Sugárszívó kotrógép homokbányászathoz: A rendszer tervezése a projekt körül

A sugárszívó kotrógép viszonylag egyszerűnek tűnhet a fedélzeten. Van ponton, dízelmotor, homokszivattyú, nagynyomású vízszivattyú, szívóvezeték és nyomócső. A gyakorlatban azonban nem egyszerűen egy nagyobb szivattyú beszerelésével kell elérni, hogy a rendszer a kívánt mennyiségű homokot termelje.

Az első kérdés, amit általában felteszünk, az, hogy valójában milyen anyag van a mederben.

A laza folyami homok nagyon különbözik a tömörített homoktól. A finom homok másképpen viselkedik, mint a kavicsot tartalmazó durva homok. A felületről könnyen kiemelhető lerakódás sokkal nehezebbé válhat, ha a szívófej eléri a munkaréteget. Az anyagállapot befolyásolja, hogy mennyi vízsugár szükséges, mennyi szilárd anyag kerülhet a szívórendszerbe, és hogyan viselkedik a zagy a nyomócsőben.

Itt kezdődik a sugárszívó kotrógép tervezése.

Az alapvető működési elv jól megalapozott. Egy külön vízszivattyú szállítja a tiszta vizet nyomás alatt a sugárrendszerbe. A vízsugár feltöri vagy fluidizálja a környező hordalékot, miközben a keletkező homok-víz keveréket a szívórendszerbe szívják és a nyomóvezetéken keresztül továbbítják. A Water Research Commission 2002-es tanulmánya a sugárszivattyút impulzuscserélő rendszerként írja le: a nagy sebességű tisztavízsugár alacsony nyomású régiót hoz létre, amely a homok-víz keveréket a keverőkamrába, majd a nyomócsőbe szívja. A tanulmány azt is megállapította, hogy a szívóvég különösen hatékonyan működik, ha szabadon folyó homokban van eltemetve.

Ez az elv hasznos, de nem adja meg a mérnök számára a kotró végső specifikációját.

Egy valós projektnél a termelési célt össze kell kötni a kotrási mélységgel, az anyagjellemzőkkel és a kibocsátási feltételekkel. Lehet, hogy az ügyfél azt mondja, hogy a projekthez 200 m³/h homok szükséges, de ez a szám önmagában nem elegendő a szivattyú kiválasztásához.

Vegyünk egy nyilvánosan közzétett kambodzsai projektet. A megrendelőnek körülbelül 15 méter mélyről kellett homokot szivattyúznia, és kb. 500 méterről a kiürítési pontig szállítani. A közzétett berendezéskonfiguráció 275 kW-os Weichai WP12 dízelmotort és magas krómötvözetű homokszivattyút használt, körülbelül 200 m³/h homoktermeléssel.

Ennek az esetnek az érdekes része nem egyszerűen a 200 m³/h adat. A 15 m-es kotrási mélység és az 500 m-es kiürítési távolság az, ami értelmessé teszi a szivattyú- és teljesítményválasztást. Ha ugyanazt a termelési célt sokkal rövidebb ürítési távolságon kellene elérni, a hidraulikus követelmények eltérőek lennének. Ha a csővezetéknek a folyópart elérése után lényegesen magasabbra kellene kúsznia, a szükséges szivattyúmagasság ismét megváltozna.

Éppen ezért nem javaslom a sugárszívó kotrógép kiválasztását pusztán a szivattyú áramlásának figyelembevételével.

A nyomóvezeték a projekt egyik legkönnyebben alábecsülhető része. Amint az iszap elhagyja a kotrót, a szivattyúnak le kell küzdenie a csősúrlódást, a magasságot és a kanyarokból, szelepekből és egyéb szerelvényekből származó helyi veszteségeket. A szilárdanyag-koncentráció növekedésével a helyzet egyre nehezebbé válik.

Meg kell őrizni az egyensúlyt is. A túl sok víz megkönnyítheti a hígtrágya szállítását, de csökkenti az egységnyi szivattyúzott keverékre jutó hasznos homok mennyiségét. A túl kevés víz növelheti a hígtrágya koncentrációját, és megnehezítheti a csővezetékes szállítást. A helyes működési pont az anyagtól, a csőátmérőtől, a szivattyú jellemzőitől és a szükséges gyártástól függ.

A Vízkutatási Bizottság által közzétett mérnöki tanulmány szemlélteti ezt a kapcsolatot egy kísérleti sugárszivattyús rendszerrel. Tervezési feltételei között szerepelt 30 t/h termelési sebesség, 700 kPa nyomó-szivattyú tápmagasság, 100 mm-es mozgatócső, 100 mm-es nyomóvezeték és 5 m-es vízszint feletti kibocsátási magasság. A jelentett terv szintén körülbelül 31 tömegszázalékos üledékkoncentrációt használt.

A számokat nem szabad univerzális specifikációként kezelni minden sugárszívó kotrógép esetében. Hasznosak, mert megmutatják, hogy a víznyomás, a csőátmérő, a termelési, a sűrítési és a kibocsátási feltételek milyen szorosan kapcsolódnak egymáshoz.

Egy másik kenyai projekt gyakorlati példát mutat be a kereskedelmi homokkotrásból. A projektjelentés szerint a megrendelő óránként körülbelül 150 tonna homokot igényelt, 400 méteres kiürítési távolságot és 18 méteres kotrási mélységet. A szállító egy 8 hüvelykes sugárszívó kotrót tervezett ezeknek a követelményeknek.

A fontos műszaki információ a követelmények kombinációja, nem pedig maga a 8 hüvelykes csőméret. Az egyik folyóhoz tervezett 8 hüvelykes kotrógéptől nem várható el automatikusan, hogy ugyanazt az eredményt adja egy másik folyóban. A homok sűrűsége, a szemcseméret, a víz alatti lerakódás körülményei, a csővezeték elrendezése és a tényleges üzemórák mind befolyásolják a termelést.

Ez különösen fontos a homokbányászatban, mert a "homok" szó meglepően sokféle anyagot takar.

A finom, laza folyami homok viszonylag könnyen fluidizálható. A durvább homok eltérő sugárelrendezést igényelhet. Ha agyagot kevernek a lerakódáshoz, az anyag inkább ragadóssá válhat, mint szabadon folyóvá. A kavics vagy nagyobb részecskék újabb problémákat okozhatnak a szívónyílásnál és a szivattyú belsejében.

A kotrógép építése előtt a szivattyú kopását is figyelembe kell venni.

A homok koptató hatású. A tiszta vizet kezelő szivattyú és a homokzagyot folyamatosan kezelő szivattyú nem ugyanazokkal az üzemi feltételekkel szembesül. Kereskedelmi homokbányászatnál a kopásálló anyagok és a cserélhető kopóalkatrészek jelentős hatással lehetnek a karbantartási időközökre.

Hasznos példa egy nyilvánosan bejelentett projekt a Kongó folyóról. A közzétett konfiguráció négy 14 hüvelykes sugárhajtású homokszívó kotrógépet tartalmazott, amelyek kotrási mélysége körülbelül 15 m, termelésük pedig a megadott üzemi feltételektől függően nagyjából 300–375 m³/h tartományban volt. A rendszer magas krómötvözetű homokszivattyút használt, és koptató folyami homokra tervezték.

A magas krómozott szivattyú specifikáció abban a projektben nem egy felesleges részlet. Ha a kotrott anyag nagy mennyiségű csiszolóhomokot tartalmaz, a szivattyúház, a járókerék és más nedvesített alkatrészek fogyó mérnöki alkatrészekké válnak. Az alacsonyabb kezdeti felszerelési ár drágává válhat, ha a kopó alkatrészeket gyakran kell cserélni, vagy ha a kotrógépnek rendszeresen le kell állnia karbantartás miatt.

Ugyanez az elv vonatkozik a vízsugár-rendszerre is.

Maga a sugárszivattyú nem az egyetlen alkatrész, ami számít. A nagynyomású vízszivattyúnak elegendő áramlást és nyomást kell biztosítania az üledék hatékony fluidizálásához. A fúvóka mérete és elrendezése befolyásolja, hogy a víz hogyan éri el a homokot. A szívófejnek össze kell gyűjtenie a fellazult anyagot anélkül, hogy lehetővé tenné a túlzott hígulást vagy instabil beviteli körülményeket.

Egyes projektekben a szívófej a homokréteg közelében vagy azon belül működik. A Water Research Commission kutatása külön megjegyezte, hogy a sugárhajtású kotrás hatékonyan tud működni, ha a szívóvéget homokba temetik, és leírták, hogy a szabadon folyó homok eltávolításakor átfedő ásási kráterek keletkeznek.

Ez a megfigyelés hasznos, ha a kotrás hatékonyságáról gondolkodunk. A kotrógép nem egyszerűen csak egy pozícióban ül, és korlátlan mennyiségű anyagot távolít el. A kezelőnek úgy kell szabályoznia a szívófej mozgását és a munkahelyzetet, hogy az ásási terület fokozatosan fejlődjön, ne pedig nagy mennyiségű anyagot hagyjon a hatékony szívózónán kívül.

Ezért a hajótest és a pozicionálási rendszer is számít.

Egy kis folyami kotrógép használhat kompakt ponton elrendezést csörlőkkel és pozicionáló csapokkal. Egy nagyobb géphez szélesebb munkafelületre lehet szükség, mert a motornak, a homokszivattyúnak, a vízszivattyúnak, a hidraulikus rendszernek, az üzemanyagtartályoknak és a vezérlőkabinnak mind a rendelkezésre álló fedélzeti térben kell elférnie, miközben megőrzi a megfelelő stabilitást.

A közlekedés is korai szakaszban kerül a tervezésbe, különösen a tengerentúli projektek esetében. A folyón jól teljesítő kotrógépet még mindig nehéz lesz szállítani, ha a teljes mérete meghaladja a rendelkezésre álló szállítási határokat. Emiatt egyes sugárszívó kotrógépek moduláris pontonokként vannak kialakítva, amelyek szállítható részekre bonthatók és a projekt helyszínén újra összeszerelhetők.

Egy nemzetközi homokbányászati ​​projektnél általában több dolgot szeretnék tudni, mielőtt eldöntenék a végső konfigurációt: a szükséges termelést, a tényleges kotrási mélységet, a homok jellemzőit, a kotrási terület és a kiürítési pont közötti távolságot, a kiürítési hely magasságát, a várható munkaidőt és a visszanyert homok feldolgozásának vagy készletezésének módját.

Csak ezeknek a feltételeknek a tisztázása után van értelme a kotrószivattyú, a vízsugárszivattyú, a motor teljesítménye, a szívóátmérő és a nyomócső kiválasztása.

Ez a megközelítés azt is megmagyarázza, hogy a szabványos katalógusmodell miért nem mindig a legjobb megoldás. Két projektnek hasonló termelési céljai lehetnek, de eltérő berendezésekre van szükség, mivel a meder anyaga és a csővezeték feltételei eltérőek. Előfordulhat, hogy egy projektnél nagyobb figyelmet kell fordítani a kopásállóságra, míg egy másiknál ​​további szivattyúmagasságra van szükség, mivel a homoknak hosszú utat kell megtennie a szárazföld belsejében.

A gyártók számára ezért a testreszabás nem csupán a hajótest méreteinek vagy a motormárkának a megváltoztatását jelenti. Ez magában foglalhatja a teljes működő rendszert: ponton mérete, szivattyúteljesítmény, vízsugárnyomás, szívóelrendezés, csővezeték átmérő, motorteljesítmény, csörlő konfiguráció és vezérlőrendszer.

A jól megtervezett sugárszívó kotrógépet komplett hidraulikus gyártórendszerként kell kezelni.

A végső kérdés nem az, hogy egy kotrónak nagy szivattyúja vagy erős motorja van-e. A hasznosabb kérdés az, hogy a teljes rendszer képes-e fenntartani a szükséges homoktermelést a projekt tényleges feltételei között.

Ez a különbség a kotrógép katalógusból való kiválasztása és a valódi homokbányászathoz való tervezés között.