Пневмовакуумные системы разгрузки вагонов

Традиционными системами разгрузки хопперов считаются системы на базе приямков, в которых материал  естественным образом высыпается из нижних разгрузочных люков вагонов в расположенный под путями бункер и далее, с помощью различного типа оборудования, подается на силосный склад.

Однако, вот уже не одно десятилетние, параллельно развиваются системы с пневмовакуумным принципом работы. В таких системах сыпучий материал под действием разрежения отбирается из вагона с помощью осадительной камеры, соединенной с вакуумной откачной установкой. Камера, по сути, является пневмокамерным насосом, загружаемым не гравитационным методом из вышерасположенной емкости, а посредством вакуумирования внутреннего объема. Из осадительной камеры материал подается на склад. Распространены два типа установок: непрерывного и циклического действия, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки.

В установках непрерывного действия материал из осадительной камеры подается на склад с помощью пневмовинтового насоса или роторного питателя.

В установках циклического действия материал из осадительной камеры вытесняется с помощью избыточного давления, которое обеспечивается компрессором, циклически подключаемым к системе вместо вакуумного насоса.

pnevmorazgruz_neprer_deistviya_shema_1pnevmorazgruz_neprer_deistviya_2

Рис.1 Пневморазгрузчик непрерывного действия

Пневмовакуумные системы разгрузки вагонов получили широкое распространение в странах Западной Европы и США. В качестве заборного устройства (устройства, по которому материал под действием разрежения поступает из вагона в камеру пневмовакуумного разгрузчика) могут быть использованы лотки для нижней разгрузки или манипуляторы для верхней разгрузки, а так же гибкие рукава для вагонов-цистерн с возможностью саморазгрузки.

pnevmorazgruz_tsiklit_deistviya_11

Рис.2  Пневморазгрузчик циклического действия

В середине прошлого века в Советском Союзе начали внедряться установки непрерывного действия, которые использовались для разгрузки полувагонов. Они продолжают выпускаться некоторыми заводами до сих пор без существенных изменений. Однако, в нашей стране такие установки не получили широкого распространения в силу ряда причин:

  • крайне неудобное и энергоемкое заборное устройство в виде дистанционно управляемой самоходной тележки с механическим рушителем и пневмовинтовым насосом, пригодной только для работы с полувагонами;
  • невозможность использования заборного устройства для разгрузки хопперов, которые стали основным транспортным средством для доставки сыпучих грузов;
  • применение пневмовинтовых насосов и роторных питателей, которые не могут надежно работать с материалом, имеющим инородные включения (части мелющих тел, куски арматуры, комья слежавшегося материала и т.п.), при попадании которых они выходят из строя;
  • необходимость в частых регламентных работах сложных пневмовинтовых насосов и роторных питателей, подвергающихся постоянному износу при работе с абразивными материалами, такими как цемент, песок, гипс;
  • использование низкобарных водокольцевых или роторно-пластинчатых насосов и компрессоров, не всегда позволяющих обеспечить большую высоту и дальность подачи материала;
  • серьезные эксплуатационные ограничения на применяемые водокольцевые насосы при отрицательных температурах;
  • высокая концентрация паров воды и масла – неизбежное следствие применения водокольцевых и роторно-пластинчатых насосов и компрессоров;
  • постоянный износ трущихся деталей роторно-пластинчатых компрессоров, влекущий за собой необходимость проводить регулярные ремонтно-восстановительные работы с привлечением высококвалифицированных специалистов;
  • отсутствие технических решений, позволяющих эффективно разгружать ж/д хопперы с помощью пневомвакуумных разгрузчиков.

В станах Запада данных проблем удалось избежать по причине широкого внедрения вагонов-цистерн с возможностью саморазгрузки, а так же иной конструкции хопперов, часто оснащаемых патрубком для подсоединения вакуумного откачного материалопровода. Так же, зарубежные хопперы, как правило, имеют очень большие загрузочные люки (а порой и один, на всю длину вагона), которые позволяют эффективно применять манипуляторы для верхней разгрузки вагонов. Кроме того, они имеют иную конструкцию нижних люков, позволяющую просто и герметично подсоединять к ним лотки, располагаемые на рельсах. Существенно и то, что в странах Западной Европы и США действуют более жесткие требования к качеству материалов, что, в купе с более широким распространением пневмовакуумных установок циклического действия, позволило развиваться именно пневматическим системам разгрузки.

Рис.3  Зарубежные откачные системы разгрузки вагонов

В настоящее время в нашей стране иногда можно встретить пневморазгрузчики непрерывного действия. Это, в основном, либо старое отечественно оборудование, либо его копии, подвергшиеся незначительным модернизациям, со всеми присущими этой схеме недостатками.

Однако, можно увидеть примеры использования в разгрузке хопперов и системы циклического действия — это привычные нам автоцементовозы, имеющие функцию самозагрузки. При разгрузке вагонов таким методом, шланг автоцементовоза подается через верхние люки хоппера. Полная разгрузка 60-ти тонного вагона занимает не менее 3-х часов.

tsementovoz_samorazgruz_7

Рис.4  Полуприцеп-цементовоз с функцией самозагрузки

В настоящее время в нашей стране иногда можно встретить пневморазгрузчики непрерывного действия. Это, в основном, либо старое отечественно оборудование, либо его копии, подвергшиеся незначительным модернизациям, со всеми присущими этой схеме недостатками.

Однако, можно увидеть примеры использования в разгрузке хопперов и системы циклического действия — это привычные нам автоцементовозы, имеющие функцию самозагрузки. При разгрузке вагонов таким методом, шланг автоцементовоза подается через верхние люки хоппера. Полная разгрузка 60-ти тонного вагона занимает не менее 3-х часов.

Применение автоцементовозов для разгрузки хопперов — попытка решить проблему логистики на временной площадке или арендованной территории, не имеющей приямка. И эта схема оправдана, но тогда, когда речь идет о малых объемах перевалки и когда загруженный цементовоз, по сути, является потребителем. Производительность такого способа невелика. Например, типичные 30т/ч — это производительность загрузки или выгрузки, но следует учитывать полный цикл перекачки материала и указанные 30 т/ч нужно разделить на два. Кроме того, по своей сути автоцементовоз является автотранспортным средством и не рассчитан на постоянную перекачку больших объемов материала, а так же существенную высоту и дальность подачи. Однако, даже в условиях некрупного склада или узла перевалки может стоять задача обеспечить высокую производительность и возможность подать материал в  высокий силос на удалении 50 метров и более. В таких условиях использование автоцементовоза существенно усложняет процесс перевалки, снижается производительность, растет трудоемкость и стоимость работ.

Общее описание систем пневмовакуумной разгрузки компании НПК «МЕТАЛТЕК»

Компания НПК «МЕТАЛТЕК» давно присутствует на рынке логистики сыпучих материалов и предлагает широкий спектр технологического оборудования, системы автоматики и металлоконструкции. Нами накоплен богатый опыт в организации и изготовлении различных складов инертных и сыпучих материалов, оборудования для растаривания мягких контейнеров, оборудования для пневмотранспорта цемента, узлов разгрузки железнодорожных хопперов. Коллективом Компании построено и модернизировано значительное количество узлов разгрузки хопперов на базе приямка (более 85 объектов), и нам хорошо известны сопутствующие таким работам проблемы, начиная от высоких грунтовых вод и заканчивая сроками реализации и большой стоимостью объекта.

grunt_vody_8

grunt_vody_23

Рис.5  Грунтовые воды – одна из проблем при строительстве приямка

На основании опыта многолетнего общения с заказчиками и анализа сложившейся в России и странах СНГ системы логистики сыпучих материалов руководством ООО НПК «МЕТАЛТЕК» было принято решение начать развивать пневовакуумные системы разгрузки хопперов, как более дешевую и быстрореализуемую альтернативу существующим системам на базе приямков.

Для успешной реализации проекта специалистами Компании были решены проблемы, стоявшие на пути внедрения пневмовакуумных систем разгрузки:

  • принято решение в пользу систем циклического действия, что позволило надежно работать с материалами, имеющими инородные включения, размер которых может достигать до 1/2 сечения материалопровода;
  • применение системы циклического действия снизило энергозатраты ввиду исключения дополнительного энергопотребления пневмовинтовым насосом или роторным питателем;
  • исключен из рассмотрения прежний подход к устройству приемных (заборных) устройств;
  • разработаны новые технические решения, позволяющие разгружать существующие хопперы с помощью пневомвакуумных разгрузчиков, как через нижние, так и через верхние люки.

Специалистами Компании была проведена серьезная научно-исследовательская работа, результатом которой стала регистрация  5-и  патентов и разработка нового  типа оборудования  -пневмовакуумного разгрузчика (далее ПВР). Реализованные в установках подходы базируются на серьезном конструкторском  и производственном опыте коллектива Компании, а так же проверенных временем технологических решениях и известных физических принципах.

ПВР предназначен для выгрузки сыпучих материалов (гипс, цемент, песок, пластиковый гранулят, мука, сода, соль, и др.) из  всех существующих в  РФ типов ж/д вагонов без организации приямка и дальнейшей  их подачи потребителю (склад хранения,  автоцементовозы, технологический  цех, сухогруз и т.п.).  Установки так же могут применяться для разгрузки судов или сбора и перевалки сыпучих материалов на открытых площадках.

ПВР являются набором технологического оборудования, в общем случае включающим:

  • модуль технологический;
  • приемное (заборное) устройство для верхней или нижней разгрузки;
  • модульную компрессорную.

Работа ПВР в целом, и его основной составной части — модуля технологического, основана на принципе пневмотранспортирования сыпучих материалов и их свойстве переноситься потоком воздуха.

Модуль технологический является основным рабочим элементом системы и включает набор технологического оборудования и автоматическую систему управления, обеспечивающие выполнение главного технологического процесса – пневмоперекачки сыпучего материала. Он представлен модификациями, базирующимися на общем наборе типового оборудования и различающимися климатическим исполнением. Модификации изделия отличаются тем, что могут  изготавливаться в полностью закрытом контейнере (исполнение «К») со встроенной системой поддержания температуры или на открытой раме для установки под навесом или в помещениях (исполнение «Р»), а так же иметь варианты, как со встроенным основным технологическим компрессором, так и без него. Кроме того, возможна поставка изделия в виде комплекта технологического оборудования (исполнение «Т»), соответствующего исполнению «Р» для монтажа и соединения в единый агрегат на объекте. Так же компания готова работать по частным техническим заданиям.

Приемное устройство предназначено для забора материала в точке разгрузки (вагон-хоппер, баржа, емкость и т.п.) и его транспортировки к модулю технологическому под воздействием потока воздуха, формируемого встроенными вакуумными насосами.

ООО НПК «МЕТАЛТЕК» предлагает на выбор несколько вариантов приемных устройств:

  • манипуляторы типа МВ на базе консольного крана специального исполнения для верхней разгрузки;
  • манипуляторы типа МВГ на базе гидроманипулятора специального исполнения для верхней разгрузки;
  • лоток стационарный (межшпальное заборное устройство) для нижней разгрузки вагонов-хопперов;
  • лоток подвижный для нижней разгрузки вагонов-хопперов.

Манипуляторы для верхней разгрузки оснащены гибким материалопроводом и соплом с управляемой системой рыхления и аэрации.

Лотки, в зависимости от комплектации, могут оснащаться системой принудительной аэрации сжатым воздухом. Нижняя часть лотка устанавливается на шпалах, в межрельсовом пространстве, таким образом, что вагоны беспрепятственно проходят над ней. При установке вагонов под разгрузку они взаимно позиционируются относительно нижней части лотка, вслед за этим устанавливаются 4 стенки, плотно ограждающие пару люков. После этого можно осуществлять процесс разгрузки.

Для модулей технологических, не оснащенных встроенным основным технологическим компрессором, в качестве источника сжатого воздуха ООО НПК «МЕТАЛТЕК» предлагает использовать  модульную компрессорную.

Для установки модуля технологического и  лотков для нижней разгрузки на объекте не требуется никаких специальных строительно-монтажных работ и согласования РЖД, необходима лишь подготовленная ровная площадка, соответствующая габаритам установки.

Для установки манипуляторов для верхней разгрузки на объекте потребуется организация заглубленного ж/б основания для придания устойчивости устройству при его работе.

Возможна разработка и изготовление ПВР специальных исполнений в зависимости от потребностей заказчика.

Для организации разгрузки ж/д  вагонов-хопперов без приямка НПК «МЕТАЛТЕК» предлагает использовать модули технологические с расчетной производительностью (по цементу) 30 или 90т/ч. Пиковая и средняя производительность изделий зависит от свойств материала, параметров пневмотрассы, квалификации персонала и комплектации пневмовакуумного разгрузчика определенными типами приемных устройств.

tehnolog_modul_pvr_turbotek_12

tehnolog_modul_pvr_turbotek_13

tehnolog_modul_pvr_turbotek_15

Рис.6  Модули технологические производства компании ООО НПК «МЕТАЛТЕК»

Модуль технологический для производительности 90тон/час представляет собой установку со смонтированными на ней вакуумными и компрессорными машинами, пневмокамерными насосами и фильтрами, сконфигурированными в две технологические линии «пневмокамерный насос-фильтр-вакуумный насос» и объединенными между собой системой трубопроводов с затворами, образующих единый комплекс для транспортировки сыпучих материалов посредством потока воздуха. Каждая линия образует независимую пневмотранспортную систему, обеспечивающую забор материала через приемное устройство и его подачу сжатым воздухом, производимым компрессором, потребителю. Обе линии работают в противофазе, обеспечивая непрерывную транспортировку материала.  Вся система функционирует под управлением автоматической системы, синхронизирующей работу всех устройств изделия.

Модуль технологический для производительности 30т/ч представляет собой установку со смонтированными на ней вакуумной и компрессорной машинами, пневмокамерным насосом и фильтром, сконфигурироваными в технологическую линию «пневмокамерный насос-фильтр-вакуумный насос» и объединенными между собой системой трубопроводов с затворами, образующих единый комплекс для транспортировки сыпучих материалов посредством потока воздуха. Линия образует пневмотранспортную систему, обеспечивающую забор материала через приемное устройство и его подачу сжатым воздухом, производимым компрессором, потребителю. Она работает в циклическом режиме, попеременно, то набирая материал во внутренний объем пневмокамерного насоса, то вытесняя его, обеспечивая транспортировку материала.  Вся система функционирует под управлением автоматической системы, синхронизирующей работу всех устройств изделия.

seriynie_pnevmovakuumnye_nasosy_metaltek_16

Рис.7  Осадительные камеры пневмовакуумного разгрузчика – серийные пневмокамерные насосы производства компании ООО НПК «МЕТАЛТЕК»

Сравнение систем пневмовакуумной (бесприямковой) разгрузки хопперов и комплексов разгрузки с приямком

Представленная система разгрузки на базе ПВР по сравнению с типовой разгрузкой в приямок обладает следующими преимуществами:

  • финансовые  затраты на организацию участка разгрузки и перевалки на базе ПВР  до 40% ниже;
  • время ввода участка разгрузки и перевалки цемента в эксплуатацию более чем в 2 раза ниже;
  • время полной окупаемости бизнес-проекта  складского участка перевалки на базе ПВР  в 2 раза меньше ;
  • мобильность, модульность и минимальное количество строительно-монтажных работ, не требуется согласование и разрешения  РЖД.

uchastok_razgruzki_pvr_turbotek_17

Рис.8  Участок разгрузки извести из хопперов без приямка с лотком для нижней выгрузки

Основные сравнительные эксплуатационные показатели приведены в следующей таблице:

Основные
регламентные
работыРасходные
материалы,
периодичность
Узел разгрузки с приямком на один ж/д хопперУзел разгрузки с ПВР90 на один ж/д хоппер
Замена фильтровальных рукавов пневмокамерных насосов (осадительных камер)Фильтровальные рукава аэраторов 4 пневмокамерных насосов
Периодичность 6-12 мес.
Фильтровальные рукава аэраторов 2 осадительных камер
Периодичность 6-12 мес.
Замена фильтровальных рукавов на пневмовакуумных фильтрах системы вакуумированиянетФильтровальные рукава 4 фильтров
Периодичность 12-30 мес.
Замена клапанов-хлопушек насосовЗамена клапанов 4 пневмокамерных насосов
Периодичность 6-12 мес.
нет
Замена уплотнений поворотных затворов материалопроводовЗамена 4 уплотнений
Периодичность 3-6 мес.
Замена 4 уплотнений
Периодичность 3-6 мес.
Замена корпусов, пневмоприводов и заслонок поворотных затворов материалопроводов**Замена корпусов 8 затворов
Периодичность 6-36 мес.
Замена 4 корпусов затворов
Периодичность 6-36 мес.
Замена уплотнений и пневмоприводов поворотных затворов воздушных магистралей**Замена 4 затворов
Периодичность 6-36 мес.
Замена 10 уплотнений затворов
Периодичность 6-36 мес.
Замена картриджей системы подготовки воздухаЗамена 2 картриджей
Периодичность 6-12 мес.
Замена 3 картриджей
Периодичность 6-12 мес.
Регламентные работы с вакуумным насосомнетЗамена масла в редукторе привода кулачков 2х насосов.
Периодичность 6-24 мес.
Восстановительные работы элементов материалопровода4 места на материалопроводах Ду150мм(возможна поставка элементов трубопроводов как сменной части)4 места на материалопроводах Ду200мм(возможна поставка элементов трубопроводов как сменной части)

* — периодичность работ определяется материалом и интенсивностью эксплуатации оборудования.
** — корпус и заслонка поворотного затвора при работе с абразивными материалами подвергается износу наряду с уплотнениями. Ресурс пневмоприводов ограничен и может составлять до 1,5 млн. срабатываний в зависимости от условий работы;
— сравнение приводилось на примере серийного модуля технологического К90.02 и типового приямка с 4 пневмокамерными насосами НПК50 производства ООО НПК «МЕТАЛТЕК».

Существует разница в энергопотреблении двух вариантов разгрузки вагонов. Согласно расчетам, энергопотребление вакуумной магистрали при разгрузке цемента из хопперов с помощью ПВР из лотка с производительностью 90т/ч составит порядка 28 кВт. При подаче цемента из приямка глубиной 6м с той же производительностью, энергопотребление будет около 20кВт. Энергозатраты на дальнейшую транспортировку материала в обоих вариантах одинаковы, поскольку из осадительных камер пневмовакуумного разгрузчика материал подается сжатым воздухом точно так же как и из пневмокамерных насосов, установленных в приямке. Мощность компрессорной, даже для небольшого склада может составить около 100кВт. Таким образом, разница в энергопотреблении двух способов разгрузки в общем балансе является несущественной.

В итоге, по сумме факторов, пневмовакуумные системы разгрузки хопперов без приямка выглядят гораздо привлекательнее приямков. Несколько большие энергозатраты вакуумного метода отбора материала с лихвой компенсируются весомой разницей в капиталовложениях на этапе строительства складского комплекса. Неоспоримое преимущество заключается в возможности оперативной организации мобильных и временных участков разгрузки.

Обеспечение экологических требований при разгрузке пылевидных сыпучих материалов

Пневмовакуумным разгрузчиком, в силу вакуумной откачки материала обеспечивается экологичный (беспылевой) отбор сыпучих материалов.

Очевидно, что при применении в качестве приемного устройства манипулятора пыление невозможно, так как материал начинает перемещаться только под действием вакуума уже непосредственно в материалопроводе, и его унос в атмосферу невозможен. В случае, если производится разгрузка больших открытых бункеров, таких как полувагоны или сухогрузы, при порывах ветра унос материала, конечно же, возможен. Однако, данная проблема в принципе не решается только системой разгрузки, не зависимо от принципа ее работы. В таких случаях требуемая экологичность может быть обеспечена только комплексно при обязательном условии строительства специальных сооружений.

При разгрузке хопперов с применением лотков для нижней разгрузки минимизация выбросов материала в атмосферу – задача, решаемая как конструктивными методами, так и организационными.

lotok_nizhnei_razgruzki_18

lotok_nizhnei_razgruzki_19

Рис.9  Лотки для нижней выгрузки хопперов без приямка производства компании ООО НПК «МЕТАЛТЕК»

Конструктивно, пыление ограничивается благодаря самой конструкции лотка, стенки которого довольно плотно ограждают разгрузочные люки вагона (см. рис.10). Согласно приведенной иллюстрации четыре стенки, очередность установки которых обозначена номерами 1 и 2,  повторяют габариты люков. После установки стенок на них монтируются специальные уголки, обозначенные номерами 3, которые непосредственно примыкают к стенкам вагона, а их резиновые фартуки обеспечивают еще более плотное сопряжение элементов лотка между собой и разгрузочными люками вагона. Таким образом, все щели, через которые может происходить выброс пыли, практически перекрываются.

shema_sborki_lotok_nizhnei_razgruzki_20

Рис.10  Схема сборки стационарного лотка для нижней выгрузки хоппера без приямка. Очередность установки деталей.

Вторая неотъемлемая составляющая беспылевой разгрузки хопперов с помощью лотка – правильная организация работы и управление пневмовакуумным разгрузчиком. Выброс материала вверх и в атмосферу при разгрузке хопперов в приямки, в значительной степени обусловлен движением вытесняемого из бункера воздуха. При применении вакуумного метода отбора материала воздух не вытесняется наружу из замкнутого объема, а вместе с материалом засасывается в материалопровод. Воздух, собственно, является движущей средой для материала и должен постоянно поступать в лоток. Этот приток происходит как через систему аэрации лотка, так и через имеющиеся в сопряжении лотка и люков вагона зазорах. Таким образом, очевидно, что при разгрузке хопперов с помощью вакуумного метода отбора материала неизбежно устанавливается движение воздуха, направленное из атмосферы в зону разгрузки, что, конечно же, препятствует пылению материала.

uzel_razgruzki_tsementa_pvr_turbotek_90_21

Рис.11  Узел разгрузки цемента и извести из хопперов без приямка на базе модулей ПВР90

Для обеспечения требуемого режима работы операторы должны стремиться уровнять скорость поступления материала из вагона в лоток со скоростью засасывания материала пневмовакуумным разгрузчиком. Требуемое соотношение легко достигается степенью открытия разгрузочных люков вагона. С учетом того, что расчетная скорость перекачки материала установкой составляет для цемента 90 тон/час, а время его выгрузки из 60-ти тонного вагона в традиционные приямки от 30 до 90 минут, достижение требуемого уровня экологичности разгрузки является решаемой задачей, что подтверждается на практике.