Расчет водоотливной установки
РАСЧЕТ ГЛАВНОЙ ВОДООТЛИВНОЙ УСТАНОВКИ ШАХТЫ
Исходные данные для расчета:
1. Нормальный суточный приток воды в шахту ― Q>н> = 5600 м3/сут.
2. Максимальный суточный водоприток ― Q>max> = 14800 м3/сут.
3. Глубина шахтного ствола ― Н>ш> = 480 м.
4. Длина трубопровода на поверхности ― L>1> = 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 Т>н> = 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 Q>р> ― 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 D>р> ― расчетный диаметр трубопроводов, м.
1.5. Геодезическая высота подъема воды на поверхность
где Н>вс> = 4÷5 м ― ориентировочная высота всасывания насосов; h>п> = 0,5÷2 м ― высота переподъема воды над поверхностью шахты.
1.6. Расчетная протяженность трубопроводов
— 2 —
где L>вс> = 8÷12 м ― длина всасывающего трубопровода; L>тх> = 15÷20 м ― длина трубопровода в трубном ходке; L>нк> = 20÷30 м ― длина трубопровода в насосной камере водоотливной установки.
1.7. Расчетный напор насосной станции водоотлива
г
де ∑ξ>р> = 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 D>р> ― расчетный диаметр труб, м; σ>в> ― 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 σ>в> = 412 МПа.
2.3. Расчетная толщина стенок труб
где 1,18 ― коэффициент, учитывающий минусовый допуск толщины стенок труб; δ>кн> ― 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 δ>кн> = 0,20 мм/год.
2.4. Выбор труб для нагнетательного става производим по расчетным внутреннему диаметру D>р >= 212 мм и толщине стенки δ>р> =12,4 мм. Для нагнетательного става принимаем трубы с внутренним диаметром D>н> = 217 мм и толщиной стенки δ = 14 мм (табл. 2.1―[Л-1]):
— 3 —
2.5. Для всасывающего трубопровода (D>вс> = D>н> + 25 мм) принимаем трубы с внутренним диаметром D>вс> = 231 мм и минимальной толщиной стенки δ = 7 мм:
2.6. Количество трубопроводов нагнетательного става. Принимаем z>тр> = 2 (рабочий и резервный).
3. Выбор насосов и схемы их соединения
3.1. Выбор насосов производим по расчетным расходу Q>р> = 280 м3/ч и напору Н>р> = 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 ― Q>н> = 300 м3/ч; номинальный напор ― Н>н> = 120÷600 м; максимальный КПД ― 0,71; частота вращения ― п = 1475 об/мин; количество ступеней ― i>ст> = 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 |
|
Н>1>, м |
67 |
68 |
67,5 |
66 |
60 |
48,5 |
|
η, % |
0 |
36 |
59 |
69 |
71 |
66 |
|
Δh>д>, м |
― |
― |
― |
3,2 |
4,0 |
5,8 |
3.3. Расчетное число ступеней насоса —
где Н>1> = 59 м ― напор ступени насоса при расходе, близком к расчетной производительности водоотливной установки. Принимаем i>ст> = 9.
3.4. Количество рабочих насосов и схема их соединения.
Принимаем z>р> = 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 Q>p>>m> = 740 м3/ч. Принимаем z>гр> = 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
z>н> = z>р >+ z>гр> + z>хр> = 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 D>н >= 0,217 м и D>вс> = 0,231 м ― диаметры соответственно нагнетательного и всасывающего трубопроводов.
5.2. Протяженность трубопроводов: а) всасывающего ― L>вс> = 10 м; б) нагнетательного — L>н> = L>р> – L>вс> = 743 – 10 = 733 м.
5.3. Суммы коэффициентов местных гидравлических сопротивлений принимают на основе следующих рекомендаций:
а) на всасывающем трубопроводе — ∑ξ>вс> = 3,7÷7,2;
б) на нагнетательном трубопроводе — ∑ξ>н> = 24÷32.
Принимаем ∑ξ>вс> = 5,15 и ∑ξ>н> = 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 |
|
Н>с>, 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 |
|
Q>нс>, м3/ч |
0 |
75 |
150 |
225 |
300 |
375 |
|
Н>1>, м |
67 |
68 |
67,5 |
66 |
60 |
48,5 |
|
Н>нс>, м |
603 |
612 |
607,5 |
594 |
540 |
436,5 |
|
Н>с>, м |
486 |
490,7 |
495,3 |
507,0 |
523,4 |
544,4 |
|
η, % |
0 |
36 |
59 |
69 |
71 |
66 |
|
Δh>д>, м |
― |
― |
― |
3,2 |
4,0 |
5,8 |
|
Н>вд>, м |
― |
― |
― |
6,51 |
5,71 |
3,91 |
Примечания к таблице:
1. Производительность насосной станции определяется следующим образом
где z>пр> ― количество рабочих насосов в параллельном соединении.
2. Напор насосной станции
где i>c>>т> ― суммарное количество ступеней рабочих насосов.
3. Допустимая вакуумметрическая высота всасывания насосов рассчитывается по формуле
— 6 —
где р>0> ≈ 105 Па ― атмосферное давление; р>п> = 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 ― η>д> = 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 H>0
>― 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 ―
где v>вс> ― скорость воды во всасывающем трубопроводе при действительной подаче:
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 Н>всд> > 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 η>д >= 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 N>м> = 60 сут. ― количество дней в году с максимальным водопритоком; η>эс >= 0,92 ÷ 0,96 ― КПД питающей электрической сети.
8.5. Удельный расход электроэнергии, отнесенный к единице объема откачиваемой воды,
