Курсова робота:
Розрахунок водовідливної установки
ВСТУП
Розробка корисних копалин підземним і відкритим способами характеризується значними припливами підземних вод. Тому необхідно робити комплекс складних робіт з попередження їхнього надходження в кар'єрні виробітки. Частка витрат на осушувальні заходи в загальному комплексі гірських робіт досягає 10-15% капіталовкладень. При осушенні родовищ осушувальні роботи мають за мету завчасно знизити припливи й напори вод, а так само здійснити їхній плавний перехід за межі кар'єрного поля. Для видалення води з кар'єру обладнаються складні водовідливні установки, безперебійна робота яких забезпечує безпечне відпрацьовування родовищ і створює необхідні умови праці. Частка припливів шахтних вод у кар'єр має велике значення при проектуванні й експлуатації водовідливних установок. Вона визначає: тип насосних агрегатів, їхню продуктивність, режими роботи, розташування водовідливних установок по горизонтах кар'єру. Невідповідність між продуктивністю водовідливних установок і припливами вод, як правило, тягне за собою затоплення робочої зони кар'єру. Причини подібних явищ у неправильному виборі встаткування водовідливної установки без обліку очікуваних припливів вод.
1. РОЗРАХУНОК ВОДОВІДЛИВНОЇ УСТАНОВКИ
1.1 Визначення нормального й максимального припливів
Номінальна подача насоса при максимальному числі годин його роботи в добу:
/>(1.1)
де />— нормальний годинний приплив, м3/год;
/>— максимальне число годин роботи насоса в добу, відповідно до
правилами безпеки, 20ч.
Для шахт геодезична висота
/>(1.2)
де Hш— глибина шахти, м;
/>— висота усмоктування насоса, м. При позитивній висоті усмоктування ставиться знак “+”, при негативній висоті — “-“ ,
/>— перевищення зливу води на поверхні щодо устя стовбура, 1,5(2 м;
/>
1.2 Необхідний орієнтовний напір насоса
/>(1.3)
де />— геодезична висота шахти, м.
/>
1.3 Вибір типу насоса і їхньої кількості
Орієнтовно виробляється вибір типу насоса, для чого будується ескізний графік характеристики насосів, близьких до параметрів насосної установки (Нн, Qн).
На підставі раніше обчислених: номінальної подачі насоса Qн і орієнтовного напору Нм– по каталозі насосів вибираємо найбільш підходящий тип і марку насосів.
Виписується з каталогу тип насоса і його марка із вказівкою подачі й напору на одне колесо.
ЦНС 500-160-800
Оптимальна подача – 500 м/ч/>;
Напір одного робочого колеса — 81,3 м.
Обраний насос перевіряється на наявність робочого режиму в зоні
промислового використання й на стійкість.
/>(1.4)
де />— напір насоса при закритій засувці, м;
/>— число коліс насоса. Для спіральних насосів їхнє число міняти не можна. Для насосів серії ЦНС їхня кількість повинне бути в межах від 2 до 10.
/>
Кількість робочих коліс:
/>(1.5)
Де Н – напір одного робочого колеса при нульовій подачі
/>
Округляємо кількість робочих коліс до найближчого цілого значення — 4.
/>
1.4 Розрахунок потрібного діаметра трубопроводу і його вибір
Трубопровід є одним з найважливіших елементів водовідливної установки. До трубопроводу пред'являються наступні вимоги:
— доступність для огляду й ремонту;
— наявність резервних ставків і можливість швидкого перемикання на резервний трубопровід в автоматичному режимі;
— стійкість до агресивних впливів рудничної води;
— мінімальні капітальні й експлуатаційні витрати;
— мінімальні гідравлічні опори.
Оптимальний діаметр напірного трубопроводу
/>(1.6)
де/>— номінальна подача насоса при максимальному числі годин його роботи в добу, м3/год;
/>— коефіцієнт, що враховує кількість напірних трубопроводів, кількість трубопроводів 2, отже />=1.
/>
За отриманим значенням вибирається стандартний діаметр трубопроводу. Діаметр усмоктувального трубопроводу приймається на 25(50 мм більше напірного.
Приймаємо діаметр напірного трубопроводу – 245 мм, що всмоктує — 299 мм.
Товщина стінки напірного трубопроводу />(мм)
/>(1.7)
де />— стандартний зовнішній діаметр нагнітального трубопроводу, м;
/>— тиск — 6 Мпа в напірного патрубка; 3 Мпа в що підводить.
/>— термін служби трубопроводу, 10 років.
/>
Приймаємо товщину стінки напірного трубопроводу — 7 мм.--PAGE_BREAK--
Внутрішній діаметр напірного трубопроводу:
Dвнутр=Dст-2δ (1.8)
Dвнутр=245-2·7=231 мм
Товщина стінки усмоктувального трубопроводу:
/>
Приймаємо товщину стінки усмоктувального трубопроводу — 7 мм.
Внутрішній діаметр усмоктувального трубопроводу:
Dвнутр = 299 – 2∙ 7 = 285 мм
Обрані стандартні діаметри трубопроводу перевіряються по швидкості руху води:
/>(1.9)
де />— стандартний внутрішній діаметр трубопроводу, м.
Швидкість руху води в нагнітальному трубопроводі повинна бути в межі 1,5(2,5 м/с, в усмоктувальному — 0,5 1,7 м/с.
/>м/з
/>м/з
1.5 Розрахунок характеристики мережі
Основне рівняння мережі водовідливної установки
/>(1.10)
де />— постійна трубопроводу, год2/м5.
Постійну трубопроводу можна визначити по формулі
/>(1.11)
де (- коефіцієнт гідравлічного тертя в трубопроводі — 0,03;
/>— довжина трубопроводу, м;
/>— сумарний коефіцієнт місцевих опорів;
/>— стандартний внутрішній діаметр трубопроводу, м.
Для нагнітального трубопроводу:
/>
Для усмоктувального трубопроводу:
/>
Довжина трубопроводу при відкритому водовідливі:
/>(1.12)
де l1– довжина трубопроводу по насосній камері – 20 м;
l2– довжина труб у трубному ходці – 20 м;
l3– довжина труб на поверхні від устя стовбура до місця зливу – 60 м
/>
Визначення сумарних втрат напору в трубопроводі
Таблиця 1 — Визначення коефіцієнта місцевого опору для нагнітального трубопроводу
№
Найменування місцевого опору
Величина
Кількість
Сума
1.
Коліно 135°
0,195
3
0,585
2.
Засувка відкрита
0,27
1
0,27
3.
Коліно 90°
0,64
3
1,92
4.
Зворотний клапан
14,5
1
14,5
Усього
17,275
Таблиця 2 — Визначення коефіцієнта місцевого опору для усмоктувального трубопроводу
№
Найменування місцевого опору
Величина
Кількість
Сума
1.
Коліно 90°
0,64
2
1,28
2.
Прийомний клапан
4,4
1
3,6
Усього
4,88
Підставивши у формулу (1.10) значення Нг і R, одержимо рівняння зовнішньої мережі.
1.7 Установлення дійсного напору насоса
Режим роботи насосного агрегату визначається графоаналітичним методом. Спочатку визначають графічне зображення зовнішньої характеристики мережі (залежність Н=f(Q)), тобто в аналітичне рівняння зовнішньої мережі підставляють різні значення Q. Дані зводять у таблицю 3.
Таблиця 3 — Характеристика нагнітального трубопроводу
Параметри
0Q
0.5Q
1.0Q
1.5Q
2.0Q
Подача, м3/год
250
500
750 продолжение
--PAGE_BREAK--
1000
Напір, м
309
309,9
312,5
316,8
323
Маючи каталожну характеристику (графік) прийнятого насоса й графічну аналітичну характеристику зовнішньої мережі насосної установки, можна одержати режим роботи насоса на цю зовнішню мережу. Координати режиму роботи виходять, якщо накласти характеристику мережі на характеристику насоса.
За графіком нагнітального трубопроводу визначаємо />=508; />=346; />=0,7
Після чого визначається число годин роботи насоса в добу при відкачуванні припливу води:
/>(1.13)
де />– дійсна подача насоса;
/>— нормальний приплив води в шахту.
/>
1.8 Визначення потужності електродвигуна й вибір його типу
Даних координат крапки режиму роботи насосної установки досить, щоб визначити потужність двигуна насоса (кВт):
/>(1.14)
де />– щільність рудничної води, 1050 кг/м3;
/>коефіцієнт запасу потужності двигуна, при, при />>100м3/год, />= 1,1¸1,15.
/>— дійсний напір;
/>
Таким чином, знаючи потужність двигуна, приймається найближчий більший по потужності двигун, частота обертання якого збігається із частотою обертання насоса. Приймаємо двигун ВАО630M4. Номінальна потужність — 800 кВт, напруга — 6000 У, КПД — 95%, синхронна частота обертання — 1500 про/хв.
1.9 Розрахунок витрати електричної енергії й установлення КПД водовідливної установки
Число роботи насоса в добу при відкачуванні нормального припливу, (година):
/>(1.15)
/>
Те ж при максимальному припливі, (година):
/>(1.16)
/>
Річна витрата електроенергії, кВт:
/>(1.17)
де ηд — КПД двигуна, 0,95;
ηмережі — КПД електричної мережі, 0,95;
? — КПД насоса;
/>— кількість днів у році з нормальним водо припливом, 305;
/>— кількість днів у році з максимальним водо припливом, 60.
/>
Річний приплив води (м3/рік/>):
/>(1.18)
/>
Питома витрата електроенергії (кВт×година/м3):
/>(1.19)
/>
Корисна витрата електроенергії ( кВт×година/м3):
/>(1.20)
/>
Коефіцієнт корисної дії водовідливної установки:
/>(1.21)
/>
2. СПЕЦІАЛЬНА ЧАСТИНА. ЗАХИСТ АПАРАТУРИ Й НАСОСІВ ВІД ГІДРАВЛІЧНИХ УДАРІВ
Основна причина, що викликає гідравлічні удари в напірних трубопроводах, — аварійне відключення електроживлення двигунів насосів. Гідравлічних ударів, що виникають у результаті зміни ступеня відкриття запірних арматур, практично можна уникнути, змінюючи режим закриття й відкриття. При відключенні електродвигунів насосів, що подають воду по напірних трубопроводах у відкриті ємкості, процес гідравлічного удару протікає в такий спосіб. Після відключення насосів зменшуються частота обертання роторів агрегатів, подача й напір. Тиск на насосній станції починає знижуватися. Знижуються й швидкості руху води в трубопроводі. У якийсь момент вода зупиниться й далі почне рухатися із прискоренням у зворотному напрямку. При наявності зворотних клапанів на напірних лініях насосів зміна напряму руху води в трубопроводі викликає закриття їхніх дисків, що різко сповільнює рух потоку й значно підвищує тиск — відбувається гідравлічний удар.
Показники труб міцності для прокладки напірних водоводів призначають по розрахунковому тиску, прийнятому рівним робочому тиску, або тиску при гідравлічному ударі, помноженому на коефіцієнт 0,85 для сталевих труб і на 1 для труб з інших матеріалів. Підвищення тиску при гідравлічному ударі може бути визначальним при виборі показників труб. Розраховують показники міцності труб зовнішнього навантаження трубопроводу при наявності в ньому вакууму (практично це ставиться до сталевих труб великого діаметра). Тому повинні бути використані засоби захисту від гідравлічного удару щоб не збільшувати показники міцності труб у порівнянні з тими, які можуть бути прийняті по максимальному робітнику. Засобу захисту від гідравлічного удару можна розділити на дві більші групи: перша — засобу захисту, призначені для скидання води з напірних трубопроводів, друга — засобу захисту, що перешкоджають розвитку значних швидкостей руху води у зворотному напрямку. Воду з напірних трубопроводів скидають через насоси й прямо. Скидання води через насоси — найбільш простий і дешевий засіб захисту, не потребуюче яких-небудь додаткових витрат, однак при цьому виникає реверсивне обертання роторів насосних агрегатів, що в окремих випадках може перевищити припустиме (як для насоса, так і для електродвигуна) Іноді для зменшення реверсивної частоти обертання можна обмежити скидання води, здійснюючи його через обвідні лінії до зворотних клапанів на напірних лініях насосів.
Воду крім насосів скидають і через звичайні запобіжні клапани або спеціальні клапани-гасителі, що відкриваються ще до підвищення тиску понад робітника (мал. 1, 2).
/>
Малюнок 1 — Схема пристрою обвідної лінії до зворотного клапана: 1 — зворотний клапан; 2 — обвідна лінія із засувкою; 3 — засувка на напірній лінії насоса продолжение
--PAGE_BREAK--
/>
Малюнок 2 — Клапан-Гаситель: 1 — клапан; 2 — циліндр; 3 — поршень; 4 — гідро розподільник; 5 — масляне гальмо; 6 — сполучні імпульсні трубки; 7 — зворотний клапан; 8 — магістральний трубопровід; 9 — відвідна труба
До засобів захисту від гідравлічного удару, що перешкоджає розвитку значних швидкостей, ставляться: впуск повітря в місця утворення розривів потоку в трубопроводі з наступним стиском повітря, для чого на трубопроводі встановлюють аераційні клапани (клапани для впуску й защемлення повітря — КВЗП), які відкриваються при зниженні тиску в трубопроводі нижче атмосферного, забезпечуючи впуск повітря в трубопровід, і закриваються при підвищенні тиску більше атмосферного. Стиск обсягу, що ввійшов через клапан, повітря приводить до зменшення швидкості потоку у зворотному напрямку й тим самим знижує тиск у трубопроводі в процесі гідравлічного удару. На практиці застосовували пружинні й вантажні аераційні клапани. Однак серійно їх не випускали. Тому було запропоновано використовувати в якості аераційних зворотні клапани. Установка аераційних клапанів на трубопроводах — простий і дешевий засіб захисту від гідравлічних ударів. Однак стиск повітря приводить до відчутного зниження тиску лише при відносно невеликих статичних напорах (15...20 м) у місці установки аераційних клапанів. Тому при більших напорах використовують інші засоби захисту або сполучать впуск повітря з іншими засобами; впуск води в місця можливого утворення розривів потоку для усунення цих розривів (мал.3). Впуск води в більшості випадків здійснюють зі спеціального резервуара, з'єднаного з напірним трубопроводом лінією, обладнаної зворотним клапаном. При нормальному режимі роботи зворотного клапана закрита тиском води в трубопроводі, при зменшенні тиску в трубопроводі нижче рівня води в резервуарі зворотний клапан відкривається й вода надходить у трубопровід. Впуск води може бути здійснений і з водонапірних колон, але через відносно високу вартість у меліорації їх практично не застосовують; поділ трубопроводу на кілька частин і установка на ньому додаткових зворотних клапанів. У результаті гідравлічного удару вода починає рухатися у зворотному напрямку, клапани закриваються й розділяють трубопровід на кілька частин, у межах кожної з яких статичний напір відносно невеликий. Це засіб захисту може бути ефективно використане при значному геометричному підйомі води (мал. 3).
/>
Малюнок 3 — Резервуар для впуску води, сполучений з анкерною опорою: 1 — резервуар; 2 — зворотний клапан; 3 — напірний трубопровід
Гідравлічні удари в закритих зрошувальних системах можуть значно відрізнятися від гідравлічних ударів у трубопроводах, що подають воду у відкриті ємності. Вони виникають не тільки при аварійних відключеннях насосних агрегатів, але й внаслідок інших причин. Роботу насосних станцій закритих зрошувальних систем звичайно передбачають в автоматичному режимі, тому відключають і пускають насосні агрегати при зміні режиму поливу при відкритих засувках на напірних лініях насосів. При відключенні насосів напрямок руху води в його напірній лінії змінюється дуже швидко, і до цього часу зворотного клапана залишається ще відкритої. Закриття зворотного клапана приводить до значного, щоправда, нетривалому підвищенню тиску. Для визначення підвищення тиску при гідравлічних ударах і призначенні відповідних мір захисти потрібні розрахунки, що враховують основних факторів, що істотно впливають на процес гідравлічного удару й що дозволяють одержувати результати з необхідним ступенем точності. Однак вони складні й трудомісткі, і виконати їх можна лише із застосуванням сучасних засобів обчислювальної техніки.
3. ЕКОЛОГІЯ ПРИ ВОДОВІДЛИВІ
Виробнича діяльність людини вносить певні зміни, у процеси, що відбуваються в природній екологічній системі, і викликає тим самим порушення рівноваги між окремими її елементами.
Джерелами гідродинамічних порушень є технологічні процеси, зв'язані з будівництвом і експлуатацією промислових підприємств.
Більшість гідрологічних порушень пов'язане з попередньою підготовкою поверхні родовища і його експлуатації:
— перенос русявів водотоків, що протікають по поверхні над площею залягання корисних копалин;
— попереднє осушення поверхневих водойм шляхом перекачування води з них у зниження рельєфу поза гірським відводом;
— осушення площі земельного відводу шляхом відкачування води з водоносного обрію;
Гідрогеологічні порушення пов'язані із процесом видобутку й переробки корисних копалин;
— підвищення й зниження рівня підземних вод;
— виснаження водоносних горизонтів над площею відпрацьовування родовища й за її межами шляхом надходження піднімальних вод у гірських виробітках з наступною відкачкою у водойми й водотоки;
— заводнення підземних горизонтів при накачуванні в них вод з поверхневих об'єктів.
Води, що витягаються при видобутку корисних копалин розділяються на шахтні, кар'єрні й дренажні. Дренажні води утворяться за рахунок влучення підземних і поверхневих у гірські виробітки, але на відміну від шахтних і кар'єрних вони не піддані забрудненню, тобто в більшості випадків ставляться до нормативно-чистого. Дренажні води утворяться в тих гірських виробітках, де не ведуться гірські роботи, тому вони не піддаються забрудненню зваженими частками й нафтопродуктами. Найбільше ймовірно бактеріальне забруднення дренажних вод.
По величині рн шахтні, кар'єрні й дренажні води діляться на нейтральні (рн=6.5-8.5), кислі (рн8.5). По ступені мінералізації вони підрозділяються на прісні зі змістом сухого залишку до 1 г\л, слабосолонуваті — 1-3, солонуваті — 3-5, солоні — 10-25, сильно солоні — 25-50 і розсоли більше — 50 г\л. Чим вище мінералізація шахтних, кар'єрних і дренажних водах коливається від 5 до 30 мг*екв\л. Зміст зважених речовин у шахтних і кар'єрних водах коливається в межах від 10-30 до 500-600 мг\л і вище, але звичайно не перевищує 1000 мг\л, концентрація нафтопродуктів від слідів до 0,2-0,8 мг\л і вище.
Бактеріальне забруднення може змінюватися в межах 0,001-4.
Комплексне використання мінеральних ресурсів, добутих з надр, і охорона природного середовища представляються найважливішими завданнями в рішенні загальної проблеми раціонального природокористування на сучасному етапі.
ВИСНОВОК
У курсовому проекті відповідно до вихідних даних зроблений розрахунок насосної станції шахтного типу. Глибина шахти 250 метрів, максимальний годинний приплив 400 м3/година. Також у курсовому проекті зроблений вибір типу насоса ЦНСК-500-160-800, марка двигуна ВАО630M4. Розраховано діаметри усмоктувальних і нагнітального трубопроводів. Діаметр усмоктувального трубопроводу — 299 мм, нагнітального — 245 мм. Коефіцієнт корисної дії насосної установки 80%.
Освітлено питання екології при відкритих гірських роботах, техніки безпеки при експлуатації насосної станції в кар'єрі. У спеціальній частині розглянуте питання про захист водовідливного встаткування від гідравлічних ударів.
Література
1. Алексєєв В.В. Стаціонарні машини – К., 2002.
2. Картавий Н.Г. Стаціонарні установки – К., 2005.
3. Хаджиков Р.Н., Бутаков С.А. Гірська механіка. – К., 2004.
4 Хаджиков Р.Н., Бутаков С.А. Збірник прикладів і завдань по гірській механіці. – К., 2001.
5. Попов В.Н. Водовідливні установки. Довідковий посібник. – К., 1991.