9.1.2 Расчет трубопровода

Предусматривается оборудование водоотливной установки двумя напорными трубопроводами, закольцованными в насосной камере в коллектор. Расчетная схема коллектора приведена на рис. 9.4.

Рис. 9.3 Расчетная схема для включения одного насоса на индивидуальный трубопровод: 1 – сетка с клапаном, 2- насос, 3- обратный клапан; 4- равнопроходимый тройник, 5- задвижка с приводом, 6- расходомер; 7- неравнопроходимый тройник; 8- байпас с вентилем; 9- отвод (колено), 10- трубопровод; 12- диффузор.

Длина подводящего трубопровода L_n = 13 м. В его арматуру входят приёмная сетка с клапаном и три колена.

Напорный трубопровод:

L_1н=H_г + L_2-3 + L_3-4 , (9. 5)

где L_2-3 – длина участков в камере(30), м; L_3-4 – длина участков в трубном ходке(35), м; h_np2 – превышение трубного ходка над уровнем околоствольного двора(7). м.

L_2н = 255 + 30 + 35 – 7 = 313 м.

В его арматуру входят: одна задвижка, один обратный клапан, два тройника и восемь колен. Длина участка напорного трубопровода L_2н = 313 м, его арматура состоит из одного диффузора и двух колен.

9.1.3 Расчет напорного и всасывающего трубопроводов

Расчет диаметра трубопровода следует начинать с напорного трубопровода.

Внутренний диаметр трубопровода определяется по формуле:

d_у.н..=18,8(Q_p.np/ v_эк)1/2, (9. 6)

где Q_p.np – расчетная производительность в трубопроводе; v_эк – экономичная скорость движения воды в напорном трубопроводе (2), м/с

d_у.н.= 18,8 · (336/ 2) · 1 / 2 = 272мм

Для уменьшения гидравлического сопротивления диаметр всасывающего трубопровода принимается на 25-50мм больше расчетного значения напорного трубопровода:

d_вс.тр.= 272 + 25 = 297 мм

Определение толщины труб:

Толщина стенки трубопровода определяется из условия прочности по максимальному давлению в напорном трубопроводе.

Расчетное давление в напорном трубопроводе следует принимать в 1,25 раз больше рабочего. Для нижнего сечения напорного трубопровода

Р_p = 1,25ρgН_н10^-6, (9. 7)

где ρ – плотность воды (1020), кг/м3; g – ускорение свободного падения (9,81), м/с; Н_н – напор, создаваемый при откачке воды, м

Р_р = 1,25 · 1020 · 9,81 · 360 · 10^-6 = 4,5 МПа

Расчетная толщина стенки трубы находится по формуле:

δ = (1000Р_р) / (0,8τ_вр), (9. 8)

где τ_вр – временное сопротивление материала труб на разрыв (350), МПа

δ = (1000 · 4,5) / (0,8 · 350) = 20,14 = 21 мм

Толщина стенок труб с учетом срока службы и коррозийного износа:

δ = 100[δ ₀+ (δ_к.н. + δ_к.в.) ·t] /100 –К₀ , (9. 9)

где δ_кн – скорость коррозийного износа наружной стенки труб (0,15-0,25), мм/год; δ_к.в. – скорость коррозийного износа внутренней стенки труб; t – расчетный срок службы напорных трубопроводов в шахте; К₀– допустимое уменьшение толщины стенки труб (10-15).

δ = 100 · [ 21 + (0,2 + 0,15) · 15 / 100 – 10 = 26,1 мм

Принимаем 26мм.

Наружный диаметр трубопровода:

d_н.н..= d_у.н. + 2δ , (9. 10)

d_н.н..= 272 + 2×26 = 324 мм

Окончательный выбор труб производим по ГОСТ 2732-78

d_в = 273 мм

d_н = 325 мм

Фактическая скорость движения воды для выбранного стандартного диаметра труб при расчетном расходе определяем:

v = 4Q_р / πd² _н.ст.3600, (9. 11)

Таблица 9.2

Результаты расчетов по выбору труб

Трубопровод	dн.н., мм	dн.н., мм	δ, мм	ρ, МПа	Qр.тр., м3/ч	v, м/с	марка стали
Нагнетательный	325	273	26	5,64	420	1,966	Ст.3
Всасывающий	351	311	20	1	420	1,536	Ст.3

Коэффициент гидравлического трения в всасывающем трубопроводе:

λ_вс = 0,021 / d_вс 0,3, (9. 12)

λ_вс = 0,021 / 0,3110,3 = 0,02981.

Коэффициент гидравлического трения на участке напорного трубопровода:

λ_н = 0,021 / d _н0,3, (9,34) (9. 13)

λ_н = 0,021 / 0,273 ·0,3 = 0,03100.

Суммарные коэффициенты местных сопротивлений в подводящем трубопроводе и на участках L₁ и L₂ напорного трубопровода:

_вс = 3,7+3 · 0,6 = 5,5;

_н = 4 · 0,3 + 11 · 0,6 + 6 · 1,5 + 1 · 0,1 + 1 · 1 + 2 · 10 + 1 · 0,5 = 38,4;

Потери напора в подводящем и напорном трубопроводе:

h_вс = (λ_вс L_вс/ d_вc+ _вс ) V_вс² / 2 g, (9. 14)

h_вс = ( 0,02981 · 13/0,311 + 5,5) · 1,536 / 2 · 9,81 = 1,9 м;

h_н = (λ_н L_н / d_н + _н ) V_н² / 2 g, (9. 15)

h_н = (0,031 · 509/0,273+38,4) · 1,966 2/2 · 9,81 = 18,95 м;

Суммарные потери в трубопроводе:

h = h_вс + h_н, (9. 16)

h = 1,9 + 18,95 = 20,85м.

Напор насоса:

Н = Н_г + h , (9. 17)

Н = 364 + 20,85 = 384,85м.

R = Н – Н_г / Q², (9. 18)

R = (384,85 – 364)/ 420 = 0,001.

Следовательно

Н = 364 + 0,001 Q².

Таблица 9.3

Q,м3/ч	0	105	210	315	420	525	630
H,м	364	401	473	497	530	570	625

Рис. 9.4 Параметры рабочего агрегата

По точке пересечения характеристики насоса ЦНС 500-160/800 и характеристике трубопровода устанавливается рабочий режим насоса: Q = 405м³/ч; H = 530 м; H_в.доп = 6 м; η =0,7.

К.П.Д. трубопровода определяется по формуле:

η_т = Н_г / Н, (9. 19)

η_т = 454 / 509 = 0,89.

Проверка вакууметрической высоты всасывания:

Н_в Н_в.доп.,

Н_в = 3 + h_n, (9. 20)

Н_в = 3+2,05 = 5,05 м.

5,3 < 6 м – условие выполняется.

Расчетная мощность двигателя насоса:

N_p = 1000 Q H g / 1000 · 3600η, (9. 21)

N_р = 1000 · 420 · 570 · 9,81/3600 · 1000 · 0,7 = 932 кВт.

Принимаем двигатель ВАО-630-М5: N = 1000 кВт, η_д = 0,95, cos = 0,9, n = 1488 об/мин.

Коэффициент запаса мощности двигателя:

К_д = N / N_р, (9. 22)

К_д = 1000 / 932 = 1,09.

что допустимо.

Время работы насоса при откачке среднего притока воды:

n_чн = 24Q_нп / Q2, (9. 23)

n_чн = 24 · 150 / 420 · 2 = 4,28 ч.

Время работы насоса при откачке максимального притока воды:

n_чmax = 24Q_max / Q2, (9. 24)

n_чmax = 24 · 540 / 546 · 2 = 14,3 ч.

Годовой расход электроэнергии:

W_г = Q p g H/1000ηη_дηc (n_чн n_днn_чм n_дmax), (9. 25)

W_г = 546 · 1000 · 9,81 · 318 / 1000 · 0,8 · 0,95 · 0,95 · (12,5 · 323+14,3 · 42) = 5960746 кВт ч.

Установленная мощность двигателя:

N_у = 800 /( 0,95 · 0,87) = 967,9 кВ А.

Стоимость энергии:

С_э = W_гC+N_у · 36, (9. 26)

С_э = 5960746 · 1,74 + 967,9 + 36 = 10372701,94руб.

Годовой приток воды:

A_в = 24(Q_нп n_дн + Q_n.max. n_д.max), (9. 27)

A_в = 24(460 · 323 + 540 · 42) = 411240 м³.

Определяем ёмкость водосборника:

V_в ≥ n_см ∙ Q_р.н. , (9. 28)

V_в ≥ 4 ∙ 420 = 1680 м³.

Удельный расход электроэнергии на 1 м3 откачиваемой воды:

W_уд = W_г /A_в, (9. 29)

Wуд = 5960746 / 4110240 = 1,45 кВт · ч/м³.

Полезный расход электроэнергии на 1 м³ откачиваемой воды:

W_n = p g H_г / 3600 · 1000,

W_n = 1000 · 9,81 · 318 / 3600 · 1000 = 0,86 кВТ · ч/м³.

КПД водоотливной установки:

η_у = W_n / W_уд, (9. 30)

η_у = 0,86 / 1,45 = 0,62;

η_у = ηη _дη_тη_с, (9. 31)

η_у = 0,8 · 0,95 · 0,87 · 0,95 = 0,62.