси насоса до горизонта воды, что уменьшает максимальную глубину разработки на:

Однозначно, установка дополнительного водоструйного насоса с грунтозаборным устройством, называемого эжекторным устройством, для получения подпора перед грунтовым трюмным насосом земснаряда, позволит добиться увеличения глубины разработки более 12 м, но энергетические затраты при этом возрастают до 50%.
С вводом в действие федерального закона № 261-ФЗ от 23 ноября 2009 г. «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности» руководители добывающих предприятий будут вынуждены организовывать свое производство с учетом новых требований ФЗ.
Для решения этих задач наилучшим образом подходит оснащение земснарядов погружными грунтовыми насосами.
Расположение погружного грунтового насоса может быть на раме грунтозаборного устройства или на тросовом подвесе позволяет увеличить заглубление его под горизонт воды и решает проблему максимальной глубины разработки грунта.

Преимущества погружных грунтовых насосов:
• Возможность увеличения глубины разработки до 30 м и выше без дополнительных энергетических затрат — за счет увеличения всасывающей способности;
• Уменьшение на 30–40% удельных энергозатрат на 1 м3 добываемого и перемещаемого грунта вследствие повышения консистенции гидросмеси;
• Создание комфортных условий работы обслуживающему персоналу земснаряда за счет значительного уменьшения шума и вибрации при погружении насоса в воду;
• Снижение износа рабочего колеса за счет исключения работы грунтового насоса в кавитационном режиме.
• Возможность изготовления земснаряда с понтонами с транспортными размерами, позволяющими снизить затраты по транспортировке и монтажу земснаряда на месте проведения работы;
На обычных для гидромеханизации глубинах разработки (10–12 м) применение погружных грунтовых насосов является более экономически эффективным благодаря:
• Экономии времени на каждом запуске грунтового насоса;
• Интенсификации грунтозабора за счет увеличения скоростей всасывания, что позволяет увеличить производительность земснаряда на 30% и выше;
• Уменьшению вероятности срыва вакуума при завалах;
Конструктивно погружные грунтовые насосы можно разделить на три группы.
1. Моноблок (привод с грунтовым насосом), установленный на раме земснаряда и полностью погружаемый в воду.
2. Моноблок (привод с грунтовым насосом), расположенный на свободной тросовой подвеске земснаряда.
3. С расположением электродвигателя над поверхностью воды и приводом грунтового насоса через валовую линию, расположенного на раме земснаряда.
Каждое конструктивное решение имеет свои специфические особенности, которые позволяют заказчику принять оптимальное решение в выборе варианта погружного насоса.
Рассмотрим вариант использование погружного грунтового насоса на тросовом подвесе.
Наиболее известными производителем таких насосов является компания Dragflow (Италия)
Использование моноблочных погружных грунтовых насосов требует иной подход к процессу добычи инертных материалов по сравнению с обычными насосами. В особенности это касается насосных агрегатов на так называемом тросовом подвесе. Это когда насосный агрегат раскрепляется на подъемной лебедке и имеет несколько степеней свободы. Такое нестандартное размещение насоса у отдельных гидромеханизаторов вызывает сомнение в эффективности работы. Многие считают, что такая технология ведения добычных работ «ямным» способом при погружении насоса в воду на свободной тросовой подвеске требует от оператора определенных навыков. По их мнению, при опускании погружного насоса вертикально, до касания с грунтом, он начинает работать с максимальной производительностью. Уходя на большую глубину, насос попадает под завал, и контролировать процесс грунтозабора становится практически очень сложно.
Это и есть главная ошибка оператора при эксплуатации насосных агрегатов с так называемым «агитатором» (в частности насосов Dragflow). Наиболее эффективное расположение насоса при проведении работ, когда насос находится на некотором удалении от грунта. Поток воды, создаваемый «агитатором» направлен от насоса и тем самым происходит «первичное разрыхление» донной поверхности. Кроме того, поток создает зону пониженного давления перед камерой всасывания самого насоса. Это облегчает всасывание грунта насосом. Что и приводит к большей энергоэффективности работы насосного агрегата в целом.
Боязнь «ямного» способа добычи несколько преувеличена. Как правило вовремя работы погружного насоса на свободном подвесе образуется каверна с размерами в несколько раз превышающими диаметр корпуса насоса («улитки»). Если выполнять все рекомендации компании производителя, а именно глубина заглубления насоса при добычи не должна превышать половины высоты насосного агрегата, то вероятность «завала» насоса грунтом будет минимальной.
Существует мнение о том, что при использовании погружного насосного агрегата на тросовом подвесе не позволяет «идти в забой» для расширения границ котлована. На самом деле, такое применение насоса не только позволяет расширять границы котлована, но и делает это безопасным. При работе земснаряда обычной компоновки в так называемый «забой» возникает опасность обрушения стенок и заваливание грунто-заборного устройства породой. При эксплуатации погружного насосного агрегата на тросовом подвесе для расширения границ котлована можно использовать двухступенчатый способ разработки или оснастить сам земснаряд гидромониторной установкой для обрушения стенок котлована.
К сожалению, при неправильном ведении добычных работ, результат может оказаться плачевным.
Несколько примеров использование погружных грунтовых насосов от компании Dragflow
Так, в сентябре 2011 г. компания «УралСибГидрострой» (г. Сургут) ввела в эксплуатацию насос производства Dragflow EL1204B. По техническому заданию был спроектирован и изготовлен насос для работы при следующих условиях: глубина работы от 60 до 80 м, дальность рефулирования до 500 м, геодезической высоте подъема пульпы до 6 м. Обозначенные условия были учтены в конструкции этого насоса, а именно для обеспечения рабочей глубины до 80м: насос имеет компенсатор давления для разгрузки подшипникового узла, ротор и статор находятся в среде диэлектрического масла. Реальные условия эксплуатации не соответствовали условиям технического задания — фактически работы велись на глубинах до 12 м, при общей длине гидротранспорта 100 м и высоте подъема 10 м. Насос работал с большим перегрузом по току, более 50 % от номинала, что приводило к частым аварийным остановкам и как результат — забиванию пульпопровода. При рабочем токе 130-140А фактическое значение достигало 200А. Автоматика погружного насоса отключала по сигналу «перегрузка», из-за чего происходила вынужденная остановка работы земснаряда. Через два месяца интенсивной эксплуатации погружного насоса электродвигатель вышел из строя. За контрольный период работы земснаряда средняя фактическая производительность по грунту составила всего 42 м³/час. Несоответствие величины реального гидравлического сопротивления расчетному вызывало увеличение скорости движения пульпы по пульпопроводу. На коротком участке пульпопровода, который использовался в работе, наблюдалось резкое падение скорости потока на выходе пульпопровода, что приводило к «срыву насоса» и увеличению тока нагрузки. Можно сделать предположение, что во время эксплуатации были нарушены условия охлаждения электропривода, а конкретно — нагрелся подшипниковый узел выше 110 градусов, что вызвало возгорание масла внутри электродвигателя и, как следствие, произошло оплавление обмоток электродвигателя с коротким замыканием.
Этот опыт эксплуатации был учтен в конструкции насоса, в частности были внесены изменения в узел уплотнений. После внесения конструктивных изменений заводом изготовителем Dragflow S.l.r., эксплуатация насоса продолжается и по настоящее время. Средняя производительность по песку составляет 80-100 м³/час при заявленной производительности по гидросмеси 420 м³/час.
Кроме того, компания АО «УралСибГидрострой» в 2017 году приобрела насос Dragflow EL300 с производительностью 1200-1300 м³/час для установки на земснаряд для работы при следующих условиях: глубина работы от 15 до 40 м, дальность рефулирования до 500 м, геодезической высоте подъёма пульпы до 8-9 м. После некоторых «болезней» при запуске оборудования, насос был введен в эксплуатацию в 2019 году. Опыт эксплуатации сезона 2019 года показал следующие результаты: средняя производительность по песку составляла 240-300 м³\час, ресурс уплотнений составлял 700-800 мт/ч, потребляемая мощность электромотора под нагрузкой 250-260 квт/ч, средняя замеряемая концентрация по данным консистометра составляла 30-35%. Другие расходные элементы не заменялись. Для увеличения сроков службы уплотнений представителями производителя Dragflow S.l.r. были даны рекомендации, такие как увеличение периодичности подачи смазки в узел уплотнений, принудительная промывка «зоны» между защитной бронепластиной «с стороны напора» и импеллером.
Другой пример.
В 2013 году компания Dragflow S.l.r, поставила земснаряд DRH 300E23 на базе насоса HY300B с гидравлическим приводом для ЗАО «ПП «Гидромехстрой» (г. Курск) для добычи песка с высоким содержанием кварца. Земснаряд эксплуатируется при следующих условиях: глубина работы от 15 до 40 м, дальность рефулирования до 500 м, геодезической высоте подъема пульпы до 8-9 м. Насос HY300B имеет гидравлический привод, кроме того оборудован двумя боковыми дноуглубительными рыхлителями EXHY35. Это позволяет перекачивать пульпу с высокой концентрацией до 50% твёрдой составляющей. В качестве источника гидравлический энергии используется гидростанция с электроприводом. Гидростанция специально спроектированная для обеспечения работы как насосного агрегата, так и другого оборудования на борту земснаряда. Опыт эксплуатации показал надежность работы насосного оборудования Dragflow S.l.r при заявленных эксплуатационных параметрах.
Из двух рассмотренных вариантов использовались погружные насосы с примерно одинаковыми насосными характеристиками по производительности, напору и энергопотреблению. Главное отличие заключается в типе привода грунтового насоса: электрический и гидравлический. Наиболее экономичным и надежным вариантом в эксплуатации является насос с гидравлическим приводом. Гидравлический привод насосов Dragflow позволяет плавно регулировать скорость вращения вала, что приводит к более щадящему износу расходных элементов. Кроме того исключаются большие колебания нагрузки на энергосистему в целом.
Необходимым условием безаварийной и эффективной эксплуатации подобной техники является послойная или ступенчатая разработка грунта. При наличии запасов инертных материалов на значительной глубине, разработка котлована может производится двух или трех ступенчатым способом. Это позволяет более полно производить добычу инертных материалов, а так же эксплуатация земснаряда становится безопаснее.
Для примера… При опушенном на тросе насосного агрегата у земснаряда появляется вертикальная сила, т. к. в процессе грунтозабора скорость на всасе составляет более 5 м\с, которая подтягивает его к забою и насос может оказаться под «козырьком». На легких грунтах при несоблюдении технологического регламента обрушение массы неизбежно, и вероятность аварийной остановки земснаряда из-за завала насоса очень велика. Для обеспечения безаварийной эксплуатации моноблочный погружных насосов на тросовой подвеске необходимо соблюдать рекомендации производителя по «шаговой» глубине опускания насоса. Глубина опускания насоса во время работы должна быть на 0,3-0,4 м меньше чем фактическая и «шаг» опускания должен быть не более 2 м. Кроме обеспечения безопасности такое расположение насоса повышает концентрацию всасываемой пульпы за счет более эффективной работы «агитатора» (мешалки), которая создает зону «повышенного давления» в близи донной поверхности и зону «пониженного давления» в районе всасывающих отверстий на «всасывающем фильтре». Обрушение стенок котлована все равно происходит из-за послойного истечения грунта, но это будет на безопасном расстоянии от земснаряда.
Анализируя имеющейся многолетний опыт эксплуатации земснарядов с использованием погружных грунтовых насосов от компании Dragflow, можно сделать вывод, что наиболее рациональной схемой, с экономической и технической сторон, является использование погружного грунтового насоса с гидравлическим приводом с дополнительными дноуглубительными рыхлителями на тросовой подвеске. Главным недостатком насосов с гидравлическим приводом является стоимость гидростанции, требующая больших вложений в начальном этапе.