Водоотливные установки

Исходные данные:

Q_ч.н. = 290 м³/час; Q_ч.max. = 410 м³/час; Н_ш = 250 м; L_пов = 160 м; Н_вс = 3 м; ∆ = 1; ∆Н = 1 м.

В соответствии с ПБ производительность насоса должна обеспечивать откачку воды суточного притока не более чем за 20 часов. Исходя из этого, расчётную производительность определяем по следующей формуле:

Q_р.н. = 1,2 ∙ Q_ч.max., м³/час, (9.1)

где Q_ч.max. – максимальный часовой приток воды в шахту (400), м³/час.

Q_р.н. = 1,2 ∙ 410 = 492 м³/час.

Ориентировочный напор насоса:

Н_ор = 1,15 ∙ Н_г, м, (9.2)

где Н_г – геометрическая высота подъёма воды из шахты, м.

Н_г = Н_ш + Н_вс.ор. + h_в, м, (9.3)

где Н_вс.ор. – ориентировочная высота всасывания (3), м; h_в – превышения трубопровода над уровнем устья наклонного ствола (1), м.

Н_г = 250 + 3 + 1 = 254 м.

Н_ор = 1,15 ∙ 254 = 307 м.

Принимаем для расчёта ЦНС 500 – 160…800, т.к. в зону промышленного использования попадает точка Q_р.н. = 492 м³/час, Н_ор = 307 м.

Рис 9.1 График рабочих зон насосов типа ЦНС

Число рабочих колёс определим по формуле:

Z_к = Н_ор / Н_1к, (9.4)

где Н_1к – напор на одно рабочее колесо (80), м.

Z_к = 307 / 80 = 5.

Число насосных агрегатов:

n_р.гр. = Q_р.н. / Q_ч.н. (9.5)

n_р.гр. = 492 / 290 = 1,69,

Принимаем 2 насосных агрегата.

Общее число насосных агрегатов ГВУ:

n_н.а. = n_р.гр. + n_рез.гр. + 1, шт, (9.6)

n_н.а. = 2 + 2 +1 = 5 шт.

Проверка устойчивости режима работы выбранного насоса. Рабочая точка насосной установки должна находиться в зоне экономической устойчивости.

Устойчивый режим работы:

0,95 ∙ Z_к ∙ Н_1к ≥ Н_г (9.7)

0,95 ∙ 5 ∙ 80 ≥ 354

380 ≥ 354

Условие выполняется.

Тип насоса ЦНС 500 – 400

Производительность в зоне экономичности, 500 м³/час;

Напор, 800 м;

Кпд, 0,75 %;

Частота вращения, 1450 об/мин;

Допустимая высота всасывания, 4,5 м;

Мощность электродвигателя, 1200 кВт;

Масса насоса, 4801 кг.

Расчёт диаметра трубопровода

Определим внутренний диаметр напорного трубопровода:

d_ун = 18,8 ∙ (Q_{р тр} / V_эк)^1/2, мм, (9.8)

где Q_{р тр} – расчётная производительность в трубопроводе (500), м³/час;

V_эк – экономическая скорость движения воды в напорном трубопроводе, м/с.

V_эк = 0,4 ∙ (Q_{р тр})^1/4, м/с, (9.9)

V_эк = 0,4 ∙ (492)^1/4 = 1,88 м/с.

d_ун = 18,8 ∙ (500 / 1,88)^1/2 = 307 мм.

Для уменьшения гидравлических сопротивлений сопротивляемый диаметр всасывающего трубопровода d_вс принимать 25 ÷ 50 больше расчётного диаметра.

d_вс = d_ун + 40, мм, (9.10)

d_вс = 307 + 40 = 347 мм.

Определение толщины стенки труб

Расчётное давление в трубопроводе Р_р следует принимать в 1,25 раза больше рабочего и для нижнего сечения напорного трубопровода (на выходе из насоса).

Р_р = 1,25 ∙ р ∙ g ∙ Н_н ∙ 10^-6, МПа, (9.11)

где р – плотность шахтной воды (1020), кг/м³; g – ускорение свободного падения (9,81), м/с²; Н_н - напор, созданный насосом при откачке нормального притока (400), м.

Р_р = 1,25 ∙ 1020 ∙ 9,81 ∙ 410 ∙ 10^-6 = 5 МПа.

Расчётная толщина стенки трубы:

δ₀ = 1000 ∙ (Р_р / 0,8 ∙ σ_вр), мм, (9.12)

где σ_вр –временное сопротивление материала трубы на разрыв (500), МПа.

δ₀ = 1000 ∙ (5 / 0,8 ∙ 500) = 12,5 мм.

Толщина стенок труб с учётом срока службы и коррозийного износа:

δ = (100 ∙ [δ₀ + (δ_к.н. + δ_к.в.) ∙ t]) / 100 – К_д, мм, (9.13)

где δ_к.н. – скорость (интенсивность) коррозийного износа наружной стенки трубы (0,15), мм/год; δ_к.в. – скорость коррозийного износа внутренней стенки трубы (0,1), мм/год; t – расчётный срок службы напорных трубопроводов в угольных и рудных шахтах (20), лет; К_д – допустимое уменьшение толщины стенки труб из-за минусового допуска (10), %.

δ = (100 ∙ [12,5 + (0,15 + 0,1) ∙ 20]) / 100 – 10 = 20 мм.

Наружный диаметр трубопровода:

d_н.н. = d_у.н. + 2 ∙ δ, мм, (9.14)

d_н.н. = 307 + 2 ∙ 20 = 347 мм.

Примем напорный трубопровод трубу 352 ∙ 23 мм;

Примем во всасывающей трубопровод трубу 377 ∙ 25 мм.

Определяем фактическую скорость воды для выбранного стандартного диаметра труб при расчётном расходе:

ν_н = 4 ∙ Q_{р тр} / π ∙ D_н.ст.² ∙ 3600, м/с, (9.15)

ν_н = 4 ∙ 500 / 3,14 ∙ 0,352² ∙ 3600 =1,42 м/с.

ν_вс = 4 ∙ 500 / 3,14 ∙ 0,377² ∙ 3600 =1,2 м/с.

Потери в трубопроводе

Характеристика внешней сети напорного трубопровода строится по уравнению:

Н = Н_г + R ∙ Q², (9.16)

Потери напора в нагнетательном трубопроводе:

∆Н_н = (λ_н ∙ (L_н / d_н) + ∑ ε_н) ∙ ν_н² / 2 ∙ g, м, (9.17)

где λ_н – коэффициент гидравлического сопротивлений по длине для нагнетательного трубопровода.

Потери напора во всасывающем трубопроводе:

∆Н_в = (λ_в ∙ (L_в / d_в) + ∑ ε_в) ∙ ν_в² / 2 ∙ g, м, (9.18)

Постоянную трубопровода рассчитываем по формуле:

R = ∆Н_тр / Q², (9.19)

где R – постоянная трубопровода, м^-5 ∙ ч².

Коэффициент гидравлического сопротивления во всасывающем трубопроводе:

λ_в = 0,195 / ³√ d_в, (9.20)

λ_в = 0,195 / ³√ 377 = 0,027.

В напорном:

λ_н = 0,195 / ³√ d_н, (9.21)

λ_н = 0,195 / ³√ 352 = 0,028.

∆Н_н = (0,028 ∙ (464 / 0,352) + 12,8) ∙ 1,37² / 2 ∙ 9,81 = 4,77 м.

∆Н_в = (0,027 ∙ (14 / 0,377) + 3,6) ∙ 1,19² / 2 ∙ 9,81 = 0,33 м.

Суммарные потери напора в сети:

∆Н_тр = ∆Н_н + ∆Н_в, м, (9.22)

∆Н_тр = 4,77 + 0,33 = 5,1 м.

R = 5,1 / 500² = 0,000022.

Таблица 9.1

Характеристика трубопровода

Qр тр, м3/ч		0,25 ∙ Qр тр	0,5 ∙ Qр тр	0,75 ∙ Qр тр	1,0 ∙ Qр тр	1,25 ∙ Qр тр
(И) Ни, м
(М) Нм, м

По точке пересечения характеристик насоса и трубопровода устанавливаем рабочий режим:

Q_{р н} = 510 м³/час; Н_р.н. = 261,2 м; η = 0,72.

Рис 9.2 Рабочая характеристика насоса

Определим КПД трубопровода:

η = Н_г / Н_р.н., (9.23)

η = 254 / 261,2 = 0,97.

Определение мощности двигателя и расход энергии

Расчётная мощность двигателя определяется по формуле:

N_р = g ∙ Q ∙ H / 3600 ∙ η_д ∙ η_н, кВт, (9.24)

N_р = 9,81 ∙ 500 ∙ 212 / 3600 ∙ 0,72 ∙ 0,97 = 608,7 кВт.

N_дв = (1,1 ÷ 1,2) ∙ N_р, кВт, (9.25)

N_дв = (1,1 ÷ 1,2) ∙ 608,7 = 669,57 кВт.

По таблице насосов отечественного производства принимаем электродвигатель ДАП14-69-4.

Коэффициент запаса мощности:

К_д = N / N_р, (9.26)

К_д = 1000 / 608,7 =1,64.

Продолжительность работы насоса при нормальном притоке:

t_н = 24 ∙ Q_ч.н. / Q_д, ч, (9.27)

t_н = 24 ∙ 290 / 500 = 13,9 ч.

При максимальном:

t_max = 24 ∙ Q_ч.max. / Q_д, ч, (9.28)

t_max = 24 ∙ 410 / 500 = 19,7 ч.

Годовой расход электроэнергии:

W_г = (Q_р.н. ∙ 1,05 ∙ g ∙ Н / 1000 ∙ η ∙ η_д ∙ η_с) ∙ (300 ∙ t_н + n_раб + 65 ∙ t_max ∙ (n_р + n_р),

ГВт ∙ ч/год, (9.29)

W_г = (492 ∙ 1,05 ∙ 9,81 ∙ 350 / 1000 ∙ 0,85 ∙ 0,95 ∙ 0,72) ∙ (300 ∙ 13,9 + 65 ∙ 19,7 ∙ 1) = = 6,65 ГВт ∙ ч/год.

Определяем ёмкость водосборника:

V_в ≥ n_см ∙ Q_р.н., м³, (9. 30)

V_в ≥ 4 ∙ 490 = 1960 м³.