Расчет водоотливной установки шахты

Расчет водоотливной установки шахты

РАСЧЕТ ГЛАВНОЙ ВОДООТЛИВНОЙ УСТАНОВКИ ШАХТЫ

Исходные данные для расчета:

. Нормальный суточный приток воды в шахту ― Q_н = 5600 м³/сут.

. Максимальный суточный водоприток ― Q_max = 14800 м³/сут.

. Глубина шахтного ствола ― Н_ш = 480 м.

. Длина трубопровода на поверхности ― L₁ = 210 м.

1. РАСЧЕТ ИСХОДНЫХ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ВЫБОРА ОБОРУДОВАНИЯ ВОДООТЛИВНОЙ УСТАНОВКИ

.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).

.2 Экономически целесообразная скорость движения воды по трубам нагнетательного става

где Q_р ― расчетная производительность водоотливной установки по нормальному суточному водопритоку, м³/ч.

.3 Расчетный диаметр нагнетательного трубопровода

1.4 Расчетный коэффициент линейных гидравлических сопротивлений трубопроводов

где D_р ― расчетный диаметр трубопроводов, м.

.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.

.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.

.7 Расчетный напор насосной станции водоотлива

де ∑ξ_р = 25÷35 ― расчетная сумма коэффициентов местных гидравлических сопротивлений системы трубопроводов.

. РАСЧЕТ И ВЫБОР ТРУБОПРОВОДОВ

.1 Расчетное давление воды в нагнетательном трубном ставе

где ρ = 1020÷1030 кг/м³ ― плотность откачиваемой шахтной воды.

.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.

.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])

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

.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.

.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.

водоотливной установка насосный трубопровод

3.4 Количество рабочих насосов и схема их соединения

Принимаем z_р = 1, так как расчетные напор и расход обеспечиваются одним насосом.

.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 водопритоку Q_pm = 740 м³/ч. Принимаем z_гр = 2.

.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 -

.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

.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.

.2 Протяженность трубопроводов: а) всасывающего ― L_вс = 10 м; б) нагнетательного - L_н = L_р - L_вс = 743 - 10 = 733 м.

.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

где Q ― расход насоса, м³/ч.

Результаты расчета приведены в табл. 2.

Таблица 2

6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ И АНАЛИЗ РАБОЧЕГО РЕЖИМА ВОДООТЛИВНОЙ УСТАНОВКИ

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

Таблица 3

Примечания к таблице:

. Производительность насосной станции определяется следующим образом

где z_пр ― количество рабочих насосов в параллельном соединении.

. Напор насосной станции

где i_cт ― суммарное количество ступеней рабочих насосов.

. Допустимая вакуумметрическая высота всасывания насосов рассчитывается по формуле

где р₀ ≈ 10⁵ Па ― атмосферное давление; р_п = 2337 Па ― давление насыщенных паров воды при температуре t =20°C [12].

.2 Графическое определение рабочего режима водоотливной установки представлено на рис. 1. Рабочий режим водоотливной установки характеризуется следующими параметрами

. Действительная подача насосной станции ― .

. Действительный напор

. КПД при действительном рабочем режиме ― η_д = 0,70.

. Допустимая вакуумметрическая высота всасывания при действительном рабочем режиме

.3 Проверка рабочего режима

.3.1 Обеспечение расчетного расхода

 Условие выполняется.

.3.2 Обеспечение устойчивости рабочего режима

где H₀ ― напор насоса при нулевой подаче.

< 0,9∙603 = 542,7. Условие выполняется

6.3.3 Экономичность рабочего режима -

 Условие выполняется.

.3.4 Отсутствие кавитации при работе насосов ―

где v_вс ― скорость воды во всасывающем трубопроводе при действительной подаче:

Рис. П-1.2. Графическое определение рабочего режима водоотливной установки

7. ДОПУСТИМАЯ ВЫСОТА ВСАСЫВАНИЯ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВСАСЫВАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ НАСОСОВ

.1 Допустимая высота всасывания насосов

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

.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.

.3 Расчетное число машино-часов работы насосов в сутки

а) при откачке нормального притока -

б) при откачке максимального водопритока -

.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.

.5 Удельный расход электроэнергии, отнесенный к единице объема откачиваемой воды