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 ― 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 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

3.3. Расчетное число ступеней насоса —

где Н₁ = 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_pm = 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

6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ И АНАЛИЗ РАБОЧЕГО РЕЖИМА ВОДООТЛИВНОЙ УСТАНОВКИ

6.1. Сводная таблица для графического определения рабочего режима представлена ниже (см. табл. 3).

Таблица 3

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_cт ― суммарное количество ступеней рабочих насосов.

3. Допустимая вакуумметрическая высота всасывания насосов рассчитывается по формуле

— 6 —

где р₀ ≈ 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 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 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; Cosφ = 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,