8. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ВОДООТЛИВНЫХ УСТАНОВОК

ставляет значительные трудности вследствие электромехани­ ческих помех, большой влажности, вибрации и агрессивности действия шахтных вод. Поэтому во избежание искажения ре­ зультатов исследований применяют электрические фильтры в усилителях, стабилизаторы напряжения, различные защит­ ные устройства, а также производят тщательную изоляцию приборов.

8.1. Измерение давления в насосах и нагнетательных трубопроводах

Измерение давления и вакуума в шахтных насосах особых трудностей не представляет; для этих целей применяют пру­ жинные манометры и вакуумметры. Для измерения и регист­ рации давления используют пружинные, контрольные двухст­ релочные манометры МКД-16, МКД-40 и МКД-100, а также гидравлические манометры ОБМГ1-ЮО, ОБМГ1-160 на давле­ ние 10 и 16 МПа с классом точности 1 и 2,5. Эти приборы вы­ бирают по номинальному давлению для данной установки. С не­ которым запасом принимают очередной прибор из ряда номи­ нальных давлений.

Самопишущие манометры МЭД-03, МГ-610 и другие при­ меняют для регистрации давления при различной скорости вращения диска, что позволяет записать процесс изменения давления. Манометры периодически тарируют по образцовому грузопоршневому манометру МП-60 класса точности 0,5.

Всасывающая способность шахтных насосов контролиру­ ется мановакуумметрами разрежения ОБМВ-ЮО и ОБМВ-160

спределом измерения до 0,1 МПа, класса точности 2,5.

Всистеме насос —трубопровод возникают колебания дав­ ления за счет упругих стенок трубопровода и колебания на­

пряжения в шахтных электросетях. Для устранения вредного блияния на измерительную аппаратуру и предохранения ее от коррозийного воздействия шахтных вод применяют раздели­ тельные сосуды СР-160М на давление до 16 МПа. В качестве разделительной жидкости используется машинное масло марки «Л».

Создаваемый насосом напор при испытаниях

включения манометра и вакуумметра, м.

Для измерения давления в гидравлической системе водо­ отливной установки во время переходных процессов исполь­ зуются мембранные конденсаторные датчики давления (рис. 8.1,а). Жидкость под давлением поступает к мембране, на которой установлена нижняя пластина 1 конденсатора. Мем­

брана прогибается и при этом изменяется расстояние между нижней 1 и верхней 2 пластинами конденсатора. В результате изменяется емкость конденсатора, вызывая нарушения равно­ весия мостовой схемы. Разбаланс моста, фиксируемый на пленке осциллографа, регистрирует давление в системе на­ сос— трубопровод. Расшифровка записи на пленке произво­ дится по тарировочной осциллограмме конденсаторного дат­ чика (рис. 8.1,в), полученной при нагружении датчика на

ходных процессов автоматизированных водоотливных установок и его ста­

прессе Рухгольца. Сопоставление ординаты записи на пленке

старировочной кривой датчика позволяет определить давление

влюбой период исследуемого процесса. В тех случаях, когда регистрация давления производится в каждой ступени насоса,

тарировку датчиков производят одновременно и их масштабы должны быть равны между собой. Согласно эксперименталь­ ным данным получают график зависимости силы тока осциллографического гальванометра от давления (рис. 8.1,6), строят характеристику и определяют масштаб датчика. По отклонению луча гальванометра определяют границы линейности харак­ теристики датчика и пределы возможных изменений давления.

Датчики давления с нелинейной характеристикой и явле­ ниями гистерезиса применять при исследованиях не рекоменду-

ется из-за возможных искажений записи переходных процес­ сов и трудности обработки осциллограмм.

Экспериментом установлено, что собственная частота коле­ баний мембраны датчика давления составляет 4000 Гц, а ча­ стота колебательных процессов в трубопроводе не превышает 500 Гц, что позволяет без погрешностей регистрировать все явления, возникающие в гидравлической системе.

Исследование переходных процессов при пуске мощных на­ сосных агрегатов позволяет определить необходимые данные для расчета динамики системы насос —трубопровод и выбрать уставки для релейной аппаратуры. Для измерения давления и других величин при переходных процессах использовались осциллографы Н-117 и Н-102 в комплекте с малогабаритными потенциометрическими датчиками МБ-100Т, МД, ТДБ и ЭДУ, регистрирующие изменение этих величин без применения уси­

лителей.

На рис. 8.2 показана схема включения датчиков для одно­ временной записи гидромеханических процессов в системе на­

получены при следующих режимах: нагнетательный трубопро­ вод заполнен водой, задвижка постоянно открыта и пуск дви­ гателя осуществляется на полное напряжение. Анализ осцил­ лограмм позволяет сделать следующие обобщения. Период пуска изменяется от 3 до 5,5 с; при этом давление, частота вращения, мощность и вращающий момент нарастают по за­ кону экспоненты без каких-либо пиковых нагрузок. Более уд­ линенный пусковой период насосного агрегата 14М-8Х4 (5,4 с) указывает на его повышенную инерционность. При пуске не возникают опасные динамические перенапряжения. Регулирую­ щим параметром насосного агрегата, влияющим на переход­ ный процесс, является относительная частота вращения, кото­ рая определяется вращающим моментом на валу, моментами сопротивления и инерцией двигателя.

Амплитудное значение пускового тока составляет 650 А; номинальный ток 112 А устанавливается по мере разгона воды в трубопроводе при напоре 358 м и расходе Q=585 м3/ч.

Период пуска насосных агрегатов с автоматизированной за­ движкой значительно удлиняется, что определяется инерцион­ ностью системы насос — трубопровод и продолжительностью ее открытия.

Наблюдения показывают, что при правильном расчете па­ раметров водоотливной установки процесс пуска не вызывает каких-либо осложнений в ее работе.

в формуле расхода (8.2). Завышенное значение перепада при­ водит к большим потерям, заниженное — к увеличению погреш­ ности при измерении. Необходимо учитывать также, что чем

Рис. 8.4. График расхода откачиваемой воды по двум трубопроводам, измеренного с помощью сопла Вентури и днфманометра ДСП-780:

/ — при работе двух насосов (расход воды <2=960 м5/ч); 2 — при работе трех насосогс (расход воды <?=Н40 м*/ч)

хода. Опыт эксплуатации водоотливных установок показывает, что точность измерения расхода с помощью сопла Вентури или диафрагмы зависит от соблюдения ряда условий.

Нецелесообразно устанавливать дроссельные приборы в кольцевых трубных коллекторах из-за больших погрешностей вследствие завихрений потока жидкости от арматуры. Длина прямого участка от дроссельного прибора до задвижки или

вием скоростного напора пластина и наклеенные на нее тензорезисторы будут деформироваться. При этом сопротивле­ ние тензорезисторов изменяется, в измерительной схеме нару­ шается равновесие, и возникает ток, пропорциональный этой деформации. Шкала прибора градуируется на испытательном стенде (рис. 8.5,в) в единицах мгновенной скорости воды в тру­ бопроводе. Тензометрические датчики расхода хорошо зареко­ мендовали себя при промышленных испытанияхОни позво­ ляют определить подачу насосов с достаточной для практики точностью ±1 %.

8.3. Измерение мощности электродвигателей

Измерение мощности электродвигателей трехфазного тока при установившемся режиме насосных агрегатов осуществля­ ется по типовой схеме двух ваттметров с использованием ком­ плектов КИП-50 или КИП-51. Приборы применяются в цепях переменного тока до 600 В с отдельным блоком трансформато­ ров тока И-508, позволяющим повысить предел измеряемой мощности до 700—1000 кВт. Для измерения мощности при переходных процессах применяется осциллограф с включением

всхему двух гальванометров мощности [43].

Впроцессе испытаний ваттметрами замеряют потребляемую мощность электродвигателей (кВт), которая определяет энер­ гетические характеристики насосных агрегатов

где /С/, Ки — коэффициенты трансформации соответственно трансформаторов тока и напряжения; Cw—InpUnp/mw — цена деления ваттметров, Вт/дел; 1ЩЪ Unр — пределы измерения ваттметров соответственно по току и напряжению; Ш\у —число делений шкалы ваттметра; сц, аг — показания ваттметров, дел.

Мощность иа валу насоса во время испытаний его на стенде определяется измерением крутящего момента с помощью электродинамометра. В подземных условиях применение этих методов измерений сопряжено со значительными трудностями. Поэтому мощность на валу при непосредственном соединении двигателя с насосом определяют исходя из потребляемой мощ­ ности с учетом к.п.д. электродвигателя:

8.4. Результаты испытаний шахтных насосных агрегатов

Характеристики насоса определяют для всесторонней оценки его работы в шахтных условиях и сравнения этих данных с ре­ зультатами заводских испытаний. Такие испытания проводятся

третий насос и уровень воды снижается. Уровень воды в водо­ сборниках при сложной гидрогеологии и выбросах шахтных вод из карстовых образований имеет резкие колебания, которые часто принимают форму почти гармонических колебаний. Уро­ вень определяется величиной притока шахтных вод, объемом водосборника, числом и подачей одновременно работающих насосов.

/ Z 3 9 5 Б 7 В 9 W ff !Z 13 14 1S /В 17 fg Jff ZO 4

Рис. 8.6. Схема устройства для регистрации уровня воды в водосборниках (а)

играфик изменения уровня (б)

8.6.Исследование работы приемных камер заглубленных водоотливных установок

Особенностью эксплуатации насосных камер при отрица­ тельной высоте всасывания является опасность завихрения жидкости в приемной камере и возможность подсоса воздуха в насос.

Значение подпора для шахтных насосов необходимо выби­ рать в зависимости от их характеристик и конструкции прием­ ных камер. Подбор должен превышать гидравлические потери от приемной камеры до насоса и обеспечивать отсутствие за­ вихрений жидкости. Наблюдениями установлено, что образо­ вание завихрений жидкости при входе в насос зависит от: рас-

положения всасывающих труб в приемной камере, изменяю­ щейся высоты подпора, распределения ее между приемными камерами и расстояния всасывающих патрубков от почвы. При работе насосов 10НМКХ2, ЗВ-200Х4 и 14М-12Х4 высота под­ пора шахтных вод должна быть не менее 0,9—1,3 м над всасы­ вающими патрубками, чтобы не допустить сброса нагрузки.

Опасность образований завихрений возрастает при малом расстоянии между всасывающими трубопроводами и одновре­ менной работе двух насосов в одной приемной камере. Чтобы предотвратить подсосы воздуха, необходимый подпор для рас­ сматриваемых типов насосов в этом случае увеличивается до 1,5 м.

Рис. 8.7. Приемные камеры заглубленных водоотливных установок с раз­ личным расположением всасывающих трубопроводов:

При подводе воды в приемную камеру поток жидкости дол­ жен равномерно распределяться между параллельно работаю­ щими насосами. При несоблюдении этого условия снижается подача насосов вследствие возникновения режимов частичной кавитации. Наиболее эффективно используется подача насосов, когда поток воды поступает перпендикулярно к плоскости расположения всасывающих трубопроводов при соответствую­ щем расстоянии между ними, как указано на рис. 8.7,а. Ши­ роко используется приемная камера с равномерным распределе­ нием скорости поступления жидкости в насосы с помощью на­ правляющих стенок, что позволяет избежать образования завихрений и осуществлять очистку шахтных вод от механиче­ ских примесей (рис. 8.7, б) .

8.7. Гидравлический удар в нагнетательных трубопроводах

При эксплуатации водоотливных установок, особенно при большой высоте нагнетания, появляется опасность разрыва стенок нагнетательных трубопроводов из-за повышенных дав-

лений при гидравлическом ударе, вызванном изменением ско­ рости движения воды. При закрытии обратного клапана или задвижки в каждом' сечении трубопровода будут изменяться давление, скорость и деформация трубы. Скорость распростра­ нения ударной волны имеет большое значение в теории гидрав­ лического удара, особенно учитывая .упругие свойства матери­ ала стенок трубы и жидкости. При гидравлическом ударе в во­ доотливной установке каждому изменению скорости или давления, происходящему в любой точке трубопровода, соответ­ ствует появление прямых и обратных отраженных волн, вдоль которых происходит перепад скоростей и давлений. Началь­ ными условиями являются значения расхода и давления в наг­ нетательных трубопроводах, граничными — отражение ударных волн с обратным знаком от открытого конца нагнетательного трубопровода, что соответствует отражению волны от нагнета­ тельного бака с постоянным давлением- В связи с переходом очистных и подготовительных работ на глубокие горизонты, когда установки работают при геометрической высоте нагне­ тания 700—1000 м, значение проблемы гидравлического удара возросло для водоотливных установок горнорудной промышлен­ ности. С учетом ударной волны в нагнетательных трубопрово­ дах возникают большие динамические нагрузки, близкие по ве­ личине к допускаемым напряжениям. Основными очагами воз­ никновения гидравлического удара являются центробежные насосы, которые при нормальной работе не создают причин, вы­ зывающих повышенное давление. Однако в случае внезапной остановки насосного агрегата при прекращении подачи электро­ энергии в нагнетательном трубопроводе возникает гидравличе­ ский удар значительной величины.

Изучение гидравлического удара в водоотливных установках представляет большую сложность, трудность и опасность про­ ведения экспериментальных исследований в подземных усло­ виях, особенно при высокопроизводительных насосах высокого давления. Максимальная ударная волна гидравлического удара регистрируется на пленке осциллографа в условиях создания аварийного режима в гидросистеме, так как различные моде­ лирующие методы дают косвенные результаты. В монографиях и учебниках по водоотливу вопросы гидравлического удара освещены недостаточно, и только в специальных исследованиях рассматриваются некоторые теоретические аспекты этой проб­ лемы. Хотя в литературе имеются описания различных спосо­ бов защиты трубопроводов в системах водоснабжения, однако для водоотливных установок эти вопросы исследованы весьма мало [44].

Особенности гидравлического удара в нагнетательных трубо­ проводах водоотливных установок. Для определения значения гидравлического удара были проведены экспериментальные ис­ следования более чем на десяти шахтах при трубопроводах

диаметром от 150 до 600 мм и длине от 0,5 до 2 км с геометри­ ческой высотой нагнетания от 100 до 600 м.

Опыты проводились по специальной методике в условиях действительного гидравлического удара при внезапном вклю­ чении одного или нескольких работающих насосов.

Условия работы нагнетательных трубопроводов водоотлив­ ных установок значительно отличаются от условий работы трубопроводов промышленного водоснабжения. В вертикаль­ ных трубопроводах возникают высокие давления вследствие изменения скорости движения жидкости от 0 до 3 м/с, сниже­ ния производительности (согласно закону подобия турбома­ шин) при изменении частоты вращения и наличии загрязнен­ ных и кислотных шахтных вод.

Как показывают экспериментальные исследования, гидрав­ лический удар при работе водоотливных установок происходит при следующих условиях: при изменении скорости воды в тру­ бопроводах, частоты вращения насосного агрегата, снижении подачи, срыве вакуума и внезапном отключении одного или нескольких насосных агрегатов при их работе на общий трубо­ провод. Последний режим наиболее часто встречается при ра­ боте мощных водоотливных установок в условиях разработки обводненных рудных месторождений.

В процессе исследований и расчетов гидравлического удара трубопровод водоотливных установок рассматривается как про­ стой трубопровод из изотропного материала, имеющий оди­ наковые диаметр и толщину стенки по всей его длине.

Скорость распространения ударной волны принята постоян­ ной по всей длине трубопровода. Время пробега ударной волны

где а — скорость распространения упругих волн в нагнетатель­ ном трубопроводе, м/с.

При отключении насосного агрегата с малой инерцией мгно­ венно закрывается обратный клапан и возникает прямой удар при значительном ударном давлении. Насосные агрегаты с большой инерцией, например 10НМКХ2, 8МС-7Х10, 14М12x4, при отключении продолжают вращаться; обратный кла­ пан закрывается более медленно, и возникает непрямой гид­ равлический удар. В водоотливных установках в отличие от систем промышленного водоснабжения длина нагнетательного трубопровода и геометрическая высота нагнетания равны ме­ наду собой.

Расчет гидравлического удара при наличии обратного кла­ пана у насоса сводится к определению максимального давле­ ния, продолжительности колебательного процесса и к выбору средств защиты, если амплитуда ударной волны окажется не­ допустимо большой. Важное значение при этом приобретают

не превышают 15—20 м и не оказывают существенного влия­ ния на амплитуду гидравлического удара.

Известно, что снижение давления при гидравлическом ударе в некоторых случаях может привести к образованию в трубо­ проводе пространства, заполненного воздухом и растворен­ ными в шахтной воде газами, т. е. к образованию разрыва сплошности потока жидкости и увеличению ударного давления. Условие образования разрыва сплошности потока выражается соотношением avp> pcт.

Многочисленные эксперименты в условиях водоотливных установок, оборудованных мощными насосными агрегатами (14М-8Х4, 10НМКХ4 и др.), не обнаружили разрыва сплош­ ности жидкости при гидравлическом ударе.

Осциллограмма давления при гидравлическом ударе на во­ доотливной установке одной из шахт СУБРа представлена на

рис. 8.8.

При проведении опытов каждый из нагнетательных трубо­ проводов переключением соответствующих задвижек выделялся из общей системы трубопроводов водоотливной установки и присоединялся к исследуемому насосу. Первый период работы характеризуется волной пониженного давления с постепенным уменьшением скорости движения воды и снижением давления

втрубопроводе. Отток воды от обратного клапана с остаточ­ ной скоростью вызывает при некоторых режимах образование

втрубопроводе пространства, заполненного воздухом и раство­ ренными газами в шахтной воде.

Во втором периоде волна пониженного давления, отражаясь от открытого конца трубопровода, возвращается к насосу и

встречает закрытый обратный клапан. Вся энергия движения жидкости в этот момент преобразуется в гидравлический удар с максимальной амплитудой ударного давления. В подавляю­ щем большинстве при эксплуатации водоотливных установок возникает прямой удар, когда время закрывания обратного

метра колеблется в пределах 0,6—1,5 с и зависит от продол­ жительности периода пониженного давления, расхода и его условного сечения.

Третий и последующие периоды характеризуются затухаю­ щими волновыми колебаниями с постепенно уменьшающейся амплитудой в зависимости от характеристик насоса и трубопро­ вода. На рис. 8.8, б показана гидравлическая схема установки, на которой исследовалось явление гидравлического удара. Исследования проводились на водоотливных установках с на­ сосными агрегатами, имеющими значительную инерцию (ЗВ-200Х4, 14М-12Х4, 14М-8Х4, 10НМКХ4 и др.).

Результаты экспериментальных исследований позволяют сделать следующие обобщения.

В условиях работы водоотливных установок с отрицательной высотой всасывания, оборудованных спиральными насосами, разрыв сплошности потока жидкости не наблюдался.

При эксплуатации многосекционных насосов и положитель­ ной высоте всасывания создаются условия, способствующие разрыву сплошности потока жидкости вследствие больших гидравлических сопротивлений самого насоса, всасывающего трубопровода и обратного клапана. Этому способствует также мгновенное прекращение подачи воды из всасывающего в на­ гнетательный трубопровод при отключении насоса. Для этих

установок необходимо провести осцнллографпческие исследо­ вания.

Насосные агрегаты с малой инерцией, работающие при гео­ метрической высоте нагнетания 100—150 м, имеют достаточную прочность трубопроводов и повреждение их при гидравличе­

JAAAf*~l

£

Рис. 8.9. Осциллограммы давления при гидравлическом ударе в случае одно­ временной остановки двух параллельно работающих насосных агрегатов 14М-8Х4:

дает до нуля, но имеется увеличенный период пониженного

давления.

Для водоотливных установок, оборудованных насосами со значительной инерцией, локальный метод расчета гидравличе­ ского удара дает заниженную амплитуду ударного давления и в этом случае необходима экспериментальная проверка или расчет амплитуды по кривым переходного процесса.

Максимальные амплитудные значения динамического дав­ ления /?дШ, при гидравлическом ударе, полученные эксперимен­ тальным путем, для скорости воды v =1,66 м/с и и=3,32 м/с составили соответственно 1,8 МПа и 2,3 МПа (рис. 8.9, а). Зна­ чения их меньше расчетных (см. табл. 8.2), что объясняется принятыми выше допущениями и меньшей скоростью распро­ странения упругих волн, чем принята в расчетах (1000 м/с).

Осциллограммы, полученные в условиях работы водоотлив­ ной установки шахты № 14 2-го северного рудника СУБР, ш> казали, что отключение одного насоса из двух, работающих не вызвало существенного изменения давления, расхода или ско­ рости движения жидкости. Насосные агрегаты ЗВ-200Х4 при подаче 450 м3/ч и напоре 180 м имели одинаковую характери­ стику. Особенность явления гидравлического удара при прекра­ щении расхода в трубопроводах объясняется тем, что обратный клапан работающего насоса остается открытым.

Недопустимым режимом при эксплуатации водоотливных установок является параллельная работа нескольких насосов на один трубопровод и одновременное их отключение. Как по­ казывают опыты, проведенные в условиях водоотливных уста­ новок Турьинского, Карабашского рудников и шахт № 15 и 16 СУБРа, высокие скорости движения воды в трубопроводе (2,5—3,75 м/с) создают мощный гидравлический удар, крайне опасный для целости трубопровода. Повреждение арматуры (главного колена, задвижки) произошло на гор. 340 м шахты «Центральная» Карабашского рудника при работе трех насос­ ных агрегатов АЯП-3-150 на общий трубопровод (D = 250 мм) и их одновременном отключении. Аналогичные явления проис­ ходили на шахтах СУБРа и Миргалимсайского рудника.

8.8. Способы защиты нагнетательного трубопровода от гидравлического удара

При эксплуатации водоотливных установок были испытаны различные способы защиты нагнетательных трубопроводов. Так, при малой геометрической высоте нагнетания и значитель­ ном запасе прочности трубопроводов создаются благоприятные условия для их работы, и возникающий гидравлический удар незначительной силы не осложняет работу водоотливных уста­ новок.

При эксплуатации водоотливных установок известны слу­ чаи аварии нагнетательных трубопроводов. На одном из рудни­ ков при отключении энергии в автоматизированной установке произошло разрушение нагнетательного трубопровода от гид­ равлического удара. Нагнетательный трубопровод диаметром 530 мм при геометрической высоте нагнетания 350 м был раз­ рушен около обратного клапана, и вода устремилась в насос­ ную камеру, что вызвало необходимость принятия срочных мер по ликвидации аварии и переводу насосов на запасные нагне­ тательные трубопроводы. Защитная аппаратура от гидравличе­ ского удара на нагнетательных трубопроводах отсутствовала. Осциллографические исследования после замены части трубо­ провода на этом руднике показали, что амплитуда ударной волны составляет 6—7 МПа.

клапана посредине нагнетательного трубопровода. В коротком отрезке трубопровода, заключенном между двумя обратными клапанами, возникают быстрозатухающие колебания прямых и отраженных ударных воли, а энергия гидравлического удара расходуется на трение в трубопроводе. Экспериментальные ис­ следования позволили установить селективность срабатывания обратных клапанов при работе водоотливных установок. Это обстоятельство имеет важное значение для определения про­ цесса развития гидравлического удара. Целесообразность за­ щиты трубопроводов с помощью обратных клапанов доказана длительной эксплуатацией автоматизированных водоотливных установок во всех горнорудных бассейнах. Применение этого способа способствует более быстрому затуханию волновых про­ цессов, снижению давления в трубопроводах и дает возмож­ ность производить его расчет в отдельных установках без удар­ ного давления. Это позволяет применить трубы с меньшей толщиной стенки.

Оценка способов защиты от гидравлического удара указы­ вает, что перспективно применение гасителей удара, работаю­ щих по принципу сброса части транспортируемой воды. Имею­ щиеся разработки пружинных гидравлических гасителей по

подробно о защите нагнетательного трубопровода от гидравли­ ческого удара см. в [11].

Испытания гасителей с использованием сливного и импульс­

уголь» показали удовлетворительные результаты. Эти гасители намечены к дальнейшему применению в угольной промышлен­ ности [47].

Из краткого рассмотрения ясно, что необходимо дальнейшее совершенствование способов защиты от гидравлического удара шахтных трубопроводов, особенно для мощных водоотливных установок. Этот важный вопрос требует дополнительных тео­ ретических и особенно экспериментальных исследований для различных установок.

9. ОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИ И РАСЧЕТ ВОДООТЛИВНЫХ УСТАНОВОК

9.1. Особенности эксплуатации водоотливных установок

Многолетний опыт эксплуатации усовершенствованных во­ доотливных установок позволяет обобщить опыт их работы и таким образом способствовать устранению недостатков при оборудовании вновь строящихся и реконструируемых устано­ вок. Условия эксплуатации водоотливных установок шахт от­ личаются от условий эксплуатации насосных станций промыш­ ленного и коммунального водоснабжения. Они характеризуются: высоким давлением в трубопроводах, необходимостью откачки загрязненных и кислотных шахтных вод, высокой влажностью и взрывоопасностью рудничной атмосферы, значительным от­ клонением режимов работы водоотливных установок в про­ цессе эксплуатации от режимов, принятых в проектах. Послед­ нее объясняется возрастанием местных сопротивлений в тру­ бопроводах и возникновением кавитационных режимов.

9.2.Некоторые переходные процессы

иособые случаи эксплуатации

Изучение переходных процессов и особых случаев эксплу­ атации водоотливных установок проводилось с использованием экспериментальных методов исследований, которые основыва­ ются на теории гидродинамики, законах подобия рудничных турбомашин, уравнении Эйлера и позволяют получить факти­ ческие зависимости напора, момента вращения, к. п. д. и дру­

гих показателей от подачи насоса.

Экспериментальные методы исследования в натурных усло­ виях часто являются единственно возможными для изучения особых случаев эксплуатации водоотливных установок. Изве­ стно, что некоторые переходные процессы возникают случайно, часто обусловливаются специфическими особенностями работы водоотливных установок шахт или’возникают при переходе от одного режима к другому. К такого рода режимам следует отнести режим частичной кавитации, последовательную или параллельную работу насосных агрегатов при опорожненном ставе и многие другие.

Параллельная работа^ насосов широко применяется в гор­ норудной промышленности, особенно в условиях обводненных рудных месторождений. При параллельной работе насосов

сокращается количество трубопроводов, упрощаются их ком­ мутационные схемы и снижается расход электроэнергии. Ус­ тойчивость напорных характеристик имеет при этом режиме решающее значение, а степень взаимного влияния насосов определяется правильно выбранными параметрами трубопро­ водов и самих насосов.

На рис. 9.1, а приведены идентичные экспериментальные

торая применяется в горнорудной промышленности и разре­ шена Госгортехнадзором.

Путем геометрического построения суммарнаяхарактери­ стика насосов 1—2 пересекается с характеристикой Я i_2 экви­ валентного трубопровода в точке А, положение которой опре­ деляет режим их параллельной работы [48].

Режимы работы каждого из насосов определяются точками В и С, пересечением их характеристик 1 и 2 с характеристикой индивидуального трубопровода.

Для определения суммарной подачи насосов при параллель­ ной работе находят подачу одного насоса по формуле (см. табл. 2.3)

в- зависимости от числа параллельно работающих насосов и трубопроводов.

Опыт эксплуатации насосных агрегатов в условиях парал­ лельной работы позволяет обосновать следующие • положения.

1.Условия работы йаСосов улучшаются при более крутых напорных характеристиках и пологих характеристиках нагне­ тательных трубопроводов. Так, например, насосы 14М-8Х4 при напоре 365 м и внутреннем диаметре общего нагнетательного трубопровода 353 мм дают суммарную подачу 1150 м3/ч, что указывает на повышение эффективности работы до 2—4%.

2.При неравномерном износе в процессе эксплуатации уве­ личивается мощность на валу приводного двигателя насоса,

работающего с лучшей напорной характеристикой вследствие увеличения его подачи. Коэффициент возрастания мощности в этом случае не превышает 1,033—1,042 и перегрузка электро­ привода не представляет опасности. Малое изменение подачи при параллельной работе насосов и отсутствие опасных пере­ грузок электродвигателей создают благоприятные условия для их саморегулирования по подаче и частоте вращения.

Параллельная работа насосов с различными характеристи­ ками применяется в горнорудной промышленности весьма редко. В этих условиях возникает явление неравномерности подачи насосов, перегрузка двигателей насосных агрегатов с низкой напорной характеристикой, что влечет сброс нагрузки.

Последовательная работа насосов. Целесообразность после­ довательной работы насосов обусловливается: малыми прито­ ками шахтных вод на верхних горизонтах, относительно малым давлением в трубопроводах, применением менее дорогосто­ ящего оборудования и арматуры. Это дает возможность со­ кратить капитальные затраты в результате отказа от проходки водосборников на промежуточных горизонтах.

Устойчивая работа насосов возможна при избыточном дав­ лении во всасывающих трубопроводах верхних горизонтов. Чтобы включить любой из насосов в гидравлическую схему со стороны всасывания, необходимо оборудовать специальные коллекторы [49].

На рис. 9.2 показана схема двухступенчатой водоотливной установки с последовательно включенными насосами, которая длительно эксплуатируется в условиях откачки кислотных вод на руднике им. III Интернационала. Для устойчивой работы насосов' II горизонта создается необходимый подпор при со­ отношении подач QI> Q P> Q 2, значение которого для насо­ сов II горизонта определяется геометрическим вычитанием ординат характеристики трубопровода 3' из соответствующих ординат характеристики насоса 2'. Кривая подпора V харак­ теризует устойчивую работу насосов II горизонта; при этом подпор составляет 20—25 м. Режим последовательной работы насосов обоих горизонтов определяется геометрическим сложе­ нием подпора 1' и характеристики 4' насосов, в результате чего получается кривая 5', которая и определяет их устойчивую ра-

боту (точка А). Кривая 6' является характеристикой трубопро­

вода II горизонта.

Ступенчатый водоотлив с последовательно включенными насосами, расположенными на разных горизонтах, широко применяется в горной промышленности. Наблюдения за рабо­ той установок показывают, что технический ресурс до капи­ тального ремонта насосов верхнего горизонта увеличился на 1500 ч, снизился расход электроэнергии на 3—5 % и на 8—10 % сократились эксплуатационные расходы.

Рис. 9.2. Гидравлическая схема (а ) и характеристики ( б ) двухступенчатой водоотливной установки с последовательно включенными насосами, располо­ женными на разных горизонтах:

/ — нагнетательный трубопровод II гор/, 2 — задвижки; 5 — трубный коллектор II гор/,

4 — нагнетательный трубопровод I гор.; 5 — насосы

Режим работы насосов при отрицательной высоте всасы­ вания определяется по результирующей кривой 3 (рис. 9.3), полученной алгебраическим сложением ординаты характери­ стики нагнетательного трубопровода АС (кривая 1) и всасы­ вающего трубопровода АВ (кривая 2), при одинаковой произ­ водительности. Характеристики сети АС и АВ строят соответ­ ственно по формулам

Точка М определяет режим насоса с подпором при пока­ зателях Q2, # 2 И Г]2-

Режимы работы насосов при отрицательной высоте всасы­ вания определяются соотношениями: Q2> Qi и ЯМ> Я 2.

Мощность на вилу насоса, работающего без подпора, опре­ деляется по формуле (см. рис. 9.3)

Рис. 9.3. Гидравлическая схема установки (а ) и характеристики насоса при отрицательной высоте всасывания (б )

Мощность на валу насоса, работающего с подпором,

Сравнение энергетических затрат при рассмотренных режи­ мах работы насоса определяется соотношением подачи, напора и характеризуется полученным значением к. п. д.

Эксплуатационные показатели работы насосных агрегатов при отрицательной высоте всасывания всегда выше, что объяс­ няется: постоянным подпором воды, отсутствием подсосов воз­ духа, меньшими гидравлическими потерями во всасывающих трубопроводах и повышением надежности работы установок.

Влияние засасываемого воздуха на режим работы насоса. При перекачке смеси вода — воздух или вода —газ большое значение имеет разрежение и наличие подсосов воздуха во вса­ сывающей системе насоса. Известно, что при температуре воды

поглощение воздуха значительно увеличивается. Это необхо­ димо учитывать при эксплуатации водоотливных установок с положительной высотой всасывания.

Плексигласовые вставки на всасывающем трубопроводе наглядно позволяют установить высокое содержание газов и воздуха в шахтной воде, которые способствуют возникновению кавитации. Вредно сказывается на работе насоса проникно­ вение воздуха через сальник со стороны его первой ступени. Оно вызывает частичное снижение подачи, обнаружить кото­ рое в условиях эксплуатации весьма трудно, а также снижение напорных характеристик насоса и понижение к. п. д. С помощью

дой при возрастании геомет­ рической высоты. Продолжительность разгона агрегата состав­ ляет 5—7 с и характеристика трубопровода R i (рис. 9.4) как бы перемещается в положение Яг- При этом насос достигает своей нормальной частоты вращения. Заполнение става (Н= = 140 м и £>=400 мм) происходит за 2,5—3 мин, а напор посте­ пенно возрастает от точки А до номинального значения в точке

ной (точка В i). Процесс пуска насосного агрегата в этих усло­ виях удлиняется, кратковременно увеличивается подача насоса, что способствует возникновению кавитационного режима и воз­ растанию нагрузки электродвигателя на 40—50 % по отноше­ нию к номинальной.

Пуск насосных агрегатов, особенно большой производитель­ ности, при опорожненном нагнетательном трубопроводе следует рассматривать как аварийный режим, который нельзя допу­ скать при эксплуатации. Затянувшийся пусковой режим вызы­ вает срабатывание токовой защиты и нарушение ее селектив­ ности.

Заполнение трубопроводов, опорожненных во время ре­ монта, осуществляется обслуживающим персоналом при пуске насосных агрегатов с постепенным открыванием задвижки при ручном управлении.

9.3. Регулирование производительности водоотливных установок

Режим работы насоса при изменении частоты вращения характеризуется точками D и D\ (рис. 9.5, б). При этом напор и подача насоса определяются соотношениями:

Qx = Qi« и tf1= H il, где ia = njn.

Откладывая значения Q и Я, получаем новый режим ра­ боты насоса, а повторяя эти построения для других точек

Рис. 9.5. Схема привода насоса с ис­

кривой Н' получаем характеристику насоса при изменении частоты вращения П\.

При непрерывном изменении частоты вращения от п до П\ получаем изменение подачи и напора по закону параболы ODD 1. Семейство этих парабол имеет вершину в начальной

точке координат с параметром Q /V # =const.

Характеристика мощности N изменяется пропорционально третьей степени частоты вращения. Точки Fi и F2 лежат на

кубической параболе вида Q /fr ff=const.

так как вопросы поддержания заданных режимов, глубины регулирования и возможных к применению систем электропри­ вода еще недостаточно изучены. Необходимо учитывать также поддержание постоянства напора при работе насосов.

Из всех известных способов регулирования работы насосов наиболее перспективным является регулирование путем изме­ нения частоты вращения приводного электродвигателя. Заслу­ живают внимания регулируемые системы асинхронного элек­ тропривода с машиной двойного питания (МДП) или вентиль­ ных каскадов. Регулирование частоты вращения насосных агрегатов вверх и вниз от синхронного значения позволяет в большом диапазоне регулировать подачу насосов, момент двигателя и реактивную мощность (рис. 9.5, б). Система МДП,

с другими системами регулирования частоты вращения асин­ хронных электродвигателей [50].

Система МДП применяется для регулирования подачи пита­ тельных насосов на атомных электростанциях при мощности электродвигателей 3400 кВт. Этот опыт необходимо использо­ вать при решении вопроса о регулировании работы шахтных насосов путем проведения экспериментальных исследований

вусловиях работы мощных водоотливных установок.

9.4.Эксплуатация водоотливных установок

Вгорнорудной и угольной промышленностях эксплуатиру­ ются мощные автоматизированные водоотливные установки большой производительности, высокого напора. Изучение опыта их эксплуатации имеет первостепенное значение в отношении безопасности отработки месторождений.

водоотливных установок при различных технологических схе­ мах с положительной и отрицательной высотой всасывания

вусловиях откачки пресных и кислотных шахтных вод.

Вугольной промышленности автоматизировано около 3 тыс. главных и 7,3 тыс. участковых водоотливных установок общей мощностью 1,5 млн. кВт. Это указывает на необходимость ор­ ганизации рациональных режимов их работы в целях макси­

мального сокращения расхода электроэнергии на водоотлив и включения их в работу в часы минимальной пиковой на­ грузки энергосистемы.

Режим работы водоотливных установок в зависимости от притока шахтных вод. Увеличение частоты включения насосных агрегатов и продолжительности их работы, а также одновре­ менное включение резервных агрегатов указывает на возра­ стание притоков шахтных вод и необходимость повышенного внимания к работе водоотлива.

Колебание уровня воды в водосборнике характеризуется следующими режимами.

1. Подача насосов равна часовому притоку шахтных вод. В этом случае насосные агрегаты длительно находятся в ра­ боте, а уровень воды остается постоянным.

2.Подача насоса меньше притока. При этом происходят частые включения резервных насосных агрегатов вследствие резких колебаний воды в водосборнике.

3.Приток шахтных вод меньше подачи насоса. Это явля­ ется характерным для водоотливных установок малой и сред­ ней производительности. В этих условиях уровень воды в во­ досборниках поддерживается на низшей отметке.

Правильность настройки релеуровня определяется прито­ ками шахтных вод по горизонту, регулирующей емкостью водосборников, которая должна превышать их часовой приток,

иподачей насосов. Неравномерность и отсутствие периодич­

ности при включении насосов объясняются невыполнением этих условий, что снижает эффективность работы водоотлив­ ных установок.

Опыт эксплуатации водоотливных установок. Данные, по­ лученные в результате длительных наблюдений за работой водоотливных установок на основании вахтенных журналов и их статистической обработки, а также' анализ проведенных ре­ визий, позволили определить наиболее характерные недостатки в работе установок и наметить пути их устранения.

Отмечено большое число отключений и сбросов нагрузки при работе насосных агрегатов с положительной высотой вса­ сывания, что объясняется подсосами воздуха, засорением об­ ратных всасывающих клапанов и малой надежностью в работе разгрузочных устройств насосов, особенно при откачке загряз­ ненных шахтных вод.

Электродные датчики уровня имеют частые отказы в ра­ боте, что вызывает необходимость их регулярной очистки от загрязнений и периодическую замену по мере износа. В этих условиях показали удовлетворительную работу поплавковые реле уровня; однако они являются более громоздкими.

Реле заливки мембранного типа работают удовлетвори­ тельно, за исключением нескольких случаев нарушений изоля­ ции между проводами и износа от коррозии некоторых дета­ лей. Перегревы подшипников происходят сравнительно редко. Температурная защита с использованием реле ТДЛ-2, ТС-100 и других видов тепловых защит отключает насосный агрегат4 при повышении температуры подшипников выше нормальной.

Реле давления с использованием мембранных и пружинных чувствительных элементов работают достаточно надежно. От­ сутствовали отказы в работе контактной системы.

Установки работают без реле разгрузки, а контроль работы насосных агрегатов выполняет комплект технологических

Эксплуатационный расчет рассмотрим на примере водоот­ ливной установки, работающей в условиях обводненных руд­ ных месторождений.

Исходные данные для расчета. Годовая производительность шахты А=

= 1 или. т руды. Коэффициент водообилыюсти /С—38 м3/т. Коэффициент уве­ личения притока в весенне-осенний период Ав = 1,3. Глубина шахты до гори­ зонта водоотливной камеры Яш = 180 м. Высота подпора для заглубленной насосной камеры ADC= I0 м. Плотность воды р= 1050 кг/м3. Качество воды — нейтральная.

Рудничный насос с подачей 5200 м3/ч и напором 180 м отсутствует в ка­ талогах. Поэтому, учитывая опыт работы водоотливных установок в условиях обводненных рудных месторождений, выбираем насос 14М-12Х4 и по индиви­ дуальным характеристикам определяем его параметры. Qn= 1200 м3/ч, Я=

В период нормального притока шахтных вод принимаем пять работаю­ щих насосов.

В период весенне-осеннего притока принимаем шесть работающих насо­ сов. Согласно нормам проектирования водоотливных установок, работающих в условиях обводненных рудных месторождений, в насосной камере необхо­ димо установить 10 насосов, из них пять — в работе, три — в резерве и два — в ремонте.

где Асл=5 —• превышение труб на сливе относительно устья ствола шахты, ы; hBC= 10 — высота всасывания или подпора (знак минус принимают для под­ пора), м.

Выбор гидравлической схемы и расчет трубопровода. При нормальном

притоке шахтных вод каждый насос присоединяется на отдельный трубопро­ вод (рис. 9.6).

Потеря напора в соответствии с количеством установленной арматуры определяется по следующим формулам:

во всасывающем трубопроводе

ST— гидравлические коэффициенты потерь напора соответственно в приемной сетке и приемном клапане, конусном переходе, обратном клапане, угловом ко­

где U — длина трубопровода от последнего насоса до трубного восстающего, м; /2 — длина трубного восстающего, м.

Ниже приводятся гидравлические коэффициенты потерь трубной арма­ туры.

Гидравлические коэффициенты потерь напора в приемной сетке и приемном клапане Sc

число насосов, работающих по откачке нормального притока; пп»ах= 6 — то же, по откачке максимального притока; 7\юрм=20 — число часов работы насосов в сутки по откачке нормального притока; Тт&х —24 — то же, по откачке максимального притока; т ПОрм=330 — число рабочих суток в году по откачке нормального притока; mmax=35— то же, по откачке максимального притока.

сотой всасы вания. Размеры насосной камеры определяются габаритами на­ сосных агрегатов, монтажными проемами между ними, размерами трубных коллекторов и размещением вспомогательного оборудования. Размещение оборудования должно обеспечить удобство при эксплуатации, осмотрах и за­ мене его при транспортировке на капитальный ремонт.

где «1= 10—число насосных агрегатов, установленных в камере;/=0,8+1,5—

расстояние между фундаментами, м; L \ =24-2,5 — расстояние между стеной и фундаментом со стороны выхода трубопровода в ствол шахты, м; Ь 2= =2,5+3— расстояние между стеной и фундаментом для ремонта насосных агрегатов, м; L3= 3+3,5— расстояние в насосной камере для размещения дренажных насосов (в зависимости от габаритов насосов), м.

Длина фундамента

•£-ф = /н + /дв + 2 /др = 3,3 + 2,9 + 2-0,2 = 6,6 м,

где/ц=3,3—длина рамы насоса 14М-12Х4, м; /дп=2,9 — длина двигателя ДСП-116/49=4, м; /пР=0,2— припуск на одну сторону фундамента, м.

Ширина насосной камеры

камеры со стороны всаса, м; 63=1,5+ 3— расстояние между насосами и про­

тивоположной стенкой камеры, где настилается утопленный в пол рельсовый путь, м.

где h i=0,2 — высота фундамента над полом камеры, м; h2= 2,7 — высота на­ соса над фундаментом, м; Лз=2— высота от верхней точки насоса до грузоподъемного механизма, м; Л4=0,6— расстояние от рельса подкрановой балки до потолка, м.

Насосный агрегат монтируется на стальной раме, устанавливаемой на бе­ тонный фундамент и закрепляемой анкерными болтами.

сов и пути ее повышения. Автореф. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. ДГИ, Днепропетровск, 1978.

13. Р а ск о л о в Н . А . К вопросу аналитического выражения характеристик центробежных насосов.— Сб. трудов № 5 ИГМ и ТК им. М. М. Федорова. М., Недра, 1964, с. 132—138.

14. Ш ахтные стационарные установки (под общей редакцией Б. Ф. Брат­ ченко). М., Недра, 1977.

15. Карт авый Н. Г ., Топорков А . А . Шахтные стационарные установки (справочник). М., Недра, 1978.

16. П оп ов В. М ., Санин Д . Е. Промышленные испытания мощных водоот­ ливных установок в условиях обводненных рудных месторождений— Горный

журнал, 1977, № 6, с. 46—48.

17. М алю ш енко В. В., М ихайлов А. П. Энергетические насосы (справоч­

ное пособие). М., Эиергоиздат, 1981.

18. Камерштейн А. Г. Расчеты трубопроводов на прочность. М., Недра,

1969.

19. В ы бор оптимального диаметра трубопровода главных водоотливных установок/Гейер В. Г., Иечушкин Г. М., Беликов П. Ф. и др.—В кн.: Проек­ тирование и строительство угольных предприятий. Донецк, 1971, с. 162—168.

20. М етодика расчета режимов параллельной работы насосов водоотлива шахт, имеющих большие притоки/П. Ф. Беликов, Г. М. Нечушкнн, С. Я. Мерайс и др. Изд. НИИГМ им. М. М. Федорова. Донецк, 1977.

основным производственным фондам угольной, сланцевой, горнорудной про­ мышленностей по добыче редких, драгоценных и нерудных ископаемых. М., Стройиздат, 1978.

25. П опов В. М ., С анин Д . Е., С ен деров В. А . Способы подвода перепус­

каемой воды во всас насосов и к. п. д. использования ее энергии.— Горная электромеханика, вып. 4. М., Недра, 1978, с; 110—118.

26. Е гер ев Ю . Н ., Н екл ю дов А . Д . Комплекс мероприятий по эффектив­

(на примере Кизеловского бассейна). Автореф. на соиск. уч. степ. каид. техн. наук. СГИ, Свердловск, 1980.

шахтного водоотлива. Автореф. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. ДПИ, До­ нецк, 1978.

34. Ш елоганов В. И . Карьерные водоотливные установки. М.. изд. МГИ, 1972.

35. Б орохович А . И ., Г усе в В. В. Стационарные машины и установки на открытых горных разработках. М., Недра, 1969.

36. Сотсков Б. С. Основы расчета и проектирования электромеханических элементов автоматических и телемеханических устройств. М., Энергия, 1965.

37.Толпеж ников JJ. И . Автоматизация подземных работ. М., Недра, 1976.

38.Л ом акин М . С. Автоматическое управление технологическими процес­

сами карьеров. М., Недра, 1978.

литического расчета рабочих режимов водоотливных установок с высокона-

шахтных трубопроводов как средство борьбы с гидравлическим ударом.— Горная электромеханика, вып. 4. М., Недра, 1978, с. 169—176.

47. О вер к о В. М . Создание и исследование средств защиты шахтных во-

доотлнвиых установок от гидравлических ударов. Автореф. на соиск. уч. степ, канд. техн. наук. ДПИ. Донецк. 1980.

48. Бат аногов А . П., М азуренко В. В. Влияние износа насосов в процессе эксплуатации на эффективность параллельной работы.—Горная электроме­ ханика, вып. 3. М., Недра, 1974, с. 69—79.

49. П опов В. М ., М азурен ко В. В. Гидравлическая защита последова­ тельно включенных насосов в схеме ступенчатого водоотлива.— Труды ин-та ИГМ и ТК им. М. М. Федорова, вып. 21. М., Недра, 1970, с. 165—171.

50. О нищ енко Г Б., Локтева И. Л . Асинхронные вентильные каскады и двигатели двойного питания. М., Энергия, 1979.

ВАЛЕНТИН МИХАЙЛОВИЧ ПОПОВ

РУДНИЧНЫЕ ВОДООТЛИВНЫЕ УСТАНОВКИ

Редактор издательства В . В . М и р ска я Переплет художника К- М . П ра со ло ва Художественный редактор О. Н , З а й ц е в а Технический редактор А . В . Т роф им ов

Корректор Р. Т. Б а к а н о ва

ИВ № 4732

Сдано в набор 03.01.83. Подписано в печать 16.03.83. Т-04785. Формат бОхЭО'Ле. Бумага типографская № 2. Гарнитура «Литературная». Печать высокая. Уел. печ. л. 19,0, Уел. кр.-отт. 19,0. Уч.-изд. л. 20.0. Тираж 6500 экз. Заказ 146/8622—12. Цена 1 р. 30 к.

Ордена «Знак Почета» издательство «Недра». 103633, Москва, К-12, Третьяковский пр., 1/19

Ленинградская типография № 4 ордена Трудового Красного Знамени Ленинградского объединения «Техническая книга» им. Евгении Соколовой Союзполиграфпрома при Го­ сударственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. 191126, Ленинград, Социалистическая ул., 14