Дроздова Л.Г. Стационарные машины и установки
Подождите немного. Документ загружается.
а б в г
Рис. 4.1. Основные схемы водоотлива при разработке одного горизонта:
а – неглубокие шахты; б, в, г – глубокие шахты
Рис. 4.2. Основные схемы водоотлива при разработке двух горизонтов:
а – с раздельными водоотливными установками; б – с перекачкой воды с нижнего горизонта на верхний;
в – с перепуском воды с верхнего горизонта на нижний
58
4.3. Выбор типа насоса
Минимальная подача насоса
для угольных шахт
; (4.1)
для рудных шахт
. (4.2)
Ориентировочный напор насоса
, (4.3)
где
mp
η
= 0,9…0,95 – кпд трубопровода.
Для выбора типа насоса необходимо на сводный график рабочих зон
характеристик насосов (рис. 4.3) нанести точку с координатами:
min
Q
,
ор
Н . Если точка попадает в рабочую зону нескольких насосов, то выбор
окончательного варианта будет зависеть от результатов их технико-
экономического сравнения. Технические характеристики секционных цен-
тробежных насосов приведены в табл. 4.5, 4.6, 4.7 и на графиках (рис. 4.4 –
4.9). В случае, если требуемый напор не может быть обеспечен насосом
данной подачи, необходимо рассмотреть следующие варианты:
а) применение насоса с большой подачей и напором;
б) применение ступенчатого водоотлива с последовательным вклю-
чением насосов, расположенных в разных горизонтах;
в) применение ступенчатого отлива с водосборником на промежу-
точном горизонте.
Если необходимая подача превышает максимальную для насоса, ко-
торый подходит по напору, следует применить параллельную работу насо-
сов на один трубопровод. Окончательный вариант определяется технико-
экономическим сравнением.
После того как выбран насос, необходимо обратиться к его напорной
характеристике и определить напор на одно колесо
к
H в оптимальном ре-
жиме (при максимальном кпд), напор на одно колесо при закрытой за-
движке
ко
H и номинальную подачу
н
Q .
Число рабочих колёс насоса определяется по формуле
кор
HH /
=
Ζ
(4.4)
и округляется до ближайшего целого числа.
16/24min
пр
QQ
⋅
=
трор
Г
НН
η
/
=
20/24min
пр
QQ
⋅
=
59
60
Напор насоса при закрытой задвижке может быть подсчитан по
формуле
коо
HH
⋅
Ζ
=
. (4.5)
Выбранный насос проверяется на устойчивость
о
НН
⋅
≤ 95,0
г
. (4.6)
Если это условие не соблюдается, надо увеличить число рабочих
колёс.
4.4. Расчет и выбор трубопровода
При расчёте трубопроводов водоотливных установок необходимо
определить материал, диаметры всасывающего трубопровода, толщину
стенки труб, потери напора на преодоление гидравлических сопротивле-
ний, а также обосновать выбор и расположение трубных коллекторов в на-
сосной камере. От правильного решения этих вопросов зависят экономич-
ность, надёжность и удобство эксплуатации водоотливных установок.
Диаметры трубопровода
Оптимальный диаметр трубопровода зависит от конкретных гидро-
геологических и горно-технических условий, режима работы трубо-
провода, стоимости электроэнергии и ряда других показателей. Впервые
вопрос определения оптимального диаметра трубопровода был рассмотрен
академиком М.М. Фёдоровым.
Оптимальный диаметр напорного трубопровода можно определить
по следующей формуле
, (4.7)
где
э
α
– стоимость 1 кВт.ч электроэнергии, p.;
э
К
– коэффициент эквива-
лентной длины трубопровода (
э
К
= 0,1);
n
– число трубопроводов, вклю-
чая резервный. При одном рабочем трубопроводе и одном резервном
n
= 2.
Если принята схема с тремя трубопроводами (двумя рабочими и одним ре-
зервным), то
n
= 1,5, а подачу и приток надо брать в два раза меньше. В
любом случае на каждый рабочий трубопровод надо прибавлять долю ре-
зервного, а подачу и приток уменьшать пропорционально числу рабочих
трубопроводов.
тр
К – коэффициент трубопровода, зависящий от рабочего давления
воды в напорном трубопроводе (
р
Р ) и марки стали, из которой он изго-
товлен (табл. 4.1).
3,6
тр
2
)1(1246,0
100
опт
уст
э
прэ
н
ηn
d
K
QQК
н
α+
= ⋅
61
Таблица 4.1
Значения коэффициента трубопроводов
тр
К
для трубопровода из стали
Рабочее давление,
Р
Р ,
МПа
Ст. 3 Ст. 4 Ст. 5 Ст. 6
4 99 - - -
6,4 149 137 129 129
10 211 206 185 174
16 285 272 246 229
уст
η
– к.п.д. водоотливной установки находим по формуле
сднуст
ηηηη
=
, (4.8)
где
н
η
,
д
η
,
с
η
– к.п.д. соответственно насоса, электродвигателя и элек-
трической сети.
Рабочее давление воды для начального нижнего сечения напорного
трубопровода может быть определено по формуле
ор
р
HР
gρ
6
1025,1
−
⋅= , (4.9)
где
ρ
- плотность шахтной воды, кг/м
3
, можно принимать
ρ
= 1020 кг/м
3
.
Полученное по формуле (4.7) значение диаметра напорного трубо-
провода округляется до ближайшего значения по ГОСТ 8732-78. Трубы
стальные бесшовные горячедеформированные (табл. 4.2).
Диаметр всасывающего трубопровода (
ВС
d
) выбирается с учётом то-
го, чтобы скорость воды в нём не превышала 1 м/с. Обычно его принимают
на 25…50 мм больше напорного. При этом диаметр всасывающего трубо-
провода не должен быть меньше диаметра подводящего патрубка насоса.
Если гидравлическая схема водоотлива содержит подкачивающий насос, то
всасывающий и напорный трубопроводы могут быть одинакового диаметра.
Учитывая уменьшение внутреннего диаметра труб в процессе работы
(вследствие их заливания), реальный диаметр труб (так называемый диа-
метр условного прохода
У
d
) будет всегда меньше фактического (
Ф
d
) на
5…10 мм, т.е. )105(
Ф
−
−
=
d
d
У
.
Толщина стенок стальных водоотливных труб
Расчёт водоотливных труб производится с учетом условия, что их
стенки испытывают по нормали к своей поверхности давление жидкости,
находящейся в трубе в равновесии или движущейся в ней равномерно.
62
Толщина стенок труб, прокладываемых в вертикальных стволах, мо-
жет быть определена по следующей формуле:
, (4.10)
где
О
δ
– минимально необходимая толщина стенки трубы;
, (4.11)
где
В
σ
– временное сопротивление разрыву материала, из которого изго-
товлены трубы, МПа.
Для водоотливных трубопроводов используют стальные бесшовные
горячедеформированные трубы по ГОСТ 8732-78 (табл. 4.2) из стали ма-
рок Ст 2 сп, Ст 4 сп, Ст 5 сп, Ст 6 сп. Эти трубы имеют наружный диаметр
25…820 мм при толщине стенок 2,5…75 мм.
Временное сопротивление разрыву указанных марок стали
Ст 2 сп Ст 4 сп Ст 5 сп Ст 6 сп
Марки стали
В
σ
, МПа, не менее
350 420 500 600
НК.
δ
- скорость коррозионного износа наружной поверхности труб, мм/год
(приведении взрывных работ
НК.
δ
= 0,25; при их отсутствии
НК.
δ
= 0,15);
- скорость коррозионного износа внутренней поверхности труб,
мм/год; определяется химическим составом откачиваемой воды.
Химический состав воды
Кислотная при pH
Водопроводная
Нейтральная
или щелочная
6…7 5…6
Транспортиру-
емая вода
ВК.
δ
, мм/год
0,05 0,1 0,2 0,4
t
- срок службы трубопровода, лет;
д
K
- коэффициент, учитываю-
щий минусовой допуск толщины стенки трубы, %; в расчётах можно при-
нимать
д
K
= 10…15 %.
Вследствие снижения давления по высоте можно применять трубы
с уменьшающейся к поверхности толщиной стенки. При глубине верти-
кального ствола до 700 м обычно принимают трубы с одинаковой толщи-
ной стенки, определённой для их нижнего сечения. При больших глуби-
нах ствола рационально разбивать трубопровод на секции – первая (верх-
няя) секция должна иметь длину 700 м с постоянной толщиной стенки,
вторая (нижняя) – увеличенную толщину стенки, соответствующую дав-
лению в ней.
В
dH
op
σρδ /32,15
О
=
(
)
[
]
Д
ВКНК
K
t
−
++
=
100
100
..
О
δδδ
δ
ВК.
δ
63
Таблица 4.2
Трубы стальные бесшовные горячедеформированные
(ГОСТ 8732-78)
Внутренний диаметр (мм) при толщине стенки, мм
На-
руж
ный
диа-
метр,
мм
4 5 6 7 8 9 10 11 12 14 16 17 18
95 87 85 83 81 79 77 75 73 71 67 63 61 59
102 94 92 90 88 86 84 82 80 78 74 70 68 66
108 100
98 96 94 92 90 88 86 84 80 76 74 72
114 106
104
102
100
98 96 94 92 90 86 82 80 78
121 113
111
109
107
105
103
101
99 97 93 89 87 85
127 119
117
115
113
111
109
107
105
103
99 95 93 91
133 125
123
121
119
117
115
113
111
109
105
101
99 97
140 - 130
128
126
124
122
120
118
116
112
108
106
104
146 - 136
134
132
130
128
126
124
122
118
114
112
110
152 - 142
140
138
136
134
132
130
128
124
120
118
116
159 - 149
147
145
143
141
139
137
135
131
127
125
123
168 - 158
156
154
152
150
148
146
144
140
136
134
132
180 - 170
168
166
164
162
160
158
156
152
148
146
144
194 - 184
182
180
178
176
174
172
170
166
162
160
158
203 - - 191
189
187
185
183
181
179
175
171
169
167
219 - - 207
205
203
201
199
197
195
191
183
181
179
245 - - - 231
229
227
225
223
221
217
213
211
209
273 - - - 259
257
255
253
251
249
245
241
239
237
299 - - - - 283
281
279
277
275
271
267
265
263
325 - - - - 309
307
305
303
301
297
293
291
289
315 - - - - 335
333
331
329
327
323
319
317
315
377 - - - - - 359
357
355
353
349
345
343
341
402 - - - - - 384
382
380
378
374
370
368
366
426 - - - - - 408
406
404
402
398
394
392
390
450 - - - - - 432
430
428
426
422
418
416
414
64
Определение сопротивления трубопровода
Для получения правильного результата (при расчёте сопротивления
трубопровода) гидравлическую схему водоотливной установки необходи-
мо разбить на три участка, отличающихся по диаметру трубопровода и
гидравлической арматуре: 1 - всасывающий трубопровод; 2 - участок на-
порного трубопровода, находящийся в насосной камере; 3 - остальная
часть напорного трубопровода.
Для каждого участка следует определить сумму коэффициентов мест-
ных сопротивлений
∑
ξ
(табл. 4.3) и расчётную длину трубопровода
р
λ
.
Таблица 4.3
Коэффициент местного сопротивления
Арматура
Диаметр условного
прохода,
у
d
, м
Коэф. местного
сопротивления,
ξ
Задвижка клиновая
Обратный клапан
Приемный клапан с сеткой
Тройник равнопроходный
Колено сварное (90
0
)
Диффузор
Конфузор
80…400
80…400
100
150
200
250
300
80…300
80…300
1
d
/
2
d
= 0,5…0,8
1
d
/
2
d
= 1,2…1,65
0,26
10
7,0
6,0
5,2
4,5
3,7
1,5
0,6
0,25
0,1
Общее сопротивление трубопровода
. (4.12)
Сопротивление трубопровода на каждом участке можно определить
по удельным гидравлическим сопротивлениям, например для участка 1:
, (4.13)
где
Д
А
- удельное сопротивление по длине, r
2
/м
6
;
Μ
А
- удельное местное
сопротивление, r
2
/м
5
;
∑
ξ
- сумма коэффициентов местных сопротивле-
ний фасонных частей, арматуры, задвижек и т.п. на данном участке.
Сопротивления трубопровода на других участках определяются ана-
логичным образом.
321
ccc
c
R
R
R
R
+
+
=
∑
⋅
+=
ξ
м
1
д
1
AAR
рс
l
65
Значения удельных сопротивлений для наиболее распространенных
диаметров условного прохода
)(
у
d
приведены в табл. 4.4; они могут быть
вычислены по следующим формулам:
522
3600
8
d
А
g
Д
π
λ
=
; (4.14)
422
3600
8
d
A
g
Μ
π
λ
=
, (4.15)
где
λ
- коэффициент гидравлического трения; для труб, бывших неко-
торое время в эксплуатации
3,0
/021,0 d=
λ
(диаметр труб измеряется в
метрах).
Таблица 4.4
Значения удельных сопротивлений
d
, мм
λ
д
A
∗
,
r
2
/м
6
Μ
А
∗
,
r
2
/м
5
50
75
100
125
150
175
200
225
250
275
300
325
350
375
400
425
450
475
500
0,051586
0,045677
0,041900
0,039187
0,037102
0,035425
0,034034
0,032852
0,031830
0,030933
0,030360
0,029421
0,028774
0,028184
0,026644
0,027146
0,026684
0,026255
0,025854
1082,4
122,72
26,714
8,4868
3,1150
1,3760
0,67807
0,36321
0,20780
0,12539
0,079066
0,051730
0,034930
0,024230
0,017211
0,012481
0,004220
0,006923
0,005275
1020,1
201,50
63,755
26,114
12,594
6,7977
3,9847
2,4876
1,6321
1,11477
0,78710
0,57145
0,42486
0,32230
0,24904
0,19541
0,15548
0,12524
0,10201
*
– величину умножить на 10
- 6
.