PERFORMANCE DIAGRAMS OF MARINE VACUUM FISH PUMPING UNITS
Authors:
1.
Kaliningrad State Technical University
(Doctor of Technical Sciences, Professor; Professor of the Department of Technosphere Safety and Environmental Engineering )
Kalinigrad, Russian Federation
Kalinigrad, Russian Federation
Type:
Article
Pages:
from 39
to 46
Status:
Published
Received:
23.03.2022
Accepted:
06.01.2023
Published:
23.03.2022
Subject area:
UDK 621.526 Насосы со вспомогательной жидкостью в качестве уплотняющей среды
Language:
Russian
Keywords:
vacuum fish-pumping units, performance diagrams, water-ring compressor machines, level difference, regression models
Funding:
The work was carried out within the framework of the state assignment for R&D
Abstract (English):
The article presents the analysis of performance diagrams of marine vacuum fish-pumping units based on Ocean Master water-ring compressor machines published in the domain by Samson Pumps. The diagrams represent the dependence of the flow rate of the water-fish mixture on the given level difference at different values of the rotor speed for two stages of the plant operation. These experimental dependences are well approximated by 3rd-order polynomials over the entire range of acceptable argument values. The calculation of the values of the adjusted determination indices showed that at a rotor speed of 20 s-1 or more the degree of the polynomial can be reduced to the second power. Contour graphs of the performance of vacuum fish pumping units at each stage of their operation were constructed. The argument values for a given feed can be determined from these graphs. They allowed to set the scope of arguments in which the unit would not work. The formula for the performance of vacuum fish pumping units for the full cycle of operation is obtained on the basis of regression models. The maximal performance of the investigated vacuum fish-pumping units indicated in the technical documentation refers to the individual stages of their operation. The performance for a full cycle of work in real conditions can be 5-10 % of the maximum. The obtained analytical expressions can be used in the practical application of performance diagrams of vacuum fish-pumping units, taking into account the hydraulic head losses in the pipeline.
The article presents the analysis of performance diagrams of marine vacuum fish-pumping units based on Ocean Master water-ring compressor machines published in the domain by Samson Pumps. The diagrams represent the dependence of the flow rate of the water-fish mixture on the given level difference at different values of the rotor speed for two stages of the plant operation. These experimental dependences are well approximated by 3rd-order polynomials over the entire range of acceptable argument values. The calculation of the values of the adjusted determination indices showed that at a rotor speed of 20 s-1 or more the degree of the polynomial can be reduced to the second power. Contour graphs of the performance of vacuum fish pumping units at each stage of their operation were constructed. The argument values for a given feed can be determined from these graphs. They allowed to set the scope of arguments in which the unit would not work. The formula for the performance of vacuum fish pumping units for the full cycle of operation is obtained on the basis of regression models. The maximal performance of the investigated vacuum fish-pumping units indicated in the technical documentation refers to the individual stages of their operation. The performance for a full cycle of work in real conditions can be 5-10 % of the maximum. The obtained analytical expressions can be used in the practical application of performance diagrams of vacuum fish-pumping units, taking into account the hydraulic head losses in the pipeline.
Keywords:
vacuum fish-pumping units, performance diagrams, water-ring compressor machines, level difference, regression models
vacuum fish-pumping units, performance diagrams, water-ring compressor machines, level difference, regression models
Состояние проблемы
Механизация и автоматизация играют важную роль в совершенствовании технологии добычи рыбы, в управлении рыбохозяйственными системами [1, 2]. С этой целью для механизированной выборки улова уже давно используются насосы различных типов, в первую очередь, центробежные рыбонасосы (ЦРН). Центробежные рыбонасосы обладают высокой надежностью, производительностью и энергетической эффективностью [1, 3]. Однако в ЦРН часто наблюдается отрыв жаберных крышек и голов, срыв кожи, причем
с увеличением частоты вращения ротора (ЧВР) механические повреждения возрастают [1]. Поэтому во многих странах ЦРН заменены на осевые рыбонасосы (ОРН) либо вакуумные рыбонасосные установки (ВРУ).
Осевые рыбонасосы повреждают рыбу не многим менее ЦРН. В работе [4] был разработан метод проектирования ОРН, который включает алгоритмы вычислительной гидродинамики и эмпирическую модель повреждаемости рыбы лопастями. Было предложено усовершенствовать конструкцию лопастей рабочего колеса существующего ОРН с целью снижения повреждаемости рыбы при одновременном контроле ее гидродинамических характеристик. Для обеспечения по-ведения потока, благоприятного для транспортировки рыбы, потребуются специальные изменения конструкции. Авторы [4] утверждают, что рабочие характеристики ОРН ухудшились незначительно. Они остались приемлемыми для практического применения ОРН при перекачивании некрупной рыбы, но повреждаемость крупной рыбы в таких ОРН практически не уменьшилась.
Компания Environmental Technologies Inc разработала ВРУ SilkStream [5] на базе водоструйного насоса. В первую очередь такие установки предназначены для перекачивания крупной живой рыбы. Они обеспечивают непрерывный поток водорыбной смеси (ВРС), исключающий стресс и гибель рыбы, как в ВРУ бочечного типа [6]. Вакуумные рыбонасосные установки SilkStream используют
и для механизированной выборки улова. Но они
не всегда могут обеспечить характеристики, необходимые в промысловых условиях, к тому же отличаются весьма низким КПД.
Целый ряд компаний, как российских, так и зарубежных, занимаются производством и совершенствованием ВРУ бочечного типа [5, 7–9]. Их отличительная особенность – работа в два этапа. На первом этапе водокольцевая компрессорная машина (ВКМ) создает разряжение в буферной емкости (бочке), куда всасывается ВРС. На втором этапе ВКМ работает в режиме компрессора и вытесняет ВРС из бочки в трюм судна, предназначенный для хранения рыбы. Таким же образом ВРУ транспортируют ВРС из трюма на береговое предприятие.
В [10, 11] в рамках гидравлического подхода разработан метод расчета производительности ВРУ Q (м3/с), который опирается на моделирование рабочих характеристик ВКМ [12]. Установлено, что величина Q зависит от большого количества факторов, в том числе от высоты всасывания и нагнетания, длины и диаметра трубопровода, ЧВР ВКМ, объема буферной емкости и пр., причем некоторые из значимых факторов можно найти только экспериментально, например коэффициент утечки воздуха из вакуумной системы [13]. Такой подход целесообразен при проектных расчетах ВРУ. В данной статье рассматривается иная ситуация.
Компания Samson Pumps (Дания) [9] в 2019 г. начала размещать в открытом доступе диаграммы производительности вакуумных рыбонасосных систем на базе своих ВКМ серии Ocean Master (ОМ), устанавливаемых на промысловых судах. Технические параметры этих ВРУ приведены
в табл. 1, где Qм – максимальная производитель-ность ВРУ; n1, n2 – минимально и максимально допустимая ЧВР ВКМ соответственно; p1 – минимальное абсолютное давление, которое может создать ВКМ при откачке воздуха; p2 – максимальное абсолютное давление, которое может создать ВКМ на этапе вытеснения; m – масса ВКМ без трубопровода и буферной емкости.
Таблица 1
Table 1
Технические параметры вакуумных рыбонасосных установок на базе
водокольцевой компрессорной машины (ВКМ) серии Ocean Master*
Technical parameters of vacuum fish units based
on ring compressor machine (ВКМ) Ocean Master series
Марка ВКМ Qм, м3/с n1, с–1 n2, с–1 p1, кПа p2, кПа m, кг
ОМ-250 0,086 20 30 15 300 87
ОМ-450 0,133 20 30 15 300 120
ОМ-700 0,233 13,3 30 15 400 217
ОМ-1000 0,306 13,3 30 15 400 253
* Составлено по [9].
На Интернет-ресурсе [9] приведен пример использования ВРУ ОМ на одном из самых больших датских рыболовных судов «Асбьерн» (Asbjørn). Указано, что рефрижераторные емкости судна вместимостью 2 600 м3 ВРС разгружаются в порту с помощью 4-х ВРУ на базе ОМ-1000 за 10–11 ч, что соответствует технологической производительности 0,018 м3/с на одну насосную установку, тогда как указанная в технической документации максимальная производительность ОМ-1000
(см. табл. 1) в 17 раз больше. Причина такого расхождения в том, что в технической документации указывается Qм для условий равенства нулю приведенного перепада высот H = Hс + ΔH, где и статическая (геометрическая) высота подачи Hс,
и гидравлические потери в трубопроводе ΔH равны нулю, что практически нереализуемо. Учесть уменьшение подачи ВРУ из-за роста H призваны полученные экспериментальным путем диаграммы [9], которые имеют вид графиков H-Q отдельно для этапов всасывания и вытеснения ВРУ. Гидравлические потери в трубопроводе сами зависят
от Q и параметров трубопровода, поэтому для корректного применения указанных диаграмм необходимы аналитические зависимости Q = f(H, n).
Цель статьи – с помощью статистических методов проанализировать диаграммы производи-тельности и получить аналитические зависимости среднего расхода ВРС от приведенного перепада высот (ППВ) и ЧВР за полный цикл работы промысловой ВРУ.
Материалы и методы
В качестве исходных данных были использованы диаграммы производительности ВРУ на базе ВКМ ОМ [9]. На рис. 1 и 2 представлены диаграммы ВРУ ОМ-700 и ОМ-1000, фигурными точками показаны экспериментальные данные.
a
б
Рис. 1. Диаграмма производительности ВРУ ОМ-700 при разной ЧВР:
a – на этапе всасывания; б – на этапе вытеснения;
1 – n = 13,3 с–1; 2 – n = 20 с–1; 3 – n = 30 с–1;
фигурные точки – экспериментальные данные [9]; линии – результаты расчета
Fig. 1. Performance diagram of VFU OM-700 at different FVR:
a – at the suction stage; б – at the displacement stage;
1 – n = 13.3 s–1; 2 – n = 20 s–1; 3 – n = 30 s–1;
figure dots are experimental data [9]; lines are the results of calculation
a
б
Рис. 2. Диаграмма производительности ВРУ ОМ-1000 при разной ЧВР:
a – на этапе всасывания; б – на этапе вытеснения; 1 – n = 13,3 с–1; 2 – n = 20 с–1; 3 – n = 30 с–1;
фигурные точки – экспериментальные данные [9]; линии – результаты расчета
Fig. 2. Performance diagram of VFU OM-1000 with different CVR:
a – at the suction stage; б – at the displacement stage; 1 – n = 13.3 s–1; 2 – n = 20 s–1; 3 – n = 30 s–1;
figure dots are experimental data [9]; lines are the results of calculation
Сначала по этим данным были рассчитаны коэффициенты парной корреляции (rQH, rQn) и коэффициент множественной корреляции ρ произ-водительности ВРУ на базе ВКМ серии Ocean Master (табл. 2: этап 1 и этап 2 – это всасывание
и вытеснение).
Таблица 2
Table 2
Коэффициенты корреляции производительности вакуумных рыбонасосных установок на базе ВКМ ОМ
Vacuum fish units based performance correlation coefficients based on RCM OM
Марка ВКМ rQH rQn ρ
Этап 1 Этап 2 Этап 1 Этап 2 Этап 1 Этап 2
ОМ-700 –0,808 –0,767 0,574 0,167 0,924 0,982
ОМ-1000 –0,721 –0,721 0,372 0,308 0,986 0,983
Для расчетного метода необходимо получить аналитические зависимости подачи от ППВ H и ЧВР n.
Запишем многочлен 3-го порядка:
Q = f(H, n) = a0 + a1 H + a2 n + a3 H2 + a4 n2 + a5 H n + a6 H3 + a7 n3 + a8 H2n + a9 n2H. (1)
Коэффициенты многочлена 1-го, 2-го и 3-го по-рядка были определены методом наименьших квадратов в среде Mathcad. Примеры приведены
в табл. 3.
Таблица 3
Table 3
Коэффициенты многочлена 3-го порядка (1)
3rd order polynomial coefficients (1)
Коэффициент Единицы измерения ОМ-700 ОМ-1000
Этап 1 Этап 2 Этап 1 Этап 2
a0 м3/с –0,1184 –0,1270 –0,3570 –0,3686
a1 м2/с –7,309 · 10–3 –2,904 · 10–2 –1,833 · 10–3 –3,105 · 10–2
a2 м3 0,0232 0,0261 0,0595 0,0618
a3 м/с 9,981 · 10–4 2,670 · 10–4 –1,803 · 10–3 1,0142 · 10–3
a4 м3·с –5,817 · 10–4 –8,034 · 10–4 –2,030 · 10–3 –2,127 · 10–3
a5 м2 –1,194 · 10–3 1,287 · 10–3 –1,008 · 10–3 4,491 · 10–4
a6 с–1 1,089 · 10–4 3,847 · 10–6 3,651 · 10–4 –1,384 · 10–5
a7 м3·с2 6,478 · 10–6 1,099 · 10–5 2,632 · 10–5 2,720 ·1 0–5
a8 м –8,757 · 10–5 –1,230 · 10–5 –1,425 · 10–4 –1,941 · 10–6
a9 м2·с –2,630 · 10–5 –1,881 · 10–5 2,591 · 10–5 –1,032 · 10–5
Качество регрессионной модели с двумя независимыми переменными будем оценивать с помощью скорректированного индекса детерминации Rc (см., например, [14]):
;
, (2)
где R – стандартный индекс детерминации;
N – объем выборки; k – количество коэффициентов в многочлене аппроксимации, подлежащих определению. Для многочлена первого порядка k = 3, второго – k = 6, третьего – k = 10.
Результаты и обсуждение
В табл. 4 и 5 приведены рассчитанные по фор-мулам (2) значения скорректированного индекса детерминации (СИД) для многочленов 1-го, 2-го
и 3-го порядка.
Таблица 4
Table 4
Скорректированный индекс детерминации для производительности ВРУ ОМ-700
CID for VFU OM-700 performance
n, с–1 Порядок аппроксимации
1 2 3
Этап 1 Этап 2 Этап 1 Этап 2 Этап 1 Этап 2
13,3 0,732 0,601 0,906 0,689 0,993 0,882
20 0,941 0,920 0,991 0,980 0,997 0,985
25 0,994 0,963 0,995 0,987 0,998 0,990
27,5 0,988 0,982 0,998 0,996 0,998 0,998
30 0,969 0,983 0,999 0,990 0,999 0,999
Таблица 5
Table 5
Скорректированный индекс детерминации для производительности ВРУ ОМ-1000
CID for VFU OM-1000 performance
n, с–1 Порядок аппроксимации
1 2 3
Этап 1 Этап 2 Этап 1 Этап 2 Этап 1 Этап 2
13,3 0,680 0,502 0,955 0,707 0,991 0,880
20 0,943 0,831 0,986 0,966 0,990 0,988
25 0,984 0,815 0,994 0,983 0,997 0,997
27,5 0,965 0,863 0,983 0,987 0,992 0,996
30 0,949 0,850 0,989 0,989 0,997 0,995
В целом значения СИД для Q = f(H, n) на втором этапе работы ВРУ меньше, чем на первом.
С увеличением ЧВР значения СИД растут. Если
n < 20 с–1, то для аппроксимации недостаточно многочлена 2-го порядка, требуется многочлен
3-го порядка. Только в этом случае будет обеспечено выполнение условия СИД > 0,88. Если
n ≥ 20 с–1, это условие будет выполнено уже при линейной аппроксимации, за исключением 2-го этапа ОМ-1000. В последнем случае потребуется параболическая аппроксимация.
Чтобы обеспечить соответствие регрессионной модели (1) экспериментальным данным во всей области допустимых значений аргументов, требуется использовать многочлен 3-го порядка, как на рис. 1 и 2. Если понизить порядок регрессионной модели, то характер поведения линий 1 на указанных рисунках будет заметно отличаться от экспериментальных точек, тогда как линии 2 и 3 изменятся незначительно.
На рис. 3, 4 представлены контурные графики производительности в зависимости от ППВ и ЧВР, рассчитанные по формуле (1) на двух этапах работы ВРУ ОМ-1000: Q1 = f1(H1, n); Q2 = f2(H2, n).
Рис. 3. Контурный график зависимости производительности (м3/с) ВРУ ОМ-1000
от ППВ и ЧВР на первом этапе (всасывания)
Fig. 3. Contour plot of productivity dependence (m3/s) VFU OM-1000
from PPV and CVR at the first stage (suction)
Рис. 4. Контурный график зависимости производительности (м3/с) ВРУ ОМ-1000
от ППВ и ЧВР на втором этапе (вытеснения)
Fig. 4. Contour plot of productivity dependence (m3/s) VRU OM-1000
from PPV and CVR at the second stage (displacement)
При заданной величине ППВ по графикам мож-но определить ЧВР, обеспечивающую необходимую производительность ВРУ. Так, если на первом этапе H1 = 2 м, чтобы производительность была 0,25 м3/с, ВКМ должна работать в режиме вакуумного насоса с ЧВР 27 с–1. При значениях переменных из закрашенной области установка работать не будет. Например, на втором этапе при H2 = 27 м, n = 22 с–1 производительность ВРУ ОМ-1000 упадет почти до нуля. Для работы установки при указанном значении ППВ необходимо увеличить ЧВР.
Промысловиков интересует производительность ВРУ за весь цикл работы.
Пусть объем буферной емкости, который наполняется ВРС, равен V. Продолжительность первого этапа работы ВРУ будет t1 = V/Q1, второго –
t2 = V/Q2. Длительность полного цикла работы ВРУ t = t1 + t2. Тогда производительность за полный цикл может быть найдена по формуле
. (3)
На рис. 5 представлены результаты расчета по формуле (3) при фиксированном значении ЧВР
(n = 27,5 с–1).
Рис. 5. Контурный график производительности (м3/с) ВРУ ОМ-1000
за полный цикл работы при n = 27,5 с–1
Fig. 5. Contour plot of VFU OM-1000 productivity (m3/s)
for a full working cycle at n = 27.5 s–1
Даже если задать идеальные условия H1 = H2 = 0, производительность за цикл работы ВРУ ОМ-1000 будет примерно в 2 раза меньше, чем значение, указанное в технической документации [9] Qм = 0,306 м3/с (см. табл. 1). В реальных условиях производительность уменьшится многократно. Приведенная
в начале статьи производительность ВРУ ОМ-1000 на судне «Асбьерн» 0,018 м3/с по рис. 5 при H1 ≤ 4 м соответствует H2 приблизительно 26 м. Не следует удивляться такому большому значению H2. Кроме перепада уровней оно включает и гидравлические потери напора ΔH в нагнетательном трубопроводе, который при транспортировке улова на берег может быть достаточно протяженным.
Заметим, что для использования диаграмм производительности необходима гидравлическая характеристика трубопровода, как всасывающего, так и нагнетательного: ΔH1 = φ1(Q1), ΔH2 = φ2(Q2). Для определения производительности на каждом этапе требуется решить нелинейное алгебраическое уравнение. Например, на втором этапе такое уравнение для Q2 имеет вид
.
Но это уже тема отдельной работы.
Заключение
Выполнен анализ размещенных компанией Samson Pumps в открытом доступе диаграмм производительности судовых ВРУ на базе ВКМ Ocean Master. Диаграммы представляют собой зависимости расхода водорыбной смеси от ППВ при различных значениях ЧВР для двух этапов работы ВРУ. Эти экспериментальные зависимости хорошо аппроксимируются многочленами 3-го порядка во всей области допустимых значений аргументов. Расчет значений скорректированных индексов детерминации показал, что при n ≥ 20 с–1 степень многочлена можно понизить до второй.
Построены контурные графики производительности ВРУ на каждом из этапов. По этим графикам можно определить область аргументов для задан-ной подачи. Они позволили установить область аргументов, в которых ВРУ не будет работать. На основе регрессионных моделей получена формула для производительности ВРУ за полный цикл работы. Установлено, что наибольшая производи-тельность ВРУ ОМ, указанная в технической документации Qм, относится к отдельным этапам работы ВРУ в идеальных условиях. В реальных условиях производительность за полный цикл работы ВРУ может составлять 5–10 % от Qм. Полученные аналитические выражения могут быть использованы при практическом применении диа-грамм производительности ВРУ с учетом гидравлических потерь напора в трубопроводе.
1. Mel'nikov V. N. Ustroystvo orudiy lova i tehnologiya dobychi ryby: ucheb. posobie. M.: Agropromizdat, 1991. 384 s.
2. Bozhko A. P., Pogozhev O. A., Mel'nikov A. V. Sposoby upravleniya elementami rybohozyaystvennyh sistem i rybohozyaystvennymi processami // Vestn. Astrahan. gos. tehn. un-ta. Ser.: Rybnoe hozyaystvo. 2018. № 1. S. 84–89.
3. Taran V. E. Gidromehanizaciya promyslovyh sudov // Rybolovstvo – akvakul'tura: materialy III Mezhdunar. nauch.-tehn. konf. (Vladivostok, 18–20 aprelya 2017 g.). Vladivostok: Izd-vo Dal'rybvtuz, 2017. S. 19–24.
4. Pan Q., Shi W. D., Zhang D. S., van Esch B. P. M. et al. Fish-friendly design of an axial flow pump impeller based on a blade strike model // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Power and Energy. 2020. V. 234. N. 2. P. 173–186.
5. Silkstream. URL: https://www.transvac.com/silkstream (data obrascheniya: 15.04.2021).
6. Kudakaev V. V., Karpelev T. P., Boycov A. N. Avtomatizirovannye gidravlicheskie sistemy transportirovki ryby iz orudiy lova rybonasosami // Izv. TINRO. 2016. T. 186. S. 207–213.
7. OOO «AgroBaltProekt». URL: http://www.agro-balt.ru/ (data obrascheniya: 10.04.2021).
8. Kolesnikov P. Avtomatizirovannaya ustanovka dlya transportirovki ryby // Avtomatizaciya i proizvodstvo. 2020. № 2. S. 18–19.
9. Samson Pumps. Ocean Master Series. URL: www.samson-pumps.com/applications/ocean-master-series/ (data obrascheniya: 15.04.2021).
10. Naumov V. A., Velikanov N. L. Etapy raboty vakuumnoy rybonasosnoy ustanovki // Rybnoe hozyaystvo. 2020. № 2. S. 108–112.
11. Naumov V. A., Velikanov N. L., Zemlyanov A. A. Proizvoditel'nost' vakuumnyh rybonasosnyh ustanovok bol'shoy moschnosti // Rybnoe hozyaystvo. 2020. № 4. S. 119–123.
12. Velikanov N. L., Naumov V. A. Modelirovanie harakteristik vodokol'cevyh vakuumnyh nasosov // Izv. vuzov. Mashinostroenie. 2019. № 10. S. 70–77.
13. Naumov V. A. Influence of leakage on characteristics of the vacuum transport unit based on the water-ring pump // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2020. 862 032007.
14. Ayvazyan S. A., Mhitaryan V. S. Prikladnaya statistika. Osnovy ekonometriki: ucheb: v 2-h t. M.: YuNITI-DANA, 2001. T. 1. 656 s.
