Оптимизация расхода топлива двигателями геологоразведочных самоходных буровых установок

Старцев, Олег Иванович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Оптимизация расхода топлива двигателями геологоразведочных самоходных буровых установок
ВАК РФ 25.00.14, Технология и техника геологоразведочных работ

Автореферат диссертации по теме "Оптимизация расхода топлива двигателями геологоразведочных самоходных буровых установок"

На правах рукописи

Старцев Олег Иванович

ОПТИМИЗАЦИЯ РАСХОДА ТОПЛИВА ДВИГАТЕЛЯМИ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫХ САМОХОДНЫХ БУРОВЫХ

УСТАНОВОК

Специальность 25.00.14 - Технология и техника геологоразведочных работ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2006

[

Работа выполнена в Российском государственном геологоразведочном университете имени Серго Орджоникидзе.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Алексеев Виталий Васильевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Ахмет-Валей Хамза, кандидат технических наук Калиничев Владимир Николаевич

Ведущая организация - ОАО'«Центргеология»

Защита состоится 30 ноября 2006 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.121.05 при Российском государственном геологоразведочном университете имени Серго Орджоникидзе, 117997, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д.23, ауд. 4-15А.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного геологоразведочного университета имени Серго Орджоникидзе.

Автореферат разослан ^октября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук

Назаров А.П.

ёоарА

с2 V У ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Ускоренное развитее геологоразведочных работ (ГРР) возможно за счет повышения производительности труда, требующего роста уровня механизации и автоматизации ГРР путем перевооружения отрасли новой, более совершенной и высокопроизводительной техникой.

В настоящее время прирост запасов полезных ископаемых (п.и.) осуществляется, преимущественно, за счет разведки месторождений с большой глубиной залегания, что значительно расширяет область использования бурения. Интенсификация работ при увеличении объемов бурения возможна с применением форсированных режимов. Вышеперечисленные факторы ведут к росту потребления топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) геологоразведочными организациями (ГРО).

Выделение дополнительного количества ТЭР требует научно-технического обоснования, которым может служить энергоемкость ГРР. Наиболее полно и достоверно энергоемкость ГРР отражают расчетные научно-обоснованные нормы расхода топлива, определенные на основе удельных затрат по видам работ.

До настоящего времени вопрос определения удельных затрат ТЭР на проведение ГРР решается расчетно-статистическим методом. Этот метод не способствует росту эффективности использования ТЭР в геологоразведочных подразделениях, в связи с чем встает вопрос о разработке системы нормирования, имеющей научное обоснование и стимулирующей внедрение энергосберегающей техники и технологии, опыта передовых подразделений, организационно-технических мероприятий, направленных на повышение эффективности использования ТЭР.

Таким образом, проведение исследований и разработка методики определения норм расхода топлива на буровые работы расчетно-аналитическим методом является актуальной задачей.

Целью работы является повышение эффективности геологоразведочных работ на основе совершенствования нормирования расхода топлива двигателями внутреннего сгорания в самоходных буровых установках.

Основные задачи исследований:

1. проведение анализа и обобщение методических разработок по определению норм расхода топлива в различных отраслях с целью выбора приемлемого метода расчета расхода топлива на бурение геологоразведочных скважин;

2. разработка математической модели расчета расхода топлива двигателями внутреннего сгорания (ДВС), используемыми в качестве привода самоходных буровых установок (СБУ), в зависимости от типа и режимов работы (частоты вращения) двигателей, динамики изменения их нагрузки и атмосферных условий (а.у,) эксплуатации;

РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ*!

¡ЗИМИОШа

3. проведение экспериментальной проверки математической модели расчета расхода топлива в производственных условиях;

4. регрессивный анализ экспериментальных данных с целью оценки математической модели удельных затрат и внесения, при необходимости, корректив в математические зависимости;

5. разработка на основе математической модели методики расчета индивидуальных норм расхода топлива дизельным приводом СБУ;

6. составление алгоритма и программы расчета на ЭВМ технологических удельных затрат топлива на бурение скважин.

Методика исследований. Базой решения поставленных задач являются результаты анализа теоретических и экспериментальных работ, проводимых в этой области. На их основе определено направление теоретических и экспериментальных исследований затрат топлива на бурение скважин.

Экспериментальные исследования проведены с использованием современной топливной и электроизмерительной аппаратуры и их результаты явились основой оценки математических моделей удельных затрат топлива. В теоретических разработках, обработке результатов исследований и при оценке математических моделей использовались методы математического анализа и математической статистики.

Научная новизна. На основании теоретических и экспериментальных исследований автором впервые:

- разработана математическая модель зависимости удельных затрат топлива на метр бурения геологоразведочных скважин от технологии бурения, горно-геологических условий, применяемого оборудования, типа и режима работы двигателя, динамики изменения его нагрузки и атмосферных условий эксплуатации;

- установлена аналитическая зависимость коэффициента пересчета эффективной мощности от коэффициента пересчета индикаторной мощности и коэффициента пересчета удельного эффективного расхода топлива;

- выявлена закономерность изменения удельных затрат топлива па бурение скважины в пределах интервала и на основании этого предложена расчетная формула определения технологической нормы расхода топлива по скважине.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается высокой сходимостью результатов, полученных по аналитическим зависимостям и при экспериментальных производственных исследованиях. Оценка математических моделей по критерию Фишера позволяет сделать вывод об их адекватности результатам исследований с надежностью 0,95.

Практическая ценность работ заключается в следующем:

- разработаны и внедрены в отрасль методические рекомендации по определению норм расхода топлива на метр бурения скважин;

- данные рекомендации позволяют теоретически обоснованно осуществлять планирование потребления топлива и анализ эффективности его использования при проведении буровых работ, что дает возможность наметить пути снижения энергоемкости;

- определенные по методике нормы позволяют получить величину среднего расхода топлива буровых установок и на ее основе осуществлять оптимальный выбор количества топлива;

- механический к.п.д. двигателя, определенный по предлагаемой зависимости, может служить критерием оценки состояния работающего оборудования.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на: IV международной конференции "Новые идеи в науках о Земле" в 1999г.; научной конференции профессорско-преподавательского состава МГГУ в «День Горняка» в 2005 г.; научно-технических советах Навоинского горно-металлургического комбината в 2005г.; V международной научно-практической конференции «Наука и новейшие технологии при поисках, разведке и разработке месторождений полезных ископаемых» в 2006г.

Реализация результатов работы. Разработанная методика расчета удельных затрат топлива на бурение геологоразведочных скважин использовалась при расчете норм расхода топлива на станко-смену, которые включены в «Справочник укрупненных сметных норм на буровые работы».

Основные теоретические положения данной работы используются в учебном процессе при чтении курса «Экономия топливно-энергетических ресурсов» в ГРО, а также на факультете повышения квалификации при РГТРУ.

Публикации. Основные вопросы, рассмотренные в диссертации, опубликованы в 9 научных работах.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и двух приложений; содержит 135 страниц машинописного текста, 22 рисунка, 27 таблиц, библиографический список из 97 наименований и программу расчета удельных затрат топлива по скважине.

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, указывается цель работы, задачи и методика исследований, научная новизна и дается краткая характеристика результатов работы. Первая глава посвящена анализу существующих методик определения норм расхода топлива в различных отраслях и математических зависимостей определения часового расхода топлива буровой установкой. Во второй главе представлены теоретические исследования, связанные с разработкой математической модели расчета расхода топлива. Третья глава посвящена лабораторным и производственным экспериментальным исследованиям величины часового расхода топлива ДВС при его работе на отличных от номинальной частотах вращения. Проведен корреляционно-регрессивный анализ результатов исследований и получены количественные оценки аналитической и эмпирической зависимостей удельного расхода топлива

ДВС. В четвертой главе осуществляется сопоставление расчетных и фактических результатов исследований, полученных при испытаниях дизеля 24-8,5/11, с целью оценки точности

математической модели для расчета расхода "топлива двигателем, работающим на различных режимах с постоянной и переменной нагрузкой, в стандартных и отличных от них атмосферных условиях. Осуществлена статистическая оценка математической модели удельных затрат топлива к расчетных формул мощности, потребляемой буровой установкой при выполнении технологических процессов. В пятой главе приводится обоснование методики расчета технологических норм расхода топлива на бурение скважин. В заключении сформулированы основные выводы по работе и защищаемые положения.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю - доктору технических наук, профессору В.В. Алексееву за оказанную методическую и практическую помощь при выполнении диссертационной работы, кандидату технических наук O.A. Лукониной и инженеру A.C. Чайкину за консультации и помощь при написании диссертационной работы. Автор выражает отдельную благодарность профессору А.П. Жернакову за ценные замечания и помощь в подготовке материалов диссертации.

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ПО РАССМАТРИВАЕМОМУ ВОПРОСУ

Необходимость разработки норм расхода топлива всеми промышленными и приравненными к ним предприятиями отражена в действующих нормативно-правовых актах и обусловлена рядом факторов, в т.ч. высокой стоимостью нефтепродуктов. В связи с увеличением объема потребления топлива ГРО встал вопрос к о научно обоснованных нормах расхода топлива на бурение скважин как одного из наиболее энергоемких видов ГРР. Научно обоснованные нормы расхода топлива стимулируют рост уровня организации работ, внедрение передовых технологий и, в конечном счете, приводят к экономии ТЭР и повышению эффективности работ.

Многие отрасли промышленности имеют научно обоснованные нормы расхода ТЭР, разработанные по методическим указаниям (рекомендациям) с использованием расчетно-аналитического или расчетно-экспериментального методов. Современные принципы нормирования расхода топлива в промышленности изложены в работах Шевченко Л.А., Сальникова А.Х., Чайкина A.C., Наугольнова С.И., Тайца A.A., Гофмана Н.З., Мирочника С.Г., Файницкого Ф.М. В большинстве этих работ в основу нормирования заложены нормализованные энергобалансы и энергетические характеристики оборудования.

В геологоразведочной отрасли вопросам разработки научно обоснованных норм на базе расчетно-аналитического и расчетно-экспериментального методов уделяется недостаточное внимание. Дня разработки норм используется расчетно-статистический метод. Основные положения этого метода применительно к ГРО изложены в методических указаниях, разработанных Ю.А. Парнасом.

В смежных геологоразведке отраслях промышленности разработан ряд методических указаний по расчету норм расхода ТЭР, с использованием различных методов. Определенный интерес, с методической точка зрения, представляют работы Б.П. Белых и методические рекомендации Краснодарского научно-исследовательского института нефтяной промышленности (КраснодарНИиПИнефть). По методу математического моделирования, разработанному КраснодарНИиПИнефть, нормы расхода дизельного топлива на бурение скважин определяются с помощью математической статистики с применением корреляционного анализа. Но данный метод невозможно использовать для геологоразведочного оборудования в силу значительного отличия фактических показателей технологического процесса, Расчетно-аналитическнй метод, разработанный этим же институтом, предусматривает определение удельного расхода дизельного топлива в эксплуатационном и разведочном бурении исходя из расхода топлива на один станок в сутки. По предложенному уравнению можно рассчитывать расход топлива только для буровых установок, применяемых в нефтяной промышленности, так как величина участвующего в формуле коэффициента использования двигателя по времени и мощности зависит от номера комплекта буровой установки.

В строительной индустрии применяется методика определения индивидуальных норм расхода топлива на работу строительно-дорожных машин, разработанная на основе опытного и расчетно-аналитического методов. Однако, предложенная формула содержит интегральный нормативный коэффициент, величина которого определяется опытным путем для машин одного типа и справедлива только для принятых значений коэффициентов использования двигателя по времени и по мощности.

Большая работа по научному обоснованию нормирования расхода топлива машинотракторными агрегатами проводится НИИ механизации сельского хозяйства (ВИМ). Первые методики нормирования расхода топлива разрабатывались на основе опытного (экспериментального) метода. Затем был создан аналитически-экспериментальный метод нормирования, основанный на применении в определенных условиях тяговых энергозатрат по расходу топлива двигателем контрольного трактора. Но для определения расхода топлива с помощью такой системы нормирования необходимо тракторы оборудовать энергосчегчикамн или работомерами, и, с учетом действительных энергозатрат, соответствующих фактическим условиям работы, определять соответствующий погектарный расход топлива. При этом надо знать энергозатраты машинно-тракторного агрегата как на основной работе, так и на холостом ходу.

В геологоразведочном бурении такую связь обеспечивают уравнения затрат мощности на технологические операции и время выполнения операций в зависимости от горно-геологических и технических условий. Вопросами определения мощности, потребляемой буровым оборудованием при выполнении технологических операций, занимались Е.А. Козловский, Б.М. Ребрик, Д.Н.

Башкатов, И.О. Калинин, A.C. Окмянский, В.П. Зиненко, А.И. Кирсанов, Г.А. Блинов, В.Г. Кардыш и многие другие ученые.

Анализ состояния рассматриваемого вопроса определил задачи исследований и позволил в результате их решения сформулировать ряд защищаемых научных положений.

1. Зависимость расхода топлива двигателем самоходной буровой установки от его нагрузки с достаточной степенью точности описывается уравнением второго порядка.

Зависимость часового расхода топлива (GT, кг/ч) ДВС от его нагрузки можно описать следующей формулой:

где ge - удельный расход топлива при данной нагрузке, кг/кВтч; Ые - мощность двигателя при данной нагрузке, кВт.

Из (1) видно, что для расчета часового расхода топлива на каком-либо частичном режиме нагрузки необходимо иметь нагрузочную характеристику данного двигателя. Нагрузочные характеристики, как правило, в технической документации не приводятся, поэтому по (1), имея в наличии паспортные данные двигателя, можно рассчитать расход топлива только на режиме номинальной нагрузки.

Проведенный анализ показывает, что, при наличии некоторых дополнительных коэффициентов, можно рассчитать расход топлива на любой нагрузке, пользуясь только паспортными данными. Для выражения зависимости часового расхода топлива от нагрузки можно использовать как линейную функцию типа у = ах + Ь, так и квадратичную вида у = ах2 + Ъх + с. Таким образом, возникает задача выбора оптимальной степени уравнения с точки зрения приемлемой точности аппроксимации рассматриваемой зависимости.

Для этого воспользуемся способом П.Л. Чсбышева. Уравнение, получаемое по способу Чебышева, имеет следующий вид:

Переход от приближенных условных основных моментов к приближенным эмпирическим условным средним значениям выполняется по формуле:

G-s = ge'Ne

О)

(2)

Величину переменной , находим по формуле:

(За)

Применяя (3) можно переходил, от уравнения первого порядка к уравнениям более высоких порядков. Показателем того, на каком порядке следует остановиться, служит критерий уравнения:

ЫЛ12

- £,(¿,-0 .£><*,) (4)

с его основной ошибкой —

Если величина критерия ^ оказывается достаточно малой в сравнении с его основной

ошибкой , то можно остановиться на уравнении /¡1-го порядка.

Рассмотрим нагрузочную характеристику дизельного двигателя 24-8,5/11 (табл. 1).

Таблица 1

Нагрузочная характеристика дизельного двигателя 24-8,5/11

Номер режима Л^, кВт кг/кВт-ч С?г. кг/ч Номер режима Л^, кВт £с, кг/кВт-ч От, кг/ч

1 0,00 - 0,79 8 7,04 0,273 1,92

2 0,62 1,435 0,89 9 8,00 0,270 2,16

3 2,10 0,505 1,0 6 10 8,82 0,272 2,40

4 3,47 0,360 1,25 11 9,50 0,278 2,64

5 4,40 0,318 1,40 12 10,00 0,286 2,86

6 5,28 0,295 1,56 13 10,56 0,303 3,20

7 6,00 0,283 1,70

Вычисляем статистики, необходимые для составления уравнения. Для этого суммы фактических значений исследуемых величии (эффективной мощности и часового расхода

топлива) делим на число режимов - получаем средние (Хг =5,83 кВт, Хг =1,83 кг/ч). Определяем центральные моменты при помощи которых находим эмпирические смешанные основные моменты порядка (Аь Ы) по формуле:

\чъ. ~ , (5)

где сг, =7/^2/0 , аг = л/Ао/2 •

Останавливаясь на первом члене уравнения (2) получаем уравнение первого порядка:

гик «О

основная ошибка которого равна: о^л — сг2^1—.

Критерий линейности этого уравнения равен:

£ = l - r?n = 1 - 0,9766г = 0,0463 с основной ошибкой а([ = -JJJn = ^0,0463/13 = 0,0597.

Отношение критерия линейности к его основной ошибке ¿¡/ff, = 0,775.

Принимая во внимание (б) и (За) можно (3) представить в виде: ~ __ сгг( -\

*0>)'i ~хг+ ri/i~ГКЛ) г (7)

СГ|

Подставив в (7) необходимые величины, получаем зависимость часового расхода топлива от мощности двигателя в виде уравнения первой степени:

64 = 0,214^ + 0,583,

основная ошибка которого равна: о£> = 0,7474 • V1-0,97662 = 0,161 кг/ч,

что составляет 6,7% от расхода топлива на режиме номинальной мощности (G'T н = 2,4 кг/ч).

Аналогично находим критерий квадратичности с его основной ошибкой =0,25),

Уравнение второго порядка имеет вид:

GT = 0,015^+ 0,053/V, + 0,838.

Основная ошибка уравнения второго порядка равна 0,0524 кг/ч, что составляет 2,2% от расхода топлива на режиме номинальной мощности.

Для проверки необходимости дальнейшего повышения степени уравнения определим критерий кубичности и его основную ошибку (fj/o^ =0,087). Основная ошибка уравнения

третьей степени равна 0,0185 кг/ч, что составляет 0,8% от расхода топлива на режиме номинальной мощности.

Сравнив между собой относительные величины основных ошибок уравнений, отношения величин критерия степени уравнения к их основным ошибкам и учитывая, что ошибка расчетов расхода топлива ДВС не должна превышать 3,5%, приходим к выводу: необходимую и достаточную точность расчета расхода топлива в зависимости от нагрузки двигателя дает уравнение второй степени:

GT = G,M(akl+ bk„ + с), (8)

где GT и GTlH - часовой расход топлива соответственно при частичной и номинальной нагрузке, кг/ч; а, Ь, с - постоянные коэффициенты; кп - коэффициент нагрузки двигателя, доли ед., К =N./N„ , где Ne - мощность двигателя при частичной нагрузке, кВт; Ne}, - номинальная мощность двигателя, кВт.

2. Прп расчете расхода топлива двигателями самоходных буровых установок, работающими в нестандартных атмосферных условиях, необходимо учитывать величину механического к.пл.

На основании (8) можно получить выражение зависимости удельного эффективного расхода топлива (ge, кг/кВт-ч) от нагрузки в виде уравнения второго порядка:

Умножим правую часть уравнения (9) наЛ^н / NeH. Учитывая, что GTM / iVal = gm, имеем:

. 8а

g<=f-(akl+bk„+c),

(10)

где geн - удельный эффективный расход топлива при номинальной нагрузке, кг/кВт-ч.

Выражение в круглых скобках назовем коэффициентом режима работы к^.

к =ак?,+Ьки+с,

(И)

К О

Рис. 1. Нагрузочная характеристика двигателя внутреннего сгорания

1) Агр = 1 при к„ = 1;

и в общем виде определим постоянные «а», «6», «с».

Для этого необходимо принять во внимание три условия, характеризующие связь между кп и кр в трех характерных точках нагрузочной характеристики (рис. 1):

2) минимальный удельный расход топлива ДВС обычно отмечается при нагрузке, составляющей 80-90% от номинальной; коэффициент нагрузки, соответствующий gerai" называется экономическим; отсюда второе условие можно записать в виде:

3) постоянный коэффициент уравнения «с» равен доле расхода топлива на холостом ходу от расхода топлива при номинальной нагрузке,"

c = (12)

"T.ii

где G-Г.Х.Х - часовой расход топлива на холостом ходу двигателя, кг/ч,

т.е. кр = с при кп = 0.

Для того, чтобы математическая модель была унифицирована с Международным стандартом ISO 3046, в нее необходимо ввести величину механического к.п.д. двигателя. Это можно сделать, выразив расход топлива на холостом ходу через величину механического к.п.д. по

известной формуле Вилланса. Способ определения механического к.п.д. двигателя (г/ы) по Виллансу исходит из упрощенной графической интерпретации нагрузочной характеристики часового расхода топлива (рис. 2).

Если экстраполировать кривую часового расхода на значение Сг = О (точка О) и рассмотреть режим холостого хода Ые = 0 (точка А) и произвольный режим (точка В) в пределах линейного изменения = = Д/УД обозначив соответственно значения часовых расходов топлива точками А и В, то отрезки подобных треугольников АОА' и ВОВ1 могут быть представлены соответствующими значениями мощности и часовых расходов топлива рассматриваемых режимов: ОА' = = Ж.,.п -

Ы„ кВт

Рис. 2. Определение раскода топлива на холостом ходу двигателя по формуле Вилланса

индикаторная мощность холостого хода, равная мощности механических потерь того же режима; ОВ' —N1- индикаторная мощность на исследуемом режиме; А'В' = Ые- эффективная мощность того же режима; АА' = (?т.х.х - часовой расход топлива на режиме холостого хода; ВВ' = С?т -часовой расход топлива на исследуемом режиме.

А'В' N.

Из рассмотрения подобных треугольников:

ОВ' Ы,

А'В' ВВ' - АА'

Так как =--, то

(13)

ОВ' ВВ'

Этот способ сравнительно часто используется для определения механического к.п.д. двигателей. Следует отметить, что способ, основанный на геометрических отношениях, не позволяет считать (13) точным. Это уравнение применимо лишь в пределах видимой линейности Ст так как в общем случае (7Т - не линейная функция Ие.

Сопоставление результатов определения к.п.д. способом Вилланса с данными определения его по результатам индицирования показывает, что значения 7]ы в области малых нагрузок оказались заниженными, а в области высоких нагрузок, особенно за пределами линейности характеристики От - завышенными. Для номинального режима нагрузки эти отклонения

составили около 9% в сторону завышения.

Подставив (13) в (12) и введя поправочный коэффициент кп на погрешность формулы (13), можно выразить долю расхода топлива на холостом ходу двигателя от расхода при номинальной нагрузке следующей зависимостью:

С = (1-Г7м.А, (14)

где Т]им - механический к.п.д. двигателя при номинальной нагрузке.

Тогда третье условие можно записать в виде:

£Р = (1 ~ при кн = 0.

. Определив в общем виде постоянную «с», находим постоянную «а»:

._ ^ -О-ОА

к2 к2 Ли, Ли

а = 7Г~= Г "• (15)

Постоянную «¿»> в общем виде можно выразить через известные «я» и «с»: О- 2 ' (10)

Подставив (14), (15) и (16) в (11), получим выражение коэффициента режима работы двигателя для стандартных а.у.:

-- )*А' . ко ~ +1)0-?7м,.)*„к,, п „ и

р +р + и-77„„;*„- (17)

п.э "и э

В нестандартных а.у. изменяются не только мощность и расход топлива, но и механический к.п.д. двигателя, который для номинального режима работы можно выразить через механический к.п.д. в стандартных условиях Г)ыж и коэффициент пересчета удельного расхода топлива Д:

N п

п = " — "м»г

ЛЛ рх ■ (18)

Произведя ряд преобразований, окончательно получаем:

Отх = /рх)к1 + (2/?Ш1 !рх- 1)Л„ + (1"»7Н.Н /&)] (19)

Рассмотрим применение разработанной модели к двигателям, работающим с неременной нагрузкой.

Расход топлива на /-том режиме нагрузки (кг) за время (ч) равен:

с,=ст„-V?,. (2°)

Средний часовой расход топлива Сг.Ср (кг/ч) двигателя, работающего с переменной нагрузкой будет равен сумме расходов топлива на каждом из режимов, отнесенной к сумме интервалов времени работы двигателя на каждом /-том режиме нагрузки:

ы / ы

В числителе правой части уравнения (21) произведем преобразования. Подставив формулы (8), (11) и (20), а также учитывая, что кя = Ые/Ыт, имеем:

г И2 -ЛГ2 N

№ -лг2

■"сер 11 ей

2 I ч2

1—2

-+с

(22)

где - квадрат среднеквадратичной мощности двигателя за время

Т = ср"

еср - средняя

мощность двигателя за это >?е время.

Отношение среднеквадратичной мощности к средней мощности есть коэффициент формы графика нагрузок, характеризующий неравномерность графика во времени:

¿ф=-А/«к/#еср, (23)

Свое наименьшее, равное единице, значение принимает при нагрузке, неизменной во времени.

Коэффициент нагрузки двигателя за рассматриваемый период времени:

^п.ср = Л^,Ср / Л^,,. (24)

Для нестандартных а.у. (24) имеет вид:

К,

"н.ср

(24а)

где Л'акр - средняя за время Т мощность двигателя в нестандартных а.у., ах - коэффициент пересчета эффективной мощности.

Таким образом, для двигателей с непостоянным характером нагрузки во времени, математическая модель среднего часового расхода топлива описывается уравнением:

С,ср = • Кср)2 + Ц,.ср + с]. (25)

Постоянные «а», «6» и «с» рассчитываются также как и для уравнения (9). В случаях работы дизеля при стандартных а.у. с постоянной нагрузкой модель (19) приобретает следующий вид:

Ь.

-1

(26)

Как видно из (26), величина О-а зависит от таких параметров, как номинальная мощность, номинальный удельный расход топлива и номинальный механический к.п.д. двигателя. Поэтому

«„.«Вг 180 -

1С0

необходимо рассмотреть характер изменения вышеназванных величин с изменением частоты вращения дизеля.

Из рис. 3 видно, что значения величин предельной мощности (¡У1и) и удельного расхода топлива являются функциями частоты вращения. Причем наблюдаются определенные закономерности в характере изменения этих параметров для каждого из типов дизелей. Фактические значения величин М« и gnX, полученные из представленных скоростных характеристик, были обработаны методом наименьших квадратов. Обработка позволила выявить математическую зависимость,

к*

г/квг-ч имеющую вид полинома, описывающую характер изменения Лщ и gm от частоты вращения щ М« = Л^н + ¿о(Аюм _ «<) + Ь{(пты ~ и,)2: (27) gm = gm + Ьй(nmы~n¡) + Ь{(nmы-nl?. (28) Статистическая обработка расчетных

_1_

юоо 1200 1<1оо 1шо 1боо 2000 п.овмин значений и позволяет сделать вывод о том, Рис. з. Скоростные характеристики

двигателей серии ямз что представленные квадратичные зависимости

(27) и (28) с высокой степенью точности описывают фактический характер изменения исследуемых величин. Критерий Фишера во всех случаях не превышает 1,04, т.е. уравнения (27) и

(28) не нуждаются в дальнейшем уточнении.

Для выявления характера изменения Т]т с изменениями частоты вращения двигателя был исследован ряд заводских многопараметровых характеристик дизелей. Исследования показали, что с уменьшением частоты вращения ДВС наблюдается рост величины механического к.п.д. двигателя. С достаточной степенью точности эта закономерность может быть описана линейным уравнением следующего вида:

г?ш = 7ми + Мя,юм ~ «¡)- (29) Величина коэффициента 6о в (29) для разных типов дизелей колеблется от 1,36-10"4 до 1,02-10"4 и при расчетах может быть принята равной 1,44-10"1, т.е.:

= 1м» + 1,44-10"4(ииом - «¡).

(29а)

Таким образом, в случае работы двигателя на отличных от номинальной частотах вращения, при расчете величины часового расхода топлива необходимо учитывать характер

изменения величин предельной мощности, удельного расхода топлива и механического к.п.д. ДВС, определенных по формулам (27), (28), (29а).

3. Данные экспериментальных исследований подтверждают пригодность предложенной математической модели определения часового расхода топлива в зависимости от пагрузки двигателя и частоты вращения бурильных труб для разработки норм расхода топлива двигателями самоходных буровых устаиовок.

Задача экспериментальных исследований сводится к определению величин фактического часового расхода топлива ДВС при его работе на отличных от номинальных частотах вращения, т.е. снятию фактических (нагрузочных) характеристик дизеля. Характер изменения величины часового расхода топлива был прослежен на ДВС 24-8,5/11 при стандартных а.у. на экспериментальном стенде (см. рис. 4). Определение величины расхода топлива проводилось одновременно двумя способами: объемным (расходомером ИП-154) и весовым (массовым). Оценка адекватности математической модели характеру изменения величины фактического часового расхода топлива осуществлялась путем сравнительного анализа экспериментальных и расчетных данных.

Для проверки сходимости результатов расчета и фактического расхода топлива двигателями внутреннего сгорания, полученного в производственных условиях, был решен ряд

I. Выполнена оценка

точности математической

модели для расчета расхода

топлива двигателем,

работающим на различных

режимах с постоянной

нагрузкой путем снятия

нагрузочных характеристик

на двигателе, установленном

на тормозном стенде. Расход

I ю - трехходовой кр«»,* топлива измерялся на у///////'/;//////¿/¿/у/ //У/ и-Форсунк».

' Рис. 4. Схема экспериментального стенда двенадцати режимах

нагрузки: от холостого хода (кн = 0) до режима кратковременной перегрузки (ки =1,1).

2. Оценена точность расчетов расхода топлива двигателем, работающим по графику постоянной нагрузки в различных а.у., снятием тех же нагрузочных характеристик при различных значениях атмосферного давления.

3. Проведена оценка точности расчета расхода топлива двигателем, работающим по графику переменной нагрузки с помощью измерения суммарного расхода топлива двигателя,

1-рама;

г- элехтротормю; 3-дизель; 4 -стойка; 5-к*рдвнный нал; в-реостат;

7 - яупьт управления;

8 - весовой механизм;

9 - злектрот&хометр; 10-тахогенератор;

11 - прибор контроля

ряботы дидоя;

12 - аккумуляторная

батарея; 1$- датчик топлива; -топливный фильтр; 15-топливный насос; 18 - переключающее

устройство; 17" счетчик

импульсов; 15-весовое

устройство; 19-топливный бак;

работающего в течение восьми часов по пяти переменным графикам нагрузки с различными значениями в пределах от 1,05 до 1,5.

Высотные испытания двигателей проведены в реальных высотных условиях. Нагрузочные характеристики были сняты в пяти точках с высотными отметками соответственно 120, 850,1600, 2450 и 3100 м над уровнем моря (у.м.) на двигателе марки 24-8,5/11 при помощи тормозного стенда, установленного в кузове грузового автомобиля. Исследования, проведенные на передвижной установке, были повторены на дизелях марки «Шкода» (6S-275) в стационарных условиях дизельных электростанций, расположенных на высоте 2500 и 3200 м над у.м.

Проведенные исследования позволили установить, что погрешность расчета на различных режимах нагрузки неодинакова как по абсолютной величине, так и по знаку, т.е. может быть положительной или отрицательной. Наибольшего значения по абсолютной величине (3-5%) погрешность расчета достигает на холостом ходу, постепенно убывая до нуля в зоне нагрузки, соответствующей кн = 0,6+0,7, затем меняет знак с плюса на минус. При номинальной нагрузке двигателя расчетные результаты полностью совпадают с фактическими. На режиме перегрузки погрешность расчета незначительна и имеет положительный знак. График распределения погрешности расчетной нагрузочной характеристики дизеля 24-8,5/11 для стандартных а.у. приведен на рис. 5.

Применение в расчетных формулах коэффициента формы графика нагрузок позволяет производить расчет общего расхода топлива двигателем за определенный период времени, пользуясь величиной средней нагрузки за этот период. С точки зрения неравномерности нагрузки во времени наиболее характерным оборудованием являются буровые станки. Для них /сф достигает наиболее высоких значений, поэтому в качестве объекта исследований в производственных условиях был выбран буровой станок.

Задача экспериментальных исследований в производственных условиях сводится к определению фактического расхода топлива в зависимости от потребляемой энергии буровым станком, от /сф, определенного по графику фактической нагрузки. Измерения расхода топлива и электроэнергии, а также запись графика

<5„кг|ч 2,8 -

2,8 -2,4 2,22 1,В 1.8 1.4 1,2 1 0,8 0,0

- фактическая характеристика

- расчетная характеристика

Л1„ кВт

01 23466789 10

Рис. 6. Распределение погрешности расчетной нагрузочной характеристики дизеля 24-8,6/11

нагрузок производились непрерывно в течение всего периода исследований. В журнале наблюдений фиксировались расходы топлива и электроэнергии как на отдельные операции, так и за смену (супси). Были обработаны данные, полученные в двух производственных подразделениях на буровых станках ЗИФ-650М с асинхронным двигателем и с двигателем постоянного тока с электроснабжением от индивидуальных дизельных электростанций типа ЭСД-100.

Абсолютное отклонение расчетного часового расхода топлива от его фактической величины во всех опытных точках не превышает 5%. Это свидетельствует о высокой сходимости теоретических результатов расчета по математической модели с фактическими (экспериментальными) значениями величин часового расхода топлива.

Математическая модель с высокой точностью отображает не только параболический характер самой нагрузочной характеристики, но и ее характерные изменения, связанные с уменьшением атмосферного давления и абсолютной температуры воздуха.

4. При расчете расхода топлива двигателями самоходных буровых установок в зависимости от средней мощности необходимо учитывать режим потребления эпергни, характеризуемый коэффициентом формы графика нагрузок двигателя. 0и Вывод о влиянии ¿ф на расход топлива

двигателем, работающим с переменной нагрузкой, представлен графически на рис. б. На линии 1 лежат точки расходов топлива в зависимости от мощности двигателя, работающего при к,, = const. В этом случае кф = 1,0, а кривая 1 представляет собой классическую нагрузочную характеристику двигателя. Для двигателя, работающего в переменном режиме, можно установить связь между к,, и В зависимости от характера нагрузки и от среднего значения кп, коэффициент формы графика нагрузок может иметь значения в

диапазоне:

Чем выше нагрузка двигателя, тем меньше по абсолютной величине максимальное значение Аф, и наоборот, в области малых нагрузок кф может превышать в 3*5 раз свое минимальное значение. Точки расходов топлива в зависимости от мощности двигателя, работающего в режиме резко-переменной нагрузки с характером потребления энергии, соответствующим максимальному значению к$, лежат на

Рис. 6. Влияние) коэффициента формы графика нагрузок на средний расход топлива (» - при *ф=1,0; 2 - при « тах)

прямой 2 (рис. 6), соединяющей точки, обозначающие величину расхода топлива на холостом ходу (Ст.х.х) и при номинальной нагрузке (Ст.„). Таким образом, в зоне, Ограниченной кривой 1 и прямой 2, располагается область значений расхода топлива двигателем, работающим в режиме переменной нагрузки. Двигатели, у которых значения расхода топлива в зависимости от нагрузки лежат выше линии 2, можно считать неисправными.

Результаты исследований по апробации в производственных условиях разработанного метода расчета расхода топлива ДВС сведены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты исследований в производственных условиях

Интервал ■"ех » к кл. О'*. "та ' Погрешность Проходка, д,

времени, ч кВт кг КГ расчета, % м кг м/ч кг/м

Подразделение №1

1,52 23,91 0,203 1,08 15,22 15,20 0,1 4,0 10,00 2,63 3,80

1,55 19,36 0,164 1,18 14,48 14,45 0,2 5,0 9,32 3,23 2,89

1,63 27,94 0,237 1,05 17,33 17,12 1,2 4,0 10,50 2,45 4,28

1,78 31,77 0,269 1,07 20,05 19,62 2,2 5,0 11,02 2,81 3,92

1,05 ' 29,84 0,253 1,07 11,50 11,23 2,4 2,0 10,70 1,90 5,61

Подразделение №2

0,88 48,37 0,410 1,08 12,51 11,81 5,9 4,0 13,42 4,55 2,95

1,02 51,27 0,435 1,01 17,19 16,50 4,2 3,2 16,18 3,14 5,16

0,53 48,04 0,407 1,02 7,44 7,19 3,4 3,5 13,57 6,60 2,06

0,80 51,08 0,433 1,01 11,59 11,09 4,5 4,8 13,86 6,00 2,31

2,50 59,40 0,504 1,01 40,11 38,26 4,8 16,4 15,30 6,56 2,33

При определении удельных технологических параметров целесообразно за интервал времени принимать законченный технологический цикл или группу циклов. Поэтому в каждой строке табл. 2 приведены данные, относящиеся к законченному рейсу или группе рейсов. Время выполнения рейса (группы рейсов) изменяется от 0,5 до 9,0 часов, т.е. охватывает довольно широкий диапазон соотношений времени выполнения основных технологических операций (СПО,

углубка, промывка и др.). Однако, в рамках одного подразделения это обстоятельство мало отразилось на изменении величин и При сопоставлении фактических значений кн и кф, полученных в подразделении №1, с величинами этих коэффициентов для подразделения №2 можно отметить существенное отличие: к„ во втором подразделении оказался выше, а кф - ниже, чем в первом. Это объясняется тем, что исследования в подразделении №2 проводились в

*>,= 18ДкВт Р,- 19,6 кВт

1г

Рис. 7. График нагрузки бурового агрегата ЭИФ-650М (подразделение №1; привод - асинхронный электродвигатель; летние условия)

зимнее время, а в подразделении №1 - в летнее. Анализируя баланс мощности индивидуальных электростанций ЭСД-100, можно констатировать, «по постоянная составляющая нагрузки (освещение и отопление бурового здания) оказывает влияние как на величину ки, так и на величину Аф. График нагрузки бурового агрегата ЗИФ-650М изображен на рис. 7. Более высокое значение в первом подразделении объясняется ещё и тем, что диапазон его изменения обратно пропорционален величине ки. Таким образом, данные экспериментальных исследований взаимозависимости коэффициента нагрузки и коэффициента формы графика нагрузок подтверждает вышеизложенные теоретические предпосылки.

Анализ экспериментальных данных по зависимости <3Т от величины ки и а также удельных затрат топлива на метр бурения # от рейсовой скорости Ур подтверждает высокую точность разработанной математической модели.

в„кг1ч qiKr/M

Рис. 8. Экспериментальные данные изменения Рис. 9. Зависимость удельных затрат

среднего часового расхода топлива в зависимости топлива от рейсовой скорости бурения

от средней мощности индивидуальных (станок ЗИФ-ббОМ с индивидуальной электростанций ЭСД-100 буровых станков ЗИФ-650М электростанцией ЭСД-100)

На рис. 8 показаны графики расчетных зависимостей и экспериментальных точек GT от средней мощности дизеля. Здесь под номерами 1 и Г нанесены кривые расходов топлива в зависимости от нагрузки, рассчитанные соответственно при ge„ = 0,230 кг/кВт-ч и при g'm = geH + 5% = 0,242 кг/кВт-ч для режима постоянной нагрузки (А'ф = 1,0). Под номерами 2 и 2' нанесены прямые предельных расходов топлива, рассчитанные соответственно при geH и g'e„ для режима резко-переменной нагрузки, т.е. при кф = тах/(к„). Область расчетных значений расхода топлива технически исправным двигателем, работающим в режиме переменной нагрузки, является зона,

ограниченная линиями 1 и 2'. Это обусловлено тем, что в технических характеристиках ДВС номинальный удельный расход приводится с 5%-ным допуском. Из рис. 8 видно, что практически все экспериментальные точки лежат в этой зоне. Величина относительной погрешности расчета расхода топлива в среднем составляет 2-3%.

Удельные затраты топлива на метр бурения в графической интерпретации (рис. 9) имеют достаточно выраженную обратно-пропорциональную связь с рейсовой скоростью. Эта зависимость идентична в обоих подразделениях. Отличие заключается лишь в том, что в подразделении №2 график изменения ^ от Ур располагается несколько выше. Это объясняется затратами топлива на отопление бурового здания.

Таким образом, величину удельных затрат топлива электростанцией ЭСД-100 на метр бурения станком ЗИФ-650М можно достаточно точно определить по рис. 9, учитывая достигнутую рейсовую скорость и затраты электроэнергии на отопление бурового здания.

Методика нормирования расхода топлива ДВС, апробированная при производстве буровых работ, может быть использована и при производстве других видов ГРР. Это обусловлено тем, что вид зависимости расхода топлива ДВС от нагрузки не изменяется, а характер потребления энергии носит более постоянный но сравнению с бурением характер.

Проведенные экспериментальные исследования и анализ потребления топлива геологоразведочным оборудованием, использующим в качестве привода ДВС, доказывают правомочность применения разработанной методики для определения технологических норм расхода топлива.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленные в работе результаты теоретических и экспериментальных исследований -новое решение задачи повышения эффективности ГРР за счет нормирования расхода топлива ДВС, являющимися приводом самоходных буровых установок.

Основные научные выводы и практические рекомендации, полученные в результате проведенных исследований, заключаются в следующем:

1. Зависимость расхода топлива ДВС от нагрузки с достаточной степенью точности описывается уравнением второго порядка, так как его основная ошибка, составляющая 2-2,5% от расхода топлива на режиме номинальной мощности, не превышает допустимую стандартом погрешность расчета.

2. Формулы для расчета постоянных коэффициентов уравнения получены путем анализа нагрузочной характеристики дизеля на трех характерных режимах: холостого хода, номинальной мощности и минимального удельного расхода топлива.

3. Долю расхода топлива на холостом ходе можно определить, пользуясь формулой Вилланса для механического к.п.д. Однако, чтобы компенсировать погрешность способа Вилланса, необходимо в формулу для расчета ввести поправочный коэффициент.

4. Введение в математическую модель величины механического кл.д. двигателя позволило унифицировать ее с Международным стандартом ISO 3046, что дает возможность производить расчет расхода топлива не только дифференцировано для разных типов двигателей, но и для любых атмосферных условий.

5. Расход топлива двигателем, работающим с переменной нагрузкой, зависит от неравномерности ее во времени. Поэтому при расчете расхода топлива в зависимости от средней мощности необходимо учитывать режим потребления энергии, характеризуемый коэффициентом формы графика нагрузок двигателя.

6. Погрешность расчета расхода топлива на различных режимах нагрузки неодинакова, наибольшего значения она достигает на холостом ходу двигателя.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Старцев О.И. Динамика системы материальных тел при ударно-вибрационном бурении и зондировании II Тез. докл. IV междунар. конф. «Новые идеи в науках о Земле». - М.: МГГА, 1999. -С. 159.

2. Ребрик Б.М., Некоз С.Ю., Старцев О.И. Обобщенный коэффициент окружных сопротивлений на забое скважины // Совершенствование техники и технологии бурения скважин на твердые полезные ископаемые: Межвуз. науч. темат. сборник. Екатеринбург: изд-во УГГГА, 1999.-С.190-195.

3. Ребрик Б.М., Некоз С.Ю., Базанов АЛ., Старцев О.И. Эксперименты по прямой оценке обобщенного коэффициента окружных сопротивлений при бурении скважин // Изв. вузов. Геология и разведка. 2000. №2. С.115-117.

4. Алексеев В.В., Старцев О.И. Нормирование потребления топлива в геологоразведочных организациях // Мат. конф. V междунар. научно-практич. конф. «Наука и новейшие технологии при поисках, разведке и разработке месторождений полезных ископаемых». - М.: РГГРУ, 2006. -С.168.

5. Старцев О.И., Алексеев В.В. Технологические и общепроизводственные нормы расхода электроэнергии на бурение скважин II Мат. конф. V междунар, научно-практич. конф. «Наука и новейшие технологии при поисках, разведке и разработке месторождений полезных ископаемых». -М.: РГГРУ, 2006.-С.184.

6. Алексеев.В.В., Старцев О.И. Расход топлива на работу горно-геологического оборудования с приводом от двигателей внутреннего сгорания // Цветная металлургия. 2006. №3. С.25-36.

7. Алексеев В.В., Старцев О.И. Повышение эффективности разведочного бурения на основе совершенствования нормирования удельного расхода электроэнергии при проходке скважин // Цветная металлургия. 2006. №4. С.27-39.

8. Алексеев В.В., Старцев О.И. Аналитическая модель удельного расхода электроэнергии на бурение скважин // Изв. вузов. Геология и разведка. 2006. №4. С.54-58.

9. Алексеев В.В., Старцев О.И. Расход топлива двигателями внутреннего сгорания в

самоходных буровых установках // Изв. вузов. Геология и разведка. 2006. №5. С.59-66.

Подписано в печать 2.4. <0.2006 г. Объем 4,0 п.л. Тираж -{00 экз. Заказ № 94

Редакционно-издательский отдел РГГРУ Москва, ул. Миклухо-Маклая, 23

<?o¿&A

гггуу

№2 224h

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Старцев, Олег Иванович

Введение.

Глава 1. Обзор теоретических и экспериментальных исследований по рациональному использованию топлива в геологоразведочных организациях.

1.1. Значение экономии топлива и энергии.

1.2. Роль нормирования расхода топливно-энергетических ресурсов в управлении режимом их экономии.

1.3. Технологические объекты формирования нормативных показателей.

1.4. Классификация и состав норм расхода топлива.

1.5. Нормирование потребления топлива для оборудования с приводом от двигателей внутреннего сгорания.

1.6. Характеристики существующих формул для аппроксимации нагрузочной характеристики двигателей внутреннего сгорания.

1.7. Оценка эксплуатационных параметров двигателей внутреннего сгорания при отклонении атмосферных условий от стандартных.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Оптимизация расхода топлива двигателями геологоразведочных самоходных буровых установок"

Решение поставленных перед геологоразведочной отраслью задач по расширению минерально-сырьевой базы возможно только путем внедрения новой, более совершенной и высокопроизводительной техники. Постоянное расширение производства, увеличение мощностей технологических потребителей, повышение энергоемкости в непроизводственной сфере ориентируют на непрерывный рост ежегодного потребления электроэнергии и топлива.

Общее годовое потребление электроэнергии отрасли в настоящее время составляет около двух млрд. кВт-ч, при этом более сорока процентов всей потребляемой электроэнергии вырабатывается дизельными электростанциями, принадлежащими геологоразведочным организациям. В связи с тем, что разведка месторождений все более ориентирована на районы, удаленные от существующих энергосистем, удельный вес собственной энергетической базы постоянно возрастает, а это ведет к увеличению потребления дизельного топлива.

Значительное количество топлива потребляется оборудованием с приводом от двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Кроме электростанций различной мощности на вооружении геологов находятся стационарные и передвижные компрессоры, поршневые ДВС, установленные на различных агрегатах.

Весь парк ДВС потребляет около двух млн. тонн условного топлива в год и с каждым годом потребление топлива увеличивается. Устойчивые темпы роста топливопотребления, ограниченность запасов топлива, увеличение затрат на добычу и транспорт топлива поставили проблему осуществления оптимальной энергосберегающей политики.

Задача оптимального использования нефтепродуктов является составной частью проблемы повышения эффективности общественного производства. Объективная основа рационального использования топлива - научнообоснованные методы нормирования его потребления.

Нормирование на научной основе предполагает установление прогрессивных норм расхода топлива, которые должны учитывать и стимулировать реализацию резервов экономии топлива, обусловленных существующим уровнем техники и организации производства, достижениями научно-технического прогресса и передового опыта в области топливопотребления.

Нормативы расхода топлива - это важнейшее условие формирования меры необходимых затрат на производство геологоразведочных работ. Совершенствование нормирования топливопотребления способствует усилению научной обоснованности, пропорциональности и сбалансированности планов, более глубокому выявлению и использованию резервов производства, дальнейшему повышению его эффективности.

Мероприятия, направленные на экономию топлива, должны включать ряд аспектов: усиление роли анализа топливопотребления; повышение качества планирования мероприятий по экономии топлива на всех уровнях управления; повышение роли стимулов экономии нефтепродуктов; увеличение ответственности потребителей за неэкономное использование нефтепродуктов; разработка и совершенствование методов нормирования.

Актуальность проблемы. Ускоренное развитие геологоразведочных работ (ГРР) возможно за счет повышения производительности труда, требующего роста уровня механизации и автоматизации ГРР путем перевооружения отрасли новой, более совершенной и высокопроизводительной техникой.

Целью работы является повышение эффективности геологоразведочных работ на основе совершенствования нормирования расхода топлива двигателями внутреннего сгорания самоходных буровых установок.

Основные задачи исследований. Выполнение поставленной цели достигается решением следующих задач:

1. проведение анализа и обобщение методических разработок по определению энергоемкости производственных процессов в промышленности с целью выбора приемлемого метода расчета энергозатрат на бурение геологоразведочных скважин;

2. разработка математической модели расчета расхода топлива двигателями внутреннего сгорания, используемыми в качестве привода самоходных буровых установок, в зависимости от типа и режимов работы (частоты вращения) двигателей, динамики изменения их нагрузки и атмосферных условий эксплуатации;

3. проведение экспериментальной проверки математической модели расчета расхода топлива в производственных условиях геологоразведочных организаций;

5. разработка на основе математической модели методики расчета индивидуальных норм расхода топлива дизельным приводом самоходных буровых установок;

6. составление алгоритма и программы расчета на ЭВМ технологических удельных затрат на бурение скважин.

Методика исследований. Базой решения поставленных задач являются результаты анализа теоретических и экспериментальных работ, проводимых в этой области. На его основе определено направление теоретических и экспериментальных исследований затрат топлива на бурение скважин.

Научная новизна. На основании теоретических и экспериментальных исследований автором впервые:

- выявлена закономерность изменения удельных затрат топлива на бурение скважины в пределах интервала и на основании этого предложена расчетная формула определения технологической нормы расхода топлива по скважине.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

2. При расчете расхода топлива двигателями самоходных буровых установок, работающими в нестандартных атмосферных условиях, необходимо учитывать величину механического к.п.д.

3. Данные экспериментальных исследований подтверждают пригодность предложенной математической модели определения часового расхода топлива в зависимости от нагрузки двигателя и частоты вращения бурильных труб для разработки норм расхода топлива двигателями самоходных буровых установок.

4. При расчете расхода топлива двигателями самоходных буровых установок в зависимости от средней мощности необходимо учитывать режим потребления энергии, характеризуемый коэффициентом формы графика нагрузок двигателя.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается тем, что результаты, полученные по аналитическим зависимостям и при экспериментальных производственных исследованиях, имеют высокую сходимость. Оценка математических моделей по критерию Фишера позволяет сделать вывод об их адекватности результатам исследований с надежностью 0,95.

Практическая ценность работ заключается в следующем:

- определенные по методике производственные нормы позволяют получить величину среднего расхода топлива буровых установок и на ее основе осуществлять оптимальный выбор количества топлива;

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на: IV международной конференции "Новые идеи в науках о Земле" в 1999г., научной конференции профессорско-преподавательского состава МГГУ в «День Горняка» в 2005 г.; научно-технических советах Навоинского горно-металлургического комбината в 2005г.; V международной научно-практической конференции «Наука и новейшие технологии при поисках, разведке и разработке месторождений полезных ископаемых» в 2006г.

Реализация работы. Разработанная методика расчета удельных затрат топлива на бурение геологоразведочных скважин использовалась при расчете норм расхода топлива на станко-смену, которые включены в «Справочник укрупненных сметных норм на буровые работы». Основные теоретические положения данной работы используются в учебном процессе при чтении курса «Экономия топливно-энергетических ресурсов» в геологоразведочных организациях, а также на ФПК при РГГРУ.

Основные вопросы, рассмотренные в диссертации, опубликованы в 9 научных работах.

Структура диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и двух приложений. Первая глава посвящена анализу существующих методик определения норм расхода топлива в различных отраслях и математических зависимостей определения часового расхода топлива буровой установкой. Во второй главе представлены теоретические исследования, связанные с разработкой математической модели

Заключение Диссертация по теме "Технология и техника геологоразведочных работ", Старцев, Олег Иванович

4.3. Выводы по главе 4

1. Данные, полученные при испытаниях дизелей 24-8,5/11 и «Шкода» 6S-275, показывают, что погрешность расчета расхода топлива двигателем на различных режимах нагрузки неодинакова, наибольшего значения она достигает на холостом ходу двигателя и при малых нагрузках.

2. Разработанная математическая модель с высокой точностью отображает не только параболический характер нагрузочной характеристики, но и ее характерные изменения, связанные с уменьшением атмосферного давления.

5. Методические указания по определению технологических норм расхода топлива на работу дизельного привода электрогенераторов, буровых станков и компрессоров

5.1. Общие положения

Настоящие методические указания предназначены для обеспечения единого подхода к составлению технологических норм расхода топлива на эксплуатацию дизельного привода электрогенераторов, буровых агрегатов и компрессоров при проведении геологоразведочных работ. Применение методики дает возможность диагностирования технического состояния и правильной эксплуатации дизельных двигателей.

Основная задача нормирования - обеспечить применение при планировании и в производстве технически и экономически обоснованных прогрессивных норм расхода топлива в целях наиболее эффективного его использования.

Норма расхода топлива - это плановый показатель потребления топлива на выработку единицы энергии, расходуемой геологоразведочным оборудованием при применении прогрессивной технологии и рациональной организации труда. Соблюдение норм расхода топлива является обязательным условием при материальном стимулировании экономии нефтепродуктов.

Нормы расхода топлива должны периодически пересматриваться с учетом используемых двигателей, условий и режима их эксплуатации и содействовать максимальному выполнению плановых заданий и достижению высоких технико-экономических показателей работы оборудования.

Организация, разрабатывающая нормы расхода топлива, производит их опытную проверку в производственных условиях геологоразведочных организаций и несет ответственность за обоснованность представляемых данных.

5.2. Метод разработки норм расхода топлива

В основу метода положена математическая модель расхода топлива ДВС в зависимости от энергоемкости производственного процесса и режима потребления энергии.

5.2.1 Исходная информация для определения норм расхода топлива Опытные, отчетные или нормативные данные: энергоемкость технологических процессов (W); время работы оборудования (Т); режим потребления энергии, учитываемый коэффициентом формы графика нагрузок кф).

Паспортные данные оборудования:

- номинальная мощность двигателя (JVeH); i

- удельный номинальный расход топлива (£ен);

- механический к.п.д. дизеля (TJM н) на номинальном режиме нагрузки; если величина 7]м н в характеристике не указана, то ее можно рассчитать по формуле:

G -G г, — т.н т.х.х

5.1) т.н где GT н — ^ен'-^ен часовой расход топлива на номинальном режиме, кг/ч;

GTXiX - часовой расход топлива на холостом ходу двигателя (определяется по паспорту или непосредственным замером), кг/ч.

Ниже приведены значения механического к.п.д. различных двигателей на номинальном режиме:

Дизели с наддувом.0,80-0,90

Судовые дизели без наддува.0,75-0,85

Тракторные дизели без наддува.0,70-0,82

Карбюраторные двигатели.0,70-0,85

- коэффициент полезного действия электрогенератора номинальный (Т}г н);

- номинальная мощность электрогенератора (Рг.н). Атмосферные условия:

- стандартные и фактические атмосферные давления воздуха раг, рах (раг = 100 кПа);

- стандартная и фактическая температура воздуха Таг, Тах (Таг = 300 К);

- стандартная и фактическая влажность воздуха (рг, (рх ((рг = 60%);

- стандартная и фактическая температура среды, охлаждающей нагнетаемый воздух (холодильника) Тсг, Тсх (Тсг = 300 К и 350 К).

5.2.2. Порядок расчета индивидуальных норм расхода топлива Средняя мощность дизеля:

Wi У^Г, кВт. (5.2) i / г/

Если применяется непосредственный привод, то T]ri = 1,0. В случае использования дизель-генератора rjTi рассчитывается по формуле: 1 f- - Л (5.3) 1 +

Р -Т.

Г Ml I J

0,03

Лы У Wi J Коэффициент нагрузки дизеля: N

1 еср i exi где Nexj - допустимая мощность дизеля в конкретных атмосферных условиях, кВт.

Расчетная допустимая мощность дизеля:

Nexi ~ Otxi'Neuii (5.5) где CCxi - коэффициент пересчета эффективной мощности: а

XI к„- 0,7(1-^,1^-1 J

5.6) где kXi - коэффициент индикаторной мощности: к

Pox-a-Vx'Psx т \пГгг \Ч Т аг т

V ах J т сг т v « j

5.7) i, \Par~a-<Pr-Ps, ) где Njx, N-ir - индикаторная мощность соответственно в фактических и стандартных условиях; рах - фактическое атмосферное давление, кПа (можно принимать в зависимости от высоты над уровнем моря по табл. 5.1); Тах -фактическая температура окружающего воздуха, К (Taxi — tax °С +273); Тсх -фактическая температура жидкости в промежуточном холодильнике дизельных двигателей с газотурбинным наддувом и с охлаждением нагнетательного воздуха, К; (pxpsxi %Psr ~ парциальные давления водяного пара соответственно в фактических и стандартных условиях (определяются по табл. 5.3); а -коэффициент влажности; Jfl, /7, q - показатели степени для пересчета мощности четырехтактных двигателей (принимаются по табл. 5.2). Расход топлива z'-м ДВС за время Tf

G,=T, ■ Nelu • • кХ1 [(1 -Vmui I[3xi)(кш • кф1} + (2Vmju /-1 )кш + (1 -%ли /[3xl)J, (5.8) где кф\ - коэффициент формы графика нагрузок дизеля; f3Xi ~ коэффициент удельного расхода топлива.

Pxi= кх\ / axi. (5.9)

Коэффициент формы графика нагрузок дизеля находится в зависимости от коэффициента нагрузки, потребляемой технологическим оборудованием и 1 изменяется в пределах

1 < к¥ <

Высота над Атмосферное Высота над Атмосферное уровнем моря, м давление, кПа уровнем моря, м давление, кПа

0 101,3 2600 73,7

200 98,9 2800 71,9

400 96,6 3000 70,1

600 94,3 3200 68,3

800 92,1 3400 66,6

1000 89,9 3600 64,9

1200 87,7 3800 63,3

1400 85,6 4000 61,6

1600 83,5 4200 60,1

1800 81,5 4400 58,6

2000 79,5 4600 57,0

2200 77,5 4800 55,5

2400 75,6 5000 53,9

Заключение

Л) Анализ и обобщение опыта по нормированию потребления топлива двигателями внутреннего сгорания, являющимися приводом ДЭС и технологического оборудования, определили направления решения этой проблемы применительно к геологоразведочным работам.

Введение научно-обоснованной системы нормирования в практику геологоразведочных работ является одним из основных направлений экономии топливно-энергетических ресурсов. Базой для такой системы может служить аналитическая или экспериментально-аналитическая методика, позволяющая не только с достаточно высокой степенью точности прогнозировать потребление топлива, но и производить анализ эффективности его использования.

В основу разработанной методики нормирования топлива аналитическим способом заложено уравнение второго порядка, которое позволяет получать нормы, как индивидуальные, так и групповые, адекватные экспериментальным.

Предлагаемая математическая модель охватывает все параметры, влияющие на объем потребления топлива: технические характеристики используемого ДВС (номинальная мощность, удельный расход топлива и механический к.п.д.), климатические условия его эксплуатации, энергоемкость технологических процессов (коэффициент нагрузки) и характер потребления энергии в процессе производства (коэффициент формы графика нагрузок).

Практическая ценность предлагаемой методики заключается не только в высокой точности расчетов, но и в том, что на всех уровнях нормирования, в результате введения понятия «условный ДВС», используется один и тот же перечень параметров. Это создает предпосылки использования ЭВМ при определении норм расхода топлива и анализе эффективности его потребления.

Таким образом, предлагаемая методика может быть рекомендована для расчета технологических норм расхода топлива двигателями самоходных буровых установок при проведении геологоразведочных работ.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Старцев, Олег Иванович, Москва

1. Алексеев В.В., Акимов В.Д., Пиичук Н.П. Двигатели внутреннего сгорания для производства геологоразведочных работ и основы технической термодинамики. М.: ЗАО "Геоинформмарк", 2002. - 371 с.

2. Алексеев В.В., Брюховецкий О.С. Горная механика. М.: Недра, 1995. -411 с.

3. Алексеев В.В., Гланц А.А., Чайкин А.С. Эксплуатация передвижных и стационарных электростанций в геологоразведочных организациях. -М: Недра, 1984.-209 с.

4. Алексеев В.В., Наугольнов С.И., Егоров С.Ю. Расчет энергозатрат на проведение горизонтальных выработок. Передовой научно-производственный опыт геологоразведочных организаций. Вып. 18. — М.: ВИЭМС, 1984.

5. Алексеев В.В., Старцев О.И. Аналитическая модель удельного расхода электроэнергии на бурение скважин // Изв. вузов. Геология и разведка. 2006. -№4. - С.54-58.

6. Алексеев В.В., Старцев О.И. Повышение эффективности разведочного бурения на основе совершенствования нормирования удельного расхода электроэнергии при проходке скважин // Цветная металлургия. 2006. №4. С. 27-39.

7. Алексеев В.В., Старцев О.И. Расход топлива двигателями внутреннего сгорания в самоходных буровых установках // Изв. вузов. Геология и разведка. -2006. №5. - С.59-66.

8. Алексеев В.В., Старцев О.И. Расход топлива на работу горно-геологического оборудования с приводом от двигателей внутреннего сгорания // Цветная металлургия. 2006. №3. С. 25-36.

9. Арнольд JI.B. Техническая термодинамика и теплопередача. М.: Высшая школа, 1979.

10. Архангельский В.М., Вихерт М.М. и др. Автомобильные двигатели. М.: Мир, 1982.-655 с.

11. Вельских В.А. Справочник по техническому обслуживанию и диагностированию тракторов. -М.: Россельхозиздат, 1979.

12. Белых Б.П. Распределительные электрические сети рудных карьеров. М.: Недра, 1978.-382 с.

13. Болгарский А.В., Мухачев Г.А., Щукин В.К. Термодинамика и теплопередача. М.: Высшая школа, 1975.

14. Борисович В.Т. Научная организация и техническое нормирование труда на геологоразведочных работах. М.: Недра, 1991.-381 с.

15. Воздвиженский Б.И., Голубинцев О.Н., Новожилов А.А. Разведочное бурение. М.: Мир, 1982. - 528 с.

16. Вознесенский А. А. Повышение экономичности электростанций небольшой мощности. М. - JL, 1969.

17. Гофман И.В. Нормирование потребления электроэнергии и энергетические балансы промышленных предприятий. М.: Энергия, 1966.

18. Дьяченко Н.Х. Теория двигателей внутреннего сгорания. М. - JL: Машиностроение, 1965.

19. Евдокимов Д.К., Покараев Г.М. Нормирование материальных ресурсов. -М.: Экономика, 1988. 197 с.

20. Егоров С.Ю., Наугольнов С.И. Методические рекомендации по определению индивидуальных норм расхода электроэнергии на горно-разведочные работы. М.: ВИЭМС, 1989. - 37 с.

21. Единые нормы времени на бурение разведочных, структурно-поисковых и картировочных скважин. М.: Недра, 1973.

22. Единые нормы времени на геологоразведочные работы: подземные геологоразведочные работы. -М.: ВИЭМС, 1977.

23. Единые нормы и нормативы времени на геологоразведочное бурение. -М.: НИИтруда, 1987.-92 с.

24. Ермакова В.И. Исследование и разработка рациональных режимов работы быстроходных буровых насосов: Автореф. дис. канд. техн. наук. М., 1973 - 21 с.

25. Ефимов В.П. Методические проблемы экономии ресурсов. М.: Мысль, 1977.

26. Жернаков А.П., Акимов В.Д., Алексеев В.В. Экономия топливно-энергетических ресурсов при геологоразведочных работах. М.: ЗАО "Геоинформмарк", 2000. - 317 с.

27. Ильинский Н.Ф. и др. Энергосбережение в электроприводе. М.: Высш. шк., 1989.- 124 с.

28. Ильинский Н.Ф. Электроприводы постоянного тока с управляемым моментом. -М.: Энергоиздат, 1981. 143 с.

29. Инструкция по нормированию топливно-энергетических ресурсов в нефтяной промышленности. Краснодар: КраснодарНИиПИнефть, 1975. - 67 с.

30. Кардыш В.Г., Мурзаков Б.В., Окмянский А.С. Энергоемкость бурения геологоразведочных скважин. М.: Недра, 1984. - 200 с.

31. Кириллин В.А. Техническая термодинамика. М.: Наука, 1979. - 512 с.

32. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. -М.: Энергоатомиздат, 1983.-416 с.

33. Кирсанов А.Н., Зиненко В.П., Кардыш В.Г. Буровые машины и механизмы. -М.: Недра, 1981.-448 с.

34. Ключев В.И. Теория электропривода. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 560 с.

35. Козловский Е.А., Комаров М.А., Питерский В.М. Кибернетические системы в разведочном бурении. М.: Недра, 1985. - 285 с.

36. Корсун Н.А. Определение тяговой характеристики сельскохозяйственного трактора общего назначения // Тракторы и сельхозмашины. 1981. - №6.

37. Костюк А.Г., Шерстюк А.Н. Газотурбинные установки. М.: Высшая школа, 1979.

38. Крутов В.И. Двигатель внутреннего сгорания как регулируемый объект. -М.: Машиностроение, 1978.

39. Крылов А.Н. Исследование способов экспериментального определения механических потерь в двигателях внутреннего сгорания: Автореф. дис. канд. техн. наук. М., 1974. - 19 с.

40. Крюков В.В., Будзинский В.В. Методы экспериментального исследования судовых малооборотных дизелей. JL: Судостроение, 1971.

41. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. Новосибирск: Наука, 1970.-659 с.

42. Махалдиани В.В. О двигателях для горных автомобилей и тракторов. -Тбилиси: Мецниереба, 1968.

43. Методика нормирования расхода топлива на работу землеройной техники. НИИ планир. и нормативов. М.: Б. и., 1985. 27 с.

44. Методика определения индивидуальных норм расхода автомобильного бензина и дизельного топлива на работу строительно-дорожных машин. Госстрой СССР. ЦНИИОМТП. М., 1984.

45. Методические вопросы нормирования топливно-энергетических ресурсов. Научные труды (НИИПиН при Госплане СССР). М., 1977.

46. Методические вопросы создания системы норм и нормативов. Под ред. В.В. Соколова. -М.: Экономика, 1983. 181 с.

47. Миклос А.Г., Чернявская Н.Г., Червяков С.П. Судовые двигатели внутреннего сгорания. JL: Судостроение, 1986. - 357 с.

48. Мирочник С.Г. Нормирование электропотребления в промышленности. -Кишинев, 1979.-293 с.

49. Митропольский А.К. Техника статистических вычислений. М.: Физматгиз, 1961.-480 с.

50. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1977. - 343 с.

51. Моргулис Ю.Б. Двигатели внутреннего сгорания. М.: Машгиз, 1959. -341 с.

52. Москаленко В.В. Автоматизированный электропривод. М.: Энергоатомиздат, 1986. - 414 с.

53. Наугольнов С.И. Повышение эффективности разведочного бурения на основе совершенствования нормирования электроэнергии на 1 м проходки скважины: Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук. М., 1989. 17 с.

54. Наугольнов С.И., Алексеев В.В. Методические рекомендации по определению индивидуальных норм расхода электроэнергии на буровые работы / ВНИИ экон. минер, сырья и геол.-развед. работ. -М.: ВИЭМС, 1989. 31 с.

55. Наугольнов С.И., Алексеев В.В. Методические указания по нормированию электроэнергии на бурение 1 м скважины в геологоразведочной отрасли / ВНИИ экон. минер, сырья и геол.-развед. работ. М.: ВИЭМС, 1983. - 27 с.

56. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. М.: Высшая школа, 1980. - 469 с.

57. Нейман JI.P., Демирчян К.С. Теоретические основы электротехники. В 2-х томах. JI.: Энергоиздат, 1981. - Т. 1 Ч. 1. - 160 с.

58. Нормирование расхода топлива, тепловой и электрической энергии. Научные труды. (НИИПиН при Госплане СССР). М., 1979.

59. Нормирование расхода топливно-энергетических ресурсов: Сб. научных трудов / Под ред. JI.A. Шевченко. НИИПиН при Госплане СССР. М., 1986.

60. Нормирование топливно-энергетических ресурсов и регулирование режимов электропотребления. Сб. инструкций (под общей редакцией В.В. Дегтярева). -М.: Недра, 1983.

61. Основные положения по нормированию расхода топлива, тепловой и электрической энергии в народном хозяйстве. Утв. Госпланом СССР 17.12.79. -М.: Атомиздат, 1980. 16 с.

62. Парнас Ю.А. Методические указания по нормированию расхода топливно-энергетических ресурсов на геологоразведочных работах. М.: ВИЭМС, 1979.-45 с.

63. Полещук Н.Г. Энерговооруженность и производительность труда. М.: Экономика, 1973.

64. Разработка и внедрение методов нормирования расхода нефтепродуктов мобильной сельскохозяйственной техникой. Отчет о научно-исследовательской работе. ВИМ.-М., 1985.

65. Рациональное использование и нормирование удельных расходов электроэнергии: Мат. сем. М.: Атомиздат, 1975. - 215 с.

66. Ребрик Б.М., Некоз С.Ю., Базанов A.JL, Старцев О.И. Эксперименты по прямой оценке обобщенного коэффициента окружных сопротивлений при бурении скважин // Изв. вузов. Геология и разведка. 2000. - №2. - С. 115-117.

67. Рикарцо Г.Р. Быстроходные двигатели внутреннего сгорания. Перевод с английского. -М.: Машгиз, 1960.

68. Рожанский В.А. Исследование механических потерь в двигателе с воспламенением от сжатия: Автореф. дис. канд. техн. наук. Минск, 1952. - 20 с.

69. Румшинский JI.3. Математическая обработка результатов эксперимента. М., 1971.

70. Сальников А.Х., Шевченко JT.A. Нормирование потребления и экономия топливно-энергетических ресурсов. М.: Энергоатомиздат, 1986. - 240 с.

71. Сборник норм основных расходов на геологоразведочные работы. CHOP, вып. 5. Горно-разведочные работы. М., 1993.

72. Сборник норм основных расходов на геологоразведочные работы. CHOP, вып. 5. Геологоразведочное бурение. -М., 1993.

73. Сборник сметных норм на геологоразведочные работы. Вып. 4. Горно-разведочные работы. - М., 1993.

74. Сборник сметных норм на геологоразведочные работы. Вып. 5. Разведочное бурение. - М., 1993.

75. Сергиенко И.А., Пенкевич С.В. Методическое руководство с краткими указаниями к курсовому и дипломному проектированию по разведочному бурению. М.: МГРИ, 1976.

76. Старцев О.И. Динамика системы материальных тел при ударно-вибрационном бурении и зондировании // Тез. докл. IV междунар. конф. «Новые идеи в науках о Земле». М.: МГГА, 1999. - С. 159.

77. Стырикович М.А., Шпильрайн Э.Э. Энергетика. Проблемы и перспективы. -М.: Энергия, 1981.- 193 с.

78. Тайц А.А. Применение математических методов при нормировании удельных расходов электроэнергии в промышленности. Учебное пособие для студентов экономических специальностей. М.: Высш. шк., 1973. - 125 с.

79. Техника и технология высокоскоростного бурения/Г.А. Блинов, Л.Г. Буркин, О.А. Володин и др. М.: Недра, 1982. - 408 с.

80. Технология и техника разведочного бурения / Ф.А. Шамшев, С.Н. Тараканов, Б.Б. Кудряшов и др. М.: Недра, 1973. 495 с.

81. Тиристорные преобразователи частоты в электроприводе/А.Я. Бернштейн, Ю.М. Гусяцкий и др.; под ред. Р.С. Сарбатова. М.: Энергия, 1980. - 327 с.

82. Ханин Н.С. Наддув и нагнетатели автомобильных двигателей. М.: Машгиз, 1965.

83. Храпченков А.С. Судовые вспомогательные и утилизационные котлы. Л.: Судостроение, 1988.

84. Чернухин А.А., Флаксерман Ю.Н. Экономика энергетики СССР. М.: Энергоатомиздат, 1985.

85. Электро- и теплоснабжение геологоразведочных работ / A.M. Лимитовский и др.; под общ. ред. A.M. Лимитовского. -М.: Недра, 1988. 367 с.

86. Энергосбережение. Информационный бюллетень. Энергосбережение -первые шаги. М., АВОК-ПРЕСС, 3-4/1998.

Информация о работе

Старцев, Олег Иванович
кандидата технических наук
Москва, 2006
ВАК 25.00.14

Диссертация

Оптимизация расхода топлива двигателями геологоразведочных самоходных буровых установок - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы