第四章排水设备选型指导书.docx
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第四章排水设备选型指导书
第四章排水设备选型计算
第一节设计原始资料和任务
一、设计原始资料
1、矿井年产量、服务年限及井口标高;
2、井筒型式(竖井、斜井)、同时开采水平数及各开采水平标高;
3、各水平正常涌水量和最大涌水量及持续时间;
4、水的密度、泥沙含量及化学性质(如pH值);
5、沼气等级
6、供电电压;
⒎井筒及井底车场布置图。
二、设计任务
选型设计的任务是根据具体条件,在现有系列产品中进行合理选择,以保证设备安全、经济、可靠地运转。
1、确定排水系统;
2、选定排水设备;
3、提出经济核算指标;
4、绘制水泵房、管路及管子道布置图。
第二节选型计算步骤和方法
在选型计算中,要严格贯彻执行《煤矿安全规程》(简称规程)和《煤炭工业规范》(简称规范),在保证及时排除矿井涌水的前提下,选择最优方案,使排水总费用最小。
具体步骤和方法如下:
1.确定排水系统
在煤矿生产中,单水平开采通常采用集中排水;两个水平同时开采时,应根据矿井具体情况进行分析,综合基建投资、施工、操作和维修管理等因素,经过技术和经济比较后,确定合理的排水系统。
2.水泵的选型计算
《规程》第二百七十八条对煤矿主排水设备中水泵要求是:
必须有工作、备用和检修的水泵。
工作水泵的能力,应能在20h内排出矿井24h的正常涌水量,(包括填充水和其它用水);备用水泵的能力应不小于工作水泵能力的能70%,并且工作水泵和备用水泵的总能力,应能在20h内排出矿井24h的最大涌水量;检修水泵的能力应不小于工作水泵能力的能25%。
对于水文地质条件复杂的矿井,可在主泵房内预留安装一定数量水泵的位置。
《规范》第2~136条还对小涌水量的矿井水泵作了规定:
对于正常涌水量为50m3/h及以下,且最大涌水量为100m3/h及以下的矿井,可选用两台水泵,其中一台工作,一台备用。
(1)水泵必须具备的总排水能力
正常涌水时,工作水泵必须具备的总排水能力
最大涌水时,工作水泵和备用水泵必须具备的总排水能力
式中qZ、qmax——分别为矿井正常涌水量和最大涌水量,m3/h
(2)水泵所需扬程的估算由于水泵和管路均未确定,因此就无法确切知道所需的扬程,一般可由下面公式中任选一个进行估算:
,m
式中Hc——测地高度(实际扬程),一般可取Hc=井底与地面标高差+4(井底车场与水仓最低水位距离),m;
α——管路倾斜架设时倾角;
ηg——管路效率。
对竖井,ηg=0.9~0.87;对斜井,当倾角α﹥30°时,ηg=0.83~0.8;当α=20°~30°时,ηg=0.8~0.77;α﹤20°时,ηg=0.77~0.74。
(3)预选水泵的型号和级数根据QB、HB及矿水的pH值,从水泵类产品样本中选取水泵,最好是一台泵就能达到所需要求的排水能力。
在满足要求的各型号水泵中,优先选择工作可靠、性能良好、体积小、质量轻且价格便宜的产品。
当矿水的pH值小于5时,应采取降低水酸度的措施,若技术上有困难或经济上不合理时,就应选取耐酸泵;当矿水泥沙含量太大时,应考虑选择MD型耐磨泵。
符合上述条件的可能有多种型号,待选择了配套管路并经过技术经济比较后,最终确定出一种型号的泵。
若采用多级水泵,水泵级数可按下式计算:
式中Hi——所选取水泵的单级扬程,m。
应当指出:
计算的结果,i值一般不是整数,但水泵级数只能是整数;选取大于i的整数当然能满足要求,但取小于i的整数有时也能达到要求,此时应同时考虑两种方案,进行技术比较后,方能确定。
(4)校验水泵的稳定性为保证水泵工作的稳定性,应满足
。
通过稳定性校验,可以淘汰不能满足稳定性要求的水泵,从而减少可比的方案。
(5)确定水泵台数
a.正常涌水时工作水泵的台数
b.备用水泵的台数
式中Qe——预选水泵额定流量,m3/h
c.检修水泵的台数
在上述公式计算中,结果均取偏上的整数。
因此,水泵的总台数n=n1+n2+n3。
对水文地质复杂的矿井,按《规程》要求,应增设水泵或在泵房内预留安装水泵的基础。
3.管路的选择计算
(1)管路趟数的确定根据《规程》第二百七十八条对管路的要求:
必须有工作和备用的水管。
工作水管的能力应能配合工作水泵在20h内排出矿井24h的正常涌水量。
工作和备用水管的总能力,应能配合工作和备用水泵在20h内排出矿井24h的最大涌水量。
《规范》第2~138条还对敷设在斜井中的管路作了规定:
对于正常涌水量为50m3/h及以下,且最大涌水量为100m3/h及以下的斜井,一般敷设一条管路,其能力应能在20h内排出矿井24h的最大涌水量。
排水管路趟数在满足《规程》的前提下,在井筒内布置以不增加井筒直径为原则,一般不宜超过四趟。
(2)泵房内管路布置的选择泵房内管路布置主要取决于泵的台数和管路趟数,如图10-6所示为矿井常用管路布置方式。
其共同特点是任意1台水泵都要与任意1趟管路相联接。
图1排水管路布置示意图
(3)管材的选择选择管材的主要依据是管道所需承受的压力。
由于矿井排出的水一般进入地表水渠,因此压力与井深成正比。
通常情况下,对井深不超过200m的,多采用焊接钢管;井深超过200m时,多采用无缝钢管;当压力小于1×106N/m2时,可选用铸铁管;吸水管一般选用无缝钢管。
(4)管径与壁厚的计算选择管径就是针对一定的流量寻找运行费用和初期投资费用两者之和最低的管径。
由于管路的初期投资费用与管径成正比,而运行所需的电耗与管径成反比。
因此若管径选择偏小,水头损失大,电耗高,但所需的初期投资少;若管径选择偏大,水头损失小,电耗低,但所需的初期投资高。
因此,管径是确定运行费用和初期投资费用在总费用中所占比重的决定因素,选择时应综合两方面考虑找出最佳的管径。
通常是按经济流速的方法来确定管径。
其计算公式如下:
a)排水管内径
b)吸水管内径
上两式中vp′——排水管的经济流速,一般取1.5~2.2m/s;
vx′——吸水管的经济流速,一般取0.8~1.5m/s。
为了提高吸水性能,防止气蚀发生,吸水管直径一般比排水管直径大一级,因此吸水管内径也可按下式计算
由于钢管规格以外径为基准形成系列,同时对同一外径管有多种壁厚,因此,选择管径时,应根据井深试选标准管径。
当矿井排水垂直高度小于400m时,可选用管壁厚度较薄的一种;当排水垂直高度超过400m时,可选用管壁较厚的管子。
可参见表1、2、3选取标准管径。
(5)管壁厚度的验算管子选定后,其壁厚也就确定了。
但此厚度能否满足承压要求,需按下式进行验算
,
式中δ——管壁厚度,m;
d——所选管子标准管径,m;
p——水管内部工作压力。
作为估算p=1.1×104HpN/m2;
Hp——排水扬程,m;
R——管材许用应力,铸铁管R=20×106N/m2;焊接钢管R=60×106N/m2;无缝钢管R=80×106N/m2。
C——附加厚度(考虑运输和其他原因形成的表面损伤)。
铸铁管c=0.007~0.009m;焊接钢管c=0.002m;无缝钢管c=0.001~0.002m
所选标准管的壁厚应等于或略大于按上式计算所得的δ值。
吸水管不需验算壁厚。
4.管路特性的计算
管路特性方程式为
式中A——考虑管内径因污泥淤积后减小而引起阻力损失增大的系数。
对于新管A=1;对于管内挂垢后管径缩小10%的旧管,A=1.7。
式中λx、λp——吸、排水管的沿程阻力损失系数,可查表11-4;
dx、dp——吸、排水管内径,m;
lP——排水管实际长度。
对于竖井lP=(Hp-7.5)+l1+l2+l3m;
l1——水流经泵房内排水管的长度,一般取l1=20~30m;
l2——管子道中的管子长度,一般取l2=20~30m;
l3——井口出水管长度,一般取l3=15~20m;
lx——吸水管的总长度,一般取lx=8~10m;
∑ξx∑ξp——吸、排水管路上的局部阻力损失系数之和。
管路附件参照图2,局部阻力损失系数值按表1查取。
图2管路附件
5.水泵工况点的确定
在求得管路特性曲线方程后,可取不同的Qi,计算出相应的Hi1和Hi2,据此在Q~H坐标图上画出管路的初期特性曲线1和挂垢后的特性曲线2,从而得到工况点M1和M2,如图所示。
其工况参数分别为流量QM1、QM2,扬程HM1、HM2,效率ηM1、ηM2,轴功率NM1、NM2和允许吸上真空度HSM1、HM2。
根据《煤矿井下排水设计技术规定》,水泵工况点效率一般不低于70%,允许吸上真空度不宜小于5m。
图3水泵工况点
1-初期特性曲线;2挂垢后的特性曲线
6.吸水高度的计算
在计算吸水高度时,应按水泵运行期间可能出现的最大流量所对应的值进行计算。
≤
或
在高原地区,气压较低或吸水井中水温高于20℃时,对HSM1应加以修正,然后将修正后的值[HSM1]代入上式计算出Hx。
修正公式为:
7.校核计算
(1)汽蚀性校核为保证不发生汽蚀,水泵的工况点M1应位于汽蚀点C的左侧,即应满足公式
的要求。
(2)经济性校核水泵的工况点应位于工业利用区的合理使用范围内。
ηM1、ηM2≥0.85ηmax。
(3)排水时间的校核
a)正常涌水量时,水泵每天工作小时数
h
b)最大涌水量时水泵每天工作小时数
h
上两式中QM2——管路挂垢后水泵的工况流量,m2/h。
如在最大涌水时为多台水泵和多趟管路并联工作,则公式(上式中的分母(n1+n2)QM2用并联运行的工况流量代替之。
8.电动机容量的验算
如果水泵的工况点在工业利用区内,则不需验算电动机容量。
但当工况点超出工业利用区右边界时,电动机容量应按下式验算
,
式中PM1——工况点M1所对应的轴功率,Kw;
ηc——传动效率,取ηc=0.95~0.98;直联时取ηc=1;
k——备用系数。
当QM1<20m3/h,k=1.5;QM1=20~80m3/h,k=1.3~1.2;QM1=80~300m3/h,k=1.2~1.15;QM1>300m3/h,k=1.1。
通常井下水泵配用防滴式电动机,但有瓦斯煤尘爆炸危险的辅助排水设备的电动机,则必须是防爆型的。
9.电耗量的计算
1)年电耗量的计算
初期
管子挂垢后
对于大容量电动机取ηd=0.9~0.94;小容量电动机取ηd=0.82~0.9;ηd亦可从电动机手册中查取。
电网效率ηw一般取0.95~0.98。
2)吨煤排水电耗
初期
kW·h/t
管子挂垢后
kW·h/t
3)吨水百米电耗
初期
kW·h/t·100m
管子挂垢后
kW·h/t·100m
吨水百米电耗Wt·100吨水百米电耗是一种能够比较科学、全面地评价排水设备运行情况的经济指标。
《煤矿井下排水设计技术规定》中规定,排水设备吨水百米电耗应不小于0.5kW·h,否则便认为是低效设备,不予采用。
可按公式计算。
表1热轧无缝管(YB231—70)
外径
壁厚
外径
壁厚
外径
壁厚
外径
壁厚
32
38
42
45
50
54
57
60
63.5
68
70
73
2.5~8.0
2.5~8.0
2.5~10.0
2.5~10.0
2.5~10.0
3.0~11.0
3.0~13.0
3.0~14.0
3.0~14.0
3.0~16.0
3.0~16.0
3.0~19.0
76
83
89
95
102
108
114
121
127
133
140
146
3.0~19.0
3.5~24.0
3.5~24.0
3.5~24.0
3.5~28.0
3.5~28.0
4.0~28.0
4.0~32.0
4.0~32.0
4.0~32.0
4.5~36.0
4.5~36.0
152
159
169
180
194
203
219
245
273
299
325
351
4.5~36.0
4.5~36.0
5.0~45.0
5.0~45.0
5.0~45.0
6.0~50.0
6.0~500
7.0~50.0
7.0~50.0
8.0~75.0
8.0~75.0
8.0~75.0
377
402
426
459
(465)
480
500
530
(550)
560
600
630
9.0~75.0
9.0~75.0
9.0~75.0
9.0~75.0
9.0~75.0
9.0~75.0
9.0~75.0
9.0~25.0
9.0~25.0
9.0~25.0
9.0~25.0
9.0~25.0
壁厚尺寸系列
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6
7
7.5
8
8.5
9
9.5
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
22
24
25
26
28
30
32
34
35
36
38
40
42
45
48
50
56
60
63
65
70
75
注:
1.管长度4~12.5m。
2.常用材料:
10,20,45。
3.管的理论质量(钢密度为7.85)G=0.2466×δ(D-δ)kg/m(δ、D单位为mm)。
4.标记示例:
外径60mm,壁厚10mm,长度1000mm的热轧无缝管:
管φ60×10×1000
5带括号的规格不推荐使用。
表4沿程阻力损失系数
管子内径mm
50
75
100
125
150
175
200
225
λ
0.0455
0.0418
0.038
0.0352
0.0332
0.0316
0.0304
0.0293
管子内径mm
250
275
300
325
350
400
450
500
λ
0.0284
0.0276
0.027
0.0263
0.0258
0.025
0.0241
0.0234
表2碳钢板螺旋电焊卷管
外径,mm
壁厚,mm
每米质量,kg/m
外径,mm
壁厚,mm
每米质量,kg/m
219
6
7
8
31.52
36.6
41.63
377
6
7
8
54.90
63.87
72.30
245
6
7
8
35.36
41.08
46.78
426
6
7
8
62.15
72.33
82.47
273
6
7
8
39.51
45.92
52.28
478
6
7
8
69.84
81.31
92.73
299
6
7
8
43.35
50.41
529
6
7
8
77.39
90.11
102.79
325
6
7
8
47.20
54.90
62.54
630
6
7
8
92.32
107.55
122.72
351
6
7
8
51.02
59.39
67.67
720
6
7
8
105.65
123.09
140.47
表3法兰式(双单盘)铸铁管
公称内径
mm
长度
m/根
每根质量
kg/根
公称内径
mm
长度
m/根
每根质量
kg/根
75
100
125
150
200
250
300
3
3
3
3
4
4
4
59.5
76.4
93.1
116.0
207.0
280.0
353.0
350
400
450
500
600
700
800
4
4
4
4
4
4
4
454.0
525.0
622.0
721.0
942.0
1180.0
1470.0
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