УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДОЕМОВ ОТ ИЛИСТЫХ ОТЛОЖЕНИЙ И ДОБЫЧИ САПРОПЕЛЯ ЕСТЕСТВЕННОЙ ВЛАЖНОСТИ
DEVICE FOR CLEANING RESERVOIRS FROM OILY SEDIMENTS AND PRODUCTION OF SAPROPEL OF NATURAL HUMIDITY

Изобретение относится к области гидромеханизированной очистки водоемов от илистых отложений, включая добычу сапропеля ествественной влажности (СЕВ) и его использования, например, в качестве удобрения, наполнителя при производстве строительных материалов, в медицине.
Известно большое количество типов грунто-заборных устройств (ГЗУ), созданных для добычи сапропелей
1 конфузорно-скреперующего типа: ГТД-1,8 или ГД-3,5;
2. роторно-ковшевого типа: РКГУ;
3. шнеково-скреперующего типа: УДС-15, АНБ-752;
4. фрезерно-шнекового типа: ФШДУ. Перед всасыванием пульпы производится рыхление грунта и смешивание его с водой, в результате чего в воде в зоне забоя возникает облако взвеси, а пульпа в насос поступает с плотностью значительно ниже плотности разрабатываемой илистой породы за счет смешивания ее с водой в соотношении 1:4…1:25 поскольку все они были спроектированы под всасывание и работу с грунтовыми центробежными или осевыми насосами. А этот основной технологический недостаток используемого оборудования приводит к целому ряду других негативных последствий, возникающих от использования этих устройств:
- всасыванию больших объемов воды с транспортировкой их на берег, что приводит к падению уровня воды в водоеме с подмывом и обрушением береговой кромки водоема;
- замутнению воды взвешенным илом в при-забойной зоне с распространением облака взвеси на больших площадях, и особенно в проточных водоемах;
- дренированию и возврату осветленной воды в больших объемов с отчуждением больших береговых площадей для создания чеков-отстойников.
- большому времени отстаивания, промораживания, обезвоживания и сушки сапропеля в чеках отстойниках, на что уходит до 12 месяцев времени.
При этом основным экологическим требованием при разработке озерных месторождений сапропеля является сохранность и недопустимость нарушения сплошной верхней зоны сапропелевой залежи, а также распространение в воде облака взвеси, что приводит к массовой гибели гидробионтов (планктона и бентоса)
Имеются другие устройства, использующие погружные насосы типа ПНГН (погружной низконапорный грунтовой насос), а так же погружные колодцы, которым присущи все указанные выше недостатки.
Известно устройство по патенту №2348762, где в качестве ГЗУ рассмотрен скреперный ковш, оснащенный грунтовым насосом, установленным за задней стенкой ковша, а внутри ковша размещен вибратор и мешалка.
За прототип взято устройство по патенту №2418914, где в качестве ПЗУ использована погружная или полупогружная камера с установленным в ней насосом с гидравлическим приводом.
Недостатком данного устройства является тот факт, что работа такого устройства возможна лишь в случае, когда сапропель находится в очень текучем состоянии, а это существует только в самом верхнем слое в пределах 1 м, глубже сапропель всегда имеет ярко выраженную пластичность и без приложения усилия не течет. Кроме этого, вертикальное расположение трубопроводов или самой камеры способствует довольно быстрому поступлению воды сверху вдоль стенок камеры и вертикальных рукавов к входу в ГЗУ, что приводит к размыву сапропеля водой вдоль стенок и делает невозможным вести устойчивую выемку сапропеля естественной влажности (далее СЕВ) длительное время с одной стоянки, а перемещение такого ГЗУ в сапропеле затруднено.
Для предотвращения поступления воды вдоль стенок ГЗУ и трубопровода сверху, ГЗУ в виде трубы при работе должно иметь как можно большее отклонение от вертикали, например 45 градусов, но наклон увеличивает длину ГЗУ и нагрузки от его горизонтального перемещения в сапропеле, что приводит к очень большим изгибающим моментам в опорных узлах ГЗУ и может привести к аварийным ситуациям.
Задачей заявленного изобретения является устранение указанных недостатков.
Технический результат - повышение надежности устройства за счет исключения поломок насоса при втягивании сапропеля в естественной вязко-пластичной консистенции, снижение трудозатрат за счет исключения дополнительных операций по очистке добытого сапропеля и повышения качества получаемого сапропеля.
Это достигается тем, что предлагается устройство для очистки водоемов от илистых отложений и добычи сапропеля, включающее камеру, снабженную грунтовым насосом с всасывающим патрубком, заборный элемент, отводящий элемент, в котором, согласно изобретению: -- в камере установлен в качестве грунтового насоса эксцентриковый винтовой насос с регулируемой частотой вращения ротора;
- заборный элемент выполнен в виде скреперного ковша, снабженного крышкой и сеткой-ножом на входе, установленного с возможностью горизонтального перемещения;
- камера выполнена совмещенной со скреперным ковшом, крышка которого прикреплена к днищу камеры;
- передняя торцевая стенка камеры установлена под острым углом к днищу камеры, при этом днище камеры, крышка и днище скреперного ковша параллельны между собой;
- днище камеры и крышка ковша имеют по одному соосному отверстию;
- грунтовой насос закреплен на днище камеры с помощью фиксирующих элементов, при этом флянец его всасывающего патрубка закреплен на днище камеры соосно проходным отверстиям в днище камеры и крышке ковша;
- насос снабжен выходным патрубком с флянцем, расположенным у задней торцевой стенки камеры и соединенный с отводящим элементом, выполненным виде гибкого напорного трубопровода.
Такое ГЗУ обеспечит втягивание сапропеля в естественной вязко-пластичной консистенции, причем не с поверхности, а изнутри залежи из-под покрывающего слоя сапропеля с переводом его в более подвижную консистенцию без разбавления водой.
Максимальную втягивающую способность ГЗУ обеспечит эксцентриковый винтовой насос с регулируемой частотой вращения ротора, встроенный в камеру для уменьшения входного сопротивления, и способный создавать высокое разряжение на входе в независимости от производительности.
Предлагаемый насос обеспечит подачу СЕВ на поверхность и далее транспортировку на берег по напорному трубопроводу. Совмещение ковша с камерой имеет ряд следующих преимуществ.
Ковш за счет горизонтального перемещения позволяет отрезать (отделять, срезать) расчетный объем СЕВ от целика (без образования облака взвеси) и подготавливать его к втягиванию насосом (за счет разрушения структурных связей сапропеля резанием на мелкие сегменты отделяемого объема СЕВ при прохождении его через сетку-нож), уменьшая тем самым сопротивление мелких сегментов СЕВ сдвигу за счет обеспечения большей подвижности между нарезанными сегментами сапропеля перед входным патрубком насоса.
Насос должен произвести втягивание СЕВ за счет разряжения (вакуума), создаваемого насосом на входном патрубке. Разряжение, создаваемое грунтовыми самовсасывающими насосами, не превышает как правило 0,06-0,08 МПа (мега-паскалей, или 6-8 метров), что позволяет им работать при вязкости перекачиваемого материала до 200 мПа-с (мили-паскалей-секунда). Поэтому для уменьшения потерь на трение на входе насосы опускают подводу и приближают к ГЗУ, сокращая тем самым длину входного патрубка. С учетом того, что вязкость СЕВ значительно выше указанного предела вязкости (200 мПа-с) и может достигать 1400 мПа-с, необходимо решение, позволяющее увеличить втягивающую способность ГЗУ для работы с вязкими СЕВ.
Втягивающая способность настоящего ГЗУ увеличена за счет:
- применения эксцентрикового винтового насоса (ЭВН), работающего с очень вязкими средами (до 1000000 мПа-с), что обеспечивает подачу СЕВ на поверхность и даже его транспортировку на берег по напорному трубопроводу, поскольку другим неоспоримым преимуществом ЭВН является его способность обеспечивать устойчивое давление на выходе до 4,8 МПа, чего не может позволить ни один грунтовой насос;
- за счет размещения ЭВН в погружной камере, поскольку применение погружной камеры позволяет использовать внешнее гидростатическое давление жидкой среды, и насос, размещенный в такой камере, испытывает гидростатический подпор на входе, равный глубине погружения камеры. На глубине, например, в -6 метров, СЕВ под давлением 0,06 МПа будет давить на стенки погружной камеры, обеспечивая таким образом дополнительный подпор и увеличивая тем самым втягивающую способность ГЗУ.
Совмещение ковша и погружной камеры с размещенным в ней ЭВН позволяет, с одной стороны, до минимума снизить сопротивление СЕВ на входе, а с другой стороны, увеличить (усилить) втягивающую способность ЭВН за счет создания для него внешнего гидравлического подпора, что обеспечит гарантированное втягивание вязких СЕВ.
Предлагаемое устройство показано на чертежах, на которых согласно изобретению:
Фиг. 1а, 1б, 1в схематично изображают конструкцию погружной камеры и ковша (варианты).
Фиг. 2а, 2б, 2д схематично изображают соответствующие виды конструкции ковша.
Фиг. 3а, 3б, 3д схематично изображают соответствующие виды конструкции камеры и ковша, представленной на фиг. 1а и 1б, 1в.
Фиг. 4 схематично изображает земснаряд, оборудованный навесным устройством в виде погружной камеры, оснащенной эксцентриковым винтовым насосом и совмещенной со скреперным ковшом, совершающим выемку сапропеля из-под покрывающего слоя.
Устройство (Фиг. 1а, 1б) содержит горизонтальную камеру 1 с заборным элементом, выполненным в виде скреперного ковша 2.
Камера 1 имеет форму поперечного сечения в виде арки 3, поддерживаемой двумя вертикальными 4 (фиг. 1а) или наклонными 5 (фиг. 1б) боковыми стенками, опирающимися на плоское днище 6 камеры 1. Днище 6 с каждой продольной стороны имеет наружный выступ (полки) 7 с отверстиями для крепежа камеры 1 к ковшу 2, и оснащено отверстием 8 для входа сапропеля из ковша в камеру (фиг. 1в).
Ковш 2 (фиг. 2а) скреперного типа, днище 9 которого на входе оснащено режущей кромкой 10, а боковые стенки 11,12 на входе в ковш имеют две петли 13 (фиг. 2б) для крепления двух-ветвевого стропа 14 к натяжному тросу 15 (Фиг. 4). Крышка 16 ковша имеет два ряда выступающих сверху шпилек 17, расположенных вдоль боковых стенок 12, для крепления ковша к днищу 6 погружной камеры. В крышке 16 ковша имеется выходное отверстие 18 для выхода сапропеля, вокруг которого расположен отверстия крепежа 19 входного патрубка 20 насоса 21. Ковш 2 имеет форму поперечного сечения в виде прямоугольника со скругленными углами 22 (фиг. 1а) или трапеции со скругленными углами 23 (фиг. 1б). В задней хвостовой части крышки 16 имеется ряд отверстий 24 поперечного крепежа ковша к днищу 6 камеры(фиг. 2в).
Геометрические формы ГЗУ, в том числе как ковша 2, так и камеры 1 имеют большое значение для обеспечения эффективной работы ГЗУ:
Фронтальная поверхность ГЗУ имеет острый угол атаки относительно продольной оси ГЗУ, включая сетку-нож 25 и фронтальную стенку 26 камеры, обеспечивая тем самым уменьшенное сопротивление проникновению в СЕВ и его перемещению в толще СЕВ, а так же оказывает стабилизирующее воздействие на горизонтальное перемещение ГЗУ, поскольку вектор тяги натяжного троса 15 оказывает выдергивающее воздействие на ковш 2.
Конусность камеры 1 вдоль продольной оси так же способствует уменьшению сопротивления перемещению ковша 2 в вертикальной плоскости и исключает зависание СЕВ над ковшом при вертикальном подъеме ГЗУ, как в случае, если бы ковш ГЗУ имел только плоскую горизонтальную крышку 16.
При увеличенных размерах ГЗУ (при большой ширине ковша) боковые стенки 12 ковша (фиг. 2в) можно так же устанавливать с уклоном внутрь для уменьшения выступающих продольных полок 7, образующихся между основанием стенок 12 камеры и крышкой 16 ковша. Это так же предотвратит зависание сапропеля и снизит сопротивление при подъеме ГЗУ из залежи.
Передняя торцевая стенка 26 камеры установлена под острым углом к днищу 6 камеры, а сетка-нож 25 перекрывающая вход в ковш, может быть установлена под разными углами: острым (фиг. 3а), прямым(фиг. 3б), тупым (фиг. 3в) к днищу 6 камеры, при этом днище 6 камеры, днище 9 и крышка 16 ковша параллельны между собой. Сетка-нож 25 (съемная или стационарная) полностью перекрывает вход в ковш с целью предотвращения попадания в насос крупных предметов, а шаг ножей при этом принят в пределах пропускающей способности насоса 21. Плоскости сетки-ножа 25 и фронтальной стенки 26 камеры могут быть совмещены в одной плоскости в случае работы с вязко-текучей или вязко-пластичной средой, или могут иметь противоположное пересекающееся под острым углом совмещение в случае работы с туго-пластичной средой или уплотненными высокозольными сапропелями или минеральными илами. Если сетка-нож 25 делается несъемной, тогда в одной из боковых стенок 11 или 12 ковша делается смотровой люк, через который будет производиться очистка ковша от попавших в него включений. При съемном варианте для очистки ковша снимается сетка-нож 25.
Передняя стенка 26 (фиг. 3а-в) камеры установлена под острым углом к днищу 6 для снижения сопротивления и придавливания ГЗУ ко дну при движении ГЗУ вперед, а задняя торцевая стенка камеры выполнена в виде съемной крышки 27, установленной вертикально к днищу 6 и закрепленной на болтах по периметру камеры с помощью торцевого фланца 28 камеры 1 через герметичную прокладку (не показана), при этом задняя крышка 27 оснащена патрубком 29, к которому герметично прикреплен гибкий соединительный рукав 30.
Рукав 30 (фиг. 4) соединен с плавсредством (земснарядом) 31 по выгнутой наружу кривой, превосходящей по длине глубину погружения камеры не менее чем в 1,7 раза с целью стабилизации ГЗУ по высоте при его горизонтальном перемещении в толще сапропеля. Диаметр рукава 30 достаточен для размещения в нем:
- напорного рукава 32 для подачи СЕВ, соединяющего фланец выходного патрубка 33 насоса 21 с приемным бункером 34 сапропеля,
- гидравлических шлангов 35, соединяющих гидравлический привод 36 насоса 21 с гидравлической станцией 37,
- электрических кабелей 38, соединяющих датчик уровня воды в камере с пультом управления 40 и, в случае электрического варианта -электропривод 36 насоса 21 с пультом управления 40
- и страховочного троса 41, соединяющего камеру 1 с плавсредством 31.
В камере 1 установлен эксцентриковый винтовой насос (ЭВН) 21 с регулируемой производительностью подачи СЕВ, фланец выходного патрубка 33 которого расположен у задней торцевой стенки 27 камеры 1 и соединен с фланцем напорного рукава 32, а фланец входного (приемного) патрубка 20 насоса 21 прикреплен к днищу 6 камеры болтами 19. В связи с тем, что насос ЭВН является эксцентриковым (ось ротора смещена относительно оси статора), при вращении ротора возникают вибрации. При установке насоса на жестком основании эти вибрации гасятся за счет жесткого крепежа фундамента насоса к бетонному основанию. В случае крепежа насоса 21 к днищу 6 камеры 1, вибрации от насоса передаются на весь корпус ГЗУ, включая ковш. Камера ГЗУ находится в подвешенном состоянии с большой степенью свободы перемещению в трех плоскостях, поэтому вибрации от насоса 21, передаваемые на камеру и ковш, передаются окружающей вязкой среде, гасятся в ней, разрушая структурные связи и уменьшая сопротивление сдвигу СЕВ.
Таким образом, используя ЭВН 21 в качестве подающего насоса в ГЗУ, отпадает необходимость в дополнительном применении вибраторов, функции которых в данной конструкции ГЗУ выполняет сам ЭВН.
Днище камеры 6 и крышка 16 ковша 2 имеют по одному соосному отверстию, 8 и 18 соответственно, для прохода сапропеля из ковша в насос. Фланец входного патрубка 20 насоса 21 расположен на одной оси с отверстиями 8 и 18, и закреплен болтами к днищу 6 камеры 1 через отверстия 19, расположенные вокруг входного отверстия 8 камеры 1. Диаметр входного отверстия 8 камеры 1 совпадает с диаметром входного патрубка 20 насоса 21, а диаметр отверстия 18 в крышке 16 ковша 2 превышает диаметр входного отверстия 8 камеры 1 на величину, достаточную для прохода шляпок крепежных болтов через отверстие 18 в крышке 16 ковша 2 при соединении камеры 1 с ковшом 2. Вокруг входного отверстия 18 над крышкой 16 ковша 2 имеется углубление для размещения в нем герметизирующего уплотнительного кольца из резины.
ГЗУ оснащено системой из трех тросов: натяжного 15, для продвижения ГЗУ вперед; подвесного 42, для поднимания или опускания ГЗУ на заданную глубину; страховочного 41, для предотвращения потери ГЗУ или обрыва соединительного рукава в случае, например, обрыва подвесного или натяжного тросов. Страховочный трос 41 воспринимает растягивающие напряжения от гибкого соединительного рукава 30, возникающие в нем при горизонтальном перемещении ГЗУ вперед в вязкой сапропелевой толще.
Грунто-заборное устройство (ГЗУ) работает следующим образом (Фиг. 4)
При помощи натяжной лебедки 44 дается слабина натяжному тросу 15 таким образом, чтобы стык троса 15 и натяжной траверсы 14 провис ниже днища 9 ковша 2.
После чего с помощью лебедки 43 погружное устройство в виде камеры 1, соединенной с ковшом 2 и гибким рукавом 30, на подвесном тросе 42 начинают опускать с палубы земснаряда 31 под воду на заданную глубину. Лебедка 44 при этом так же продолжает отмотку троса 15, следя за тем, чтобы подъемный трос 42 оставался все время в вертикальном положении в натяжении под собственным весом. Земснаряд 31 при этом стоит на месте.
При погружении ГЗУ под воду на 1-1,5 метра включается мотор 36 насоса 21 на самых малых оборотах с тем, чтобы произошло заполнение статора насоса водой.
ГЗУ при этом продолжает погружаться в толщу сапропеля за счет собственного веса по мере увеличения длины подвесного троса 42. Натяжной трос 15 при этом остается все время ослабленным за счет отматывания натяжной лебедки 44.
При достижении заданной глубины днищем 9 лебедка 44 переключается на намотку троса 15 для его натяжения. После чего плавно увеличивается скорость вращения ротора насоса 21 с тем, чтобы на заданной глубине началось втягивание СЕВ, и при этом контролируется консистенция подаваемого сапропеля на выходе напорного трубопровода 32, который выполнен из композитного материала с армированием. Как только на выходе напорного трубопровода 32 появляется СЕВ, увеличивают число оборотов статора с помощью гидравлической станции 37 и заполняют приемный бункер сапропеля 34. После чего включается магистральный напорный насос (этот насос не показан, он установлен в непосредственно близости с бункером 34), который осуществляет перекачку СЕВ из приемного бункера 34 земснаряда 31 в береговой накопительный бункер по плавающему высоко напорному трубопроводу.
Насос 21 и перекачивающий насос земснаряда (не показан) настраивают на синхронную работу с одинаковой производительностью.
При этом оператор ведет постоянный контроль за консистенцией поступающего в бункер 34 сапропеля.
Как только консистенция поступающего в бункер 34 сапропеля меняется, из пастообразной густой массы он становится более подвижным и текучим, необходимо уменьшить обороты вращения ротора насоса 21 и перекачивающего напорного насоса (не показан) соответственно, и начать горизонтальное продвижение ГЗУ вперед. С этой целью земснаряд 31 за счет передней (или 2х передних) папильонажных лебедок (не показаны) начинает медленно продвигаться вперед по водной глади водоема, подтягивая за собой за счет натяжного троса 15 погруженное ГЗУ, остающееся на заданной глубине, постепенно увеличивая при этом частоту вращения ротора насоса 21 и перекачивающего напорного насоса (оба эти насоса должны работать синхронно).
После того, как троса передних папильонажных лебедок намотаны, земснаряд 31 останавливается, оба насоса останавливаются, ГЗУ с помощью подъемной лебедки 43 поднимается на подъемном тросе 42 тросе из воды, и земснаряд 31 с помощью задних папильонажных лебедок возвращается назад в исходную точку заходки. После чего описаный выше процесс повторяет снова.
При малых размерах водоема, небольшой дальности транспортировки, небольшой глубине выемки и малой высоте подъема, возможно осуществлять транспортировку СЕВ по напорному рукаву 32 не в бункер 34 на земснаряде 31, а сразу в береговой накопительный бункер, подсоединив для этого рукав 32 к плавающему напорному трубопровду через ножевую задвижку соответствующего диаметра, чтобы при необходимости предотвратить обратное поступление сапропеля из напорного трубопровода.
1 - камера
2 - ковш, заборный элемент в виде скреперного ковша
3 - арка камеры
4 - вертикальные боковые стенки камеры
5 - наклонные боковые стенки камеры
6 - днище камеры
7 - продольные полки днища с отверстиями для крепежа камеры к ковшу
8 - входное отверстие камеры для прохода сапропеля из ковша в камеру
9 - днище ковша
10 - режущая кромка днища ковша
11 - боковые стенки ковша (вертикальный вариант)
12 - боковые стенки ковша (наклонный вариант)
13 - две петли для крепления тянущего двух ветвевого стропа
14 - двух ветвевой тянущий строп
15 - натяжной трос
16 - крышка ковша
17 - два ряда выступающих сверху шпилек ковша
18 - выходное отверстие ковша для выхода сапропеля из ковша в камеру
19 - крепеж (болтовой) входного патрубка насоса
20 - входной патрубок насоса с фланцем
21 - насос ЭВН
22 - скругленные углы (вариант прямоугольного сечения ковша)
23 - скругленные углы (вариант трапецеидального сечения ковша)
24 - ряд отверстий поперечного крепежа
25 - сетка-нож
26 - фронтальная (передняя торцевая) стенка камеры
77 - задняя торцевая стенка камеры в виде съемной крышки
28 - торцевой фланец камеры
29 - патрубок съемной крышки для крепежа гибкого соединительного рукава
30 - гибкий соединительный рукав
31 - плавсредство (земснаряд)
32 - напорный рукав для подачи СЕВ
33 - фланец выходного патрубка насоса
34 - приемный бункер сапропеля
35 - гидравлические шланги
36 - гидравлический привод насоса (гидромотор) или электродвигатель
31 - гидравлическая станция
38 - электрические кабели датчика воды и запитки элеткродвигателя насоса (вариант)
39 - датчик уровня воды в камере
40 - пульт управления
41 - страховочный трос
42 - подвесной трос
43 - подъемная лебедка
44 - натяжная лебедка