СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1.Расчёт водоотливной установки
1.1 Определение нормального имаксимального притоков
1.2 Требуемый ориентировочный напорнасоса
1.3 Выбор типа насоса и их количества
1.4 Расчет потребного диаметратрубопровода и его выбор
1.5 Расчет характеристики сети
1.6 Определение суммарных потерь напорав трубопровод
1.7 Установление действительного напоранасоса
1.8 Определение мощностиэлектродвигателя и выбор его типа
1.9 Расчет расхода электрической энергиии установление КПД водоотливной установки
2.Специальная часть
3.Экология при водоотливе
Заключение
Список литературы
ВВЕДЕНИЕ
Разработка полезныхископаемых подземным и открытыми способами характеризуется значительнымипритоками подземных вод. Поэтому необходимо производить комплекс сложных работпо предупреждению их поступления в карьерные выработки. Доля затрат наосушительные мероприятия в общем комплексе горных работ достигает 10-15%капиталовложений. При осушении месторождений осушительные работы имеют цельзаблаговременно снизить притоки и напоры вод, а так же осуществить их плавныйперевод за границы карьерного поля. Для удаления воды из карьера оборудуютсясложные водоотливные установки, бесперебойная работа которых обеспечиваетбезопасную отработку месторождений и создает необходимые условия труда. Доляпритоков шахтных вод в карьер имеет большое значение при проектировании иэксплуатации водоотливных установок. Она определяет: тип насосных агрегатов, ихпроизводительность, режимы работы, расположение водоотливных установок погоризонтам карьера. Несоответствие между производительностью водоотливныхустановок и притоками вод, как правило, влечет за содой затопление рабочей зоныкарьера. Причины подобных явлений в неправильном выборе оборудованияводоотливной установки без учета ожидаемых притоков вод.
1.Расчёт водоотливной установки
1.1Определение нормального и максимального притоков
Номинальная подачанасоса при максимальном числе часов его работы в сутки:
/> (1.1)
где /> — нормальныйчасовой приток, м3/ч;
/> — максимальноечисло часов работы насоса в сутки, в соответствии с
правиламибезопасности, 20ч.
/>
/>
Для шахт геодезическаявысота
/> (1.2)
где Hк-глубина шахты, м;
/> — высотавсасывания насоса, м. При положительной высоте всасывания ставится знак “+”,при отрицательной высоте – “-“ ,
/> – превышениеслива воды на поверхности относительно устья ствола, 1,5¸2м;
/>
1.2 Требуемыйориентировочный напор насоса
/> (1.3)
где /> — геодезическаявысота шахты, м.
/>
1.3 Выбор типа насоса иих количества
Ориентировочнопроизводится выбор типа насоса, для чего строится эскизный графикхарактеристики насосов, близких к параметрам насосной установки (Нн, Qн).
На основании ранеевычисленных: номинальной подачи насоса Qниориентировочного напора Нм – по каталогу насосов или таблицевыбираем наиболее подходящий тип и марку насосов.
Выписывается изкаталога тип насоса и его марка с указанием подачи и напора на одно колесо.
ЦНС 500-160-800
Оптимальная подача –500 м/>/ч;
Напор одного рабочегоколеса – 81,3 м.
Выбранный насоспроверяется на наличие рабочего режима в зоне
промышленногоиспользования и на устойчивость.
/> (1.4)
где /> - напор насосапри закрытой задвижке, м;
/> — число колеснасоса. Для спиральных насосов их число менять нельзя. Для насосов серии ЦНС ихколичество должно быть в пределах от 2 до 10.
/>
Количество рабочих колес:
/> (1.5)
Где Нкол – напор одного рабочего колеса при нулевойподаче
/>
Округляем количество рабочих колес до ближайшего целого значения — 4.
/>
1.4 Расчет потребногодиаметра трубопровода и его выбор
Трубопровод являетсяодним из важнейших элементов водоотливной установки. К трубопроводупредъявляются следующие требования:
— надёжность,долговечность и безопасность обслуживания;
— доступность дляосмотра и ремонта;
— наличие резервныхставов и возможность быстрого переключения на резервный трубопровод вавтоматическом режиме;
— стойкость кагрессивным воздействиям рудничной воды;
— минимальныекапитальные и эксплуатационные затраты;
— минимальныегидравлические сопротивления.
Оптимальный диаметрнапорного трубопровода
/> (1.6)
где/> - номинальнаяподача насоса при максимальном числе часов его работы в сутки, м3/ч;
/> — коэффициент,учитывающий количество напорных трубопроводов, т.к количество трубопроводов2, следовательно />=1.
/>
По полученному значениювыбирается стандартный диаметр трубопровода. Диаметр всасывающего трубопроводапринимается на 25¸50 мм больше напорного.
Принимаем диаметрнапорного трубопровода – 245мм, всасывающего – 299 мм.
Толщина стенкинапорного трубопровода /> (мм)
/> (1.7)
где /> — стандартныйвнешний диаметр нагнетательного трубопровода, м;
/> — давление – 6МПа у напорного патрубка; 3 МПа у подводящего.
/> — срок службытрубопровода, 10 лет.
/>
Принимаем толщинустенки напорного трубопровода – 7 мм.
Внутренний диаметрнапорного трубопровода:
Dвнутр=Dст-2δ (1.8)
Dвнутр=245-2·7=231мм
Толщина стенкивсасывающего трубопровода:
/>
Принимаем толщинустенки всасывающего трубопровода – 7 мм.
Внутренний диаметрвсасывающего трубопровода:
Dвнутр=299 – 2∙7 = 285 мм
Выбранные стандартныедиаметры трубопровода проверяются по скорости движения воды:
/> (1.9)
где /> — стандартныйвнутренний диаметр трубопровода, м.
Скорость движения водыв нагнетательном трубопроводе должна быть в пределе 1,5¸2,5м/с, во всасывающем – 0,5¸1,7 м/с.
/> м/с
/> м/с
1.5 Расчетхарактеристики сети
Основное уравнение сетиводоотливной установки
/> (1.10)
где /> - постояннаятрубопровода, ч2/м5.
Постоянную трубопроводаможно определить по формуле
/> (1.11)
где l–коэффициент гидравлического трения в трубопроводе — 0,03;
/> — длинатрубопровода, м;
/> — суммарныйкоэффициент местных сопротивлений;
/> — стандартныйвнутренний диаметр трубопровода, м.
Для нагнетательноготрубопровода:
/>
Для всасывающеготрубопровода:
/>
Длина трубопровода при открытомводоотливе:
/> (1.12)
где l1– длина трубопровода по насосной камере – 20 м;
l2– длина труб в трубном ходке – 20 м;
l3– длина труб на поверхности от устья ствола до места слива – 60 м
/>
1.6 Определениесуммарных потерь напора в трубопроводе
Таблица 1 -Определение коэффициентаместного сопротивления для нагнетательного трубопровода№ Наименование местного сопротивления Величина Количество Сумма 1. Колено 135° 0,195 3 0,585 2. Задвижка открытая 0,27 1 0,27 3. Колено 90° 0,64 3 1,92 4. Обратный клапан 14,5 1 14,5 Всего 17,275
Таблица 2 — Определениекоэффициента местного сопротивления для всасывающего трубопровода№ Наименование местного сопротивления Величина Количество Сумма 1. Колено 90° 0,64 2 1,28 2. Приемный клапан 4,4 1 3,6 Всего 4,88
Подставив в формулу(1.10) значения Нг и R, получим уравнение внешней сети.
1.7 Установлениедействительного напора насоса
Режим работы насосногоагрегата определяется графоаналитическим методом. Вначале определяютграфическое изображение внешней характеристики сети (зависимость Н=f(Q)), то естьв аналитическое уравнение внешней сети подставляют различные значения Q. Данныесводят в таблицу 3.
Таблица 3 — Характеристика нагнетательного трубопровода Параметры 0Q 0.5Q 1.0Q 1.5Q 2.0Q
Подача, м3/ч 0 250 500 750 1000 Напор, м 309 309,9 312,5 316,8 323
Имея каталожнуюхарактеристику (график) принятого насоса и графическую аналитическуюхарактеристику внешней сети насосной установки, можно получить режим работынасоса на эту внешнюю сеть. Координаты режима работы получаются, еслисомасштабно наложить характеристику сети на характеристику насоса.
По графикунагнетательного трубопровода определяем />=508; />=346; />=0,7
После чего определяетсячисло часов работы насоса в сутки при откачивании притока воды:
/> (1.13)
где /> –действительная подача насоса;
/> — нормальныйприток воды в шахту.
/>
1.8 Определениемощности электродвигателя и выбор его типа
Данных координат точкирежима работы насосной установки достаточно, чтобы определить мощностьдвигателя насоса (кВт):
/> (1.14)
где />– плотностьрудничной воды, 1050 кг/м3;
/>коэффициентзапаса мощности двигателя, при, при />> 100м3/ч,/>= 1,1¸1,15.
/> — действительныйнапор;
/>
Таким образом, знаямощность двигателя, принимается ближайший больший по мощности двигатель,частота вращения которого совпадает с частотой вращения насоса. Принимаемдвигатель ВАО630M4. Номинальная мощность – 800 кВт, напряжение – 6000 В, КПД –95%, синхронная частота вращения – 1500 об/мин.
1.9 Расчет расходаэлектрической энергии и установление КПД водоотливной установки
Числоработы насоса в сутки при откачивании нормального притока, (час):
/>/> (1.15)
/>
Тоже при максимальном притоке, (час):
/> (1.16)
/>
Годовойрасход электроэнергии, кВт:
/> (1.17)
гдеηд — КПД двигателя, 0,95;
ηсети — КПД электрической сети, 0,95;
η– КПД насоса;
/> - количестводней в году с нормальным водопритоком, 305;
/> - количестводней в году с максимальным водопритоком, 60.
/>
Годовойприток воды (м3/год/>):
/> (1.18)
/>
Удельныйрасход электроэнергии (кВт×час/м3):
/> (1.19)
/>
Полезныйрасход электроэнергии ( кВт×час/м3):
/> (1.20)
/>
Коэффициентполезного действия водоотливной установки:
/> (1.21)
/>
2. СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.ЗАЩИТА АППАРАТУРЫ И НАСОСОВ ОТ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ УДАРОВ
Основная причина,вызывающая гидравлические удары в напорных трубопроводах, — аварийное отключениеэлектропитания двигателей насосов. Гидравлических ударов, возникающих врезультате изменения степени открытия запорной арматуры, практически можноизбежать, изменяя режим закрытия и открытия. При отключении электродвигателейнасосов, подающих воду по напорным трубопроводам в открытые емкости, процессгидравлического удара протекает следующим образом. После отключения насосовуменьшаются частота вращения роторов агрегатов, подача и напор. Давление нанасосной станции начинает снижаться. Снижаются и скорости движения воды втрубопроводе. В какой-то момент вода остановится и далее начнет двигаться сускорением в обратном направлении. При наличии обратных клапанов на напорныхлиниях насосов изменение направления движения воды в трубопроводе вызывает закрытиеих дисков, что резко замедляет движение потока и значительно повышает давление- происходит гидравлический удар.
Прочностные показателитруб для прокладки напорных водоводов назначают по расчетному давлению,принимаемому равным либо максимальному рабочему давлению, либо давлению пригидравлическом ударе, умноженному на коэффициент 0,85 для стальных труб и на 1для труб из других материалов. Повышение давления при гидравлическом удареможет быть определяющим при выборе прочностных показателей труб. Рассчитываютпрочностные показатели труб внешней нагрузки трубопровода при наличии в немвакуума (практически это относится к стальным трубам большого диаметра).Поэтому должны быть использованы средства защиты от гидравлического удара чтобыне увеличивать прочностные показатели труб по сравнению с теми, которые могутбыть приняты по максимальному рабочему. Средства защиты от гидравлическогоудара можно разделить на две большие группы: первая — средства защиты,предназначенные для сброса воды из напорных трубопроводов, вторая — средствазащиты, препятствующие развитию значительных скоростей движения воды в обратномнаправлении. Воду из напорных трубопроводов сбрасывают через насосы и напрямую.Сброс воды через насосы — наиболее простое и дешевое средство защиты, нетребующее каких-либо дополнительных затрат, однако при этом возникаетреверсивное вращение роторов насосных агрегатов, которое в отдельных случаяхможет превысить допустимое (как для насоса, так и для электродвигателя) Иногдадля уменьшения реверсивной частоты вращения можно ограничить сброс воды,осуществляя его через обводные линии к обратным клапанам на напорных линияхнасосов.
Воду помимо насосовсбрасывают и через обычные предохранительные клапаны или специальныеклапаны-гасители, открывающиеся еще до повышения давления сверх рабочего (рис.1).
/>
Рисунок 1 — Схемаустройства обводной линии к обратному клапану:
1 — обратный клапан; 2 — обводная линия с задвижкой;
3 — задвижка нанапорной линии насоса.
/>
Рисунок 2 — Клапан-гаситель
1 — клапан;2- цилиндр;3 — поршень;4 — гидрораспределитель;5 — масляный тормоз;6 — соединительныеимпульсные трубки;7 — обратный клапан;8 — магистральный трубопровод;9 — отводнаятруба.
К средствам защиты отгидравлического удара, препятствующим развитию значительных скоростей,относятся: впуск воздуха в места образования разрывов сплошности потока втрубопроводе с последующим сжатием воздуха, для чего на трубопроводеустанавливают аэрационные клапаны (клапаны для впуска и защемления воздуха —КВЗВ), которые открываются при снижении давления в трубопроводе нижеатмосферного, обеспечивая впуск воздуха в трубопровод, и закрываются приповышении давления больше атмосферного. Сжатие вошедшего через клапан объемавоздуха приводит к уменьшению скорости потока в обратном направлении и темсамым снижает давление в трубопроводе в процессе гидравлического удара. Напрактике применяли пружинные и грузовые аэрационные клапаны. Однако серийно ихне выпускали. Поэтому было предложено использовать в качестве аэрационныхобратные клапаны. Установка аэрационных клапанов на трубопроводах — простое идешевое средство защиты от гидравлических ударов. Однако сжатие воздухаприводит к ощутимому снижению давления лишь при относительно небольшихстатических напорах (15… 20 м) в месте установки аэрационных клапанов. Поэтомупри больших напорах используют другие средства защиты или сочетают впусквоздуха с другими средствами; впуск воды в места возможного образования разрывовсплошности потока для устранения этих разрывов (рис.3). Впуск воды вбольшинстве случаев осуществляют из специального резервуара, соединенного снапорным трубопроводом линией, оборудованной обратным клапаном. При нормальномрежиме работы тарель обратного клапана закрыта давлением воды в трубопроводе,при уменьшении давления в трубопроводе ниже уровня воды в резервуаре обратныйклапан открывается и вода поступает в трубопровод. Впуск воды может бытьосуществлен и из водонапорных колонн, но из-за относительно высокой стоимости вмелиорации их практически не применяют; разделение трубопровода на несколькочастей и установка на нем дополнительных обратных клапанов. В результатегидравлического удара вода начинает двигаться в обратном направлении, клапаны закрываютсяи разделяют трубопровод на несколько частей, в пределах каждой из которыхстатический напор относительно невелик. Это средство защиты может бытьэффективно использовано при значительном геометрическом подъеме воды.
/>
Рисунок 3 — Резервуардля впуска воды, совмещенный с анкерной опорой:
1 — резервуар;2- обратный клапан; 3 — напорный трубопровод
Гидравлические удары взакрытых оросительных системах могут значительно отличаться от гидравлическихударов в трубопроводах, подающих воду в открытые емкости. Они возникают нетолько при аварийных отключениях насосных агрегатов, но и вследствие другихпричин. Работу насосных станций закрытых оросительных систем обычнопредусматривают в автоматическом режиме, поэтому отключают и пускают насосныеагрегаты при изменении режима полива при открытых задвижках на напорных линияхнасосов. При отключении насосов направление движения воды в его напорной линииизменяется очень быстро, и к этому времени тарель обратного клапана остаетсяеще открытой. Закрытие обратного клапана приводит к значительному, правда,непродолжительному повышению давления. Для определения повышения давления пригидравлических ударах и назначении соответствующих мер защиты требуютсярасчеты, учитывающие основные факторы, существенно влияющие на процессгидравлического удара и позволяющие получать результаты с необходимой степеньюточности. Однако они сложны и трудоемки, и выполнить их можно лишь сприменением современных средств вычислительной техники.
3. ЭКОЛОГИЯ ПРИВОДООТЛИВЕ
Производственнаядеятельность человека вносит определенные изменения, в процессы, происходящие вестественной экологической системе, и вызывает тем самым нарушение равновесиямежду отдельными ее элементами.
Источникамигидродинамических нарушений являются технологические процессы, связанные состроительством и эксплуатацией промышленных предприятий.
Большинствогидрологических нарушений связано с предварительной подготовкой поверхностиместорождения и его эксплуатации:
-переносрусел водотоков, протекающих по поверхности над площадью залегания полезныхископаемых;
-предварительноеосушение поверхностных водоемов путем перекачивания воды из них в понижениярельефа вне горного отвода;
-осушениеплощади земельного отвода путем откачивания воды из водоносного горизонта;
Гидрогеологическиенарушения связаны с процессом добычи и переработки полезных ископаемых;
-повышениеи понижения уровня подземных вод при подработке водонасосных горизонтов;
-истощениеводоносных горизонтов над площадью отработки месторождения и за ее пределамипутем поступления подъемных вод в горных выработках с последующей откачкой вводоемы и водотоки;
-заводнениеподземных горизонтов при закачке в них вод из поверхностных объектов.
Водыизвлекаемые при добыче полезных ископаемых разделяются на шахтные, карьерные идренажные. Дренажные воды образуются за счет попадания подземных иповерхностных в горные выработки, но в отличие от шахтных и карьерных они неподвержены загрязнению, т.е. в большинстве случаев относятся кнормативно-чистым. Дренажные воды образуются в тех горных выработках, где неведутся горные работы, поэтому они не подвергаются загрязнению взвешеннымичастицами и нефтепродуктами. Наиболее вероятно бактериальное загрязнениедренажных вод.
Повеличине рН шахтные, карьерные и дренажные воды делятся на нейтральные(рН=6.5-8.5), кислые (рН8.5). По степениминерализации они подразделяются на пресные с содержанием сухого остатка до 1г\л, слабосолоно-ватые — 1-3, солоноватые — 3-5, сильносоловатые — 5-10,соленые — 10-25, сильносоленые — 25-50 и рассолы более — 50 г\л. Чем вышеминерализация шахтных, карьерных и дренажных водах колеблется от 5 до 30мг*экв\л. Содержание взвешенных веществ в шахтных и карьерных водах колеблетсяв пределах от 10-30 до 500-600 мг\л и выше, но обычно не превышает 1000 мг\л,концентрация нефтепродуктов от следов до 0,2-0,8 мг\л и выше.
Бактериальнаязагрязненность может изменяться в пределах 0,001-4.
Комплексноеиспользование минеральных ресурсов, добытых из недр, и охрана природной средыпредставляются важнейшими задачами в решении общей проблемы рациональногоприродопользования на современном этапе.
Решение этих задачсвязано с разработкой принципиально новых и совершенствованием старыхтехнологий извлечения полезных компонентов из недр, комплексной переработкедобытого минерального сырья с применением замкнутых и малоотходных схем.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В курсовом проекте всоответствии с исходными данными произведен расчет насосной станции шахтноготипа. Глубина шахты 250 метров, максимальный часовой приток 400 м3/час.Также в курсовом проекте произведен выбор типа насоса ЦНСК-500-160-800, маркадвигателя ВАО630M4. Рассчитаны диаметры всасывающего и нагнетательноготрубопроводов. Диаметр всасывающего трубопровода – 299 мм, нагнетательного –245 мм. Коэффициент полезного действия насосной установки 80%.
Освещены вопросыэкологии при открытых горных работах, техники безопасности при эксплуатациинасосной станции в карьере. В специальной части рассмотрен вопрос о защитеводоотливного оборудования от гидравлических ударов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алексеев В.В. Стационарные машины –М: Недра, 1989, с 304.
2. Картавый Н.Г. Стационарные установки– М: Недра, 1981, с 263.
3. Хаджиков Р.Н., БутаковС.А. Горная механика. – М: Недра, 1982, с 409.
4. Песвианидзе А.В. Расчётшахтных подъёмных установок. – М: Недра, 1992, с 273.
5 Хаджиков Р.Н., БутаковС.А. Сборник примеров и задач по горной механике. – М.: Недра, 1989, с 160.
6. Попов В.Н. Водоотливныеустановки. Справочное пособие. – М.: Недра, 1990, с 302.
7. Единые правилабезопасности при разработке месторождений полезных ископаемых подземнымспособом. – Алматы, 1994, с 120.
8. Картавый Н.Г., ТопорковА.А. Шахтные стационарные установки. Справочное пособие. – М.: Недра, 1978, с245.