Водоотливные установки

Глубина шахты – 550 метров

Расстояние между  горизонтами – 60 метров

Приток воды по верхнему горизонту – 250 м³/ч

Приток воды по нижнему  горизонту – 180 м³/ч

Высота всасывания насосов положительная 
 

1.Схема водоотлива:

При ведении горных работ, одновременно на нескольких горизонтах, выбор схемы для конкретных условий обуславливается созданием надёжного водоотлива при возможно меньших затратах.

Исходя из условия  задания: приток воды по нижнему горизонту меньше притока воды по верхнему горизонту, главную водоотливную установку  размещаем на верхнем горизонте, а подъём воды с нижнего горизонта производим в водосборник верхнего горизонта вспомогательной установкой.

Достоинство этой схемы: в стволе прокладывается лишь два  става труб.

К недостаткам относится: опасность затопления всей шахты при отказах верхней установки, сложность обслуживания и контроля из-за наличия установок на каждом горизонте.   

2.Расчёт и выбор  механического оборудования. 

2.1 Предварительный  выбор насоса вспомогательного  водоотлива 

Номинальная подача насоса при максимальном числе часов его работы в сутки

             

                                  Qн.= 24×Qн.ч.∕ t = 24×180 ∕ 20 = 216м³/ч 

Где, Qн.ч.- нормальный часовой приток, м³/ч

        t =20 ч.—максимальное число часов  работы насоса в сутки, в соответствии с правилами безопасности. 

2.2 Геодезическая высота  подъёма воды 

      Нг = Нперепуска +Нвсасывания +Нвн = 60 +3+0,5=63,5 метра

        

       Нпереп. – расстояние между горизонтами

                 Нвсасыв. – высота  всасывания насоса

                 Нвн – положение оси вала  относительно головки рельса  руддвора 

2.3. Ориентировочный  необходимый манометрический напор  насоса 

                Нор. = 1.1× 63.5 =70 метра 

Исходя из этих расчётов, выбираю насос 6НДС – 6 : одноступенчатый, центробежный с полуспиральным подводом  жидкости к двухстороннему рабочему колесу, имеющий хорошую всасывающую способность и разгруженность вала от осевых гидравлических сил в следствии раздвоения общего потока на входе в насос и симметричности конструкции рабочего колеса. 

Насос двусторонний, средненапорный : Q – 250 м³/ч  Н – 77,5 м.  n – 2950  об/м.

                                                                     Кпд – 78%   ns – 60

( А.А.Топорков стр.131)                            Диаметр нагнетательного патрубка 150 мм 
 

2.4 Предварительный  выбор насоса  главного водоотлива 

Номинальная подача насоса при максимальном числе часов  его работы в сутки

        

Qн.= 24× Qн.ч.п.∕ 20 = 24× 430 ∕ 20 = 516м³/ч   Qн.ч.п.= Qверхнего горизонта + Qнижнего горизонта 

                                                                                          Qн.ч.п.= 250 + 180 = 430м³∕ ч 

      

2.5. Геодезическая высота подъёма воды

 

Ηг.= Ηшахты + Hвсасыв Hпревышения + Hвн.    490 + 5 +1.5 + 0.5 = 497метров  

Hшахты = 550м – Hмежду горизонтами = 550 – 60 =490метров 

Hвсасыв. – высота всасывания насоса ;

Hпревышения – превышение слива воды на поверхности относительно устья ствола

Hвн. – положение оси вала относительно головки рельса руддвора 

2.6. Ориентировочный  необходимый манометрический напор  насоса 

            Hор =1.1× Hг.        Hор= 1.1 × 497 = 547метров

  

2.7. На основании ранее вычисленных : номинальной подачи насоса Qн. и ориентировочного напора Hор. – по каталогу насосов и универсальной характеристики насосов (В.М.Попов рис. 2.16) выбираем подходящий тип и марку насоса. 

Выбираю насос: ЦНС  3OO - 6OO  ( два насоса соединяем параллельно ), имеющий следующие параметры : H = 600 метров   Q = 300 м³∕ ч. КПД – 71 %   Нк. – 60 метров

Нк.о – 67 метров 

2.8. Определяем число  рабочих колёс : 

                                 Z =Hор. ∕ Hк. = 547∕ 60 = 9.11  Принимаем  Z= 9 

2.9. Напор насоса  при закрытой задвижке  

                                Hо = Z × Hко = 9 × 67 = 603метра

 

2.10. Выбранный насос проверяем на устойчивость 

         Нг. ≤ 0.95 × Нор.    497 ≤ 0.95 × 547 т.к.  497 м. ≤ 519 м. Следовательно работа насоса  устойчивая.  
 

3. Выбор трубопровода для водоотливной установки 

Трубопровод является одним из важнейших элементов водоотливной установки. К нему предъявляются следующие требования: надёжность, долговечность, безопасность обслуживания; - доступность  для осмотра и ремонта; - наличие резервных ставов и возможность быстрого переключения на резервный трубопровод в автоматическом режиме; стойкость к агрессивным воздействиям рудничной воды;  минимальные капитальные и эксплуатационные затраты; минимальные гидравлические сопротивления. 

3.1 Оптимальный диаметр напорного трубопровода 
 

                                       Dопт. = к × 0.0131× 

где,   к –  коэффициент, учитывающий количество  напорных трубопроводов,

               при 2-х  к = 1

          Оопт. – подача насоса в оптимальном режиме, м³ ∕ ч. 
 

                                    Dопт. = 1× 0.0131× = 0,275 метра 

По полученному  значению выбираем стандартный диаметр  трубопровода

                                 

                                    Dопт. = 300 мм

    

Толщина стенки напорного трубопровода ( мм)   δ = 2.67 × Dопт.× ρ + 0.35Т где ,

                

ρ – давление у  напорного патрубка насоса ( 1м.вод.ст. = 0.01МПа) = 5.47 МПа 

Выбранный диаметр  проверяем по скорости движения воды, которая должна быть в пределах от 1.5 до 2.5 м/с. 

                      Vн.=4Qопт.∕ ПDопт = 4×600 ∕ 3.14× 3600× 0.300 =2.35м/с 

Окончательно принимаем  трубы для напорного трубопровода бесшовные горячекатаные по ГОСТ8732-78  D= 300мм. 

3.2  Оптимальный диаметр всасывающего трубопровода 

Для большей надёжности всасывания принимаем диаметр труб на 25….50мм. больше диаметра труб напорного  трубопровода. 

Принимаем стандартный  диаметр D= 0.250м. который также проверим по скорости движения воды, которая должна быть в пределах 0.5….1.7м/с.

      

                      Vн.=4Q ∕  П Dопт = 4 × 300 ∕ 3.14×3600×0.250 = 1.69м/с 

Окончательно принимаем  трубы для всасывающего трубопровода по ГОСТ8732-78

   

                                                   D=  250мм.

 

3.3 Схема трубопровода в насосной камере 

Два напорных става (рабочий  и резервный согласно ЕПБ) закольцованы в коллектор. Каждый из 3-х насосных агрегатов имеет свой подводящий трубопровод. Напорные трубопроводы насосов снабжены обратными клапанами и присоединены к коллектору. Посредством управляемых задвижек каждый насосный агрегат может быть соединён с любым напорным ставом. Из насосной камеры напорные ставы выходят в наклонный соединительный ходок, далее в трубное отделение ствола шахты, оборудованного клетевым подъёмом или лестничным отделением и на поверхность.

   

3.4 Определение характеристики внешней сети водоотливной установки.

 

Характеристика трубопровода определяется схемой водоотлива с учётом местных гидравлических сопротивлений   ( табл. №1, табл. №2 ) 

•  Всасывающий  трубопровод оборудован :   
 

                  

таблица

    №1

                                        
 
 

 Суммарные потери  напора в подводящем трубопроводе

 

∑hп..=( λ × Lп. ∕ Dвн. + ∑ ) U ∕ 2g =( 0.03× 10 ∕ 0.250 + 5.78 ) = 0.733 мм. Вод. Ст. 

где: - коэффициент гидравлического трения

         Dвн. – внутренний диаметр трубы

          Lп. – длина подводящего трубопровода

          ∑ - сумма гидравлических сопротивлений в подводящем трубопроводе

          U – скорость движения воды  в подводящем трубопроводе 

Но  так как у  нас 2 насоса, соединённых параллельно, следовательно ∑hп = 1.467м.в.ст. 
 

• Напорный став оборудован :

табл.№2

 
 

                      Длина напорного става : L=Hшахт+L1+L2+L3   где: 

L1 = 20 – 30 м. – длина трубопровода в насосной станции

L2 = 15 – 20 м. – длина трубопровода в трубном ходке

L3 = 10 – 100 м. – длина труб на поверхности от устья ствола до места слива 

                                             L= 490 +30 +20 +100 = 640метров 

• Суммарные потери напора в ставе : ∑hн.= ( λ ×L ∕ Dвн.+∑ ) U² ∕ 2g = 27.35 м.вод.ст. 

• Общие потери по напорному и подводящему трубопроводу:

 

                                            ∑h = ∑hподв. + ∑hнапор. = 28.81м.вод.ст. 

• Характеристика трубопровода строится в соответствии с основным уравнением сети 

                                                     Hм.= Hг.+R × Q ²  где: 

R=∑h ∕ Q² = 28.81 ∕ 600² = 0.0000800 ч² ∕ м постоянная трубопровода 

                                                          Hм.= 497 + 0.0000800× Q²

Задаваясь различными значениями  Q получаем параметры  для построения характеристики шахтного трубопровода 

Табл.№3

        
 

3.5 Определение действительного  режима работы насосной установки 

На характеристику насоса наносим характеристику трубопровода : 
 

 
 
 
 

                                       

                    
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Параллельная работа на общую сеть  экономична когда  КПД максимальный, т.е. точка2

соответствует оптимальному режиму работы. 

● КПД каждой турбомашины при автономной работе  определяется  точкой 2   

● Суммарный режим работы двух, параллельно работающих насосов определяется точкой 1

● Режим автономной работы насосов на сеть определяется точкой 5

● Расход мощности каждого  насоса при совместной работе определяется точкой 6

● Расход мощности при  работе одной машины определяется точкой 7

● Высота всасывания насосов определяется точкой 3   

Чтобы исключить пиковые  нагрузки в системе электроснабжения и снижения динамичес-

ких явлений в гидросистеме при запуске и остановке, в  системе управления предусматриваем  поочередные запуск и остановку, включаемых на параллельную работу насосов с интервалом не менее 10 секунд. 
 

4. Насосные камеры. Водосборники. 

Шахтные водоотливные выработки состоят из двух основных частей : насосной камеры и водосборников. Насосные камеры и водосборники главных водоотливных установок, как правило, должны располагаться в околоствольных выработках руддвора на свежей струе у клетевого ствола. 

4.1 Насосная камера  обычно примыкает к камере  центральной подземной электроподстанции горизонта и имеет два выхода: один наклонный, выходит в выработку околоствольного двора и снабжена герметическими и решётчатыми дверями, второй наклонный ходок проходится к стволу под углом 25-30° и в месте сопряжения сним он заканчивается горизонтальной площадкой на высоте не менее 7 метров от головки рельса руддвора. Насосная камера отделена огнестойкой перемычкой с противопожарной дверью. Для облегчения монтажных и ремонтных работ предусматриваем рельсовый путь и монтажные балки.

 

●Ширина насосной камеры:  Bк = 2× (bф + bвс) + bк =2×( 1.1+1.5) +1.5 = 6.7м. 

где:   bф – ширина фундамента         

          bвс – зазор между фундаментом  и стенкой камеры со стороны  всаса 1.4-2.2м.

        bк – ширина прохода между фундаментом и стенкой со стороны рельсового пути         

          1.4 – 2.3м. 

        bф.= bр+2bп = 0.8+2×0.15 = 1.1м. где bр  – ширина рамы – 0.8 м

                                                                    bп – припуск на одну сторону  по ширине – 0.15м.   

4.2 Объём водосборника 

                                  Vв = 4 × Qн.ч. = 4 × 430 = 1720 м³ 
 

4.3 Сечение выработки  под водосборник 

                                 Sв. = ( h × bк ) ×2 = (3.55 ×6,7)×2 =46.9м²            

          

          Т.к. Vвод.>  1500м³  то сечение водосборника равно сечению двухпутевого штрека . 

4.4 Длина водосборника  Lвод = Vв ∕ Sв = 1720м³ ∕ 46.9м² = 36.67м.

5. Электропривод   водоотливной  установки 

5.1 Расчёт мощности  двигателя насоса и выбор его  типа 

Данных координат (точка 5) режима работы насосной установки достаточно, чтобы определить мощность двигателя

    

Nдв. = к =1.1 = 718 КВт    где,

   

Qд – подача насоса (действ.)     Нд – напор  насоса (действ.)     ρ – плотность воды

ή – кпд насоса (действ.)               к – коэффициент запаса мощности двигателя 

Выбираем двигатель  ВАО0630 МА – асинхронный с короткозамкнутым ротором, имеющий следующие параметры : 

(В.М.Попов ст.201)     N – 800КВт    n- 1500 об/м     ή- 95%   цена – 7650у.е. V – 6000в. 

5.2 Автоматизация водоотливных  установок     

  

 Согласно требованиям ПБ, главные водоотливные установки должны быть полностью

автоматизированы  или управляться с помощью  дистанционных и телемеханических систем, а участковые и вспомогательные установки автоматизированы на 80 – 85%.

Автоматизированные  водоотливные установки подразделяются на пять групп.(В.М.Попов стр193 табл.8.1)

 Моя установка  относится к первой группе:

 

                                                                         

Выбираю аппаратуру УАВ, в которой применена типовая аппаратура : реле уровня, реле давления, реле подачи, температурное реле, моторное реле времени

 

 Аппаратура УАВ предназначена для автоматизации работы водоотливных установок с 3 – 16 насосными агрегатами, оборудованными низковольтными или высоковольтными асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором.

Схемой предусмотрена  возможность применения любого способа заливки, которая дозируется по времени и контролируется реле давления. Насосные агрегаты могут работать при постоянно открытой задвижке на нагнетательном трубопроводе и при одной или двух управляемых задвижках при напряжении 660 или 380 в. 

Порядок работы устанавливается  переключателем, который имеет 4 положения: «В»  «П»  «А» – соответственно верхний, повышенный и аварийный урони воды в водосборнике; «Р» - ручное управление.

Моторные реле времени, осуществляющие программное управление каждым насосным агрегатом, устанавливают  на различные выдержки времени с  разницей 10 с, что исключает одновременный  пуск и остановку насосных агрегатов.

Предусмотрены следующие  виды защиты: гидравлическая насосного агрегата по подаче; от перегрева подшипников; привода задвижки при его заклинивании и нулевая. 

При верхнем уровне воды в водосборнике отпирается триод и включается реле  верхнего уровня, которое самоблокируется через электрод нижнего уровня. Замыкается цепь управления реле повторителя уровня, которое замыкает цепь управления реле времени, через 80 сек. включается реле гидравлической защиты и своими контактами запускает главный насос, и открывает задвижку . При откачке воды  до нижнего уровня разрывается цепь питания реле верхнего уровня, которое выключает реле повторителя уровня, шунтирует контакт реле гидравлической защиты и включается контактор пускателя привода задвижки. При закрывании задвижки размыкается контакт конечного выключателя  электропривода  задвижки что приводит к остановке  основного насоса.

Если после пуска  насос не разовьет нормальную подачу, то контакты реле повторителя уровня  размыкаются, реле гидравлической защиты обесточивается и основной насос выключается. Замыкается контакт реле гидравлической защиты в цепи двигателя реле времени, реле повторителя уровня в блоке управления резервным насосом получает питание ( идёт управляющий сигнал) , включается резервный насос  и идёт сигнал о неисправности первого насосного агрегата.

Деблокировка неисправного насосного агрегата осуществляется переключателем в позиции «Ручное  управление»

Если за определённый промежуток времени задвижка не закроется (или не откроется),то контакт теплового реле времени в цепи реле защиты разомкнётся и отключит неисправный насосный агрегат.

При аварийном уровне воды включается реле уровня - сигнальная лампа сигнализирует об аварийном  уровне воды в водосборнике, включается звонок.

Дистанционное управление насосными агрегатами осуществляется кнопками «Пуск» «Стоп» в цепи реле  верхнего уровня . Предусматривается включение и отключение кнопок при верхнем уровне воды в водосборнике. С помощью кнопок пусковых устройств приводов задвижки производятся пуск и останов основного и вспомогательного насосов при установке переключателя в позицию «ручное», автоматическая работа остальных агрегатов при этом не нарушается.  

6 Расчёт технико  – экономических показателей   

6.1 Годовой расход  электроэнергии на водоотлив 

Егод.=к =1.05 11457608 КВтч 

к – коэффициент, учитывающий  расход эл.энергии на освещение камеры, сушку двигателей

- кпд двигателя 

- кпд электрической  сети

- кпд насосной установки (режим  работы насосной установки)

Т – число часов  работы насоса по откачке притока  воды  = 24 ×Qн ∕ Qд =24×516 ∕ 612 = 20

n – число рабочих суток в году = 365

Qн – номинальная подача насосов

Qд – действительная подача насосов

Нд – действительный напор насосов 
 
 

6.2 Удельный расход  электроэнергии 

Е уд = Ег : Ав = = 3.04кВтч/м³     где Ав = 24×n×Qприт. = 24×365×430=3766800м³ 
 

6.3 Определение капитальных затрат и амортизационных отчислений