Проектування водовідливної установки шахти

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ, НАУКИ, МОЛОДІ І СПОРТУ УКРАЇНИ

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

КРАСНОАРМІЙСЬКИЙ ІНДУСТРІАЛЬНИЙ ІНСТИТУТ

Кафедра "Інженерної механіки"

КОНТРОЛЬНА РОБОТА

з дисципліни:

"Водовідливні та вентиляторні установки гірничих підприємств”

Виконав Д.Г. Дьяченко

ст. гр. ЕМК-11пк

Перевірив Є.А. Триллєр

доц., к. т. н.

Зміст

Розрахунок головної водовідливної установки шахти

1. Розрахунок вихідних параметрів

2. Вибір типу насоса і кількості робочих коліс

3. Розрахунок внутрішнього діаметра трубопроводу

4. Визначення товщини стінки напірного трубопроводу

5. Визначення робочого режиму насосної установки

6. Розрахунок допустимої висоти всмоктування насоса

7. Вибір приводних двигунів насосів і пускової апаратури

8. Визначення кількості насосів

9. Визначення параметрів водозбірника та попереднього відстійника

10. Техніко-економічні показники роботи водовідливної установки

Розрахунок головної водовідливної установки шахти

Вихідні дані для розрахунку:

нормальний добовий приплив Q_н = 8500 м³/добу;

максимальний добовий приплив Q_max = 9000 м³/добу;

глибина шахтного ствола Н_ш = 630 м;

водневий показник шахтної води рН = 7;

щільність шахтної води ρ = 1015 кг/м³;

температура шахтної води t = 15ºC;

середньорічна тривалість максимального припливу води n_max = 55 діб.

1. Розрахунок вихідних параметрів

Для надійності відкачки води з шахти подача кожного насоса (або кількох одночасно працюючих насосів) повинна забезпечувати відкачку максимального добового припливу не більше ніж за 20 годин. Тому розрахункова подача насоса повинна бути не меншою за:

 м³/год.

У розрахунках приймаємо орієнтовну геометричну висоту всмоктування насосів h_в = 3 м, заглиблення напірного трубопроводу під рівнем поверхні землі (трубопровід заглиблюють для виключення його замерзання), h_п = 2 м.

Геометрична висота підйому води

=630+ 3 - 2 =631м.

Приймаємо довжину всмоктуючого трубопроводу, = 17 м, довжину труб у похилому хіднику, = 20 м, довжину труб у насосній камері, = 22м, довжину труб на поверхні від ствола до місця зливу  = 170м.

Загальна протяжність трубопроводів:

 м.

2. Вибір типу насоса і кількості робочих коліс

Вибір типу насоса по розрахунковому мінімальному поданню виконаємо по приведених в додатку Б графічним характеристикам насосів. Один насос або дещо одночасно працюючих завжди повинні створювати подання велику або рівну значенню мінімально розрахунковому поданню при відкачуванні максимального припливу води. У даному випадку відкачування води може здійснювати два насоса ЦНСШ-300-140….720 оскільки їхнє номінальне подання більше значення мінімально розрахунковому поданню (300>225). Вважатимемо, що по поданню вибраний насос та їх кількість проходить.

Для вибору насоса за номінальним напором та визначення кількості робочих коліс насоса використовуємо залежності:

У відповідності до визначених умов вибираємо насос НСШ-320-144….720, який містить 9 робочих коліс.

Перевірка на стійкість роботи насоса

=0,95·75·9=641,25

Оскільки6331 <641,25 умова стійкості роботи насоса виконується

3. Розрахунок внутрішнього діаметра трубопроводу

Внутрішній діаметр трубопроводу у першому наближенні визначиться по залежності:

, (1)

де  розрахунковий внутрішній діаметр нагнітального трубопроводу;

номінальне подання вибраного насоса, м³/год;

оптимальна швидкість води в трубопроводі, м/с.

Оптимальна швидкість води в трубопроводі визначається за методикою, розробленою науково-дослідним галузевим інститутом ИГТМ ім.М. М. Федорова, суть якої зводиться знаходити оптимальну швидкість води по відносному припливу води і глибині шахти [3]. Значення оптимальних швидкостей визначається за даними таблиці 1.

Таблиця 1 - Значення оптимальних швидкостей води в нагнітальних трубопроводах головних водовідливів вугільних шахти

відносний приплив, значення якого визначається по залежності

де  середній годинний приплив води в шахту за рік, значення якого визначається по рівнянню:

 м³/ч

водовідливна установка шахта насос

По розрахунковому значенню відносного припливу і за даними таблиці 1 приймаємо швидкість води в трубі, рівній 2,7 м/с. Підставляючи значення швидкості в початкове рівняння (1) розрахункового внутрішнього нагнітального трубопроводу, отримаємо:

 м

Для водовідливного трубопроводу приймаємо сталеві безшовні гарячекатані труби зовнішнім діаметром 299 мм по ГОСТ 8732-78, виготовлені із сталі СТ4сп. з тимчасовим опір розриву, рівним 420 МПа

Щоб визначити товщину стінки вибраного трубопроводу зовнішнім діаметром 299 мм, зробимо розрахунок на міцність трубопроводу з урахуванням корозійного зносу труби за час експлуатації. Розрахунок товщини стінки трубопроводу здійснимий за технологічною схемою водовідливу.

4. Визначення товщини стінки напірного трубопроводу

Розрахунковий максимальний тиск води у нагнітальному трубопроводі:

, (2)

де  - еквівалентна довжина всіх місцевих опорів, яка визначається за формулою:

, (3)

де  діаметр i - го трубопроводу, на якому розташовані місцеві опори;

 - сума коефіцієнтів місцевих опорів трубопроводу, яка залежить від вибраної комутаційної схеми водовідливної установки та від внутрішнього діаметра трубопроводу d (см. Рис Є1). У даному випадку сума коефіцієнтів місцевих опорів визначиться за виразом:

,  (4)

де  - коефіцієнт гідравлічного опору відповідно колекторного і нагнітального трубопроводів. До прийнятої гідравлічної схеми коефіцієнти опору визначається за формулою:

=

(1,4+0,03+1,2+0,06+2,2+0,1+0,05+0,21) +1,0+1,0++1,0 =

= 5,32+3,77.

де ξ_зк - коефіцієнт опору зворотного клапана (таблиця Г.1).

Таблиця Г.1 - Значення коефіцієнту опору зворотного клапана

ξ_з - коефіцієнт опору повністю відкритої засувки, для засувки Лудло це значення дорівнює ξ_з = 0,05 (див. довідкові дані, приведені в додатку Г методичних вказівок).

,  - коефіцієнти опору колін (відведень) при повороті потоку на кут α₁ та кут α₂ відповідно.

У шахтних трубопроводах найчастіше використовують зварні коліна, що складаються з п'яти-шести ділянок. У цьому разі

, (5)

(d_н/R_з) = 0,8 ÷ 1,0, α₁ = 25 ÷ 30°, α₂ = 65 ÷ 60°.

Коефіцієнт місцевого опорів 1-го повороту (відведення) складе:

Коефіцієнт місцевого опорів 2-го повороту (відведення) складе:

 - коефіцієнт опору трійника при вході потоку у відгалуження, без бічного потоку, = 2.2.

 - коефіцієнт опору трійника при вході потоку у відгалуження, з бічним потоком, витрата якого дорівнює номінальному поданню вибраного насоса. У наведеному прикладі бічного потоку немає, оскільки кожен насос працює на свій трубопровід, тому .

коефіцієнт місцевого опору плавного повороту трубопроводу на 90°, по старій термінології коліна, по новій - відведення, рекомендується приймати рівним =1,0.

 коефіцієнт місцевого опору виходу з труби, значення якого рівне .

коефіцієнт місцевого опору зварного стикового з'єднання, значення якого можна набути, рівним , незалежно від діаметру трубопроводу.

λ - коефіцієнт Дарсі, який розраховується за формулою Ф.А. Шевелєва для сталевих і чавунних труб:

λ = 0,021 d - ^0,3, (6)

Підставляючи орієнтовні значення внутрішніх діаметрів обв'язувального і нагнітального трубопроводів при товщині стінки в 10 мм, отримаємо значення коефіцієнтів Дарсі:

,.

- гідравлічний уклон, значення якого приймають 0,05.- прискорення вільного падіння, приймається g = 9,81 м/с².

Підставляючи данні у вираз (2), отримаємо:

2,25 МПа

У відповідності до ДГСТ 3845-75 мінімальна товщина стінки труби визначається за формулою:

, (7)

де

 - тимчасовий опір розриву, визначаємо за таблицею 2 МУ.

Визначаємо мінімальну товщину стінки труби:

 м = 0,95мм.

Зважаючи на умови експлуатації трубопроводу, приймаємо середньорічну швидкість корозійного зношування зовнішньої поверхні стальної труби в нейтральній атмосфері - δ_кз. = 0,25 мм/рік; середньорічну швидкість корозійного зношування внутрішньої поверхні стальної труби у відповідності з показником рН=5 приймаємо дорівнюючим δ_кв = 0,1 мм/рік; середній термін роботи трубопроводу - τ = 12 років; коефіцієнт, що враховує мінусовий допуск товщини стінки - К_д = 15%. Із урахуванням корозійного зношування зовнішньої та внутрішньої поверхонь труб початкова розрахункова товщина їх стінок повинна бути:

=

 мм = 2,71 ∙ 10^-3 м.

Розрахунковий зовнішній діаметр трубопроводу:

_зр = d + 2δ = 0,112 + 2 ∙ 2,71 ∙ 10^-3 = 0,117 м.

Округлюючи отримане значення d_зр до найближчого стандартного значення (в даному випадку (Ø 121 мм), приймаємо стандартний зовнішній діаметр труб напірного трубопроводу d_нз та стандартне значення товщини стінки, орієнтуючись на значення δ_н (додаток Г): d_нз = 0,121 мм, δ_н = 7∙10^-3 м.

За величинами d_нз і δ_н визначаємо внутрішній діаметр напірного трубопроводу:

_н = d_нз - 2δ_н, = 0,121 - 2 ∙ 7∙10^-3 = 0,107 м.

Остаточно приймаємо:

_нз = 0,121 мм, δ_н = 7∙10^-3 м d_н = 0,107 м,

При проектуванні установки важливо забезпечити мінімальний гідравлічний опір всмоктувального трубопроводу, що суттєво зменшить ймовірність появи кавітації при роботі насоса. Внутрішній діаметр всмоктувального трубопроводу приймаємо на 25÷50 мм більшим за внутрішній діаметр напірного трубопроводу, при товщині стінки не меншій за товщину стінки напірного трубопроводу: d_вс = 0,140 м, d_{вс з} = 0,124 м, δ_вс = 8∙10^-3 м.

В якості трубопроводів обв'язки приймаємо стальний трубопровід за ДОСТ 8732-78 зовнішнім і внутрішніми діаметрами 108 мм та 102 мм відповідно:

_к = 0,94 м, d_{к з} = 0,88 м, δ_вс = 7∙10^-3 м.

5. Визначення робочого режиму насосної установки

Для визначення робочого режиму насоса зазвичай використовують графоаналітичний метод. Спочатку розрахунковим шляхом отримують рівняння напірної характеристики насоса, а потім в однаковому масштабі будують напірну характеристику насоса і мережі. Точка перетину вказаних характеристик характеризує робочий режим насоса.

Рівняння напірної характеристики трубопроводу має вигляд:

, (8)

де  - опір трубопровідної системи водовідливної установки, включаючи всмоктуючий, нагнітальний і колекторні трубопроводи обв'язування насосів в насосній камері.

Уточнюємо значення гідравлічного опору трубопроводу а у відповідності з вибраними діаметрами трубопроводів:

Коефіцієнти Дарсі трубопроводів всмоктуючого, нагнітального та обв'язки насосних агрегатів у насосній камері:

,

,

.

 - коефіцієнт гідравлічного опору всмоктувального трубопроводу, відповідно до прийнятої гідравлічної схеми коефіцієнт опору визначається за формулою:

,

де ξ_пк - коефіцієнт опору приймального клапана із захисною сіткою, який в залежності від діаметра трубопроводу d_вс визначається за таблицею Г.2. Так как в указанной таблице трубопровода диаметром 124 мм нет, выполним интерполяцию:

Таблиця Г.2 - Значення коефіцієнту опору приймального клапана з сіткою

к_вс - кількість колін всмоктувального трубопроводу, що повертають потік на 90°. Суми коефіцієнтів місцевих опорів, що відносяться відповідно до трубопроводу всмоктуючого, нагнітального та обв'язки насосних агрегатів у насосній камері (приймаються за реальною схемою або за додатком Г)

Σξ_вс=3,77, Σξ_н=5,6, Σξ_к=6,72.

Рівняння напірної характеристики трубопроводу набуде вигляду:

,

Розрахунки для графічної будови характеристики трубопровідної мережі здійснюємо за формулою (Є.3). З цією метою складемо таблицю Є.1, в якій для ряду значень подавань Q визначаємо ряд значень напорів Н.

Таблиця Є.1 - Розрахункові параметри напірної характеристики водовідливного трубопроводу

За даними таблиці Є.1 будуємо графічну залежність напірної характеристики водовідливного трубопроводу (рис. Є.2).

Для визначення робочого режиму насоса будуємо в однаковому масштабі у загальній системі координат напірні характеристики насоса і трубопроводу - точка перетину їх і визначить робочий режим насоса. З графічних будов (рис. Є.2) виходить, що робочий режим насоса НСШ 320*720 характеризується подачею Q_р= 410 м³/год, напором H_р = 910 м та коефіцієнтом корисної дії η_р = 72,5 %.

6. Розрахунок допустимої висоти всмоктування насоса

Для забезпечення безкавітаційної роботи необхідно виконання наступної вимоги:

, (9)

де  - допустима вакууметрична висота всмоктування, значення якої зазвичай додається до паспортних даних насоса у вигляді кривої лінії, яка відображає функціональну залежність . Якщо така характеристика відсутня, то значення  для робочого режиму насоса можна отримати розрахунковим шляхом.

Н_вак - розрахункова вакууметрична висота всмоктування, значення якої визначається за залежністю:

, (10)

де Н_вс - геометрична висота всмоктування насосів (визначається з реальних умов застосування насоса), приймаємо Н_вс = 3,5 м,

Рис. Є.2 - Графічне визначення робочого режиму насоса НСШ 320*720: 1 - напірна характеристика насоса НСШ, 320-720 напірна характеристика водовідливного трубопроводу Ø121 мм, 3 - залежність коефіцієнта корисної дії від подачі насоса.

Визначаємо розрахункову вакууметричну висоту всмоктування:

 м

Значення атмосферного тиску у насосній камері - р_атм = 10⁵ Па, тиск насиченої пари води, що перекачується, у відповідності з її температурою t = 25°С приймаємо дорівнюючим р_{н. п.} = 1228 Па [2].

Середня швидкість води на вході у перше робоче колесо:

 м/с.

На індивідуальній характеристиці насоса НСШ 320-720 знаходимо значення допустимого кавітаційного запасу - h_доп = 3 м. Коефіцієнт запасу у відповідності до ДОСТ 6134-71 приймаємо таким, що дорівнює k = 1,2. Визначаємо значення допустимої вакууметричної висоти всмоктування:

 м.

Перевіряємо умову: для забезпечення безкавітаційної роботи необхідно виконання наступної вимоги , оскільки 4,78 < 6,08м - умова виконується, отже прийнятий насос і трубопровід проходять за усіма параметрами.

7. Вибір приводних двигунів насосів і пускової апаратури

Знаючи робочі параметри насоса (), визначимо потужність його приводного двигуна, кВт:

.

Для приводу до дії насосів серії НСШ 320-720 підійдуть вибухобезпечні електродвигуни з короткозамкненим ротором серії ВАО 315S-6 потужністю 250 кВт й частотою обертання ротора n =1480об/хв (додаток Д).

Визначаємо розрахунковий запас потужності:

.

Коефіцієнт запасу потужності знаходиться в допустимих межах.

Для управління високовольтними двигунами насосів застосуємо осередки серії КРУВ-6 В.

8. Визначення кількості насосів

Норми технологічного проектування вугільних шахт [5] вимагають, щоб загальна кількість насосних агрегатів головних водовідливних установок визначалася залежно від кількості одночасно працюючих агрегатів, значення яких приведене в таблиці 5 методичних вказівок.

У даному випадку з припливом води в шахту справляється два насоси, тому встановлюємо в насосній станції водовідливу 6 насосні агрегати, функції яких розподіляться: два в роботі, два в резерві, а два може знаходитися в ремонті.

9. Визначення параметрів водозбірника та попереднього відстійника

Згідно з п.7.1.1 [1] головні та дільничні водовідливні установки повинні мати водозбірники, які складаються з двох та більше ізольованих одна від одної гілок. Місткість водозбірників головного водовідливу повинна розраховуватися не менше ніж на 4-годинний максимальний приплив, не враховуючи замулення. Отже, місткість водозбірника головного водовідливу складе:

 м³.

Об'єм частини водозбірника, яка приймає приплив води у період планових (за вимогою енергопостачальної організації) простоїв водовідливу за час, що дорівнює 2 годинам, складе:

 м³.

Місткість водозбірника тепер складе:

= 1416 +708 = 2124 м³.

Додаючи до отриманого значення 30% об'єму водозбірника, який може бути замулено, остаточно приймаємо  637м³.

Сумарна довжина гірничих виробок водозбірника при типовому перерізі S_т = 15 м²:

 м.

Для затримання більшої частини твердих часток, що містяться у воді, плануємо спорудження перед водозбірником горизонтального попереднього відстійника, який можна очищувати стаціонарними засобами механізації.

Середня швидкість руху води в горизонтальному відстійнику при ширині відстійника В = 4,5 м та глибині проточного шару води h = 0,3 м:

262,34 мм/с.

Найбільш небезпечними для насосів є частки крупністю більше 0,1 мм. Тому попередній відстійник проектуємо для осадження часток більших за це значення. При цьому швидкість руху води у горизонтальному відстійнику повинна бути меншою за 100 мм/с. Виходячи з даних умов, визначаємо довжину попереднього відстійника, приймаючи коефіцієнт, який враховує наявність у гідросуміші часток різної крупності -  = 1,4, гідравлічну крупність часток розміром 0,1-0,2 мм -  = 9,6 мм/с, вертикальну складову швидкості, при <90 мм/c - =0,01:

 м.

Остаточно приймаємо = 2,0 м.

Об'єм нижньої частини попереднього відстійника, призначеного для збору шламу, визначаємо за кількістю твердого, що випадає з води за добу, при об'ємній концентрації твердого в шахтній воді

_т = 0,003: м³.

В якості стаціонарного засобу чищення приймаємо гідроелеватор, який монтуємо у попередньому відстійнику (рис. Є.3). За даною схемою шлам із попереднього відстійника 3 видаляється у вигляді пульпи спеціальним гідроелеватором 4, який живиться напірною водою від насосів робочої води 1. Пульпа в даному випадку значно розріджується, тому вона для згущення спрямовується в спеціальну виробку - шламонакопичувач 7. Після зневоднення тверде з шламонакопичувача періодично відвантажується за допомогою породонавантажувальної машини у вагонетки. Перевагами даної схеми є значне зниження трудомісткості при чищенні попереднього відстійника, висока надійність і безпека, недолік - спорудження спеціальних гірничих виробок-шламонакопичувачів.

10. Техніко-економічні показники роботи водовідливної установки

Фактична тривалість роботи насоса впродовж доби:

при відкачці нормального припливу води:

 години,

-        при відкачці максимального добового припливу:

 годин.

Середньорічна витрата електроенергії на водовідлив:

 .

Питома витрата електроенергії на відкачку 1 м³ води:

 .

Питома витрата електроенергії на 1 тонно-кілометр водопідйому:

 .