Кумыкова Т.М. Водоотливные, вентиляторные и пневматические установки
Подождите немного. Документ загружается.
4 МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ГЛАВНЫХ
ВОДООТЛИВНЫХ УСТАНОВОК
4.1 Общие положения
Для расчета водоотливной установки необходимы следующие исходные
данные: величина нормального Q
пр.н
и максимального притока Q
пр.max
; глубина
горизонта шахты Н
ш
; физико-химическая характеристика воды, которая
используется для правильного выбора оборудования.
В задачи проектирования входят:
- выбор схемы водоотлива;
- расположение и выбор насоса (тип, основные параметры, число);
- подбор диаметра нагнетательного и подводящего трубопроводов;
- графическое определение действительного режима работы
водоотливной установки;
- определение мощности на валу насоса и выбор электродвигателя;
- определение расхода электроэнергии и вместимости водосборника.
4.2 Расчет и выбор насосов
Главная водоотливная установка шахты согласно ПБ должна быть
оборудована не менее чем тремя одинаковыми насосами, каждый из которых
должен иметь подачу, обеспечивающую откачку нормального суточного
притока воды не более чем за 16 часов /1/.
Выбор насоса производится по расчетной производительности и
ориентировочному напору.
Расчетная производительность Q
расч.
, м
3
/ч, определяется по формуле /3/
16
Q
Q
пр.н
.расч
24
, (23)
где Q
пр.н
– нормальный водоприток, м
3
/ч.
Необходимый ориентировочный напор насоса Н
ор.
, м, для водоотливных
установок с расположением напорных трубопроводов в вертикальных
стволах может быть определен по формуле
тр
г
ор
Н
Н
, (24)
где Н
г
– геометрический напор насосной установки, т.е. полная высота
водоподъема по вертикали, м;
тр
- к.п.д. трубопровода (
тр
= 0,9-0,95).
Для насосных установок с положительной высотой всасывания
Н
г
= Н
ш
+ h
вс
+ h
пр
, (25)
где Н
ш
– глубина шахты до горизонта, где установлен насос, м;
h
вс
– геометрическая высота всасывания, м (h
вс
= 3-6 м);
h
пр
– превышение труб на сливе относительно устья ствола шахты, м
(h
пр
= 1-2 м).
Для заглубленных насосных установок
Н
г
= Н
ш
+ h
заг
+ h
пр
– h
под
, (26)
где h
заг
– заглубление насосной камеры относительно уровня горизонта, м
(h
заг
=5-7 м);
h
под
– высота подпора, м (h
под
= 1,5-2,5).
Для определения типа насоса необходимо на сводный график рабочих
зон характеристик насосов нанести точку с координатами Q
расч.
, Н
ор
. Если
точка попадает в рабочую зону нескольких насосов, то выбор окончательного
варианта будет зависеть от результатов технико-экономического сравнения.
В случае, если требуемый напор не может быть обеспечен насосом
данной подачи, необходимо рассмотреть следующие варианты:
использование насоса с большими подачей и напором; применение
ступенчатого водоотлива с последовательным включением насосов,
расположенных на разных горизонтах; применение ступенчатого водоотлива
с водосборником на промежуточном горизонте.
Если необходимая подача превышает максимальную для насоса,
который подходит по напору, то можно применить параллельную работу
насосов на один трубопровод.
После выбора типа насоса, необходимо определить его подачу Q и
напор на одно колесо Н
к
в оптимальном режиме (при максимальном к.п.д.) и
нулевой подаче Н
ко
.
Число рабочих колес насоса определяется по формуле
к
ор
Н
Н
Z
(27)
и округляется до ближайшего целого числа.
Напор насоса при закрытой задвижке (нулевая подача) Н
о
= Н
ко
Z.
Выбранный насос проверяется на наличие рабочего режима и на
устойчивость, т.е. на соблюдение условия: Н
г
0,95 Н
о
/3/.
Если это условие не выполняется, то следует увеличить число рабочих
колес.
4.3 Расчет водоотливного трубопровода
При расчете трубопроводов насосов определяют: диаметр напорного и
подводящего трубопроводов; потери напора в трубах от гидравлических
сопротивлений; толщину стенки трубы.
Месторасположение насосной камеры и водосборников
устанавливается на основании схемы вскрытия горизонта и схемы
околоствольного двора. Определяется место слива воды на поверхности.
После этого составляют расчетную схему трубопровода в насосной
камере, трубном ходке, стволе и на поверхности шахты. Определяют
геометрическую высоту всасывания и нагнетания, длину подводящего и
напорного трубопроводов, расставляют на схеме фасонные части и арматуру
трубопровода.
С достаточной степенью точности оптимальный диаметр напорного
трубопровода d
опт
, м, можно определить по формуле
4760
01310
,
опт
Q.kd
, (28)
где k – коэффициент, зависящий от числа напорных трубопроводов (при двух
трубопроводах k = 1; при трех – k = 0.752);
Q – подача выбранного насоса в оптимальном режиме, м
3
/ч.
Полученное по формуле (28) значение диаметра округляется до
ближайшего большего значения, так как в процессе работы диаметр трубы
уменьшается. Проводится дополнительный прочностной расчет.
Толщина стенки , мм, в зависимости от допустимого рабочего
давления и материала труб определяется по формуле
с
ко
k
100
100
, (29)
где
о
– толщина стенки, определяемая прочностными свойствами материала
труб, мм;
к
– коррозионный износ, мм;
k
с
– коэффициент, учитывающий минусовый допуск толщины стенки,
% (k
c
=15 % при толщине стенки до 15 мм; k
c
= 12,5 % при толщине стенки от
15 до 30 мм).
о
определяют по формуле
о
= k
1
D р ,
(30)
где k
1
– коэффициент, учитывающий марку стали (для стали 20 k
1
= 2.27 и для
стали Ст.3 k
1
= 2.52);
D – наружный диаметр трубы, м;
р – давление воды в трубопроводе, МПа (р
max
= (0,0110,0115) Н
г
/2/).
Коррозионный износ
к
, мм:
к
= (
1
+
2
) Т ,
(31)
где
1
– скорость коррозионного износа наружной поверхности труб (при
ведении взрывных работ
1
= 0,25 мм/год, при отсутствии взрывных работ
1
= 0,15 мм/год);
2
– скорость коррозионного износа внутренней поверхности труб (при
нейтральных или щелочных водах
2
= 0,1; при кислотных водах
2
= 0,4;
Т – срок службы трубопровода, лет.
Диаметр подводящего трубопровода выбирают из расчета, чтобы
скорость в нем не превышала 1 м/с, и в то же время, для большей надежности
всасывания, он должен быть на 25-30 мм больше напорного и меньше
диаметра подводящего патрубка насоса.
Общие потери напора в трубопроводе насосной установки
н.мн.пп.мп.п
hhhhh
, (32)
где h
п.п
и h
н.п
– потери напора на прямом участке соответственно подводящего
и напорного трубопроводов, м;
п.м
h
и
н.м
h
- суммарные потери напора на местных
сопротивлениях подводящего и напорного трубопроводов, м.
Потери напора от гидравлических сопротивлений на прямом участке
трубопровода определяются по формуле
gd
h
п
2
2
, (33)
где - коэффициент гидравлического трения (для труб бывших в
эксплуатации /3/
= 0,021/d
0.3
, (34)
для шахтных условий можно принимать 0,03 /5/;
d – внутренний диаметр трубопровода, м;
- длина прямых участков трубопровода, м;
- скорость воды в трубопроводе, м/с, (
= 4Q/d
2
);
g- ускорение свободного падения (g = 9,81 м/с
2
).
Потери напора на местные сопротивления определяются по формуле
g
h
м
2
2
, (35)
где
- коэффициент местных сопротивлений /3/.
Напор насоса
Н = Н
г
+
h
(36)
Характеристика трубопровода строится в соответствии с формулой
Н = Н
г
+ RQ
2
(37)
где R – постоянная сети (трубопровода), ч
2
/м
5
.
Из формулы (36)
22
Q
h
Q
НН
R
г
(38)
4.4 Определение рабочих параметров насосной установки
Рабочий режим насоса определяется графически. Задаваясь различными
значениями расхода от 0 до 1,5 Q в уравнении характеристики трубопровода
(37), находят соответствующие значения Н. Для удобства построений
результаты расчета сводят в таблицу. На характеристике насоса по этим
данным строится характеристика трубопровода.
Точка пересечения характеристики насоса и характеристики
трубопровода есть рабочая точка насосного агрегата. По рабочей точке
получают значения рабочей производительности (подачи) Q
раб
, напора Н
раб
и
к.п.д. трубопровода
т
=Н
г
/Н
раб
.
Производится проверка вакуумметрической высоты всасывания.
Действительная вакуумметрическая высота всасывания определяется по
выражению
Н
в
= h
вс
+
п
h
,
(39)
где
п
h
- суммарные потери напора в подводящем трубопроводе, м.
По характеристике насоса определяется допустимая вакуумметрическая
высота всасывания
доп
в
Н
при Q
раб
. Для избежания кавитации необходимо
обеспечить условие
доп
вв
НН
. (40)
Если это условие не выполняется, то необходимо уменьшить
геометрическую высоту всасывания h
вс
, можно также увеличить диаметр
подводящего трубопровода. В некоторых случаях при малой
доп
в
Н
рекомендуется применение подкачивающих насосов.
4.5 Расчет и выбор электродвигателя насоса. Расчет энергии и
вместимости водосборника
Расчетная мощность двигателя насоса N
р
, квт, определяется по формуле
10003600
gНQ
N
раб
р
, (41)
где - плотность шахтной воды, кг/м
3
( = 1020 кг/м
3
).
По каталогу выбирается ближайший больший по мощности N
двигатель, причем запас мощности двигателя k
д
должен быть равен 10-15 %:
р
д
N
N
k
. (42)
Число часов работы насоса в сутки при откачивании нормального
притока
раб
н.пр
н.ч
Q
Q
n
24
(43)
Затем определяют число часов работы насоса в сутки при
максимальном притоке n
ч.max
.
Годовой расход электроэнергии на водоотлив
max.дmax.чн.дн.ч
сд
рабраб
г
nnnn
gНQ
W
10003600
(44)
где ,
д
и
с
– к.п.д. соответственно насоса, двигателя (
д
= 0,9- 0,95) и
электрической сети (
с
= 0,95);
n
д.н
и n
д.max
– число дней в году соответственно с нормальным и
максимальным притоком.
Годовой приток воды А
в
, м
3
, определяется по формуле
max.дmax.прн.дн.прв
nQnQА 2424
(45)
Удельный расход энергии на 1 м
3
откачиваемой воды W
уд
, кВт ч/м
3
,
рассчитывается по формуле
В
Г
уд
А
W
W
(46)
К.п.д. насосной установки равен произведению к.п.д. насоса, к.п.д.
д
двигателя и к.п.д.
т
трубопровода
у
=
д
т
(47)
и представляет собой отношение полезной мощности, потребляемой для
транспортирования воды Н
Г
, к мощности, измеренной на зажимах двигателя
насоса.
Устанавливается вместимость водосборника V
В
, м
3
, по формуле
V
в
= 4 Q
пр.н
(48)
Поперечное сечение водосборника соответствует сечению
однопутевого штрека, а при вместимости более 1500 м
3
– двухпутевого.
5 МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ГЛАВНЫХ
ВЕНТИЛЯТОРНЫХ УСТАНОВОК
5.1 Общие положения
Исходными данными для расчета являются: требуемая
производительность Q
ш
, максимальное Н
ш max
и минимальное Н
ш min
сопротивления (давления) вентиляционной сети за время эксплуатации
шахты, категория шахты по газу, продолжительность эксплуатации установки
Т.
При проектировании необходимо:
- подобрать тип вентилятора с определенным диаметром рабочего
колеса, который обеспечил бы заданную производительность и давление за
весь срок работы;
- согласно ПБ установить резервирование вентиляторов или двигателей
к ним;
- определить рациональный способ регулирования и выполнить
расчеты, связанные с регулированием рабочих режимов вентилятора;
- определить мощность и выбрать тип двигателя;
- выбрать схему установки вентиляторов, двигателей, пусковой и
контрольно-измерительной аппаратуры и установить схему соединения
вентиляционного канала со стволом, увязать ее со схемой реверсирования
вентиляции;
- определить расход энергии по годам и за время работы установки;
- рассчитать калориферную установку.
Согласно ПБ главная вентиляторная установка должна располагаться на
поверхности рудников и работать на всасывание. Она состоит из двух
одинаковых самостоятельных вентиляторных агрегатов, один из которых
является резервным.
Расчет производится в следующей последоватнльности.
5.2 Выбор наивыгоднейшей установки
Для предварительного расчета необходимого диаметра D,м, рабочего
колеса осевого вентилятора можно пользоваться формулой /2/
ш
Q.D 240
(49)
для центробежного вентилятора типа ВЦ с односторонним всасыванием
ш
Q.D 290
(50)
В первом приближении (или на первом этапе проектирования)
необходимая производительность вентиляторной установки Q
в
, м
3
/с
определяется по формуле
в.ушв
kQQ
, (51)
где k
у.в
– коэффициент, учитывающий утечки воздуха через надшахтные
сооружения и каналы вентиляторов (k
у.в
= 1,1 при установке вентиляторов на
вентиляционных стволах и шурфах).
Статическое давление (депрессия) вентиляторной установки
определяется с учетом сопротивления вентиляционного канала
Н
max
= Н
ш max
+ h
к
, (52)
Н
min
= Н
ш min
+ h
к
, (53)
где h
к
= (0,150,20)Н
ш
.
По величине Q
в
, Н
max
и Н
min
определяют эквивалентное отверстие
вентиляционной сети А, м
2
, по формулам
max
в
min
Н
Q
,А 191
(54)
min
в
max
Н
Q
,А 191
(55)
При выборе типа вентилятора необходимо ориентироваться /3/ на
осевые вентиляторы ВОД и центробежные ВЦ и ВЦД нового типажа согласно
таблицы 5.
Таблица 5 – Рекомендуемые типы вентиляторов главного проветривания
Статическое давление Н
max
. Н/м
2
Тип вентилятора
до 1000 – 1200 ВОД
1200 - 3000 ВОД,ВЦ,ВЦД
более 3000 ВЦ, ВЦД
Выбор вентилятора производится по таблицам характеристик
вентиляторов или с помощью сводного графика областей промышленного
использования /3,4/.
После предварительного выбора вентиляторных установок по
аэродинамическим характеристикам определяют к.п.д. при Н
max
и Н
min
и
мощность двигателя. По каталогам подбирают двигатели и аппаратуру
управления.
5.3 Расчет характеристики внешней сети
Для определения рабочих параметров строят совместно на одном
графике характеристику выбранного вентилятора и характеристику сети.
Характеристика внешней сети представляет собой зависимость между
производительностью и давлением, которое должен обеспечить вентилятор
для движения воздуха в вентиляционной сети шахты.
Постоянная внешней сети R определяется из выражения
Н = R Q
3
При минимальном давлении
2
1
в
min
Q
Н
R
(56)
При максимальном давлении
2
2
в
max
Q
Н
R
(57)
Уравнения характеристик сети при минимальном и максимальном
давлениях имеют вид:
2
вmin
QRН
1
2
2 вmax
QRН
(58)
В полученные выражения подставляют значения Q от 0 до 1,25
требуемой производительности и по полученным данным на
аэродинамической характеристике вентиляторной установки строят
характеристики сети при Н
min
и Н
max
.
Точки пересечения Q
в
с кривыми вентиляционной сети являются
рабочими параметрами.
5.4 Определение рабочих режимов вентиляторной установки
Способ регулирования рабочих режимов предусмотрен конструкцией
вентилятора. Расчеты по регулированию заключаются в определении числа
ступеней регулирования и рабочих режимов на этих ступенях, а также
продолжительности работы на каждой ступени. Пример определения числа
ступеней регулирования рассмотрен в /3/.