Расчет водоотливной установки
РАСЧЕТ ГЛАВНОЙ
ВОДООТЛИВНОЙ УСТАНОВКИ ШАХТЫ
Исходные данные для
расчета:
1. Нормальный суточный
приток воды в шахту ― Qн = 5600 м3/сут.
2. Максимальный суточный
водоприток ― Qmax = 14800 м3/сут.
3. Глубина шахтного
ствола ― Нш = 480 м.
4. Длина трубопровода на
поверхности ― L1 = 210 м.
1. РАСЧЕТ ИСХОДНЫХ
ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ВЫБОРА ОБОРУДОВАНИЯ ВОДООТЛИВНОЙ УСТАНОВКИ
1.1. Расчетная
производительность насосной станции главной водоотливной установки шахты:
а) по нормальному
водопритоку ―
б) по максимальному
водопритоку ―
где Тн
= 20 ч/сут ― нормативное число часов для откачки суточных водопритоков
согласно Правилам Безопасности (ПБ).
1.2. Экономически
целесообразная скорость движения воды по трубам нагнетательного става
где Qр ― расчетная производительность водоотливной
установки по нормаль-ному суточному водопритоку, м3/ч.
1.3. Расчетный диаметр
нагнетательного трубопровода
1.4. Расчетный
коэффициент линейных гидравлических сопротивлений трубопроводов
где Dр ― расчетный диаметр трубопроводов, м.
1.5. Геодезическая высота
подъема воды на поверхность
где Нвс
= 4÷5 м ― ориентировочная высота всасывания насосов; hп = 0,5÷2 м ― высота переподъема воды над
поверхностью шахты.
1.6. Расчетная
протяженность трубопроводов
— 2 —
где Lвс = 8÷12 м ― длина
всасывающего трубопровода; Lтх =
15÷20 м ― длина трубопровода в трубном ходке; Lнк = 20÷30 м ― длина
трубопровода в насосной камере водоотливной установки.
1.7. Расчетный напор
насосной станции водоотлива
г
де ∑ξр
= 25÷35 ― расчетная сумма коэффициентов местных гидравлических
сопротивлений системы трубопроводов.
2. РАСЧЕТ И ВЫБОР
ТРУБОПРОВОДОВ
2.1. Расчетное давление
воды в нагнетательном трубном ставе
где ρ =
1020÷1030 кг/м3 ― плотность откачиваемой шахтной воды.
2.2. Минимальная по
условиям прочности толщина стенки труб нагнетательного става
где Dр ― расчетный диаметр труб, м; σв
― временное сопротивление разрыву материала труб, МПа. В соответствии с
данными табл. на стр. 162 [Л-1] принимаем для трубопроводов сталь марки Ст4сп с
временным сопротивлением разрыву σв = 412 МПа.
2.3. Расчетная толщина
стенок труб
где 1,18 ―
коэффициент, учитывающий минусовый допуск толщины стенок труб; δкн
― скорость коррозионного износа внутренней поверхности труб, мм/год; t = 10÷15 лет ― расчетный
срок службы труб.
В соответствии с данными,
приведенными на стр. 162 [Л-1], для кислотных шахтных вод с водородным
показателем рН = 6÷7 скорость коррозионного износа составляет δкн
= 0,20 мм/год.
2.4. Выбор труб для
нагнетательного става производим по расчетным внутреннему диаметру Dр = 212 мм и толщине стенки δр =12,4 мм. Для нагнетательного става принимаем трубы с
внутренним диаметром Dн = 217 мм и толщиной стенки δ = 14 мм (табл. 2.1―[Л-1]):
— 3 —
2.5. Для всасывающего
трубопровода (Dвс = Dн + 25 мм) принимаем трубы с внутренним диаметром Dвс = 231 мм и минимальной толщиной стенки δ = 7 мм:
2.6. Количество
трубопроводов нагнетательного става. Принимаем zтр = 2 (рабочий и резервный).
3. Выбор насосов и
схемы их соединения
3.1. Выбор насосов
производим по расчетным расходу Qр
= 280 м3/ч и напору Нр = 521,7 м с ориентацией на многоступенчатые секционные насосы марки ЦНС. В соответствии с полями
рабочих режимов, представленными на рис. 2.9 [Л-1], принимаем для водоотлива
насос марки ЦНС 300-120…600 со следующей технической характеристикой:
номинальная подача ― Qн = 300 м3/ч;
номинальный напор ― Нн = 120÷600 м; максимальный
КПД ― 0,71; частота вращения ― п = 1475 об/мин; количество
ступеней ― iст = 2÷10.
3.2. Напорная
характеристика ступени насоса марки ЦНС 300-120…600 приведена в табл. 1. (из
табл. 2.4 ― [Л-1]).
Таблица 1
Q, м3/ч
|
0
|
75
|
150
|
225
|
300
|
375
|
Н1, м
|
67
|
68
|
67,5
|
66
|
60
|
48,5
|
η, %
|
0
|
36
|
59
|
69
|
71
|
Δhд, м
|
―
|
―
|
―
|
3,2
|
4,0
|
5,8
|
3.3. Расчетное число
ступеней насоса —
где Н1
= 59 м ― напор ступени насоса при расходе, близком к расчетной производительности
водоотливной установки. Принимаем iст = 9.
3.4. Количество рабочих
насосов и схема их соединения.
Принимаем zр = 1, так как расчетные напор и расход обеспечиваются
одним насосом.
3.5. Количество насосов
горячего резерва назначается из следующих условий: насосы должны быть
однотипными; объем резерва – не менее 100%; суммарная подача насосов рабочих и
горячего резерва должна обеспечивать расчетную производительность водоотливной
установки по максимальному суточному водопротоку Qpm = 740 м3/ч. Принимаем zгр = 2.
3.6. Количество насосов
холодного резерва выбирается из условия, что их суммарная производительность
должна быть не менее 50% от суммарной производительности рабочих насосов. Кроме
того, насосы должны быть однотипными.
Принимаем
z хр = 1.
— 4 —
3.7. Общее количество
насосов на насосной станции водоотлива
zн = zр + zгр + zхр = 1+2+1 = 4.
4. КОММУТАЦИОННАЯ
ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ СХЕМА НАСОСНОЙ СТАНЦИИ ВОДООТЛИВА
Насосы на водоотливной
установке должны быть соединены с трубопроводами таким образом, чтобы любой из
них мог подключаться к любому трубопроводу нагнетательного става. При диаметре
труб нагнетательного става D ≤
300 мм обычно используют типовую коммутационную схему с кольцевым
трубопроводом у потолка насосной камеры и общим приемным зумпфом.
5. РАСЧЕТ НАПОРНОЙ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ВНЕШНЕЙ СЕТИ
5.1. Коэффициенты
линейных гидравлических сопротивлений:
а) нагнетательного
трубопровода ―
б) всасывающего
трубопровода ―
где Dн = 0,217 м и Dвс = 0,231 м ― диаметры соответственно нагнетательного и всасывающего трубопроводов.
5.2. Протяженность
трубопроводов: а) всасывающего ― Lвс = 10 м; б) нагнетательного — Lн = Lр – Lвс = 743 – 10 = 733 м.
5.3. Суммы коэффициентов
местных гидравлических сопротивлений принимают на основе следующих
рекомендаций:
а) на всасывающем
трубопроводе — ∑ξвс = 3,7÷7,2;
б) на нагнетательном
трубопроводе — ∑ξн = 24÷32.
Принимаем ∑ξвс
= 5,15 и ∑ξн = 28,9.
5.6. Обобщенный
коэффициент сопротивления внешней сети
5.7. Расчет напорной
характеристики внешней сети производим по формуле
— 5 —
где Q ― расход насоса, м3/ч.
Результаты расчета
приведены в табл. 2.
Таблица 2
Q, м3/ч
|
0
|
75
|
150
|
225
|
300
|
375
|
Нс, м
|
486
|
490,7
|
495,3
|
507,0
|
523,4
|
544,4
|
6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ И
АНАЛИЗ РАБОЧЕГО РЕЖИМА ВОДООТЛИВНОЙ УСТАНОВКИ
6.1. Сводная таблица для
графического определения рабочего режима представлена ниже (см. табл. 3).
Таблица 3
Q, м3/ч
|
0
|
75
|
150
|
225
|
300
|
375
|
Qнс, м3/ч
|
0
|
75
|
150
|
300
|
375
|
Н1, м
|
67
|
68
|
67,5
|
66
|
60
|
48,5
|
Ннс, м
|
603
|
612
|
607,5
|
594
|
540
|
436,5
|
Нс, м
|
486
|
490,7
|
495,3
|
507,0
|
523,4
|
544,4
|
η, %
|
0
|
36
|
59
|
69
|
71
|
66
|
Δhд, м
|
―
|
―
|
―
|
3,2
|
4,0
|
5,8
|
Нвд, м
|
―
|
―
|
―
|
6,51
|
5,71
|
3,91
|
Примечания к таблице:
1. Производительность
насосной станции определяется следующим образом
где zпр ― количество рабочих насосов в
параллельном соединении.
2. Напор насосной станции
где icт ― суммарное количество ступеней рабочих
насосов.
3. Допустимая
вакуумметрическая высота всасывания насосов рассчитывается по формуле
— 6 —
где р0 ≈
105 Па ― атмосферное давление; рп = 2337 Па
― давление насыщенных паров воды при температуре t =20°C [12].
6.2. Графическое
определение рабочего режима водоотливной установки представлено на рис. 1.
Рабочий режим водоотливной установки характеризуется следующими параметрами:
1. Действительная подача
насосной станции ― .
2. Действительный напор
3. КПД при действительном
рабочем режиме ― ηд = 0,70.
4. Допустимая вакуумметрическая
высота всасывания при действительном рабочем режиме
6.3. Проверка рабочего
режима:
6.3.1 Обеспечение
расчетного расхода ―
Условие
выполняется.
6.3.2. Обеспечение
устойчивости рабочего режима —
где
H0 ― напор насоса при нулевой
подаче.
486 < 0,9∙603 =
542,7. Условие выполняется
6.3.3. Экономичность
рабочего режима —
Условие
выполняется.
6.3.4. Отсутствие
кавитации при работе насосов ―
Условие
не выполняется.
— 7 —
Рис. П-1.2. Графическое определение рабочего
режима водоотливной установки
7. ДОПУСТИМАЯ ВЫСОТА
ВСАСЫВАНИЯ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВСАСЫВАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ НАСОСОВ
7.1. Допустимая высота
всасывания насосов
— 8 —
7.2. Обеспечение
необходимой всасывающей способности насосов при работе без кавитации. Так как Нвсд
> 3,5 м, для обеспечения бескавитационной работы водоотливной установки не
требуется дополнительных технических средств. Достаточно расположить насосные
агрегаты таким образом, чтобы ось вращения находилась на высоте не более 4 м над уровнем воды в водосборнике.
8. ПРИВОД НАСОСОВ И
ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ ВОДООТЛИВНОЙ УСТАНОВКИ
8.1. Расчетная мощность
электропривода насоса
8.2. В соответствии с
табл. 2.10 [Л-1] в качестве привода насосов принимаем электродвигатели марки
ВАО 630 М4 со следующими техническими характеристиками: номинальная мощность N = 800 кВт; синхронная частота
вращения п = 1500 об/мин; напряжение питающего тока V = 6000 В; КПД двигателя ηд
= 0,954; Cos φ = 0,9.
8.3. Расчетное число
машино-часов работы насосов в сутки:
а) при откачке
нормального притока —
б) при откачке
максимального водопритока —
8.4. Годовое потребление
электроэнергии насосным оборудованием водоотливной установки
где Nм = 60 сут. ― количество дней в году с
максимальным водопритоком; ηэс = 0,92 ÷ 0,96 ― КПД
питающей электрической сети.
8.5. Удельный расход
электроэнергии, отнесенный к единице объема откачиваемой воды,