Том 335, № 11 (2024)
Статьи
Обоснование и реализация метода управления толщиной слоя в процессе ультразвукового распыления
Аннотация
Актуальность исследования обусловлена необходимостью развития и широкого применения для решения актуальных задач современной промышленности ультразвукового способа распыления, обладающего уникальными достоинствами. В частности: минимальными, из всех известных способов, энергозатратами на реализацию процесса, возможностью формирования мелкодисперсных капель без использования газа под давлением, регулирования дисперсности формируемого аэрозоля параметрами излучателя и др. Однако для широкого практического применения ультразвукового способа распыления необходимо обеспечение условий распыления с задаваемой дисперсностью и производительностью. В связи с этим возникает необходимость разработки способа контроля и поддержания необходимой и достаточной толщины слоя жидкости на поверхности пьезоэлектрического преобразователя распылителя, распыление которой обеспечит, при заданной производительности распыления, формирование аэрозоля с наименьшим отклонением размеров формируемых капель относительно среднего значения. Контроль толщины слоя жидкости предложено осуществлять путем выявления зависимости резонансной частоты пьезоэлектрического преобразователя распылителя от толщины пленки жидкости на колеблющейся поверхности распылителя.
Цель: разработка способа и средств контроля толщины слоя распыляемой жидкости по изменению резонансной частоты ультразвуковой колебательной системы и поддержания оптимального значения толщины слоя путем изменения амплитуды колебаний поверхности ультразвукового распылителя.
Объекты: процесс распыления жидкостей ультразвуковыми высокоамплитудными колебаниями.
Методы: получение частотных характеристик ультразвуковых колебательных систем, анализ изменений амплитудно-частотных характеристик колебательных систем и выявление критериев, позволяющих контролировать и управлять процессом ультразвукового распыления.
Результаты. Предложен и разработан способ косвенного контроля толщины слоя распыляемой жидкости на колеблющейся поверхности ультразвукового распылителя, основанный на измерении резонансной частоты ультразвуковой колебательной системы. Возможность реализации способа и его практического применения обусловлена тем, что в рабочем диапазоне толщин слоя распыляемой жидкости изменение резонансной частоты может достигать 100 Гц, и при точности измерения частоты в 1 Гц точность определения толщины слоя составит не более 2 % от рабочей толщины слоя. Выявленные зависимости и определенные значения возможных диапазонов изменений контролируемого параметра позволили впервые разработать способ автоматического управления процессом ультразвукового распыления, обеспечивающий поддержание оптимальных режимов ультразвукового воздействия (амплитуда колебаний распылительной поверхности) и толщины слоя распыляемой жидкости.
7-18
Увеличение наработки насосных установок водопонижающих скважин посредством использования самоочищающихся фильтров
Аннотация
Актуальность. На предприятиях, ведущих открытые горные работы, в системах дренажа широко используются водопонижающие скважины, оборудованные погружными установками электроцентробежных насосов. Значительное содержание частиц механических примесей в откачиваемой скважинной жидкости обусловливает интенсивное гидроабразивное изнашивание рабочих ступеней установок электроцентробежных насосов. Среди существующих методов борьбы с гидроабразивным изнашиванием погружных насосов водопонижающих скважин наиболее простым, рентабельным и эффективным является использование фильтров различных конструкций. Актуальной задачей является увеличение наработки погружных установок электроцентробежных насосов при сокращении времени и затрат на очистку или замену фильтров.
Цель. Обоснование конструкций и параметров работы самоочищающегося фильтра и удлинителя колонны насосно-компрессорных труб, входящих в компоновку установок электроцентробежных насосов водопонижающей скважины.
Методы. Статические расчеты деформации колонны насосно-компрессорных труб и удлинителя колонны насосно-компрессорных труб под действием избыточного давления.
Результаты и выводы. Выполнен анализ процесса функционирования установок электроцентробежных насосов в водопонижающих скважинах карьеров при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом. Выявлено, что основной причиной отказа установок электроцентробежных насосов является гидроабразивный износ рабочих ступеней погружного насоса. Авторами предложен способ повышения наработки установок электроцентробежных насосов в водопонижающих скважинах, осложненных интенсивным выносом частиц механических примесей, посредством применения самоочищающегося фильтра оригинальной конструкции. Отмечено, что перспективным направлением развития привода для самоочищающихся фильтров является использование деформации колонны насосно-компрессорных труб. На основании проведенных расчетов сделан вывод, что небольшие глубины водопонижающих скважин обуславливают недостаточную величину деформации колонны насосно-компрессорных труб для очистки фильтроэлемента. Для увеличения длины возвратно-поступательного перемещения установок электроцентробежных насосов относительно эксплуатационной колонны водопонижающей скважины предложено использование удлинителя колонны насосно-компрессорных труб оригинальной конструкции. Выполнен расчет параметров работы удлинителя колонны насосно-компрессорных труб, который показал возможность обеспечения необходимой величины управляемого возвратно-поступательного перемещения установок электроцентробежных насосов в скважине для восстановления пропускной способности самоочищающегося фильтра.
19-31
Вариации удельного электрического сопротивления как результат проявления природно-техногенных геодинамических процессов в Горловской впадине Алтае-Саянской складчатой области по данным электротомографии
Аннотация
Актуальность. В последнее десятилетие существенно выросла интенсивность разработки Горловского угольного месторождения в Новосибирской области, что приводит к формированию сейсмической активизации недр Горловской впадины в ответ на техногенное воздействие. Начиная с 2019 г. в районе месторождения фиксируются землетрясения с магнитудой более 4, ощутимые в г. Новосибирске и его пригородах. В настоящее время ущерб от природных катастроф стремительно растет. Это обусловлено многими причинами, такими как урбанизация, техногенные изменения геологической среды, возведение объектов повышенного риска, способствующих активизации негативных процессов. Поэтому разработка достоверных научно-обоснованных критериев оценки, прогноза и последствий природных и природно-техногенных опасных явлений является актуальной задачей. Своевременное выявление опасных геологических процессов позволит разработать и реализовать меры по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и природно-техногенного характера.
Цель. Анализ результатов регулярных наблюдений методом электротомографии по профилю, пересекающему разломную зону, на участке исследования в Горловском прогибе для дальнейшей разработки методики измерения и программных средств автоматизированной обработки и инверсии данных мониторинга методом электротомографии.
Методы. Полевые измерения, количественная интерпретация.
Результаты и выводы. Представлены первые результаты регулярных наблюдений методом электротомографии по профилю, пересекающему разломную зону, на участке исследования в Горловском прогибе, полученные при инверсии полевых данных с помощью модернизированного программного комплекса DiInSo. Выявлены вариации геоэлектрических параметров, которые отражают реакцию геологической среды не только на происходящие за период наблюдений землетрясения, но и на техногенные воздействия (взрывы). Кроме того, показано, что величина вариаций зависит от магнитуды землетрясения.
32-43
Анализ влияния оребрения внешней поверхности термостабилизатора на эффективность охлаждения грунта
Аннотация
Актуальность. Строительство зданий и сооружений в условиях вечной мерзлоты сопряжено с проблемой протаивания грунта вследствие тепловой нагрузки от сооружений, что может приводить к разрушению конструкций. Для предотвращения этого явления на практике хорошо зарекомендовали себя термостабилизаторы, успешное применение которых затруднительно без предварительного моделирования тепловых потоков в системе грунт–термостабилизатор. Наиболее эффективной конструкцией пассивного термостабилизатора является установка, в которой хладагент претерпевает фазовый переход первого рода. Дополнительное повышение эффективности использования двухфазного термостабилизатора возможно за счет оребрения внешней поверхности внешней трубы такой установки.
Целью работы является расчёт эффективности использования термостабилизатора с оребрением внешней поверхности и без него.
Объекты: термостабилизатор, хладагент, теплообмен, замороженный грунт.
Методы. Физико-математическая модель для описания процессов тепломассообмена в системе термостабилизатор–промерзший грунт рассматривается в осесимметричной постановке, основана на фундаментальной системе уравнений механики многофазных сред и записывается в односкоростном приближении в стационарном случае. Моделируются две фазы хладагента: жидкость и пар. В качестве хладагента рассматривается углекислый газ. Интенсивность фазового перехода пар–жидкость определяется отношением количества теплоты, поступающего из грунта, к скрытой теплоте фазового перехода. Выделяются три подзадачи: движение жидкого хладагента во внутренней трубе термостабилизатора, естественный двухфазный конвективный поток хладагента в зазоре между внутренней и внешней трубами термостабилизатора и кондуктивный теплообмен в системе термостабилизатор–замороженный грунт. Решение первой подзадачи осуществляется аналитически, решение остальных подзадач проводится с помощью метода Эйлера. Влияние оребрения внешней поверхности термостабилизатора учитывается в рамках модифицированной концепции скин-фактора.
Результаты и выводы. Получены распределения давления и температуры по длине термостабилизатора, а также распределение температуры в грунте в случаях оребренной и неоребренной поверхностей термостабилизатора. Установлено, что наличие оребрения внешней поверхности внешней трубы термостабилизатора увеличивает тепловой поток из грунта на 10 %, что позволяет снизить температуру грунта вблизи поверхности термостабилизатора на 5 К. Определено, что грунт эффективно охлаждается в пределах расстояния 1 м от термостабилизатора; это расстояние рекомендуется в качестве оптимального для размещения соседнего термостабилизатора.
44-53
Современные технологии ремедиации загрязненных тяжелыми металлами донных осадков
Аннотация
Актуальность исследования определяется необходимостью своевременного контроля состояния водных бассейнов и предупреждения их катастрофического загрязнения вследствие процессов обращения с донными осадками.
Цель работы заключается в необходимости обобщения нормативных и опубликованных данных, посвященных проблеме оценки загрязнения донных осадков и применению современных технологий ремедиации отложений, загрязненных тяжелыми металлами.
Результаты и выводы. В работе показано, что наиболее существенные преобразования состава и свойств донных осадков закономерно происходят в условиях наивысшей нагрузки, характерной для исторически промышленно развитых и урбанизированных регионов. Проведен обзор нормативного обеспечения работ по оценке и восстановлению загрязненных донных осадков. Подсвечены пробелы в существующей нормативной базе, применяемой в России, связанные с отсутствием требований к безопасным концентрациям токсичных металлов в донных осадках. Проведены систематизация и анализ применяемых технологий по ремедиации донных осадков. К главным направлениям таких работ относится применение физических, физико-химических, химических и биологических методов восстановления и очистки донных осадков. Реализация перечисленных методов производится как в условиях существующего залегания осадков (in situ), так и с извлечением массива осадка (ex situ). Преимуществом первого варианта является более низкая стоимость производства работ, при этом ремедиация осадков вне водоёма позволяет достичь более высокой степени очистки от тяжелых металлов. Проведенный обзор показал перспективность использования гибридных технологий ремедиации с подбором комплекса методов, отвечающих требованиям к эффективности очистки и экономической целесообразности, а также возможность использования загрязненных осадков для производства товарной продукции.
54-68
Загрязнение атмосферного воздуха отходами разработки Ермаковского флюорит-бериллиевого месторождения
Аннотация
Актуальность исследования обусловлена негативным влиянием отходов горнодобывающих предприятий на экологическое состояние окружающих территорий.
Цель работы заключается в определении миграционной способности токсичных химических элементов от мест хранения отходов разработки Ермаковского бериллиевого месторождения в воздушной среде.
Объектом исследования является Ермаковское флюорит-бертрандит-фенакитовое месторождение и окружающая территория.
Методы: Масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой, лазерная дифракция, атомно-эмиссионная спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой.
Результаты и выводы. Приведены результаты экспериментального исследования загрязнения приземной атмосферы отходами добычи Ермаковского флюорит-бертрандит-фенакитового месторождения с использованием установки для сбора аэрозолей над поверхностью песков. Установлено, что из толщи песков к поверхности вместе с парами воды перемещаются токсичные компоненты, образующиеся при разложении остаточной сульфидной минерализации, и продукты взаимодействия кислых вод с породами. В составе сконденсированной над песками влаги установлены высокие содержания алюминия, железа, марганца, цинка, фосфора. Эти элементы формируют ореол загрязнения атмосферы над отходами добычи и далее воздушными потоками рассеиваются на окружающей территории. В зимний период за счет ветряного рассеивания аэрозолей на обширной территории загрязняется снежный покров. Среди токсичных элементов обнаружены: бериллий, свинец, кадмий, молибден, относящиеся ко второму классу опасности. В твердом остатке снегового покрова установлена тонкая фракция пыли, размер которой менее 10 мкм, что составляет 10 % от общей массы взвешенных веществ. Ореол загрязнения снега токсичными химическими элементами и пылью удаляется от нарушенных земель на несколько километров.
69-86
Пористый заполнитель, разработанный с использованием углесодержащей глины Ангренского месторождения
Аннотация
Актуальность. Одним из путей решения вопросов ресурсо- и энергосбережения является производство и применение пористых заполнителей. Пористые заполнители позволяют получать эффективные легкие бетоны для теплоизоляции, стеновых панелей, монолитных стен и других несущих конструкций, что способствует повышению энергоэффективности, улучшению теплоизоляции, надежности, повышению огнестойкости, морозостойкости и сейсмостойкости зданий, снижению их массы. Поэтому при производстве пористых заполнителей первоочередой задачей является использование отходов промышленности и продуктов их переработки. Решение этих задач с одной стороны приводит к экономии ценного природного сырья, а с другой – к решению экологических задач.
Цель: разработка составов и исследование свойств пористого заполнителя на основе углесодержащей глины Ангренского буроугольного месторождения и бентонитовой глины Навбахорского месторождения.
Объект: углесодержащая глина Ангренсого месторождения бурого угля, бентонитовая глина Навбахорского месторождения и искусственный пористый заполнитель на их основе.
Методы: химический, энергодисперсионный рентгеновский и рентгенофазовый анализы, инфракрасная спектроскопия, сканирующая электронная микроскопия, математическое моделирование и др.
Результаты. Определены химический и минералогический составы использованных глин. Методом математического моделирования разработаны уравнения регрессии, описывающие влияние количества бентонитовой глины в шихте, температуры обжига и времени изотермической выдержки на насыпную плотность и водопоглащение пористого заполнителя. Полученные пористые заполнители с насыпной плотностью от 395 до 690 кг/м3 имеют соответственно прочность при сдавливании в цилиндре от 2,74 до 6,46 МПа. Установлено, что полученные заполнители отвечают требованиям нормативных документов.
87-103
Влияние муссона на распределение зерна отложений вдоль подводного побережья дельты Меконга, Вьетнам
Аннотация
Каждый год прибрежный регион дельты Меконга получает около 50 % от общего объема наносов из реки Меконг, которые в основном концентрируются в сезон юго-западных ветров. Во время сезона северо-восточных муссонов эти прибрежные отложения подвергаются эрозии и переносятся в юго-западном направлении вдоль побережья дельты Меконга. Анализ распределения частиц донных отложений по размерам на поверхности морского дна помогает лучше понять перераспределение донных отложений по прибрежному региону дельты Меконга. Чтобы проиллюстрировать изменения размера частиц наносов на поверхности морского дна между сезонами юго-западных и северо-восточных ветров, мы сосредоточились на анализе среднего размера частиц наносов. Этот параметр широко используется для расчета переноса наносов и составления карт распределения среднего размера частиц наносов по прибрежному региону дельты Меконга. Анализ основан на образцах донных отложений, собранных вдоль прибрежного региона дельты Меконга во время полевых исследований в сезоны юго-западных и северо-восточных муссонов. Результаты показали, что средний размер частиц в сезон северо-восточных ветров (от 0,005 до 0,01 мм) был больше, чем в сезон юго-западных ветров (от 0,01 до 0,05 мм). Изменения в среднем размере частиц и их пространственном распределении более выражены вдоль восточного побережья, особенно от Сок Транга до Баклиу. В то же время средний размер частиц вдоль Западного побережья практически не различается между сезонами. Эти наблюдения указывают на более значительный перенос наносов вдоль восточного побережья во время северо-восточного муссона и предоставляют доказательства переноса наносов с восточного побережья на западное во время муссонных сезонов.
104-111
Высокоэффективная очистка технологического раствора при получении гидроксида лития способом каустификации
Аннотация
Актуальность. Определяется необходимостью разработки высокоэффективных способов очистки технологического раствора от примесных ионов кальция и алюминия для промышленного получения гидроксида лития на АО «Химико-металлургический завод» в городе Красноярске.
Цель. Разработка способов снижения содержания примесных ионов кальция и алюминия в технологическом растворе гидроксида лития после каустификации до концентрации 5–10 мг/л.
Методы. Упаривание и кристаллизация, осаждение коллоидных осадков алюминия и кальция аммиачным буферным раствором, химическое осаждение 8-гидроксихинолином.
Результаты и выводы. Показана эффективность примененных способов очистки технологического раствора гидроксида лития от ионов кальция и алюминия: упаривание с последующей кристаллизацией, осаждение аммиачным буферным раствором, осаждение в виде гидроксихинолятов. Экспериментально установлено, что при использовании способа упаривания с последующей кристаллизацией достигается степень извлечения примесных ионов алюминия Al3+ – 29 %; а ионов кальция Ca2+ – 56 %. При очистке технологического раствора осаждением коллоида гидроксида алюминия аммиачным буферным раствором степень извлечения составила для ионов алюминия Al3+ – 96 %; для ионов кальция Ca2+ – 67 %. Применение метода химического осаждения с использованием 8-гидроксихинолина в щелочном растворе показало степень извлечения ионов алюминия Al3+ – 20 %; а ионов кальция Ca2+ – 76 %. Установлено, что способ с упариванием и кристаллизацией технологического раствора не требует применения специальных реагентов. Способ с использованием аммиачного буферного раствора для удаления примесных ионов кальция и алюминия показал простоту и эффективность. Впервые предложен способ очистки технологического раствора после каустификации с применением водно-щелочного раствора 8-гидроксихинолина, исключающий использование органических, огнеопасных и токсичных растворителей.
112-118
Создание интеллектуальной системы управления для технологических комплексов предприятий алюминиевой промышленности
Аннотация
Актуальность. Алюминиевая промышленность является одной из значимых мировых отраслей и отличается высокой экологической нагрузкой, ресурсоемкостью и энергоемкостью. Для снижения негативного влияния алюминиевого производства ведутся работы по совершенствованию его технологических процессов, нацеленные на повышение доли извлечения алюминия, снижение объемов отходов и снижение энергозатрат. Задача снижения энергоемкости производства решается в том числе за счет внедрения систем управления энергопотреблением. В силу сложности и многосвязности технологических процессов производства алюминия для таких систем управления неэффективно применение традиционных линейных подходов и требуется построение адекватных математических моделей. При этом на уровне производства использование математических моделей, опирающихся на феноменологическое описание протекающих физических процессов, чрезмерно усложняет задачу управления, вследствие чего актуальным является использование интеллектуальных и адаптивных подходов и к построению моделей технологических процессов, и к решению задач оптимального управления энергопотреблением.
Объекты: технологические комплексы предприятий алюминиевой промышленности, обладающие свойствами инерционности, нелинейности и замкнутости; система управления на основе методов искусственного интеллекта. В качестве иллюстрации выбрано производство глинозема.
Цель: разработка моделей, способных адекватно описывать взаимосвязанные процессы, протекающие в рассматриваемых технологических комплексах, а также разработка системы управления, позволяющей решать задачи оптимального управления энергопотреблением.
Методы: для моделирования технологических процессов производства алюминия на основе балансовых уравнений в условиях неопределенности применена теория нечетких множеств, а также метод градиентного спуска для идентификации параметров модели; в задачах оптимизации использован метод генетического алгоритма.
Результаты. Разработаны модель баланса материальных потоков и модель изменения технологических режимов, определяющие энергопотребление технологических комплексов предприятия алюминиевой промышленности с непрерывным инерционным нелинейным замкнутым производством. На базе полученных моделей определены динамические характеристики энергопотребления, а также параметры протекания технологических процессов в зависимости от основных управляемых параметров, что позволяет предсказывать аварийные ситуации. Решена оптимизационная задача управления энергопотреблением непрерывного производства с учетом технологических параметров и стоимостных факторов.
119-132
Реологические свойства водонефтяной эмульсии Арчинского месторождения
Аннотация
Актуальность. Разработка новых способов регулирования реологических свойств водонефтяной эмульсии при помощи тепловых и химических методов позволит уменьшить вязкость продукции добывающих скважин и снизить энергопотребление на перекачку углеводородных смесей.
Цель: определение энергии активации вязкого течения и размеров частиц дисперсной фазы исходной эмульсии нефти Арчинского месторождения и эмульсии с введенным деэмульгатором.
Методы: лабораторные эксперименты по изучению реологических свойств коллоидно-дисперсных систем выполнены на ротационном вискозиметре HAAKE Viscotester iQ.
Результаты. Проведены исследования воздействия химического реагента-деэмульгатора и температурного фактора на вязкость водонефтяной эмульсии Арчинского месторождения. С помощью ротационной вискозиметрии, позволяющей оценить влияние скорости сдвига и температуры среды на динамическую вязкость, показано, что нефть и водонефтяная эмульсия обладают ярко выраженными неньютоновскими свойствами вследствие парафиновой природы исследуемой нефти. Приведены обоснования существующей структуры наночастиц дисперсной фазы исходной нефти и эмульсии. По данным вискозиметрических исследований, используя аналитическое выражение Аррениуса–Френкеля–Эйринга, описывающее зависимость вязкости от температуры и физико-химической природы жидкой системы, рассчитаны величины энергии активации вязкого течения и размеров частиц эмульсии без добавления и с добавкой деэмульгатора. Показано, что введение химического реагента-деэмульгатора в обводненную арчинскую нефть является недостаточным для полного ее обезвоживания. Кроме того, необходимо нагревание эмульсии до температуры выше температуры плавления содержащихся в нефтяной фазе твердых парафинов. Растворение парафиновых агрегатов, входящих в состав бронирующей оболочки глобулы водной фазы эмульсии, сопровождается разрушением структурно-механического барьера, сформированного из высокомолекулярных нефтяных компонентов – асфальтенов, смол и парафинов, что приводит к коалесценции и образованию более крупных капель, которые затем отделяются от нефтяной фазы.
133-141
Вольтамперометрический метод определения гидразина на модифицированном золотыми частицами композитном полимер-углеродном электроде
Аннотация
Актуальность. Гидразин и его производные применяются при получении ингибиторов коррозии, лекарственных препаратов, ядохимикатов, красителей, полимеров, компонентов систем производства и запасания энергии, ракетных топлив. Применение гидразиновых топлив обусловлено их высокой теплотворной способностью и образованием экологически безопасных продуктов окисления (азот, вода). Серьёзным недостатком, ограничивающим широкое применение гидразина, является его высокая токсичность. В связи с этим разработка новых и совершенствование существующих методов определения гидразина и его соединений в объектах окружающей среды, технологических и биологических средах является актуальной задачей.
Цель: установить возможность вольтамперометрического определения гидразина в растворах с использованием композитного полимер-углеродного электрода, модифицированного частицами золота.
Объекты: растворы солей гидразина; водные растворы кислот, щелочей и солей.
Методы: вольтамперометрия постоянного тока, растровая электронная микроскопия, рентгеноспектральный микроанализ, расчетное моделирование ионно-молекулярных равновесий.
Результаты. Окисление гидразина в растворах N2H4×H2SO4+0,1 М KNO3 на композитном полимер-углеродном электроде, модифицированном частицами золота, в условиях вольтамперометрии с линейной разверткой потенциала протекает при потенциалах Е>0,3 В (х. с. э.) с выраженным максимумом тока анодного окисления в области 0,5…0,9 В. Установлено, что замедленной стадией процесса является одноэлектронный перенос; реакция имеет первый порядок по гидразину, является необратимой и контролируется диффузией субстрата к поверхности электрода. По результатам анализа зависимости величины тока окисления гидразина на модифицированном электроде от условий вольтамперометрии (концентрация раствора, скорость развертки потенциалов, рН) предложен метод определения гидразина в растворах. Оптимальными являются следующие условия регистрации вольтамперограмм: деаэрированный азотом фоновый электролит 0,1 М KNO3, рН=5…7, область потенциалов регистрации аналитического сигнала 0,2…1,0 В, скорость развертки потенциала 50 мВ/с. При этих условиях зависимость величины максимума анодного тока окисления от концентрации гидразина описывается линейными регрессионными уравнениями в интервалах 1×10–5…1×10–4 и 1×10–4…1,5×10–3 М N2H4 (предел обнаружения 2,1×10–6 М). По сравнению с известными из литературы электродами использованный в работе модифицированный электрод не требует затратной процедуры приготовления и хранения, по своим аналитическим характеристикам предложенный метод не уступает наиболее высокочувствительным электрохимическим методам определения гидразина.
142-156
О влиянии внешней электрической сети на параметры режима узла нагрузки
Аннотация
Актуальность. Одним из наиболее перспективных способов определения статических характеристик нагрузки по напряжению, отражающих зависимость активной и реактивной мощностей нагрузки от напряжения в узле нагрузки, является пассивный эксперимент, при проведении которого становится заметной реакция внешней по отношению к узлу нагрузки электрической сети. В настоящее время исследовательская задача оценки степени влияния реакции сети на параметры режима до конца не решена, что значительно усложняет процедуру статистической обработки результатов пассивного эксперимента. По этой причине анализ влияния реакции сети на режимные параметры, а также выявление способов уменьшения такого влияния являются актуальными задачами.
Цель. Количественная оценка влияния реакции сети производится с помощью коэффициентов реакции сети по активной и реактивной мощностям, поэтому целью статьи является анализ изменения величины коэффициентов реакции сети в зависимости от параметров схемы и режима, что позволит выявить способы уменьшения влияния реакции сети.
Методы. Для анализа использованы преобразования матрицы Якоби с представлением параметров режима и сетевых элементов в виде комплексных чисел.
Результаты. Получены аналитические выражения, отражающие зависимости коэффициентов реакции сети по активной и реактивной мощностям нагрузки от схемных и режимных параметров в общем случае.
Выводы. На основании полученных аналитических и графических зависимостей определены мероприятия по снижению влияния реакции сети на режимные параметры узла нагрузки, полученные в пассивном эксперименте. Продемонстрировано, что увеличение электрического сопротивления между узлами питания и подключения нагрузки приводит к увеличению влияния реакции сети, как по активной, так и по реактивной мощности. Предложен практический метод расчёта величины реакции сети. Определены дальнейшие направления по повышению точности оценивания влияния реакции сети с использованием текущих параметров электрического режима и схемы.
157-169
Химический и минеральный состав измененного вулканического пепла в углях Харанорского месторождения, Восточная Сибирь
Аннотация
Актуальность. Обусловлена необходимостью оценки роли измененного вулканического пепла на формирование минеральных и геохимических характеристик угленосных отложений. Следы вулканического материала в углях диагностируются преимущественно в виде глинистых горизонтов – тонштейнов. Изучение химического и минерального состава глинистых туфогенных горизонтов и вмещающих углей позволяет ответить на ряд вопросов, касающихся влияния вулканогенного материала на процесс угленакопления. Тонштейны известны в палеозойских, мезозойских и кайнозойских угленосных отложениях. Находки мезозойских тонштейнов имеют сравнительно малую распространенность. В связи с этим Харанорское буроугольное месторождение является уникальным объектом для исследования измененных слоев вулканического пепла в угленосных отложениях мелового возраста.
Цель. Комплексное изучение измененного вулканического пепла в углях мелового возраста Забайкальского края.
Методы. Полевые исследования; минеральный состав изучен методами оптической микроскопии, сканирующей электронной микроскопии, рентгеновской дифрактометрии; химический состав определен методами масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой, атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой, инструментальным нейтронно-активационным анализом.
Результаты и выводы. Представлены данные о минеральном и химическом составе тонштейна в пласте угля Новый-1а раннемелового возраста Харанорского месторождения, расположенного на юго-востоке Восточной Сибири (Россия). Минеральный состав тонштейна представлен каолинитом, кварцем, КПШ. Акцессорные минералы представлены цирконом, ильменитом, монацитом-(Ce), ксенотимом-(Y). Тонштейн характеризуется высокими концентрациями Ga, Nb, Hf, Ta, Hg, Th и U. Наиболее высокие содержания редких элементов-примесей в угле и золе угля пласта Новый-1а приурочены к участкам контакта тонштейна и угля. Самое значительное обогащение данной зоны характерно для РЗЭ, Y, Zr, Hf, Nb, Ta, Th и U. Минералогические и геохимические особенности изученного тонштейна свидетельствуют о его образовании из вулканического пепла щелочного состава.
170-184
Синтез Магнели-фаз в высокоскоростной струе электроразрядной плазмы
Аннотация
Актуальность исследования связана с поиском подходящих для разложения воды и получения водорода фотокаталитических материалов, которые проявляют активность при облучении видимым светом, а также являются доступными, химически стабильными и безопасными. В этой связи выделяется ряд материалов с общей формулой TinO2n-1 (n=2–10), называемых Магнели-фазами. Несмотря на то, что Магнели-фазы проявляют существенно более высокую фотокаталитическую активность в сравнении с традиционными оксидами титана (рутилом, анатазом, брукитом), их практическое применение в настоящий момент крайне затруднено в связи со сложностью их синтеза. Перспективными являются подходы, обеспечивающие хорошо контролируемые условия с возможностью быстрой стабилизации системы, среди которых выделяются плазменные методы синтеза.
Цель: разработка метода синтеза продукта, содержащего Магнели-фазы, в высокоскоростной струе электроразрядной плазмы.
Объекты: дисперсные материалы, полученные в системе Ti-O.
Методы: плазмодинамический синтез, рентгеновская дифрактометрия (рентгенофазовый анализ), сканирующая электронная микроскопия, просвечивающая электронная микроскопия.
Результаты. С использованием высокоскоростной струи электроразрядной плазмы, генерируемой коаксиальным магнитоплазменным ускорителем, проведены экспериментальные исследования по синтезу нестехиометрических оксидов титана в среде углекислого газа. Проведены исследования состава и микроструктуры полученных дисперсных продуктов. Выявлено, что материалы содержат Магнели-фазы TinO2n−1, а также традиционные стехиометрические рутил и анатаз. С точки зрения эффективности получения Магнели-фаз более привлекательным является одноимпульсный режим работы (содержание более 50 %), в то время как эффективность конверсии CO2 выше в многоимпульсном режиме (до 10 % CO2 переходит в CO). Отличительной особенностью синтезированных материалов как на микро-, так и на наноуровне является склонность к формированию частиц с высокой степенью сферичности. Нанофракция продуктов в основном состоит из округлых частиц с размерами до сотен нанометров, из которых к Магнели-фазам в первую очередь относятся наночастицы с характерной высокодефектной кристаллической структурой с дислокационными сдвигами.
185-196
Химический состав природных вод восточного обрамления Сибирской платформы (Предверхоянский прогиб)
Аннотация
Актуальность. Предгорные (краевые, перикратонные) прогибы играют весомую роль в процессах генерации и локализации скоплений углеводородов и являются перспективными нефтегазопоисковыми объектами. Многочисленные исследования подобного рода структур сфокусированы главным образом на геологическом строении, процессах формирования и перспективах нефтегазоносности этих территорий. Вопросы, связанные с геохимией природных вод, либо вовсе не освещены, либо приводятся в крайне ограниченном виде. Изучение на современном аналитическом уровне химического состава природных вод Предверхоянского прогиба позволит оценить гидрогеохимический фон и выявить особенности поведения основных компонентов водной среды в условиях резкой смены тектонической обстановки.
Цель: изучение и выявление особенностей химического состава природных вод в условиях резкой смены тектонической обстановки на примере восточного обрамления Сибирской платформы в зоне ее сочленения с чешуйчато-надвиговыми дислокациям Верхояно-Колымской складчатой зоны.
Методы. Измерения быстроизменяющихся параметров природных вод (pH, Eh, температура) проводились непосредственно в месте отбора проб портативным анализатором HQ-40D фирмы Hach Lange (США). Анализ химического состава вод проводился в проблемной научно-исследовательской лаборатории гидрогеохимии Томского политехнического университета с использованием методов ионной хроматографии на двухканальном безреагентном ионохроматографическом комплексе ICS-5000 с кондуктометрическим детектированием производства компании Dionex-Тhermo Scientific (США). Содержание в исследуемых водах анионов CO32– и HCO3– определялось традиционным для этих показателей методом титриметрии. Определение концентрации Si выполнялось методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой на приборе NeXION 300D, Perkin Elmer (США).
Результаты. Приводится обширный фактический материал о химическом составе природных вод бассейнов рек Томпо, Ляписке, Соболох-Маян (Собопол) во внутренней части Предверхоянского прогиба перед фронтом передовых надвигов западного склона Верхоянского антиклинория. Показаны закономерности распределения основных ионов, выявлены общие черты и различия между исследуемыми участками.
197-209
Подходы к способу гранулирования золы уноса теплоэлектростанций
Аннотация
Актуальность. Исследование направлено на снижение влияния недостатков (пыление) в процессе вовлечения в обращение летучей золы уноса, препятствующих более широкому использованию ценного вторичного сырья в производстве востребованных продуктов. Направление работы соответствует Комплексному плану утилизации отходов угольных электростанций и котельных, утверждённому распоряжением Правительства РФ от 15.06.2022 г. № 1557-р.
Цель. Разработка оптимальной технологии получения гранул из золы уноса Кемеровской ГРЭС с использованием в качестве связующего двух видов веществ аналогичной природы в зависимости от концентрации связующего в водном растворе, времени задержки набора прочности и показателя истираемости.
Объект. Гранулят, или окатыш, из летучей золы уноса на основе связующего: экспериментального алюмосиликатного клея и жидкого натриевого стекла «Диола-53».
Методы. Испытания по определению прочности проводились на гидравлическом прессе по ГОСТ 8929-2020, по определению показателя истираемости крупного заполнителя в полочном барабане – по ГОСТ 9758-2012. Использовали два способа гранулирования золы уноса: 1) одностадийный – гранулирование с использованием рыночного жидкого стекла; 2) двухстадийный – приготовление (варка) алюмосиликатного клея из золы уноса и гранулирование. Получение жидкого алюмосиликатного клея осуществлялось экспериментальным способом в емкости с использованием колбонагревателя и перемешивающего устройства.
Результаты и выводы. Установлены различия по времени задержки набора прочности и показателя истираемости гранул, полученных двумя способами на основе золы уноса Кемеровской ГРЭС при использовании в качестве связующего вещества алюмосиликатного клея и жидкого натриевого стекла «Диола-53». Найдены зависимости времени задержки набора прочности и показателя истираемости гранул от концентрации (доли) водного раствора связующего вещества. Определены удельные затраты на производство гранул для каждого связующего вещества и его доли в водном растворе. Гранулят из золы уноса на основе связующего: экспериментального алюмосиликатного клея и жидкого натриевого стекла «Диола-53», может без пыления транспортироваться любым видом транспорта и служить потенциальным сырьем для производства цемента компонентом в производстве бетонов.
210-218
Математическая модель режима работы системы для одновременно-раздельной эксплуатации скважины
Аннотация
Актуальность. Тенденция развития технологий добычи нефти связана с множеством актуальных тематик. Одним из таких актуальных направлений является технология одновременно-раздельной эксплуатации скважины, в частности, включающей два электроцентробежных насоса и двусторонний погружной электродвигатель. Наличие двух пластов на забое скважины подразумевает подбор оптимальных компоновок, технологических параметров насосов, перекачивающих нефть. Рассматривая процесс добычи из двух независимых пластов в скважине согласно указанной технологии, было установлено, что имеется высокая потребность в подборе корректных параметров установок на этапе проектирования. При отсутствии корректного подбора технологических параметров установок на этапе проектирования дальнейшая эксплуатация скважины с двумя независимыми пластами может быть экономически нецелесообразной, а в некоторых случаях нереализуемой, что обусловлено рядом причин. Во-первых, при отсутствии обеспечения необходимой депрессии на каждый конкретный пласт возможен противоток жидкости, вследствие чего один из насосов не будет участвовать в процессе добычи. Во-вторых, при эксплуатации компоновки, производительность которой значительно превышает производительность (приток жидкости из пласта) скважины, возможен срыв подачи насоса и, как следствие, имеется риск потенциального отказа. В связи с этим крайне актуальной задачей на текущий момент является обеспечение корректного подбора технологических параметров установок электроцентробежных насосов, применяемых в процессе одновременно-раздельной эксплуатации скважин с двумя независимыми пластами.
Цель. Разработка математической модели, позволяющей подобрать оптимальные технологические параметры компоновки, состоящей из двух электроцентробежных насосов и двустороннего погружного электродвигателя, применяемых при одновременно-раздельной эксплуатации скважин с двумя независимыми пластами.
Методы. Методы численного моделирования для анализа режима работы электроцентробежных насосов в условиях добычи нефти из двух независимых пластов.
Результаты и выводы. Получено, что разработанная математическая модель режима работы системы для одновременно-раздельной эксплуатации скважин позволяет оценить потенциал каждого индивидуального подобранного насоса при добыче нефти (в динамике по времени) путём анализа депрессии на каждый отдельный пласт, а также моделирования процесса с учетом потенциального обратного перетока жидкости и срыва подачи.
219-227
Оптимизация реологических характеристик растворов на основе ксантана для обработки промывочной жидкости
Аннотация
Актуальность. В пределах выделенных концентраций ксантана и солей показана оптимизация реологических показателей псевдопластичной жидкости, предназначенной для загущения бурового раствора. Для этого предложено из полной реологической кривой выделение участка разжижения жидкости, по которому определяется параметр нелинейности. Поставленный полный факторный эксперимент позволяет конкретизировать зависимость реологической нелинейности от концентрации ингредиентов. Постановка полного факторного эксперимента дает возможность качественно оценивать различные торговые марки биополимеров. На основе показателей нелинейности предложен показатель оптимизации выносной способности буровых растворов. Используемые параметры приведенной и характеристической вязкостей растворов могут стать качественной и количественной оценкой проектируемых составов буровых растворов. Множественность торговых марок ксантановых камедей предопределяет их качественное разнообразие. Выбор камеди для загущения буровых растворов не формализован. В статье предложен один из вариантов выбора.
Цель. В рамках модели Оствальда де Вейля оценка реологических характеристик водных растворов ксантановой камеди торговой марки DUO-VIS в присутствии хлоридов Na и K при повышенной концентрации ксантана и солей, а также анализ влияния состояния дисперсной фазы раствора-загустителя на его реологические характеристики.
Методы. Инструментальные методы определения параметров буровых растворов по ГОСТ 33213-2014, математическое моделирование с помощью полного факторного эксперимента.
Результаты и выводы. На примере раствора ксантана торговой марки DOU-VIS, используемого в качестве загустителя буровых растворов, показана S-образная форма профилей вязкости растворов ксантановых загустителей. Рассмотрен пример выделения участка кривой вязкости с уменьшающейся вязкостью и аппроксимации его степенной зависимостью. Показано с помощью полного факторного эксперимента влияние биополимера и хлорида калия (в рамках их выделенных концентраций) на параметры степенной зависимости, используемой в качестве аппроксимируемой кривой вязкости. Приведено распределение параметра оптимизации, представляющего собой отношение коэффициента консистенции к показателю нелинейности, в пределах изменения концентраций биополимера и KCl. Показан пример расчета объемной доли макромолекул биополимера в растворе, и представлено применение приведенной и характеристической вязкостей для оценки растворов в масштабе частиц суспензии.
228-236
Разработка наблюдателя угловой скорости ротора и момента сопротивления на валу регулируемого синхронного двигателя с постоянными магнитами, питающегося через длинный кабель
Аннотация
Актуальность. В настоящее время при эксплуатации погружных электродвигателей в установках центробежных электронасосов, находящихся в режиме циклической эксплуатации, наблюдается снижение межремонтного периода погружного оборудования, что связано со снижением периодов откачки нефти до нескольких минут. Вследствие этого происходит кратное увеличение пусковых токов и крутящего момента, что приводит к росту механических нагрузок на вал насоса и появлению резонансных явлений при разгоне электродвигателя, снижающих надежность гидрозащиты. Для решения данных проблем необходим синтез замкнутых систем векторного управления с контролем тока и электромагнитного момента в переходных процессах. В эксплуатации применяются разомкнутые скалярные системы управления электроприводов скважинной добычи нефти, что связано со сложностью получения сигналов обратной связи по угловой скорости ротора и моменту сопротивления на валу средствами погружной телеметрии. Данная проблема обуславливает актуальность и необходимость разработки наблюдателей для оценки угловой скорости и момента сопротивления на валу, учитывающих особенности технологического процесса установок центробежных электронасосов, в частности наличие длинного кабеля для питания погружного электродвигателя на базе синхронной машины с постоянными магнитами.
Цель: разработка наблюдателя полного порядка угловой скорости ротора и момента сопротивления на валу для динамической системы «длинный питающий кабель – синхронный двигатель с постоянными магнитами».
Методы: методы системного анализа и идентификации динамических систем, методы построения наблюдателей Люенбергера, методы математического моделирования динамических систем, электропривода и электрических машин.
Результаты и выводы. Предложена настраиваемая математическая модель наблюдателя полного порядка угловой скорости ротора и момента сопротивления на валу для динамической системы «длинный питающий кабель – синхронный двигатель с постоянными магнитами». Исследована работоспособность наблюдателя при изменяющейся нагрузке на валу, рассогласовании ненулевых начальных условий, отклонении параметров схемы замещения наблюдателя и объекта в диапазоне от –20 до +20 % от номинальных значений.
237-257