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        礦井排水設備的選型計算

        2011-11-13 01:12:58趙建群
        山西煤炭 2011年3期
        關鍵詞:臺數(shù)排水管揚程

        趙建群

        (1.太原理工大學礦業(yè)工程學院,山西 太原 030024;2.山西小回溝煤業(yè)有限公司,山西 清徐 030400)

        礦井排水設備的選型計算

        趙建群1,2

        (1.太原理工大學礦業(yè)工程學院,山西 太原 030024;2.山西小回溝煤業(yè)有限公司,山西 清徐 030400)

        介紹了礦井排水設備的選型,結合《煤礦安全規(guī)程》、《煤礦設計規(guī)范》的各項規(guī)定,參照《礦山固定機械手冊》和《流體機械》所推薦的選型計算過程,通過精確計算,最后確定排水設備選擇D450--60×11型水泵。

        礦井;排水;選型;計算

        1 概述

        礦井建設和生產(chǎn)中,會有各種來源的水涌入礦井,科學合理地將礦井的涌水排出,特別是防止突然涌水的襲擊,對保證礦井生產(chǎn)具有重要意義。礦井排水設備,不僅要排除各個時期涌入礦井的水,而且在遇到涌水襲擊,有可能淹沒礦井的情況下還要搶險排水。排水設備始終伴隨礦井建設和生產(chǎn)而工作,直到礦井壽命終止。因此,排水設備是礦井建設和生產(chǎn)中不可或缺的關鍵設備。為使排水設備能在安全、可靠、經(jīng)濟的狀態(tài)下工作,必須選擇好排水設備。

        2 排水設備選型計算

        2.1 排水設備選型計算條件

        井深585 m,正常涌水量:qz=820 m3/h,正常涌水期290 d,最大涌水量:qmax=1700 m3/h,最大涌水持續(xù)時間75 d,礦水中性,密度:1.04T/m3,礦井供電電壓6000 V,礦井主排水設備泵房在井底車場附近,礦井年產(chǎn)量300萬t。

        2.2 工作水泵必須的排水能力

        根據(jù)有關規(guī)定,要求投入工作的水泵排水能力應在20 h內(nèi)排完24 h的正常涌水量,即QB≥24/20×qz=984m3/h。并且要求工作水泵與備用水泵的總能力能在20h內(nèi)排完24h的最大涌水量,即

        式中:QB為工作水泵必須的排水能力,m3/h;Qmax為工作與備用水泵必須的排水能力,m3/h。

        2.3 工作水泵的揚程

        按估算公式計算水泵的揚程:

        式中:HC為井深+井底車場與最低吸水面標高差+排水管出口高出井口的高度=585+4+1=590 m;α為干管傾斜敷設時的傾角,豎井α=90°。

        2.4 排水設備的選擇

        根據(jù)上述條件及相關計算值,經(jīng)分析后,選用D450--60型多級離心泵。

        2.4.1 泵的級數(shù)和臺數(shù)的確定

        D450--60型多級離心泵的額定流量Qe=450 m3/h,單級額定揚程Hci=60m。

        1)水泵臺數(shù)的確定:比較 QB、Qmax、Qe知:n1+n2≥Qmax/Qe=2040/450=4.53≈5。n1≥QB/Qe=984/450≈2。n2≥0.7n1。選取工作水泵臺數(shù)n1=2,備用水泵臺數(shù)n2=3。此外,取檢修水泵臺數(shù)n3=1,共計6臺水泵。

        2)泵級數(shù)的確定:由水泵特性曲線查得:Q=984/2=492 m3/h時的揚程Hi=60 m,則所需泵的級數(shù) I=HB/Hi=(649~660.8)/60=10.81~11.01;故級數(shù)取11。

        3)校驗泵的穩(wěn)定性:水泵特性曲線查得:Q=0時泵相應的揚程H0=70×11=770 m,又770×0.9=693 m,該值大于HC=590m,滿足穩(wěn)定條件0.9H0≥HC。

        2.4.2 管路及管路布置

        《規(guī)程》規(guī)定:主要排水必須要有工作和備用水管,工作水管的能力要配合工作水泵在20 h內(nèi)排出24 h的涌水量。工作和備用水管的總能力,應配合工作和備用水泵在20 h內(nèi)排出礦井24 h的最大涌水量。根據(jù)各涌水期投入工作的水泵臺數(shù),選用兩種方案:2臺水泵工作時,可用一趟管路排水,最大涌水期內(nèi),5臺泵同時工作,兩趟管路同時排水。

        1)計算管徑,選擇管材。(1)取經(jīng)濟流速Vp=2 m/s,則排水管內(nèi)徑 dp=[4Q/(3600πVp)]1/2=[4×984/(3600π×2)]1/2=0.417 m。查標準,取外徑Dp=426 mm的無縫鋼管,取壁厚18 mm試算,此時dp=426-2×18=390 mm,所需壁厚:δ=0.5dp{[σz+0.4×0.11Hp/(σz-1.3×0.11Hp)]1/2-1}+0.15=1.60cm。

        式中:dp為標準管內(nèi)徑,28cm;σz為無縫鋼管許用應力,800 kg/cm2;Hp為排水高度,590 m;δ=16 mm 小于所選標準厚度18mm,故所選管壁厚度合適。(2)吸水管直徑及管材的確定:吸水管直徑通常應比排水管直徑大25mm,以降低礦水流速減少損失,取得較大的吸水高度,則有Dx=Dp+25=426+25=451 mm。由標準YB231--64查得,對于吸水管選用Φ459×12 mm無縫鋼管。

        2)管路系統(tǒng):見圖1,圖中只給出了一臺泵的管路布置,其余各泵管路雷同。

        圖1 管路系統(tǒng)圖

        3)估算管路長度:可估算為

        選取排水管長度Lp=635 m,吸水管長度通常取為LX=8m。

        2.4.3 計算管路特性

        1)計算沿程阻力損失系數(shù):由舍維列夫公式得:排水管λp=0.021/dp0.3=0.021/0.4170.3=0.0273。吸水管 λx=0.021/dx0.3=0.021/0.4350.3=0.0270。

        2)計算局部阻力損失系數(shù):對于吸、排水管中的局部管件分別為:排水管局部損失的當量管長Ldp=(Σεp+1)dp/λp=(4.98+1)×0.417/0.0273=91.32m。吸水管局部損失的當量管長 Ldx=Σεx×dx/λx=3.306×0.435/0.0270=53.26m。

        表1 排水管阻力系數(shù)表

        由表1可得:

        Σεp=0.618+0.318+1.5+0.52+1.7+0.5=4.98。

        表2 吸水管阻力系數(shù)表

        由表2可得:

        4)管路特性方程式:

        舊管:H=590+kRTQ2=590+1.7×139×10-6Q2=590+236.3×10-6Q2。其中流量Q的單位,以L/S計算。

        2.4.4 確定水泵運轉工況點

        分析管路系統(tǒng),可以發(fā)現(xiàn)在正常涌水期和最大涌水期內(nèi),水泵的工況點均相同,即為單臺泵與一條管路特性的交點,可得相應的工況點及工況參數(shù):(1)新管:工況點為K',其相應的工況參數(shù)有:流量 Qk'=152L/S=547.2 m3/h;揚程 Hk'=53.9×11=592.9 m;效率 ηk'=68.5%。(2)舊管:工況點為 K'',其相應的工況參數(shù)有流量Qk''=150L/S=540 m3/h;揚程Hk''=54×11=594m;效率 ηk''=70%。

        2.4.5 排水設備驗算式中:HX'為實際條件下的預計允許吸水高度,m;HS為預計工況時的允許吸上真空高度,m;dx、Lx為吸水管內(nèi)徑和長度,mm;λx為吸水管沿程阻力損失系數(shù);Σξx為吸水管線上局部阻力損失系數(shù)之和;Q為工況流量,取0.152m3/s。

        經(jīng)分析,可取 Pa=9.8×104Pa,Pn'=0.235×104 Pa。又從泵的特性曲線查得Hs=5.3m,則相應實際條件下的允許吸水高度HX'=5.25 m.此值一般可滿足要求。

        2)驗算排水時間(按舊管):正常涌水時期每天必須的排水時間:最大涌水時期每天必須的排水時間:

        Tmax=24Qmax/[(n1+n2)×Qk''=15.11h。無論正常涌水時期和最大涌水時期,每晝夜的排水時間均不超過20h,符合《規(guī)程》規(guī)定。

        3)驗算電機容量:根據(jù)新管對應的工況多數(shù)可算出電機必須的容量為

        式中:k 為富裕系數(shù),當 Qk'>3600 m3/h 時,k=1.1;ρ為礦水密度ρ=1040kg/m3;Jc為傳動效率Jc=0.98。

        由上可知,水泵配套電機型號可選為YR2000-12/1730(6kV2000kW)Jd=0.9559.

        2.4.6 電耗計算

        1)全年耗電總量(按舊管計算):因各水泵各時期工況完全相同,故全年耗電量

        2)噸煤電耗:ET=E/A=32.9×106/(3×106)=10.98 kWh/t。

        式中:A為礦井年產(chǎn)量,A=3×106t。

        3)噸水百米電耗(按舊管計算):em3=100E/(NzYzTz+NmaxRmaxTmax)Qk''Hk''=0.467 kWh. 查有關國家規(guī)定,礦用水泵的噸煤百米電耗值em3應小于0.5 kWh,因此易知D450--60×11型水泵的百米電耗值滿足要求(0.467<0.5)。

        3 結束語

        總之,參照礦山的具體數(shù)據(jù),結合《煤礦安全規(guī)程》、《煤礦設計規(guī)范》的各項規(guī)定,參考《礦山固定機械手冊》、《流體機械》的推薦版式精確計算,最后確定排水設備。

        Model Selection and Calculation of Mine Drainage Equipment

        ZHAO Jian-qun1,2
        (1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi,030024;2.Shanxi Xiaohuigou Coal Co.,Qingxu Shanxi030400)

        The paper introduces the model selection of drainage equipments.According to all detailed provisions of Mine Safety Rules and Mine Design Code,the pump(D450-60×11)is determined as the final drainage equipment model after the accurate calculation on the formulas recommended by Mining Fixed Machinery Handbook and Fluid Machinery.

        mine;drainage;model selection;calculation

        TD74

        A

        1672-5050(2011)03-0045-03

        2010-12-10

        趙建群(1966—),男,吉林白山人,在讀工程碩士研究生,高級工程師,主要從事煤礦生產(chǎn)管理工作。

        徐樹文

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