8.3 Открытый водоотлив

Рассчитываем главную водоотливную установку на горизонте 264,5 (Н=17 м). Нормальный приток воды в карьере Q_НП=6 м³/ч=144 м³/сут. Максимальный приток Q_мп=12 м³/ч=288 м³/ч. Вода нейтральная. Срок службы водопровода Т=10 лет.

Выбор насоса. Требуемая расчётная подача насоса согласно единых правил безопасности.

Q_P = (24∙Q_н._п)/20, м³/час (8.3.1)

Q_P = (24∙6)/20 = 7,2 м³/час

Примем ориентировочную высоту всасывания 3 м, превышение расположения труб над уровнем поверхности карьера 1м, определим геометрический напор:

Н_г = Н+Н_всас+Н_прев= 17+3+1=21 м (8.3.2)

Ориентировочный напор насоса:

Н_ор=1,1∙Н_г= 1,1∙21 =23,1м (8.3.3)

Заданным условиям удовлетворяет насос ЦНС 38- 44- 220.

Предусматриваем установку двух насосов ЦНС 38-44-220 с учетом ремонтов резерва на период ливней и паводков.

Подача в оптимальном режиме Q_oпт ⁼ З8м³/час при напоре на колесо Н_к = 22 м, частота вращения n = 3000 об/мин.

Необходимое число последовательно соединенных рабочих колес насоса:

Z_кp = H_op/H_к (8.3.4)

Z_кp = 23,1/22= 1,05

Принимаем Z_кр = 1, тогда оптимальный напор:

Н_опт = Z_к ∙ H_к (8.3.5)

Н_опт = 1∙22 = 22 м

Окончательно принимаем насос ЦНС 38-44-220. Напор насоса при нулевой подаче:

Hо = Z_к∙H_ко (8.3.6)

Но = 1∙27=27м

По условию устойчивой работы:

Н_г ≤ 0, 95 ∙ Н_о (8.3.7)

Н_г ≤ 0,95 ∙ 27 = 25,7м

21 ≤ 25,7 - вариант приемлем.

Расчет трубопровода. Предусматриваем оборудование водоотливной установки двумя напорными трубопроводами, закольцованными в насосной камере в коллектор. Приняв типовую насосную камеру, составляем систему трубопроводов (см. рис. 8.1).

Длина подводящего трубопровода 1_п =1_1-2=15 м. В его арматуру входят приемная сетка с клапаном, задвижка, три колена и переходной патрубок. Напорный трубопровод складывается из двух участков:

1_1н = 1_2-5 и 1_2п = 1_5-6

Для поверхностной водоотливной установки 1_4-5 = 1_н. Для уменьшения гидравлических потерь на участке 1_2п напорного трубопровода на поверхности от ствола до очистных сооружений принимаем трубы большего диаметра, чем на участке 1_1н.

Приняв длины участков в камере 1_2-3 = 35 м, в трубном ходке 1_3-4 = 40 м и превышение трубного ходка над уровнем околоствольного двора 10 м, определим длину напорного трубопровода:

1_1н =17+35+40-10=82 м.

В арматуру входят одна задвижка, один обратный клапан, два тройника и восемь колен.

Длина участка напора трубопровода 1_2н =150м, а его арматура состоит из одного диффузора и двух колен. Оптимальный диаметр напорного трубопровода на участке 1_1н:

d_опт = k∙0,0131(Q_опт)^0,476 (8.3.8)

где k - коэффициент, зависящий от числа напорных трубопроводов, k=1.

d_опт = 1∙0,0131∙(38)^0,476 = 0,074 м.

Принимаем трубы наружным диаметром D=95 мм.

Требуемая толщина (мм) стенки трубы:

δ=100∙( k_1∙D∙P +(α₁+α₂)Т)/(100 - k_с) (8.3.9)

где k₁-коэффициент, учитывающий прочностные свойства материала труб;

D-наружный диаметр трубы, м;

P-давление в нижней части колонны труб, МПа;

α₁-скорость коррозийного износа внутренней поверхности труб, α₁=0,25 мм/год;

α₂-скорость коррозийного износа наружной поверхности труб, α₂=0,1 мм /год;

Т-срок службы трубопровода, лет;

k_c- коэффициент, учитывающий минусовой допуск толщины стенки.

δ=100∙(2,27∙0,102∙1,1 +(0,2+0,1)5)/(100 – 15) = 2,1 м

Принимаем материал труб Ст 3, давление у напорного патрубка насоса Р=4 МПа.

1-фильтр;

2-насос;

3-6-трубопровод.

Тогда толщина стенки труб у напорного трубопровода на участке 1_1н:

δ=(100∙(2,52∙0,095∙0,82+(0,25+0,1)∙10))/(100-15)=4,35 мм.

Принимаем толщину стенки δ = 5 мм.

Таким образом, для напорного трубопровода 1_1н принимаем трубы бесшовные, горячедеформированные, с внутренним диаметром d_1н = 90 мм.

Для обеспечения большей надежности всасывания, диаметр подводящего трубопровода принимаем на 25-50 мм больше напорного, трубы для него с наружным диаметром D_п = 127 мм и внутренним диаметром d_п = 122мм. Такими же принимаем диаметры труб на участке напорного трубопровода 1_2п, т.e. d_2н= d_п= 122мм.

Скорость воды в подводящем трубопроводе на участке напорного трубопровода:

V_п =V_2н = 4∙Q/(π∙d_п²) (8.3.10)

V_п =V_2н = 4∙38/(3600∙3,14∙0,122²) = 0,9 м/с

To же на участке 1_1н напорного трубопровода:

V_1н=4∙Q/(π∙d₁²) (8.3.11)

V_1н=4∙38/(3600∙3,14∙0,09²) = 1,66 м/с

Коэффициент гидравлического трения в подводящем трубопроводе на участке 1_2н напорного трубопровода:

λ_п = λ_2н = 0,021/d_п^0,3 (8.3.12)

λ_п = λ_2н = 0,021/0,122^0,3 = 0,0395

То же на участке 1_1н напорного трубопровода:

λ_1н = 0,021/d_1н^0,3 (8.3.13)

λ_1н = 0,021/0,09^0,3= 0,0432

Суммарные коэффициенты местных сопротивлений в подводящем трубопроводе и на участках 1_1н и 1_2н напорного трубопровода:

∑ξ_п = 7+3∙0,6=8,8

∑ξ_1н = 0,26+10+2∙1,5+8∙0,6=18,06

∑ξ_2н = 0,25+2∙0,6=1,45

Потери напора в подводящем трубопроводе на участках 1_1н и 1_2н напорного трубопровода:

h_n=( λ_п∙1_п/d_п+∑ξ_п)∙V_п²/2g (8.3.14)

h_n=(0,0395∙15/0,122+8,8)∙0,9²/2∙9,81м=0,56 м

h_1н=( λ_1н∙1_1н/d_1н+∑ξ_1н)∙V_1н²/2g

h_1н=(0,0432∙82/0,09+18,06)∙1,66²/2∙9,81м=8,06 м

h_2н=( λ_2н∙1_2н/d_2н+∑ξ_2н)∙V_2н²/2g

h_2н=(0,0395∙150/0,122+1,45)∙0,9²/2∙9,81м=2,07 м

Суммарные потери в трубопроводе:

∑h = 0,56+8,06+2,07=10,69 м

Принимаем ∑h = l1 м.

Напор насоса:

H=H_r+∑h (8.3.15)

Н=21+11=32 м.

Из формулы напора насоса (м) H=H_r+R∙Q² можно найти постоянную трубопровода:

R=(H-H_r)/Q²=(32-21)/38²=0,00741, следовательно, Н =21+0,00741∙Q².

По этому уравнению в координатных осях Q и Н строим характеристику трубопровода по точкам, рассчитанных для значений Q, приведенных в таблице 8.1.

Таблица 8.3.1-Характеристика трубопровода

Показатели			Номер точки
	1	2	3	4	5	6
Q, м3/час	0	10	20	30	40	50
Н, м	21	21,74	23,96	27,67	32,86	39,53

Рабочий режим насоса. Характеристику насоса Н_н можно рассчитать и построить. Расчет

осуществляется по формуле:

H_н=Z_k∙ (H_ko+AQ-BQ²) (8.3.16)

Н_н=1(27+6,88∙ 10^-2∙Q-78,79∙ 10^-4∙Q²)

где Z_k - число рабочих колес насоса;

Н_ko- напор одного рабочего колеса при нулевой подаче, м;

А и В - коэффициенты работы насоса

По этому уравнению в координатных осях Q и Н строим характеристику насоса по точкам, рассчитанных для значений Q, приведенных в таблице 8.3.2, затем строим график Н_н =f (Q). На рисунке 8.3.1 показана характеристика насоса ЦНС 38-44-220 и характеристика трубопровода.

Таблица 8.3.2 -Характеристика насоса

Показатели			Номер точки
	1	2	3	4		5		6
Q, м3/час	0	10	20	30		40		50
Н, м	27	26,9	25,2	22,97		18,15		11,74

По точке их пересечения установим рабочий режим насоса: Q=27 м³/ч, Н=25 м,

Н_в.доп= 6 м.

Рассчитаем КПД трубопровода:

η_m=Н_г/Н (8.3.17)

η_m=21/25=0,8

Рисунок 8.3.1-Рабочий режим насоса ЦНС 38-44-220

Мощность двигателя и расход энергии, КПД водоотливной установки.

Расчетная мощность двигателя (кВт):

(8.3.18)

где ρ - плотность воды (ρ = 1000 кг/м³);

g - ускорение свободного падения.

кВт

Принимаем электродвигатель ВАО-42-6У2 (N=4 кВт, n_с=1000 об/мин, η_д=0,82, cos φ_д=0,77). Коэффициент запаса мощности двигателя:

(8.3.19)

Число работы насоса в сутки при откачивании нормального притока:

(8.3.20)

ч

То же при максимальном притоке:

ч (8.3.21)

Годовой расход электроэнергии:

(8.3.22)

где η_д- КПД двигателя;

η_с - КПД электрической сети;

n_дн - количество дней в году с нормальным водопритоком;

n_дmax - количество дней в году с максимальным водопритоком.

кВт∙ч

Установленная мощность двигателя:

(8.3.23)

кВА

Годовой приток воды:

A_в=24∙(Q_нл∙ n_тн+Q_МАХ ∙ n_тМАХ) (8.3.24)

А_в=24∙(6∙320+12∙45)=59040 м³

Удельный расход электроэнергии (на 1м³ откачиваемой воды):

W_yд=W_r/A_в (8.3.25)

W_yд=6586,79/59040=0,11 кВт∙ч/м³

Полезный расход энергии:

W_п = ρ∙g∙H_r/(3600∙1000) (8.3.26)

W_п = l000∙9,81∙21/(3600∙1000)=0,06 кВт∙ч/м³

КПД водоотливной установки:

η_y=W_п/W_yд (8.3.27)

η_y=0,06/0,11=0,55

или η_y = η∙ η_m∙ η_t∙ η_c (8.3.28)

η_y =0,7∙0,81∙0,95∙0,9=0,53

Вывод: в данном разделе рассматривается вопрос подготовки поверхности земельного отвода и карьерного поля к ведению горных работ, а также осушение карьерного поля и водоотлив. Для откачки притока воды за пределы карьера необходима установка двух насосов ЦНСЗ8-44-220. По результатам расчётов выбрали нанос, который будет полностью удовлетворять предъявляемым условиям.