5.7. Проектирование водоотливных установок

Цель проектирования – выбор современных технических средств водоотлива при максимальной экономичности эксплуатации. К задачам проектирования относятся: выбор схемы водоотлива; расположение и выбор насоса; подбор трубопровода; определение действительного режима работы водоотливной установки; выбор электродвигателя и схемы автоматизации; определение расхода электроэнергии.

Методика расчета излагается в соответствии с работой [2].

Для расчета водоотливной установки необходимы следующие исходные данные: величина нормального Q_пр и максимального притока Q_пр max воды; геометрический напор, т.е. полная высота подъема воды Н_г; физико-химическая характеристика воды.

С учетом принятых схем вскрытия месторождения и околоствольного двора выбирается место расположения насосной камеры и водосборников, место слива воды на поверхности. Это позволяет запроектировать гидравлическую схему, установить геометрическую высоту всасывания и нагнетания, длину трубопроводов.

Минимальная подача насоса выбирается из условия, что рабочий насос должен откачивать максимальный суточный приток не более чем за 20 ч:

Q_min = 24Q_пр/20. (84)

Ориентировочный напор насоса

H' = H_г/_тр, (85)

где _тр = 0,90,5 – КПД трубопровода.

Нанеся точку с координатами Q_min, H' на сводный график рабочих зон характеристик насосов (рис.43), определяем тип насоса.

В случае, если требуемый напор не может быть обеспечен насосом данной подачи, необходимо: использовать насос c большей подачей и напором, применить ступенчатый водоотлив с последовательным включением насосов, расположенных на разных горизонтах, или ступенчатый водоотлив с водосборником на промежуточном горизонте.

Если необходимая подача превышает максимальную для насоса, подходящего по напору, то следует применить параллельную работу насосов на один трубопровод.

После выбора насоса необходимо определить его подачу и напор на одно колесо H_к в оптимальном режиме (при максимальном КПД) и нулевой подаче Н_ко

Определяется число рабочих колес насоса

Z_к = H'/H_к . (86)

Вычисляется напор насоса при закрытой задвижке

Рис.43. Области промышленного использования шахтных секционных насосов

H₀ = H_кoZ_к . (87)

Выбранный насос проверяется на наличие рабочего режима и устойчивость работы: H_г  0,95H₀, в противном случае увеличивается число колес.

Определяется оптимальный диаметр напорного трубопровода по формуле

(88)

где: а_э – стоимость 1 кВтч электроэнергии, руб/(кВтч); _э = L_э/L – коэффициент эквивалентной длины, учитывающий потери напора на местные сопротивления за пределами насосной камеры (обычно _э = 0,1); L_э – длина, эквивалентная местным сопротивлениям нагнетательного трубопровода, м; L – геометрическая длина нагнетательного трубопровода, м; Q_пр/(nQ) – относительный часовой приток воды; Q – подача насоса по паспорту, м³/ч; n – число напорных трубопроводов, включая резервный; R'_т = 100-230 – коэффициент, зависящий от давления и марки стали; _уст = _н_дв_с – КПД установки, зависящий от КПД насоса, двигателя и электрической сети.

Полученное значение диаметра округляется до ближайшего значения по ГОСТ 8731-87.

Диаметр всасывающего трубопровода выбирают из расчета, чтобы скорость в нем не превышала 1 м/с, и в то же время он должен быть на 25-50 мм больше диаметра напорного трубопровода.

Составляется уравнение характеристики трубопровода

H = H_г + R_cQ², (89)

где R_c – сопротивление трубопровода.

Для получения правильного результата гидравлическая схема разбивается на три участка (рис. 44): 1 – подводящий трубопровод и его арматура; 2 – трубопровод с арматурой в насосной камере; 3 – напорный трубопровод с арматурой.

Тогда

R_c = R_c1R_c2R_c3, (90)

Рис.44. Расчетная схема

трубопровода

R_c1 = A_дл1l_p1 + A_м₁;

где A_дл1,A_м – удельное гидравлическое сопротивление соответственно по длине и местное; ₁ – сумма коэффициентов местных сопротивлений фасонных частей, арматуры, задвижек на данном участке; значения A_дл1 и A_м, подсчитаны по формулам

(91)

где  = 0,021/d^0.3 – коэффициент гидравлического трения.

Задаваясь различными значениями Q в уравнении (89), находим соответствующие Н. Совмещаем характеристику насоса и трубопровода в одном масштабе. Точка пересечения определяет рабочий режим – Q_раб, H_раб, _раб.

Делается проверка на допустимую высоту всасывания по формуле

(92)

где H_вс – действительная вакуумметрическая высота всасывания (определяется по типовой схеме).

По характеристике насоса определяется допустимая высота всасывания H_доп.в при Q_раб. Для избежания кавитации необходимо обеспечить условие Н_в  Н_доп.в. Если условие не выполняется, то необходимо уменьшить геометрическую высоту всасывания или увеличить диаметр всасывающего трубопровода.

Определяется необходимая мощность двигателя

(93)

По мощности и частоте вращения (указанной на характеристике насоса) выбирают электродвигатель.

Годовой расход электроэнергии

, (94)

где Т_н = 24Q_пр/Q_раб – время работы агрегатов в сутки при откачке нормального притока; T_max = 24Q_пр.mах/Q_раб – максимального притока.

Вопросы для самопроверки

1. Дайте классификацию шахтных водоотливных установок [1,6].

2. Приведите основные технологические схемы стационарного водоотлива [1,4].

3. Поясните устройство и расположение насосных камер и водосборников [3,4].

4. Физические основы возникновения кавитации. По какому закону она возникает [4,6]?

5. Как определяется вакуумметрическая высота всасывания [3,6]?

6. Причины возникновения осевого усилия, его значение и способы уравновешивания [4,6].

7. Что такое действительная характеристика внешней сети и как определяется рабочий режим водоотливной установки [6]?

8. Как выбирается электронасосный агрегат для стационарного шахтного водоотлива [2,5]?