Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

4.2. Методика определения в первом приближении параметров высоконапорных гидроэлеваторных установок

4.2.1. Выбор типа и числа насосов

Ориентировочный напор для подъема шламовых смесей по напорному ставу определяется геодезической высотой подачи воды, а также величиной потерь напора в напорном трубопроводе от гидроэлеватора до рабочих насосов и потерями напора при движении откачиваемой воды по нагнетательному ставу в стволе:

missing image file (4.1)

где missing image file – геодезическая высота подачи воды насосом главного водоотлива первой ступени, м

missing image file (4.2)

missing image file – потери напора в нагнетательном трубопроводе от гидроэлеватора до напорного става рабочих главного водоотлива, м;

missing image file – потери напора в нагнетательном трубопроводе от насосов главного водоотлива до зеркала воды на верхнем, конечном уровне, т. е. глубина водоотливного горизонта шахты плюс высота слива на поверхности, м.

Напорность дополнительного насоса должна не менее чем в 3,5–4 раза превышать геодезическую высоту подачи шламовых смесей [23, 24, 31, 33, 34, 75, 81-84, 101, 112, 113, 132, 134, 142-144, 154].

С помощью каталогов с характеристиками насосов (полями их рабочих режимов) и ориентируясь на Qмин и Нд предварительно выбираем насосы для соответствующих горизонтов (ступеней водоотлива) УзПР
(missing image file=340 м). Определим отношение напорности струйного насоса к высоте нагнетания шламовых смесей:

missing image file = 3,5 ... 4 (4.3)

Технические и индивидуальные характеристики дополнительных насосов.

В связи с тем, что характеристика насоса приведена на одно колесо, требуется определить необходимое число колес:

Z640 = missing image file(4.4)

Выбранный насос проверяется на устойчивость работы:

missing image file

где missing image file – напор выбранного насоса при нулевой подаче, м, для секционных насосов:

missing image file (4.5)

где missing image file – напор на одно колесо при нулевой подаче, м.

4.2.2. Определение параметров гидроэлеватора

Для взаимосвязи параметров гидроэлеваторной установки, подающей шламовые смеси через напорные трубопроводы рабочих насосов на дневную поверхность, необходимо прежде всего обоснование общей подачи гидроэлеватора, состоящей, как известно, из подачи насоса Qс, создающего струю, поступающую в камеру смешения гидроэлеватора через сопло и подачи шламовых смесей из отстойника водосборника Q.

Так как расчет оптимальных параметров напорных трубопроводов рабочих насосов насосных станций главных водоотливных установок ведется по номинальной подаче рабочих насосов Qн, то очевидно, что и общая подача гидроэлеваторной установки должна быть соизмерима с этой величиной или равной ей. В условиях нашей задачи примем общую подачу гидроэлеватора:

missing image file (4.6)

где missing image file – подача, поступающая в приемную камеру гидроэлеватора из шламосборника (отстойника водосборника водоотливной установки), м3/с.

Примем следующие допущения (в первом приближении):

- плотность жидкостей missing image file и missing image file считаем одинаковой;

- камеру смешения принимаем цилиндрической формы;

- силы трения между жидкостью и стенками камеры не учитываются.

С учетом этих условий и допущений найдем соотношения, определяющие рациональные параметры гидроэлеваторной установки рудничной водоотливной станции. Рассмотрим параметры камеры смешения (площадь missing image file, длина missing image file). Так как именно в ней происходит преобразование энергии жидкости, то она является основным элементом гидроэлеваторной установки.

1. Расчет площади сечения сопла missing image file, м3/с:

missing image file (4.7)

где missing image file – коэффициент расхода, missing image file;

missing image file и missing image file – подача и напор струйного насоса;

missing image file (4.8)

Так как fc = missing image file то

dc = missing image file (4.9)

4.2.3. Определение параметров камеры смешения

С учетом принятой формы поперечного сечения камеры смешения её диаметр dкс рассчитывается следующим образом:

missing image file (4.10)

где missing image file – геометрический параметр гидроэлеватора;

missing image file как наиболее выгодное значение для наших условий;

missing image file – перепад напора в камере смешения гидроэлеватора равен ориентировочному напору для подъема шламовых смесей по напорному ставу missing image file, м.

Так как формула (4.10) получена в предположении равенств плотностей осветленной воды (подача missing image file) и загрязненной (подача missing image file), то при значительной разнице этих плотностей расчет параметров гидроэлеваторной установки требуется провести во втором приближении с учетом этой разницы [132]. Если результаты расчета во втором приближении будут удовлетворительно совпадать с результатами первого приближения, то они могут быть приняты как окончательные.

Площадь сечения камеры смешения, м2:

fkc = missing image fileм2 (4.11)

4.2.4. Определение геометрических параметров гидроэлеватора

Определяем рациональное отношение сечений:

missing image file (4.12)

Исходя из этого, подбираем значения коэффициента инжекции u [104].

Находим длину свободной струи, м (см. рис. 4.2):

missing image file

Рис. 4.2. Схема гидроэлеватора

missing image file (4.13)

где missing image file – значение опытной константы свободной струи для водоструйных насосов, missing image file [132].

Диаметр свободной струи на расстоянии missing image file от выходного сечения рабочего сопла, мм:

missing image file (4.14)

Поскольку missing image file < missing image file, то входной участок камер смешения должен быть выполнен в виде конического перехода от missing image file до missing image file.

При угле разворота конуса 90° длина входного участка камеры смешения

missing image file (4.15)

Расстояние (м) от входного сечения рабочего сопла до входного сечения цилиндрической камеры смешения:

missing image file (4.16)

Длина цилиндрической камеры смешения:

missing image file (4.17)

Длина диффузора определяется исходя из угла разворота 8° по формуле

missing image file (4.18)

где missing image file – диаметр выходного сечения диффузора, м.

4.2.5. Определение параметров нагнетательного
и всасывающего трубопроводов гидроэлеваторной установки

Определяем параметры нагнетательного и всасывающего трубопроводов.

Определим параметры трубопровода на участке от дополнительного насоса до гидроэлеватора.

Внутренний диаметр нагнетательного трубопровода dн рассчитывается по формуле

missing image file (4.19)

где missing image file – номинальная подача насоса, м3/с;

missing image file – скорость движения воды в нагнетательном ставе, missing image file = 2 – 3 м/с.

Примем ближайший больший диаметр по ГОСТ 8732-78.

Определяем фактическую скорость движения воды в принятом к установке трубопроводе, м/с:

missing image file (4.20)

Толщина стенки трубопровода определяется его прочностью и давлением воды в ставе и рассчитывается по формуле, мм

missing image file (4.21)

где missing image file – расчетное давление в трубопроводе, МПа, определяется рабочим давлением при испытании трубопровода

missing image file (4.22)

где missing image file МПа – рабочее давление в трубопроводе;

missing image file – плотность шахтной воды, кг/м3;

missing image file = 9,81 м/с2;

missing image file – допускаемое напряжение на растяжение металла трубопровода, МПа,

missing image file (4.23)

где missing image file – временное сопротивление разрыву материала, МПа.

missing image file – поправка на коррозию (missing image file = 1…2 мм).

На основании схемы разводки трубопровода и полученных значений диаметров и скоростей определяем потери напора соответственно для всасывающего missing image file и нагнетательного missing image file участков [14, 23, 24, 31, 33, 34, 81, 82, 84, 112, 113, 117–119, 124, 145, 146]:

- приемная сетка и приемный клапан (1), missing image file =2,5;

- колено угловое 90° (3), missing image file =1,129;

- колено (закругленное missing image file= 0,4) 90° (1), missing image file =0,14;

- колено 45° (2), missing image file =0,236;

- задвижка (2), missing image file =0,1;

- обратный клапан (2), missing image file =3,2;

- тройник с поворотом потока (1), missing image file =1,5;

- тройник без поворота потока (2), missing image file =1.

Потери в нагнетательном трубопроводе missing image fileот гидроэлеватора до нагнетательного трубопровода рабочих насосов определяют по формуле

missing image file (4.24)

где missing image file – количество однотипных фасонных частей трубопровода;

missing image file – коэффициент сопротивления missing image file-й фасонной части;

missing image file = 0,03 – коэффициент гидравлического трения, для условий в шахте;

missing image file – фактическая длина нагнетательного трубопровода, м;

missing image file – стандартный внутренний диаметр нагнетательного трубопровода, м;

missing image file – скорость воды, во всасывающем и нагнетательном трубопроводе, м/с.

Потери в нагнетательном трубопроводе от дополнительного насоса до гидроэлеватора missing image file также определяются по формуле (4.24).

Таким образом, минимально необходимый действительный напор насоса Нм

missing image file

missing image file (4.25)

4.2.6. Расчет характеристики сети и определение
фактического режима работы насосной установки

Уравнение характеристики сети трубопровода для точки режима работы насоса:

missing image file (4.26)

где missing image file – суммарный коэффициент сопротивления сети трубопровода.

Выразим отсюда суммарный коэффициент сопротивления сети трубопровода:

missing image file (4.27)

4.2.7. Фактический кавитационный запас
системы струйного насоса

С целью обеспечения безкавитационной работы допускаемый кавитационный запас насоса missing image file должен быть меньше или равен кавитационному запасу системы missing image file, в которую он устанавливается

missing image file (4.28)

Кавитационный запас системы missing image file определяется по формуле

missing image file (4.29)

где missing image file – абсолютное давление на свободную поверхность жидкости в емкости, из которой ведется откачивание, Па; missing image file;

missing image file – давление насыщенного пара перекачиваемой жидкости при рабочей температуре, Па;

missing image file – расстояние по вертикали от оси вала до уровня жидкости в исходной емкости, м. Знак «+» определяется местоположением емкости относительно оси вала насоса (знак «+» – при емкости ниже оси вала насоса и наоборот), оно равно высоте всасывания missing image file, м;

missing image file – суммарные потери напора во всасывающем трубопроводе при максимально необходимой подаче, м, то есть это потери напора на входе в насос:

missing image filemissing image file (4.30)

где missing image file – кавитационный коэффициент быстроходности для обычных насосов, missing image file = 800…1000.

4.2.8. Определение мощности и выбор электродвигателя струйного насоса

Определим мощность двигателя с учетом коэффициента запаса мощности:

N = kmissing image file (4.31)

где missing image file – коэффициент запаса мощности для высоковольтных электродвигателей с учетом требуемой мощности missing image file (кВт) и паспортной частоты вращения вала насоса missing image file – (мин-1), missing image file = 1,1.

4.3. Анализ электропотребления водоотливных установок медноколчеданных рудников

Изучение вопросов электропотребления подземных рудников показывает, что на долю операций по откачиванию подземных вод приходится 40–45 % от общего расхода электроэнергии горным предприятием [5, 53, 82, 89, 124, 127, 159]. Расход электроэнергии на водоотлив неуклонно возрастает в связи с увеличением объема пройденных подземных горных выработок различного назначения, что напрямую связано с ростом годовой добычи полезных ископаемых на подземных рудниках. При этом общий КПД насосных установок в среднем составляет 50–60 %. Низкий КПД обусловлен в первую очередь наличием твердых частиц в шахтной воде, обладающих абразивными свойствами, что приводит к преждевременному износу рабочих колес, корпусов, направляющих аппаратов, увеличению зазоров в уплотнениях колес и между ступенями и, как следствие, к снижению производительности и повышенному расходу электроэнергии насосами [5, 12, 35, 42, 49, 53, 89, 110].

Одним из основных показателей, позволяющих оценивать эффективность работы насоса, является удельный расход электроэнергии. Минимальные удельные расходы электроэнергии обеспечиваются оптимальным режимом работы насосов [5, 12, 35, 40, 42, 49, 50, 53, 61, 89, 96, 97, 112, 127, 129, 152].

К основным факторам, влияющим на уровень электропотребления насоса, относятся напор, плотность воды и подача насоса, которая, в свою очередь, зависит от плотности воды. Расход электроэнергии (кВт*ч) насосными агрегатами можно определить по функциональной зависимости [5, 70, 71, 99, 118]

missing image file (4.32)

где missing image file – подача насоса, м3/ч;

missing image file – геодезический напор, м;

missing image file – плотность воды, кг/м3;

missing image file – ускорение свободного падения, м/с2;

missing image file – соответственно КПД насоса, трубопровода и электродвигателя;

missing image file – число часов работы насоса, ч.

Расчет электропотребления по приведенной зависимости сложен ввиду трудности определения фактической подачи и КПД насоса и трубопровода. Как показали результаты обследования, удельный расход электроэнергии даже для однотипных насосов различается значительно и зависит от конкретных значений missing image file, missing image file и missing image file. Таким образом, большое разнообразие типов насосов и режимов их работы, а также отсутствие контроля технологических показателей практически делает невозможным использование выражения (4.32). В этих условиях целесообразен поиск общих закономерностей электропотребления на откачивание воды.

С этой целью были проведены исследования по определению удельного расхода электроэнергии на водоотлив насосами ЦНСК 300-360 при missing image file=300 м и ЦНСК 300–420 при missing image file=340 м в условиях УзПР ОАО «УГОК». Удельный расход электроэнергии определяли при различной плотности воды, данный режим работы осуществляли путем подачи небольшого количества сжатого воздуха из шахтной пневмосети в приемный колодец, где установлены всасывающие трубопроводы насосов (табл. 4.1).

Таблица 4.1

Экспериментальные данные работы центробежных насосов
в условиях УзПР

Тип и

наработка

насосной

установки, ч

missing image file

кВт ч/м3

missing image file,

м3/ч

missing image file,

м

missing image file,

кг/м3

missing image file,

кВт

missing image file

missing image file

missing image file

missing image file

ЦНСК

300-360

№3

55

1,38

385

316,5

1008

531

0,64

0,7

0,96

0,95

1,42

378,5

319,9

1019

537,5

0,62

0,69

0,95

0,95

1,47

369

319,9

1022

541,1

0,60

0,67

0,95

0,95

1,53

358,5

325,5

1037

547,5

0,58

0,66

0,93

0,95

1,58

348,7

329,6

1050

552,1

0,58

0,67

0,92

0,95

ЦНСК

300-360

№4

192

1,41

348,6

337

1007

492

0,63

0,72

0,92

0,95

1,52

327,24

336

1018

497,3

0,59

0,68

0,91

0,95

1,59

311,14

336

1023

495,6

0,56

0,65

0,91

0,95

1,74

282,81

335

1038

493

0,52

0,61

0,9

0,95

1,9

260,86

332

1051

496,4

0,47

0,55

0,9

0,95

ЦНСК

300-420

№4

100

1,9

227,56

375

1006

431,6

0,52

0,60

0,92

0,95

1,93

225,6

376

1016

435,1

0,52

0,59

0,92

0,95

1,96

223,42

378

1029

437,8

0,52

0,60

0,91

0,95

2,01

216,8

378

1038

436

0,51

0,59

0,91

0,95

2,11

207,1

378

1052

436,9

0,49

0,57

0,91

0,95

ЦНСК

300-420

№2

821

1,6

335,13

351

1009

533,7

0,62

0,67

0,98

0,95

1,63

332,1

353

1019

541,5

0,61

0,66

0,97

0,95

1,66

330,78

355

1025

549,2

0,61

0,66

0,97

0,95

1,72

319,2

360

1042

548,4

0,59

0,65

0,96

0,95

1,8

305,03

363

1054

550,1

0,58

0,64

0,95

0,95

ЦНСК

300-420

№1

1124,8

2,6

175,66

352

1005

456

0,38

0,41

0,98

0,95

2,65

172,8

355

1018

458,7

0,37

0,40

0,97

0,95

2,71

169,8

354

1024

460,6

0,37

0,40

0,97

0,95

3,1

147,6

353

1042

462,4

0,32

0,35

0,97

0,95

3,8

122,45

358

1062

467

0,27

0,30

0,96

0,95

Данный опыт выполнен корректно (воздух во всасы не попадал), это можно утверждать на основании того, что насосы в указанное время не отключались. Величина плотности перекачиваемой воды для каждого режима работы насосов определялась в химической лаборатории ОАО «УГОК», для чего брались их пробы в соответствии с экспериментом [36, 37, 40, 42, 43, 49, 50, 53, 54, 65, 73, 85, 120, 129, 131, 140, 150, 155].

Результаты исследований приведены в табл. 4.1, и по этим данным построены графики рис. 4.3, 4.4.

missing image file

Рис. 4.3. Зависимость подачи насоса от плотности перекачиваемой воды

Расход электроэнергии замеряли при помощи самопищущего ваттметра (прибор «ФЛУК-192В») [40, 42, 49, 50].

При определении подачи насоса с учетом высокой степени загрязнения шахтных вод механическими примесями и их высокой абразивностью стандартные средства измерения расхода воды в трубопроводах оказались неприемлемыми. Поэтому при проведении экспериментов был принят ультразвуковой метод измерения подачи насосов.

missing image file

Рис. 4.4. Зависимости удельного расхода электроэнергии от подачи насоса

Особенностью этого метода является то, что измерения могут проводиться с неизменной точностью даже в сильно загрязненной среде. Манометрический напор, развиваемый насосом, определяли с помощью манометра типа ДМ 2005ф, классом точности 1,5. В момент проведения замеров напора при различной плотности шахтных вод входное отверстие манометра забивалось механическими примесями, поэтому для точности эксперимента при отключении насосной установки производилась его очистка от накопившегося шлама [36, 40, 50, 73].

Как видно из табл. 4.1 и рис. 4.3, с увеличением наработки насоса и плотности воды подача насоса уменьшается, потребляемая и удельная электроэнергия возрастают, а КПД насоса, трубопровода и насосной установки снижаются, т. е. энергетические показатели водоотливных установок ухудшаются. Полученные данные могут найти применение для определения энергетической эффективности при эксплуатации водоотливных установок медноколчеданных рудников.


Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074