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

66

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

225

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 ―






где vвс ― 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 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,