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 топливопотребленияповышение качества планирования мероприятий по экономии топлива на всех уровнях управленияповышение роли стимулов экономии нефтепродуктовувеличение ответственности потребителей за неэкономное использование нефтепродуктовразработка 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.

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 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;

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 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.

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 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:

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

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:

— 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 производственные 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 1999 г., научной конференции профессорско-преподавательского состава МГГУ в «День Горняка» в 2005 г.- научно-технических советах Навоинского горно-металлургического комбината в 2005 г.- V международной научно-практической конференции «Наука и новейшие технологии при поисках, разведке и разработке месторождений полезных ископаемых» в 2006 г.

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.

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 нагрузкиесли величина 7]м н в характеристике не указана, то ее можно рассчитать по формуле:

GG 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 +.

РТ.

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&bdquo— 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;

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 дизеляf3Xi ~ 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.