книги / Расчет шахтных водоотливных и вентиляторных установок

При pH < 5 трубы следует футеровать бетоном и принимать

δкв = 0 мм/год.

Диаметр нагнетательного трубопровода определяется по рас-

чётному внутреннему диаметру Dр и толщине стенки δр. Наружный расчётный диаметр трубы (мм):

Dн.р = Dр + 2δр при рН ≥ 5;

Dн.р = Dр + 2δр + 30 при рН < 5.

Трубы для нагнетательного трубопровода выбираются по численным значениям Dр, Dн.р, δр. Для шахтных водоотливных установок рекомендуется использовать трубы стальные бесшовные горячедеформированные по ГОСТ 8732–78 (приложение 3).

Внутренний диаметр трубопровода определяется как

D = Dн – 2δ при рН ≥ 5;

D = Dн – 2δ – 30 при рН < 5,

где D, Dн, δ – соответственно внутренний диаметр, наружный диаметр и толщина стенки нагнетательного трубопровода, мм.

Если диаметр трубопровода D > 425 мм, рекомендуется увеличить на единицу число рабочих трубопроводов главной водоотливной установки и выполнить расчёт повторно.

При выборе толщины стенки трубопровода δр принимается ближайший больший размер. Диаметры D и Dн могут быть как ближайшие меньшие, так и ближайшие большие по отношению к расчётным диаметрам Dр и Dн.р.. Обычно выбирают несколько вариантов трубопроводов, по которым ведут дальнейший расчёт. Окончательный выбор трубопровода главной водоотливной установки производят в процессе анализа режима работы насосных агрегатов и технико-экономического сравнения различных вариантов.

Поскольку давление уменьшается по высоте трубопровода, то можно использовать трубы с уменьшающейся к поверхности шахты толщиной стенки. При глубинах более 700 м рациональнее разбивать трубопровод на отдельные секции.

11

По длине трубы должны изготавливаться:

–немерной длины – в пределах от 4 до 12,5 м;

–мерной длины – в пределах немерной;

–длины, кратной мерной, – в пределах немерной длины с припуском на каждый рез по 5 мм;

–приблизительной длины – в пределах немерной длины. Обозначения труб по ГОСТ 8732–78.

Диаметр всасывающего трубопровода Dв принимается на

25–50 мм больше диаметра труб нагнетательного трубопровода, что позволяет улучшить всасывающую способность насосного агрегата. Скорость движения воды во всасывающем трубопроводе рекомендуется иметь в пределах 1,0–1,5 м/с. Предельное значение Dв не может быть в 1,65 раза больше диаметра всасывающего патрубка принятого насоса.

Для всасывающего трубопровода согласно ГОСТ 8732–78 принимаются: внутренний диаметр трубы Dв, наружный диаметр трубы Dв.н, толщина стенки трубы δв.

1.5. Выбор насосов и схемы их соединения главной водоотливной установки шахты

Выбор насосов производится по расчётным расходу Qр и напору Нр с ориентацией на центробежные многоступенчатые секционные насосы ЦНС.

Насосы ЦНС (центробежный насос секционный) широко используются в горнодобывающий промышленности. Основной конструктивной особенностью насосов ЦНС является то, что они изготавливаются из отдельных унифицированных взаимозаменяемых секций, которые устанавливаются последовательно на одном валу и соединяются между собой стяжными шпильками. Изменяя число секций (ступеней) получают насосы с одной подачей и широким диапазоном напоров.

Насос принимается в соответствии с полями режимов работы насосов ЦНС (приложение 4).

12

Индивидуальные характеристики насосов ЦНС представлены в приложении 5.

Обозначения насосов согласно ГОСТ 10407-88.

Расчётное число ступеней насоса:

iст.р = Нр ,

Н1

где Н1 – напор одной ступени насоса при расходе, близком к расчётной производительности главной водоотливной установки.

Полученное при расчёте число округляется в большую сторону до целого числа и принимается число ступеней насоса iст.

Число рабочих насосов zр и схема их соединения.

Если расчётные расход и напор обеспечиваются одним насосом, то число рабочих насосов zр = 1, в противном случае число рабочих насосов zр ≥ 2.

Число насосов горячего резерва zгр определяется из следующих условий:

–объем резерва – не менее 100 %;

–насосы должны быть однотипными;

–суммарная подача насосов рабочих и горячего резерва должна обеспечивать расчётную производительность главной водоотливной

установки по максимальному суточному водопритоку Qр.mах.

Число насосов горячего резерва для шахт с притоком воды, превышающим производительность одного насосного агрегата, указано

вприложении 6.

Число насосов холодного резерва zхр (в ремонте) выбирается из следующих условий:

–суммарная производительность насосов холодного резерва должна быть не менее 50 % от суммарной производительности рабочих насосов;

–насосы должны быть однотипными.

Число насосов холодного резерва (в ремонте) для шахт с притоком воды, превышающим производительность одного насосного агрегата, указано в приложении 6.

13

Суммарное число насосов главной водоотливной установки шахты следующее:

zн = zр + zгр + zхр.

1.6. Выбор коммутационной гидравлической схемы главной водоотливной установки шахты

Соединение насосов на главной водоотливной установке с нагнетательными трубопроводами должно быть таким, чтобы любой из насосов мог подключаться к любому нагнетательными трубопроводу. При диаметре труб нагнетательного трубопровода D ≤ 300 мм, подаче насосов менее 300 м3/ч, наличии трех насосов и двух трубопроводов обычно применяют типовую гидравлическую коммутационную схему с общим приемным зумпфом и кольцевым трубопроводом у потолка насосной камеры (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Коммутационная гидравлическая схема главной водоотливной установки с тремя насосными агрегатами и двумя нагнетательными трубопроводами: 1 – приемный колодец; 2 – водозаборное устройство; 3 – обратный клапан; 4 – всасывающий трубопровод; 5 – фланцевое соединение; 6 – насос; 7 – оперативная задвижка; 8 – обратный клапан; 9 – нагнетательный стояк; 10, 11 – плечевые задвижки; 12 – кольцевая сеть; 13 – компенса-

тор; 14 – рабочий и резервный нагнетательные трубопроводы

14

Для шахтных водоотливных установок с большим числом насосов и нагнетательных трубопроводов, что характерно при повышенных протоках воды в горные выработки, могут применяться иные схемы [1].

1.7. Расчёт напорной характеристики внешней сети главной водоотливной установки шахты

Расчёт напорной характеристики внешней сети производится по формуле:

Нс = Нг + RcQ2 ,

где Q – расход насоса, м3/ч; Rc – обобщенный коэффициент сопротивления внешней сети, ч2/м5:

здесь λн, λв – коэффициенты линейных гидравлических сопротивлений соответственно нагнетательного и всасывающего трубопровода; ξн, ξв – коэффициенты местных гидравлических сопротивлений арматуры соответственно нагнетательного и всасывающего трубопровода; Lн – протяженность нагнетательного трубопровода, м.

Коэффициент линейных гидравлических сопротивлений для всасывающего трубопровода

λв = 0,0195.

3 Dв

Коэффициент линейных гидравлических сопротивлений для нагнетательного трубопровода

λн = 0,01953 D .

Значения коэффициентов местных гидравлических сопротив-

лений арматуры ξв, ξн принимаются согласно приложениям 7 и 8.

Протяженность нагнетательного трубопровода главной во-

доотливной установки определяется как

15

Lн = Lр – Lв.

Число фланцевых стыков в нагнетательном трубопроводе главной водоотливной установки

zст = Lн ,

lт

где lт – длина отдельной трубы.

Рекомендуется составить таблицы с результатами расчёта суммы коэффициентов местных гидравлических сопротивлений арматуры всасывающего и нагнетательного трубопроводов

(табл. 1.1 и 1.2)

Таблица 1.1

Результаты расчёта суммы коэффициентов местных гидравлических сопротивлений всасывающего трубопровода

Таблица 1.2

Результаты расчёта суммы коэффициентов местных гидравлических сопротивлений нагнетательного трубопровода

1Фланцевый стык

2Задвижка открытая

3Обратный клапан

Итого

16

1.8. Определение и анализ рабочего режима главной водоотливной установки шахты

Для графического определения рабочего режима главной водоотливной установки составляется сводная таблица путем расширения таблицы индивидуальной характеристики насоса (первые четыре строчки в табл. 1.3).

Таблица 1.3

Сводная таблица для графического определения рабочего режима шахтной водоотливной установки

Примечания к сводной табл. 1.3:

1. Производительность насосной станции главной водоотливной установки:

Qнс = Qzпр,

где zпр – число рабочих насосов насосной станции при параллельном соединении.

При одном рабочем насосе главной водоотливной установки

Qнс = Q.

2. Напор насосной станции главной водоотливной установки:

Ннс = Н1icт,

где iст – суммарное число ступеней рабочих насосов.

17

3. Допустимая вакуумметрическая высота всасывания насосов главной водоотливной установки определяются по формуле

Нвд = p0ρ−gpп −∆hд,

где р0 – атмосферное давление, р0 = 101 325 Па; рп – давление насыщенных паров воды при температуре t откачиваемой шахтной воды, Па (приложение 9).

Графическое определение рабочего режима главной водоот-

ливной установки показано на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Графическое определение рабочего режима главной водоотливной установки

Рабочий режим главной водоотливной установки определяется следующими параметрами:

– Qд – действительная подача насосной станции;

18

–Нд – действительный напор насосной станции;

–ηд – КПД насосной станции при действительном рабочем режиме;

–Нвдд – допустимая вакуумметрическая высота всасывания насосной станции при действительном рабочем режиме.

Фактический режим работы главной водоотливной установки должен обеспечивать:

–расчётный расход;

–устойчивость рабочего режима;

–экономичность рабочего режима;

–отсутствие кавитации при работе насосов.

Расчётный расход главной водоотливной установки обеспечивается при выполнении условия:

Qд ≥ Qр.

Если условие не выполняется, то необходимо увеличить число ступеней насоса iст на единицу при наличии такой возможности. Если отсутствует возможность увеличения числа ступеней насоса главной водоотливной установки, то необходимо увеличить диаметр нагнетательного трубопровода, но не более чем до 425 мм. Если необходимый результат не получен, то следует увеличить число рабочих насосов главной водоотливной установки на единицу.

Если действительная подача насосной станции главной водоотливной установки Qд значительно превышает расчётную производительность Qр и становится больше максимальной возможной подачи насоса Qнmax, следует уменьшить диаметр нагнетательного трубопровода главной водоотливной установки и пересчитать характеристику внешней сети.

Устойчивость рабочего режима главной водоотливной уста-

новки обеспечивается при выполнении условия:

Нг ≤ 0,9Н0,

где Н0 – напор насоса при нулевой подаче.

19

Экономичность рабочего режима главной водоотливной уста-

новки определяется условием:

ηд ≥ 0,9ηmax.

Отсутствие кавитации при работе насосов устанавливает условие:

Нв ≤ Нвдд,

где Hв – вакуумметрическая высота всасывания насоса,

здесь vвс – скорость воды во всасывающем трубопроводе при действительной подаче, м/с,

Если Нв > Нвдд, что свидетельствует о наличии кавитации при работе насоса главной водоотливной установки, следует выполнить следующие мероприятия:

1. Уменьшить, если возможно, геометрическую высоту всасывания насоса путем понижения уровня расположения насоса главной водоотливной установки по отношению к уровню воды в водосборнике.

Допустимое значение геометрической высоты всасывания насоса определяется по выражению:

Высота всасывания насоса Нвcд не может быть меньше 3,5 м, что связно с конструкционными особенностями насосных станций главной водоотливной установки.

20