排水设备选型设计.docx

1.1对排水系统的要求1.1.1矿水来源矿井水的来源分为地面水和地下水，地面水是江、河、湖、溪、池塘的存水及雨水、融雪和山洪等，如果有巨大裂缝与井下沟通时，就会造成水灾。地下水包括含水层水、断层水和老空水。地下水在开采过程中不断涌出。矿水可以用单位时间涌入矿井内的体积来度量，称为绝对涌水量。一般用“q”表示，其单位为m3/h。涌水量的大小与该矿区的地理位置、地形、水文地质及气候等条件有关；同一矿井在一年四季中涌水量也是不同的，如春季融雪或雨季里涌水量大些，其他季节则变化不大，因此前者称最大涌水量，而后者称为正常涌水量。为了对比不同矿井涌水量的大小，通常还采用同一时期内，相对于单位煤炭产量（以吨计）的涌水量作为比较参数，称它为相对涌水量，或称为含水系数。若以K表示相对涌水量，则 K=24q/T （m3/t）式中 q绝对涌水量，m3/h；T同期内煤炭日产量，t。1.1.2 矿水性质矿井水中会有各种矿物质，并且会有泥沙、煤屑等杂质，故矿井水的密度比清水大，15。C矿水的密度约为1015-1025kg/m3。按PH值矿水可分为碱性PH7、中性PH=7、弱酸性PH=46和强酸性PH=03。酸性水对排水设备的非耐酸金属零件产生腐蚀作用，减少排水设备正常使用年限。矿水中含有的悬浮状固体颗粒进入水泵后加速金属表面的磨损。当PH5时，要求排水设备（包括泵、管路等）应选用耐酸材料，或者对水质进行中性处理。对于矿水中的悬浮颗粒应在水泵前加以沉淀，而后再经泵排出矿井。1.2对排水设备的要求 排水设备是煤矿大型固定设备之一，为确保矿井设备安全生产，要求排水设备在矿井服务年限内，必须安全、经济、可靠、合理的工作。选择的排水设备及其布置方式必须符合矿井安全规程和煤矿工业设计规范以及国家有关的技术规定；同时，在技术合理的前提下，应尽可能提高设备的装备效率和设备本身的完好率，充分发挥设备的潜力。1.2.1固定式排水设备 固定式排水设备安装在副井井底车场附近的泵房内，做主排水用，它将全矿或大部分矿水排至地面1.2.2移动式排水设备 移动式排水设备主要用于掘进工作面（含建井期凿井排水）或淹没坑道的排水并要求排水设备能随工作面的推进或水位下降而移动。第二章 矿井排水系统的选型设计2.1设计原始资料：某矿年产量110万吨，竖井开拓，井口标高+42.50m，水平标高-155.00m，正常涌水量4.80m3/min，最大涌水量7.50m3/min，矿水中性，矿水密度1020kg/m3，最大涌水期按65天计算，服务年限40年。22 设计方案由资料，可供选择的排水系统有以下两种：2.2.1直接排水系统直接排水系统是指井下的涌水通过排水设备直接排到地面。如果单水平开采的矿井，在开采第一水平时，就采用直接排水系统。图（a）是竖井单水平开采时的直接排水系统。图（b）是竖井多水平开采时，各水平的涌水分别由本水平的排水设备直接排到地面。图（c）是竖井两个水平同时开采时，若上水平涌水量较小，经技术经济比较后，可将上水平的涌水通过管路自流到下一水平的水仓中，然后两个水平的涌水由下水平的排水设备直接排到地面。图（d）是斜井单水平开采时，若地质条件比较稳定，又无大的断层，经技术经济比较后，可采用钻孔下排水管的方法将水直接排到地面。若地质条件较复杂或井较深，可采用沿斜井井筒敷设排水管路的方法，将水直接排到地面。这种排水系统的水平和泵房数量少，系统简单可靠，基建投资和运行费用少，维护工作量要减少一半以上，需用的人员也少，便于管理，而且上、下水平的排水设备互不影响。2.2.2 分段排水系统分段排水系统，是指井下的涌水通过几段排水设备转排到地面。一般适用于矿井较深，又受排水设备能力所限制的矿井排水。另外，多水平同时开采时，为减少井筒内管路敷设的趟数，也常采用分段排水系统。图（a）是竖井单水平开采时，由于井深已经超过水泵可能产生的扬程时，可在井筒中部开拓泵房和水仓（相当于两个水平分段排水系统）将水经两段排水设备排至地面。此图也可表示为竖井多水平开采时的分段排水系统。图（b）是斜井两个水平同时开采时的分段排水系统。采用中继排水，在井筒中部设置一套排水系统，可有效降低主排水设备的扬程，从而降低主排水设备的规模。缺点是当一套排水设备发生故障时会影响整个矿井的排水，而且设备数量较多，井筒中的管路复杂，不利于安装和维护。根据上述的有关规定，本着尽量减少水的泵数量的原则，并且考虑基建、维护、运行成本的简易程度，选用直接排水系统作为本设计的排水方法。2.3设备选型2.3.1初选水泵的型号和台数选择水泵的型号和台数应符合规程和规范的规定。若有两种或两种以上符合要求时，应选择其中尺寸小、效率高的水泵，而且水泵的台数应尽可能少。只有在不得已的情况下，才采用两台水泵并联排水。2.3.1.1排水系统对水泵的要求：（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QB=24qz20=1.2qz=1.2288=345.6最大涌水时，工作水泵和备用水泵必须具备的总排水能力Qmax=24qmax20=1.2qmax=1.2450=540 式中qz、qmax矿井正常涌水量和最大涌水量，m/h备用水泵的工作能力QB= QB0.7=345.60.7=241.92 QmaxQB=540345.6=194.4 取二者较大值QB=241.93检修水泵的工作能力QB= QB0.25=345.60.25=86.5式中 qz矿井正常涌水量，m/hqmax矿井最大涌水量，m/hQB工作水泵排水能力，m/hQB备用水泵排水能力，m/hQB检修水泵排水能力，m/h（2）估算水泵必须的扬程：HB=（HP+HX）/g= Hsy /g= (42.5+115+5)/0.9=180.56式中 HB水泵所必须的扬程，mHP排水高度，mHX吸水高度，mHsy测地高度（实际扬程），一般取Hsy=井底与地面标高差+5（井底车场与水仓最低水位距离），mg管路效率，对竖井，g=0.90.8723.2初选水泵型号因为矿水呈中性，所以选择D型泵。查泵产品样本，依据计算的工作水泵的排水能力QB和所需扬程HB，可选泵的型号为：泵D500-57,级数为i=HBHi=180.5657=3.17取i=4。泵D450-60，级数为i=HBHi=180.5660=3.01取i=4。两水泵详细资料如下：D450-60型离心泵参数型号级数流量扬程H(m)转速n(r/min)功率P(KW)效率%必须汽蚀余量(NPSH)r(m)泵重(kg)叶轮直径(m/h)(L/s)轴功率电机功率D450-6064501253601480551.5680804.42820430注：曲线图系单级性能，叶轮名义直径D2=430，转速n=1480r/min。级数增加时，扬程按比例增加，流量不变。例如：3级扬程系图中曲线查得的扬程乘3，4级乘4，其余类推。型号级数流量扬程H(m)转速n(r/min)功率P(KW)效率%必须汽蚀余量(NPSH)r(m)泵重(kg)(m/h)(L/s)轴功率电机功率D280-43550013939914806718508153060检验水泵稳定性:（1）因 Hsy=HP+HX=42.5+115+5=162.5m而 H0=iHi0=557=228m故 Hsy=162.50.9H0=0.9228=182.4mD500-57型水泵满足稳定性要求。（2)因 Hsy=HP+HX=42.5+115+5=162.5m而 H0=iHi0=465=240m故 Hsy=162.50.9H0=0.9240=216mD450-60型水泵满足稳定性要求。2.3.3所需水泵的台数D500-57:（1）正常涌水时工作水泵的台数：n1=QBQe=345.6500=0.69取1台。（2）备用水泵的台数n20.7n1=0.483取1台。（3）检修水泵的台数n30.25n1=0.173取1台。故选用3台水泵。正常涌水时，1台工作，1台备用，1台检修；最大涌水时，2台工作，1台检修。D450-60:（1）正常涌水时工作水泵的台数：n1=QBQe=345.6450=0.768取1台。（2）备用水泵的台数n20.7n1=0.5376取1台。（3）检修水泵的台数n30.25n1=0.1344取1台。故选用3台水泵。正常涌水时，1台工作，1台备用，1台检修；最大涌水时，2台工作，1台检修。1. 管路的选择计算2.1管路的条数、布置和管材的选择a) 管路趟数的选择 根据规程有关规定，水管必须有工作和备用的，其中工作水管的能力应能配合工作水泵在20小时内排出矿井24小时的正常涌水量。工作和备用水管的总能力，应能配合工作和备用水泵在20小时内排出矿井24小时的最大涌水量。涌水量小于300m3/h的矿井，排水管也不得少于两趟。对于所选的三台水泵，敷设两趟管路，即三泵两管工作方式，一台水泵工作时，可通过其中任一趟管路排水，另一趟管路备用；两台水泵同时工作时，可分别通过一趟管路排水。b) 其管路系统布置如图图3-4（a）1）图3-4（a）是三台泵两趟管路的布置方式。一台水泵工作时，可通过其中任一趟管路排水，另一趟管路备用；两台水泵同时工作时，可分别通过一趟管路排水。图3-4 四台水泵管路布置方式（b）2）图3-4(b)是四台泵三趟管路的布置方式，正常涌水时期两台泵工作，可通过其中任意两趟管路分别排水，另一趟管路备用，最大涌水时期三台泵工作可各用一趟管路排水。（1） 管材的选择根据竖井排水要求，井深超过200m，确定选用热轧无缝钢管。2.2排水管、吸水管内径及壁厚的确定排水管的经济流速vP=1.52.2m/s，吸水管的经济流速vX=0.81.5 m/s。(1) 预选排水管规格对于D450-60型水泵，额定流量450m/h，排水管内径dP=Qe900vP=0.0188QevP=0.01884501.52.2=0.3260.269m预选排水管规格为2737和2998的热轧无缝钢管。对于D500-57型水泵，额定流量500 m/h，排水管内径dP=Qe900vP=0.0188QevP=0.01885001.52.2=0.3430.283m预选排水管规格为3258和3518的热轧无缝钢管。表2.4 热轧无缝钢管 （YB231-70）（mm）外径壁厚外径壁厚外径壁厚外径壁厚323842455054576063.56870732.58.02.58.02.510.02.510.02.510.03.011.03.013.03.014.03.014.03.016.03.016.03.019.0768389951021081141211271331401463.019.03.524.03.524.03.524.03.528.03.528.04.028.04.032.04.032.04.032.04.536.04.536.01521591681801942032192452732993253514.536.04.536.05.045.05.045.05.045.06.050.06.050.07.050.07.050.08.075.08.075.08.075.0377402426459(465)480500530(550)5606006309.075.09.075.09.075.09.075.09.075.09.075.09.075.09.025.09.025.09.025.09.025.09.025.0壁厚系列2.53.03.54.04.55.05.5677.583.599.5101112131415161718192022242526282930343536384042454850566063657075（2） 排水管壁厚的验算对于D450-60型水泵，2737排水管。=11+2p2.3(R-6.5106-p)pd2.3R-6.5106-p-p+c= 11+21.1104180.562.3(80106-6.5106)-1.1104180.561.1104180.560.2732.380106-6.5106-1.1104180.56+0.0015 =0.00554m =5.54mm7mm式中管壁厚度，m；d所选管子标准管径，m；p水管内部工作压力，Pa，作为估算p=1.1104HP；HP排水扬程，m, HP=180.56mR管材许用应力，无缝钢管R=80106Pa；c附加厚度（考虑运输和其他原因形成的表面损伤），无缝钢管c=0.0010.002m,取c=0.0015m。对于2737排水管=11+2p2.3(R-6.5106-p)pd2.3R-6.5106-p-p+c= 11+21.1104180.562.3(80106-6.5106)-1.1104180.561.1104180.560.2732.380106-6.5106-1.1104180.56+0.0015 =0.00464m =4.64mm7mm对于D500-57型水泵，3258排水管=11+2p2.3(R-6.5106-p)pd2.3R-6.5106-p-p+c= 11+21.1104180.562.380106-6.5106-1.1104180.561.1104180.560.3252.380106-6.5106-1.1104180.56+0.0015=0.00524=5.24mm8mm对于3518排水管=11+2p2.3(R-6.5106-p)pd2.3R-6.5106-p-p+c= 11+21.1104180.562.3(80106-6.5106)-1.1104180.561.1104180.560.3512.380106-6.5106-1.1104180.56+0.0015 =0.00554m =5.54mm8mm（3）吸水管规格的确定对于D450-60型水泵，对应2737排水管，选取2998的吸水管。对应2998排水管，选取3258的吸水管。对于D500-57型水泵，对应3258排水管，选取3518的吸水管。对应3518排水管，选取3779的吸水管。2.3管路系统图2.4管路特性计算（1）管路阻力损失常数R=82gX1dX4+XlXdX5+P+11dP4+PlPdP5对于D450-60水泵：选用管2737作为排水管时，P=0.0315吸水管2998选取X=0.0307选用2998作为排水管时，P=0.0307吸水管3258选取X=0.0299对于D500-57水泵：选用管3258作为排水管时，P=0.0299吸水管3518选取X=0.0292选用3518作为排水管时，P=0.0292吸水管3779选取X=0.0286式中 P排水管路沿程阻力系数X吸水管路沿程阻力系数排水管2737299832583518P0.03150.03070.02990.0292吸水管2998325835183779X0.03070.02990.02920.0286排水管局部阻力系数P和吸水管局部阻力系数X经查表并整理后得下表：名称数量局部阻力系数管2737管2998管3258管3518直角弯头40.2940.2940.2940.29430弯头20.0980.0980.0980.098转弯流三通11.51.51.51.5直流三通20.70.70.70.7闸板阀217171717逆止阀（15）190909090名称数量管2737管2998管3518管3779直角弯头10.2940.2940.2940.294渐缩管异径管10.10.10.10.1底阀(300)13.73.73.73.7合计P128.272128.272128.272128.272X4.0944.0944.0944.094吸水管排水管长度确定：排水管长 lP=(HP7.5) +l1+l2+l3 =(157.57.5)+30+20+20 =220m吸水管长取lX=8m式中lP排水管实际长度； l1水流经泵房内排水管的长度，一般取l1=20m30m； l2管子道内的管子长度，一般取l2=20m30m；l3井口出水管的长度；一般取l3=15m20m；lX吸水管总长度，一般取lX=8m10m。对于D450-60水泵，选用管2737作为排水管时有：R=82gX1dX4+XlXdX5+P+11dP4+PlPdP5 =2.2610-4 h2/m5选用管2998作为排水管时有：R=82gX1dX4+XlXdX5+P+11dP4+PlPdP5 =4.1310-4 h2/m5对于D500-60水泵，选用管3258作为排水管时有：R=82gX1dX4+XlXd X5+P+11dP4+PlPdP5 =3.0110-4 h2/m5选用管3518作为排水管时有：R=82gX1dX4+XlXdX5+P+11dP4+PlPdP5 =1.8810-4 h2/m5（3） 管路特性方程式：对于D500-57水泵，选用管3258作为排水管时, 新管特性和挂垢后管路特性方程式分别为H1=Hsy+RQ2=162.5+1.30410-4Q2H2=Hsy+1.7RQ2=162.5+2.2210-4Q2选用管3518作为排水管时，新管特性和挂垢后的管路特性方程式分别为H1=Hsy+RQ2=162.5+0.9810-4Q2H2=Hsy+1.7RQ2=162.5+1.6710-4Q2对于D450-60水泵，选用管2737作为排水管时，新管特性和挂垢后的管路特性方程式分别为H1=Hsy+RQ2=162.5+2.26110-4Q2H2=Hsy+1.7RQ2=162.5+3.8510-4Q2选用管2998作为排水管时，新管特性和挂垢后的管路特性方程式分别为H1=Hsy+RQ2=162.5+1.8810-4Q2H2=Hsy+1.7RQ2=162.5+3.210-4Q23水泵工况点的确定参照水泵的流量围选取若干流量值，分别计算排水所需扬程，列出管路特性参数表。对于D450-60水泵选用管2737作为排水管时有：Q/ m/h0300350400450500550600H1/4m162.5182.84190.19198.66208.27219.00230.88243.86H1/m40.62545.7147.5549.6752.0754.7557.7261.04H2/m162.5197.15209.66224.10240.46258.75278.96301.1H2/4m40.62549.2952.4256.160.1264.6969.7475.275选用管2998作为排水管时有： Q/ m/h0300350400450500550600H1/4m162.5167.40169.17171.21173.52176.10178.96182.08H1/m57H2/m162.5170.83173.83177.30181.23185.63190.48195.08H2/4m69.43对于D500-58水泵选用管3258作为排水管时有：Q/ m/h0300350400450500550600H1/4m162.5189.59199.37210.66223.45237.75253.55270.86H1/m40.62547.4049.8452.6655.8659.4463.3967.715H2/m162.5208.4224.87244.12265.78287.75316.77342.02H2/4m40.62552.1056.2461.0366.4471.9379.2085.53选用管3518作为排水管时有：Q/ m/h0300350400450500550600H1/4m162.5167.40169.17171.21173.52176.10178.96182.08H1/mH2/m162.5170.83173.83177.30181.23185.63190.48195.08H2/4m第七章 水泵工作合理性校验7.1校验水泵稳定性1）自特性查得Q=0时6级泵的扬程H0 = 69 该值大于HC =63 ，满足稳定条件0.9H0HC的要求。2）自特性查得Q=0时6级泵的扬程H0 =71 该值大于HC =53，满足稳定条件0.9H0HC的要求。7.2校验排水时间7.2.1 D450-60水泵对于D450-60水泵在选取管2737做为排水管时有：在正常涌水期每天所需排水时间为Tz1= 24qz/n1Qm1=244.860/1500=12.96h第八章 水泵电动机的选型计算所选水泵工作在工业利用区，可直接选用水泵厂家提供的配套电动机，型号为： JSQ-1512-6型高压三相高速鼠笼异步电动机 其参数如下表：表2.11额定功率KW额定电压V额定电流A效率总电阻转速r/min78060009095.71.841480第九章 主排水经济指标的计算9.1电费a）年电耗由于正常涌水期和最大涌水期各泵的工况参数相同，则年电耗为E=（nzrzTznmaxrmaxTmax）= 3.55kw式中 1.05辅助用电系数； 矿水重度，N/m3 ； Q工况流量，m3/h； H工况扬程，m； 水泵工况效率； C传动效率； d电机效率； W电网效率，一般可选取W=0.95-0.97； nz ,nmax 正常和最大涌水期水泵工作台数； rz ,rmax 正常和最大涌水期水泵工作天数 ,d；Tz ,Tmax 正常和最大涌水期水泵工作时间 ,h；b)年电费年电费等于当地工业电价Cd（元/度）与年电耗量之积，即S1 = CdE =35.5万元9.2设备购置费 设备购置费 项目类别设备费分计总额（万元）名称单价（元）数量机电设备水泵5.68336电动机JSQ-1512-64.683三阀、真空泵配电设备KRG-6A 型高压综合起动器13.1113.1排水管路无缝钢管65.2/m445310.5钢管管件0.2/组3总额(万元)（考虑运杂费）66.3注：表中数据在水泵样本等，及附录b中查得9.3安装工程费 项目类别设备安装费（万元）外加工资调整（万元）施工管理费（万元）总额（万元）机电设备24.360.5123.3528.22配电设备1.470.15312.623排水管路4.817.913.7辅助车间服务费19.8总额64.3439.4井巷工程费工程名称技术特征单位数量单价（万元）总分（万元）经济指标（万元）基价地区系数地区单价直接定额费辅助费施工管理费合计泵房硐室63.61.093.923.42414.261.610.3管子道m13.51.093.83.83.92.31010水仓绞车房13.51.093.83.83.92.31010水仓253.51.093.89597.457.5249.910基本投资基本投资=设备购置费+安装工程费+井巷工程费查表3-25、表3-27、表3-29得基本投资=66.3+64.343+（61.6+10+10+249.9）= 462.143（万元） 在最大涌水期每天所需排水时间为Tmax1= 24qmax/(n1+n2)Qm1=247.260/2500=10.4h 7.2.2 D500-57水泵对于D450-60水泵在选取管29910做为排水管时有：在正常涌水期每天所需排水时间为Tz3= 24qz/n1Qm3=244.560/530=12.23h 在最大涌水期每天所需排水时间为Tmax3= 24qmax/(n1+n2)Qm3=247.260/2530=9.78h 经校验排水时间均小于20h，符合煤矿安全规程规定