Расчет водоотливной установки
Содержание
Введение
. Расчет и выбор насоса
.1 Определение производительности
насосного агрегата
.2 Ориентировочный напор насоса
.3 Выбор типоразмера насоса
. Выбор коллектора
.1 Схемы коллекторов
. Расчет диаметра трубопроводов
.1 Определение толщины стенки труб
.2 Расчет потерь напора в
трубопроводе
.3 Уравнение характеристики
трубопровода
.4 Параметры рабочего режима
. Проверка вакуумметрической высоты
всасывания
. Мощность и выбор двигателя насоса
. Работа установки и ее
экономические показатели
.1 Продолжительность работы
установки
.2 Годовой расход электроэнергии и
КПД установки
Заключение
Исходные данные
Высота подъема воды Нш=180м
Нормальный часовой приток воды в горные
выработки горизонта Qн=120
м3/ч
Максимальный часовой приток воды Qmax=450
м3/ч
Водородный показатель воды pH=7
ед
Срок службы водоотливной установки Т=10 лет
Длина трубопровода Lтр=180м
Введение
В условиях быстрого роста производительности
шахт и рудников, интенсивной механизации добычи полезных ископаемых и перехода
к разработке более глубоких горизонтов горные предприятия испытывают
потребность в высокопроизводительном стационарном оборудовании.
Для шахтного водоотлива используют
многоступенчатые секционные центробежные горизонтальные насосы типов ЦНС и МС с
подачей до 800 м3/ ч и напором до 1000м.
При эксплуатации стационарных установок горных
предприятий возникают условия, которые загрязняют окружающую среду. Они
проявляются в виде загрязнения водоемов шахтными водами, в возникновении шума и
вибраций в компрессорных, вентиляторных и насосных установках.
Одним из главных направлений по предотвращению
загрязнения и истощения водных ресурсов является очистка шахтных вод и переход
на замкнутые системы водоснабжения. Шум, создаваемый рудничными вентиляторами и
компрессорами, как правило, превышает допустимые уровни. В настоящее время
применяют три основных метода уменьшения шума: в самом источнике, на путях его
распространения, архитектурно - строительными и планировочными решениями.
Для повышения эффективности работы стационарные
установки необходимо выбирать на основании технико-экономических расчетов с
учетом конкретных условий горного предприятия.
1. Расчет и выбор насоса
.1 Определение производительности насосного
агрегата
Производительность одного насоса и рабочей
группы насосов определяю расчетом из условия, что суточный максимальный приток
следует откачать не более чем за 20 часов. Расчетную производительность
насосного агрегата определяю по формуле:
Где 
-
максимальный часовой приток воды в шахту, м3/ч
.2 Ориентировочный напор насоса
Ориентировочный напор насоса определяю по
формуле:
Где Нг - геометрическая высота
подъема воды из шахты, м
Значение Нг определяю как расстояние,
измеренное по вертикали от нижнего уровня воды в водосборнике до уровня слива
ее в самотечный коллектор или отводящую канаву на поверхности.
Геометрическую высоты подъема воды определяю по
формуле:
где 
=3
м- ориентировочная высота всасывания, м;
= 1 м- превышение
трубопроводом уровня дневной поверхности, м;
.3 Выбор типоразмера насоса
Для водоотливных установок шахт и глубоких карьеров,
как правило применяют насосы типа ЦНС.
Выбор типоразмера насоса произвожу по графику
рабочих зон (1). По значениям 
и 
принимаю
насос ЦНСК 500-160…800, характеристика которого приведена в табл.1.
Характеристика насоса ЦНСК 500-160…800 Таблица 1
|
Насос
|
Zк, ед
|
Qопт, м3/ч
|
Нк,
м
|
Рабочая
Характеристика м3/ч
|
n, ед
|
n, об/мин
|
Нв.доп
При t=25 с
|
Нк.о,
м
|
|
ЦНСК
500-160…800
|
2-10
|
500
|
80
|
380-640
|
0,73
|
1500
|
4,5
|
Необходимое число рабочих колес определяю по
формуле:
где 
-
напор, создаваемый одним рабочим колесом, м
Принимаю 
Главные водоотливные установки шахт и установки
в капитальных уклонах с притоком более 50 м3/ч должны
оборудоватьсяне менее чем тремя насосными агрегатами: рабочим , резервным и
находящемся в ремонте. При больших притоках применяются группы рабочих насосов.
Число насосов в рабочей группе определяю по
формуле:
Принимаю 
Число насосов в резервной группе 
принимаю
равному числу насосов в рабочей группе и добавляю один насос, находящийся в
ремонте.
Общее количество насосных агрегатов водоотливной
установки принимаю по формуле:
где 
-число
насосов в ремонте;
- число насосов в
резервной группе.
Оптимальный напор насоса нахожу по формуле:
где 
-
число рабочих насосов, ед.;
- тоже что и в
формуле (4).
Напор насоса при нулевой подаче определяю по
формуле:
где -
тоже что и в формуле (7).
Устойчивость режима работы оценивается
выполнением условия:
Условие выполняется.
2. Выбор коллектора
.1 Схемы коллекторов
горнодобывающий
водоотливной насосный трубопровод
Коллектором называется часть напорного
трубопровода, обеспечивающая оперативную коммуникацию всех насосов с
индивидуальными, магистральными и технологическими трубопроводами установки.
Схема коллектора должна обеспечивать необходимый уровень надежности работы
насосной установки и полностью отвечать требованиям ПБ. Схема коллектора
установки в первую очередь зависит от числа напорных трубопроводов и насосных
агрегатов. Чем их больше, тем сложнее требуется коллектор.
Применяю трехтрубный коллектор, т.к выполняется
условие:
Таблица 2Расход трубопроводной арматуры в
коллекторах
|
ny
|
nт
|
За
|
Тр
|
От
|
Зн
|
Рд
|
Пд
|
|
1
|
1
|
1
|
3
|
2
|
5
|
1
|
0
|
ny-
число насосных агрегатов в установке, За- задвижка с автоматическим приводом,
Тр- тройник, От- отвод, Зн- задвижка с ручным приводом, Рд- расходометр, Пд-
переход( диффузор).
3. Расчет диаметра трубопроводов
При расчете трубопровода водоотливной установки
необходимо выбрать оборудование для всасывающего и нагнетательного
трубопроводов и определить их длину из общей протяженности трубопровода.
Принятая схема трубопровода представлена на рис.
Рисунок 1. Схема коллектора насосной установки
-индивидуальный напорный трубопровод, 2 -тройник
для подключения насоса, 3-байпас для сброса воды из коллектора, 4-
магистральный трубопровод.
Длина подводящего или всасывающего трубопровода lвс
(м) равна сумме длин: приемной сетки с клапаном, трех колен, расходометра и
тройника. Длина напорного трубопровода lнаг
(м) равна разнице длин общего Lтр
(м)
и всасывающего lвс
(м) трубопроводов. В арматуру напорного трубопровода lнаг
входят: одна задвижка, один обратный клапан, один тройник и заданное количество
колен заданием курсового проекта.
Оптимальный диаметр напорного трубопровода на
участке lнаг определяю
по формуле:
где 
-
коэффициент зависящий от числа напорных трубопроводов.
Наружный диаметр трубы принимаю равный Dн=0,194м
= 194мм
Для уменьшения гидравлических сопротивлений
диаметр всасывающего трубопровода dвс
(мм) принимаю больше расчетного значения 
,
на 25…50 мм.
.1 Определение толщины стенки труб
Толщина стенки напорного трубопровода
определяется из условия прочности по максимальному давлению воды с учетом его
срока службы и интенсивности износа внутренней и наружной поверхностей.
где 
=1020
кг/м3- плотность воды; 
=9,81 м/с2-
ускорение свободного падения; 
- напор,
создаваемый одним насосом при откачке минимального притока, м.
Расчетную толщину стенки труб определяю из
условия:
где 
-
коэффициент, учитывающий прочностные свойства материала труб;
- наружный диаметр
трубы, м;
- давление в нижней
части трубы, МПа;
- скорость
коррозионного износа наружной поверхности труб, мм/год;
- скорость
коррозионного износа внутренней поверхности труб, мм/год; Т- срок службы
трубопровода, лет
- коэффициент,
учитывающий минусовой допуск толщины стенки.
Толщина стенок труб может быть переменной по
длине трубопровода, возрастая с увеличением давления а направлении от
поверхности к насосу.
Для расчетного расхода скорость воды определяю
по формуле:
Для всасывающего трубопровода
где 
-
нормальный приток, м3; 
-
диаметр всасывающего трубопровода, м.
Для напорного трубопровода
где -тоже
что и в формуле (15)
- диаметр
нагнетательного трубопровода, м;
Коэффициент гидравлического трения в подводящем
трубопроводе определяю по формуле:
Для всасывающего трубопровода
где -
тоже что и в формуле (15).
Для напорного трубопровода
где -тоже
что и в формуле (16).
.2 Расчет потерь напора в трубопроводе
Для определения потерь напора соответственно во
всасывающем и нагнетательном трубопроводах использую формулу Дарси- Вейсбаха:
Для всасывающего трубопровода
где 
-
коэффициент гидравлического трения по длине всасывающего трубопровода;
- суммарная длина
прямолинейных участков всасывающего трубопровода;
- суммарное
количество местных сопротивлений всасывающего трубопровода;
- скорость движения
воды во всасывающем трубопроводе.
Для напорного трубопровода
где 
-
коэффициент гидравлического трения по длине напорного трубопровода; 
-
суммарная длина прямолинейных участков напорного трубопровода; 
-
суммарное количество местных сопротивлений напорного трубопровода; 
-
скорость движения воды во напорного трубопроводе.
.3 Уравнение характеристики трубопровода
Для водоотливных установок горнодобывающих
предприятий уравнение характеристики трубопровода имеет вид:
где R- постоянная
трубопровода.
Для построения характеристики трубопровода
необходимо протабулировать уравнение (22) от 0 до 1,4Q
с шагом 0,2Q и записать данные
в таблицу. Координаты (Hр;
Qр) точки, где
пересекаются характеристики насоса и характеристики трубопровода, являются
параметрами рабочего режима насосной установки.
Таблица 3 Результаты
табулирования уравнения характеристики
|
Параметр
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
|
Q, м3/ч
|
0
|
108
|
216
|
324
|
456
|
540
|
648
|
756
|
184
|
218,4
|
323,9
|
498,9
|
553,9
|
628,9
|
718,9
|
800
|
4. Проверка
вакуумметрической высоты всасывания
Геометрическая высоты всасывания принята hг=
3 м.
Действительную высоту всасывания определяю по
формуле:
где -
высота всасывания, м.
Допустимую высота всасывания беру из условия:
Условие выполняется.
5. Мощность и выбор двигателя насоса
Для обеспечения надежной работы насосного
агрегата в длительном режиме, но не более 20 часов в сутки, следует определить
мощность при возможной наибольшей производительности насоса в данных условиях.
Расчетную мощность двигателя определяю по
формуле:
где 
-
КПД электродвигателя;
- КПД насосной
установки.
Номинальную мощность двигателя, определяю по
формуле:
Принимаю электродвигатель ДАП-14-69-4;
техническая характеристика которого представлена в таблице 4.
Техническая характеристика двигателя ДАП-14-69-4
Таблица 4
|
Двигатель
|
Мощность,
кВт
|
Напряжение,
В
|
n, об/мин
|
КПД,%
|
cosu
|
Mmax/Mnom
|
|
ДАП-14-69-4МУХЛ4
|
2000
|
6000
|
1500
|
96
|
0,86
|
2,2
|
После выбора электродвигателя проверяю запас
мощности:
где 
-номинальная
мощность двигателя, кВт;
- расчетная
мощность двигателя, кВт.
Условие выполняется.
6. Работа установки и ее экономические показатели
.1 Продолжительность работы установки
Продолжительность работы насоса для откачивания
нормального притока, определяю по формуле:
где 
-
производительность насоса в рабочем режиме, м3/ч.
Продолжительность работы насоса для откачивания
максимального притока, определяю по формуле:
где -
производительность насоса в рабочем режиме, м3/ч.
.2 Годовой расход электроэнергии и КПД установки
Годовой расход электроэнергии водоотливной
установки определяю по формуле:
где 
-
производительность насоса в рабочем режиме, м3/ч;
- напор насоса в
рабочем режиме, м;
- продолжительность
работы для откачивания нормального притока, ч;
- число дней в
году с нормальным притоком, сут;
- продолжительность
работы для откачивания максимального притока, ч;
- число дней в году
с максимальным притоком, сут.
- КПД насоса;
- ЕПД электрической
сети.
Годовой приток воды определяю по формуле:
где -
тоже что и в формуле (27)
- тоже что и в
формуле (29)
- тоже что и в
формуле (28)
- тоже что и в
формуле (29)
Удельный расход электроэнергии на 1 м3,
определяю по формуле:
где 
-
годовой расход электроэнергии водоотливной установки, кВт;
- годовой приток
воды, м3.
Режим работы насосной установки считается экономичным,
если на стадии проектирования выполняются оба условия:
где 
-
коэффициент полезного действия насосной установки, ед;
- максимальный
коэффициент полезного действия насосной установки, ед.
где -
тоже что и в формуле, 
- тоже что и в
формуле (30)
- тоже что и в
формуле (30)
Условие выполняется.
Заключение
В ходе курсового проектирования был произведен
расчет водоотливной установки исходя из заданных условий. В качестве насосного
агрегата был выбран насос ЦНСК 500-160…800 и двигатель ДАП-14-69-4МУХЛ4 и
представлены их технические характеристики.
После чего сделал детальный расчет параметров
водоотливной установки и определил ее основные показатели.
Произвел расчет экономических показателей работы
водоотливной установки.