Расчет водоотливной установки
СОДЕРЖАНИЕ: Расчет исходных параметров для выбора оборудования водоотливной установки. Расчет и выбор трубопроводов. Выбор насосов и схемы их соединения. Коммутационная гидравлическая схема насосной станции водоотлива. Расчет напорной характеристики внешней сети.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 L 1 = 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 = 45 м ориентировочная высота всасывания насосов; h п = 0,52 м высота переподъема воды над поверхностью шахты.
1.6. Расчетная протяженность трубопроводов
— 2 —
где L вс = 812 м длина всасывающего трубопровода; L тх = 1520 м длина трубопровода в трубном ходке; L нк = 2030 м длина трубопровода в насосной камере водоотливной установки.
1.7. Расчетный напор насосной станции водоотлива
г
де р = 2535 расчетная сумма коэффициентов местных гидравлических сопротивлений системы трубопроводов.
2. РАСЧЕТ И ВЫБОР ТРУБОПРОВОДОВ
2.1. Расчетное давление воды в нагнетательном трубном ставе
где = 10201030 кг/м3 плотность откачиваемой шахтной воды.
2.2. Минимальная по условиям прочности толщина стенки труб нагнетательного става
где D р расчетный диаметр труб, м; 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 в = 412 МПа.
2.3. Расчетная толщина стенок труб
где 1,18 коэффициент, учитывающий минусовый допуск толщины стенок труб; кн скорость коррозионного износа внутренней поверхности труб, мм/год; t = 1015 лет расчетный срок службы труб.
В соответствии с данными, приведенными на стр. 162 [Л-1], для кислотных шахтных вод с водородным показателем рН = 67 скорость коррозионного износа составляет кн = 0,20 мм/год.
2.4. Выбор труб для нагнетательного става производим по расчетным внутреннему диаметру D р = 212 мм и толщине стенки р =12,4 мм. Для нагнетательного става принимаем трубы с внутренним диаметром D н = 217 мм и толщиной стенки = 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 = 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 = 120600 м; максимальный КПД 0,71; частота вращения п = 1475 об/мин; количество ступеней i ст = 210.
3.2. Напорная характеристика ступени насоса марки ЦНС 300-120…600 приведена в табл. 1. (из табл. 2.4 [Л-1]).
Таблица 1
| Q , м3 /ч | 0 | 75 | 150 | 225 | 300 | 375 |
| Н 1 , м | 67 | 68 | 67,5 | 66 | 60 | 48,5 |
| , % | 0 | 36 | 59 | 69 | 71 | 66 |
| h д , м | 3,2 | 4,0 | 5,8 |
3.3. Расчетное число ступеней насоса —
где Н 1 = 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
zхр = 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 — вс = 3,77,2;
б) на нагнетательном трубопроводе — н = 2432.
Принимаем вс = 5,15 и 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
| Q , м3 /ч | 0 | 75 | 150 | 225 | 300 | 375 |
| Н с , м | 486 | 490,7 | 495,3 | 507,0 | 523,4 | 544,4 |
6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ И АНАЛИЗ РАБОЧЕГО РЕЖИМА ВОДООТЛИВНОЙ УСТАНОВКИ
6.1. Сводная таблица для графического определения рабочего режима представлена ниже (см. табл. 3).
Таблица 3
| Q , м3 /ч | 0 | 75 | 150 | 225 | 300 | 375 |
| Q нс , м3 /ч | 0 | 75 | 150 | 225 | 300 | 375 |
| Н 1 , м | 67 | 68 | 67,5 | 66 | 60 | 48,5 |
| Н нс , м | 603 | 612 | 607,5 | 594 | 540 | 436,5 |
| Н с , м | 486 | 490,7 | 495,3 | 507,0 | 523,4 | 544,4 |
| , % | 0 | 36 | 59 | 69 | 71 | 66 |
| h д , м | 3,2 | 4,0 | 5,8 | |||
| Н вд , м | 6,51 | 5,71 | 3,91 |
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 c т суммарное количество ступеней рабочих насосов.
3. Допустимая вакуумметрическая высота всасывания насосов рассчитывается по формуле
— 6 —
где р 0 105 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 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 H
0
напор насоса при нулевой подаче.
486 0,9603 = 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 д = 0,954; Cos = 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; эс = 0,92 0,96 КПД питающей электрической сети.
8.5. Удельный расход электроэнергии, отнесенный к единице объема откачиваемой воды,
