Расчёт водоотливной установки

Рассчитать главную водоотливную установку на горизонте Н_гор =480м

Нормальный приток воды по шахте Q_нп =670м³ /ч.Максимальный приток в течении 6 недель Q_м.п =700м³ /ч.Вода нейтральная. Срок службы трубопровода Т=10 лет.

1.Расчёт и выбор насоса

Требуемая расчетная подача наоса согласно ЕПБ §681

Qр= 24·Qнп/20 .м³/ч (1)

где 24 - число часов поступления воды шахтного притока, в сутки ч;

Qнп нормальный часовой шахтный приток воды, м3/ч;

20 - число часов работы водоотливной установки по ЕПБ по откачке су точного шахтного притока воды, ч.

Подставляя числовые значения в формулу 1 , получим

Q_р= 24·670/20=804.м³/ч

Приняв ориентировочную высоту всасывания h_вс =3 м, превышение расположения труб над уровнем устья ствола шахты h_сл =1 м, определяем геометрический напор:

Н_г = Н_гор + h_вс +h_сл, м, (2)

Подставляя в формулу 2 числовые значения , получим: Н_г = 480+ 3+1=484 м.

Ориентировочный напор насоса :

Н_ор=1,1·Н_{г , м} (3)

Тогда, Н_ор=1,1·480=528м .

Определяем необходимое число одновременно работающих насоса:

n_н=Q_{р /}Q_опт (4)

Тогда n_н=804/300=2,68;

Применяем n_н=­­­­­­­­­­­­­­­3.

Предворительно предусматриваем установку 5 насосов типа ЦНС 300-600, Имеющих в оптимальном режиме подачу Q_опт =300 м³/ч, при напоре на одно колесо Н_к=60 м. Напор колеса при нулевой подаче Н_к0 = 66,9 м. Частота вращения n= 1500 об/мин.

Опредиляем необходимое число последовательно соединённых рабочих колёс по формуле 5:

Z_кр=Н_ор/Н_к (5)

Подставив числовые значения в формулу [5], получаем:

Z_кр=528/60=8,8. Принимаем Z_к=10_.

Определяем оптимальный режим работы насоса:

Н_опт =Z_к·Н_к, м; (6)

Тогда Н_опт =10·60=600 м.

Окончательно предусматриваем установку 5 насосов ( 1 рабочий, 1резервный, 1 ремонтный ) типа ЦНС 300-600

Определяем напор насоса при нулевой подаче:

Н₀ = Z_к·Н_к0, м; (7)

Тогда Н₀ =10·66,9=669 м

Проверим соблюдение условия устойчивости работы насоса:

Н_г≤0,95 Н_0,

Тогда Н_г ≤ 0,95 * 669 =636 м или 484м <636 м,

что говорит о том, что вариант приемлен для наших условий.

2.Расчёт трубопровода

Предусматриваем оборудование водоотливной установки двумя напорніми трубопроводами, закольцованніми в насосной камере в коллектор.

Приняв типовую насосную камеру, составляем схему трубопроводов

Рис.1.

Длина подводящего трубопровода ℓ_п=ℓ_1-2=10м. В его арматуру входят приемная сетка с клапаном и одно колена. Напорный трубопровод складывается из двух участков: ℓ_1н=ℓ_2-3 и ℓ_2н=ℓ_3-7

Для уменьшения гидравлических потерь на участке ℓ₂н напорного трубо­провода до очистных сооружений, принимаем тру­бы большего диаметра, чем на участке ℓ_1н

Приняв длины участков в насосной камере ℓ_2-3=5 м, ℓ_3-4- =35м, в наклонном труб­ном ходке ℓ_4-5=30 и превышение трубного ходка над уровнем около­ствольного двора h_пр = 15 м, ℓ_5-6=Н_гор=480м, ℓ_6-7 =200м,Длинна напорного трубопровода ℓ_1н =ℓ_2-3 =5м

В его арматуру входят: две задвижки, один обратный клапан, один тройник и одно колено.

Длинну участка напорного трубопровода определяем по формуле 9:

ℓ_2н = ℓ _3-4 +ℓ _4-5 +Н _гор-h _пр +ℓ _6-7 м, (9)

Подставив числовые значения в формулу 9, получим:

ℓ_2н =35+30+480-15+200=730м

Его арматура состоит из одного диффузора ,три колен и три компенсатора

Определяем оптимальный внутренний диаметр напорного трубопровода на участке ℓ_1н [ 1 ] с. 129

d_опт=к·0,0131 ·Q_опт^0,476,м (10)

где к - коэффициент, зависящий от числа напорных трубопроводов: при двух трубопроводах к = 1, при трех к = 0,752; тогда

d_опт= 1·0,0131·300=0,198 м.

По найденному значению оптимального диаметра выбираем стандартные трубы по приложению 2, предварительно определив наружный диаметр с ближайшим большим диаметром.

D=d_опт+2δ ,мм. (11)

где δ-толщина стенки трубы, мм.

Принимаем трубы с наружным диаметром D=245 мм.

Толщину стенки трубы определяем по формуле ( 1 ) с. 129

δ=(100·[k₁ ·D·p+(a₁+a₂ )·T]/(100-k_{c) ,} мм, (12) где k₁ -коэффициент, учитывающий прочностные свойства материала труб (для стали 20 k₁=2 ,27, для стали Ст. 3 k₁= 2,52 );

D - наружный диаметр трубы, м;

р - давление в нижней части колонны труб, МПа;

a₁ - скорость коррозионного износа наружной поверхности труб, мм/

при ведении взрывных работ в шахте a₁= 0,25 )

a₂ -скорость коррозионного износа внутренней поверхности труб,

мм/год ( при нейтральных водах а₂ =0,1 );

Т - срок службы трубопровода, Т — 10 лет.

к_с - коэффициент, учитывающий минусовый допуск толщины стенки (для труб обычной точности изготовления при толщине стенки до 15 мм, k_c = 15 %) Принимаем материал труб сталь Ст. 3, давление у напорного патрубка насоса р = 6 МПа.

Подставляя числовые значения в формулу [11], определяем толщину стенки труб напорного трубопровода на участке:

δ=(100·[2,52 ·0,245·6+(0,25+0,1 )·10]/(100-15)=8,44_, мм

Принимаем толщину стенки трубы δ-9мм.

Таким образом, для напорного трубопровода ℓ_1н принимаем трубы бесшовные горячедеформированные с внутренним диаметром d_1н=227 мм.

Для обеспечения большей надежности всасывания трубы подводящего трубопровода принимаем с наружным диаметром D_п = 273мм и внутренним d_п=255мм.

Опредилянм диаметр трубопровода на участке ℓ_2н

d_опт=к· 0,0131 ·Q_опт^0,476

d_опт=1·0,0131·2·300^0,476=0,275 м

По данному значению выбираем стандартный трубопровод по приложению 2. Предварительно определив наружный диаметр

D=d_опт+2δ ,мм.

принемаем трубу с наружным диаметром D=325 мм

толщину стенки опредилянм по формуле

δ= (100·[k₁ ·D·p+(a₁+a₂ )·T]/(100-k_{c) ,} мм

δ= (100·[2,52·0,325·6(0,25+0,1)·10/(100-15)

δ=9,9 мм

По полученному значению выбираем δ=10

принимаем трубы бесшовные горячедеформированные с внутренним диаметром d_2н=305мм и наружным D=325мм

Скорость воды в подводящем трубопроводе определяем по формуле [1] с. 144

v_п = (4·Q)/(n·πd²_n) (13)

подставляя числовые значения, получим

v_п = (4·300)/(3600·3,14·0,255²)=1,63 м/с.

Скорость воды на участке ℓ_1н напорного трубопровода определяем по формуле

[ 1 ] с. 144

v_1н = (4·Q)/(πd²_1н ),м/с (14)

Подставляя числовые значения, получим:

v_1н =(4·300)/(3600·3,14·0,227²)=2,06 м/с

Скорость воды на участке ℓ_2н напорного трубопровода определяем по формуле 14

v_2н =(4·2·300)/(3600·3,14·0,305²)=2,28 м/с

Коэффициент гидравлического трения в подводящем трубопроводе определяем по формуле [ 1 ] с. 130.

λ_n = 0,021/d_n^0,3, (15)

Подставляя числовые значения, получим:

λ_n= 0,021/0,255^0,3=0,031642

Коэффициент гидравлического трения в подводящем трубопроводе определяем по той же формуле

λ_1н=0,021/0,227^0,3 =0,032765

Коэффициент гидравлического трения в подводящем трубопроводе определяем по той же формуле

λ_2н=0,021/0,305^0,3 =0,029987

Коэффициенты местных сопротивлений принимаем из таблицы 2 [1 ] с. 130. Определяем суммарный коэффициент местных сопротивлений в подводящем трубопроводе:

∑ξ_n = ξ_ск+3ξ_к, (16)

где ξ_ск - коэффициент сопротивления приемной сетки с клапаном;

ξ_к - коэффициент сопротивления колена.

Тогда

∑ξ_n =4,6+1·0,6=5,1

Определяем суммарный коэффициент местных сопротивлений на уча­стке ℓ_1н напорного трубопровода:

∑ξ_1н =2ξ_з+ξ_ок+ξ_т+ξ_к, (17)

где ξ_з - коэффициент сопротивлений задвижки;

ξ_о - коэффициент сопротивлений обратного клапана;

ξ_т - коэффициент сопротивлений тройника;

ξ_к, - коэффициент сопротивлений колена.

Тогда ∑ξ_1н=2·0,26+10+1,5+0,6=12,62

Определяем суммарный коэффициент сопротивлений на участке ℓ_2н напорного трубопровода:

∑ξ_2н =ξ_g+3ξ_к, (18)

где ξg - коэффициент сопротивлений диффузора;

ξk- коэффициент сопротивлений колена.

Тогда

∑ξ_2н =0,25+3·0,6=2,05

Определяем потери напора в подводящем трубопроводе:

h_п=(λ_п·(ℓ_п /d_п )+∑ξ_п)*(v_n²/2g) ,м (19)

Подставляя числовые значения, получим:

h_п=(0,031642·(10 /0,255 )+5,1)·(1,63²/2·9,81) м

h_п=0,85м

Определяем потери напора на участке ℓ_1н напорного трубопровода

h_1н=(λ_1п*(ℓ_1п /d_1п )+∑ξ_1п)*(v_1п²/2g)м (20)

Подставляя числовые значения, получим:

h_1н=(0,032765·(5/0,227)+12,62)·(2,06²/2·9,81)=2,85 м

Определяем потери напора на участке ℓ_2н в нагнетательном трубопрово­де:

h_2н=(λ_2н·(ℓ_2н /d_2н )+∑ξ_н)·(v_н²/2g),м (21)

Подставляя числовые значения, получим

h_2н==(0,029987·(730 /0,305 )+2,05)·(2,28²/2·9,81)=19,5м .

Определяем общие суммарные потери в трубопроводе;

∑h=h_n +h_1n +h_2n , м (22)

Подставляя числовые значения, получим:

∑h=0,85+2,85+19,5=23,2 м

Принимаем ∑h=24 м

Определяем полный напор насоса:

H=H_г+∑h , м (23)

Подставляя числовые значения, получим:

Н = 484+24=508м.

Характеристику трубопровода строим в соответствии с формулой [ 1 ] с. 23

Н=Н_г +R·Q²

Откуда постоянная трубопровода:

R=(H- Н_г)/ Q²=∑h/ Q²=24/600²=0,000067

Следовательно, Н =484+0,000067·Q², По этому уравнению в координатных осях Q- Н строим характеристику трубопровода по точкам, рассчитанным для следующих значений Q:

Таблица 1.

Задаваемые значения	0	0,25 Q	0,5 Q	0,75 Q	Q	1,25 Q
Q, м3/ч	0	150	300	450	600	750
Н. м	484	485	490	497	508	521