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购买后包含有 咨询 Q 197216396 矿用排水设备选型设计 摘 要 根据设计任务书所提供资料，以严格遵守矿井安全规程和煤矿工业设计规范所规定的有关条款为依据，以安全可靠为根本，以投入少、运行费用低为原则的设计指导思想，确定矿井对排水系统的具体要求。 初步选择排水方案，进行设备选型以及相关计算，确定设备工况，校验水泵的稳定工作条件、经济运行条件，排除不合理方案。对所剩方案进行经济核算，以吨水百米费用和初期投入为指标筛选出最终方案。 选择系统配套附件，根据各设备外形尺寸及安装要求，并考虑其运行条件，最终确定泵房及管路的布置图。 关键词 ： 矿井涌水，水泵，工况点，设备布置 购买后包含有 咨询 Q 197216396 目 录 第 1 章 绪论 . 1 . 1 . 1 . 1 . 3 . 4 第 2 章 矿井排水系统的确定 . 5 . 5 直接排水系统 . 5 分段排水系统 . 6 第 3 章 矿用排水设备选型设计 . 8 . 8 数 . 8 . 8 . 8 . 8 . 8 . 9 . 9 . 10 水管的规格、趟数 . 11 水时间，计算年电 耗 .验算排水时间 . 14 购买后包含有 咨询 Q 197216396 . 15 . 16 算耗电量 . 16 结论 . 17 参考文献 . 18 致谢 . 19 购买后包含有 咨询 Q 197216396 购买后包含有 咨询 Q 197216396 1 第 1 章 绪论 内外水泵技术的研究现状与发展前景 由于水泵在国民经济发展中有着广阔的应用市场，所以为了设计并制造出满足各行各业要求的高性能、高质量的水泵，我国从二十世纪八十年代末九十年代初开始，伴随着电子技术的广泛应用和测试仪器仪表、自动控制技术的飞跃发展，国内一些科研单位相继对水泵测试装置进行了研究与开发，他们为水泵质量的不断提高，水泵性能的不断完善发挥了先导性的作用。但是同国外泵业相比，中国泵业在设计能力、技术创新能力和性能方面尚存在很大差距。 技术的现状和发展 1）国外水泵技术的现状 国外工业发达国家的水泵行业起步较早，经过几个世纪的更新与发展 ,无论在技术、性能还是品种上都日趋完善。 泵传统产业的不断创新，近年来，化工、石油化工、电站、矿山和船舶等工业对泵的需求日益增长，促进了泵技术的发展。泵的品种规格繁多，并向大型化、高速化方向发展。今天 ,全人类提出可持续发展战略 ,泵产品更加强调了环保要求。随着新技术要求，国外作为传统产业的泵技术不断进步。 20世纪初 ,首先在英国开发了无泄漏屏蔽泵； 20世纪中期美国开发了高速部分流泵。高温、高压泵日 益向大型化，高可靠性发展。特殊材料泵，如陶瓷泵、石墨泵、塑料泵以及锆、钛等贵重合金泵也应运而生。继而在水力设计、诱导轮研究、新材料、新工艺、 2）标准化、系列化 美、德、日等国家在长期的泵生产、使用中，建立了一整套完善的标准体系。以获得更高的效益。国外先进泵制造业，还体现在标准化、系列化、通用化、模块化、便于生产管理 ,便于用户维护。 3）机电一体化 泵的无级调速 ,集中控制 ,各类温度传感器，压力传感器，模拟可视化，实时监控等机电一体化技术得到广泛的应用。 购买后包含有 咨询 Q 197216396 2 内水泵 技术的现状 我国泵工业起步于 20世纪初，由于多年战争劫难，基本处于停滞状态。新中国成立后，早期主要汲取前苏联泵技术，在当时的特定历史条件下推动了泵的发展。接着不少泵行业厂在农业排灌、电站、矿山、石油、化工及军工配套等方面研制出较高水平的新型泵。改革开放以来，伴随着中国经济的飞速发展，泵业也得到长足的发展。 1）我国泵产品。 图样的来源可分为联合设计、引进、自行开发等几种。 联合设计产品。 以沈阳泵所为主的研究单位， 20 世纪 6080 年代，组织有关泵厂进行了许多种泵的联合设计。如 Y 型油泵； 3G 型三螺杆泵等。 这些产品当时都是国内的主导产品，至今仍在生产 ,但是有些产品的结构 (造型 )、性能指标比较落后 ,正逐步用新型产品替代。 引进产品。 70年代末至 80年代中期，中国就引进了国际先进泵技术 20多项，如德国 国 国西门子公司水环真空泵等。引进技术的消化吸收，促进了中国泵技术发展，提高了泵行业的整体水平。 自行开发产品。 如： 泵、 浆泵、管道泵、直联离心泵、潜水排污泵、双吸泵、纸浆泵等。这些产品大部分通用化、标准化程度不高，性能也有待进一步提高。 2）关键泵产 品从部分进口到现在基本全部国化。 由于引进产品和 著名企业的进入，我国泵的生产能力显著提高。国民经济部门的主要关键用泵基本上都可以生产。例如：钢厂高压除磷泵、南水北调工程用大型调水泵、矿用大流量高扬程排水泵、电厂用烟气脱硫泵等。 3）以 泵的模具、叶片和重要零件开始用数控机床加工，从而可以提高泵的制造质量。 泵水力设计与绘型软件逐渐代替人工计算和绘图。 泵内流场计算近年计算流体动力学 (简称 流体机械 流场计算提供了新的思路和手段。用 行流场计算，首先要把计算区域画成三维实体，然后生成网格 (再用商用 优化设计方法主要有以下几种方法 :以优秀模型统计资料为基础的速度系数优化法；以购买后包含有 咨询 Q 197216396 3 水力损失最小为目标的损失极值优化法；以某一指标为目标函数的准则筛选优化法。 4）无堵塞泵和低比转速泵技术取得进展。 我国自行总结出的无堵塞泵设计方法，基本达到实用程度，国内广泛使用设计方法主要包括：沿流道中线断面变化规律设计双流道叶轮、方格网保角变换方法设计 螺旋离心式叶轮、根据叶轮外径、蜗室最大外径和喉部面积三要素设计旋流式叶轮。 低比转速泵理论和设计的研究广泛而深入。无过载设计方法得到推广应用 ,采用长短叶片和短叶片偏置取得良好效果。 5）轴流泵模型达到国外同类模型的先进水平。 2004年至 2005年 ,全国有 27个模型参加了水利部南水北调工程水泵模型天津同台测试。在本次试验中 ,模型比转速 5001500,基本覆盖了轴流泵的使用范围 ;和原模型相比 ,效率提高约2%,流量提高约 5%。有 7个模型的角度平均效率超过 85%,已达到国外同类模型的先进水平。国家南水北调等重 要工程的低扬程水泵 ,大部分将从这些模型中选用。 技术发展前景 1)注意发现和开发新领域用泵。 泵是一种通用机械，应用非常广泛，而且新领域用泵不断出现。例如 :心脏泵、喷水推进泵、计算机冷却泵、空调泵、导热油泵、油气混输泵、烟气脱硫泵、石油平台注水泵等。可能还存在着应当用泵的地方而没有用泵，新的用泵领域也会不断出现，这就需要我们注意发现并致力开发。 2) 新技术的先进性，不可否认，现在各院校都有软件，都在进行计算，研究生 50%以上的课题都与此有 关。一项新技术从发展成熟有一个过程，目前应作为一种解决实际工程问题的辅助手段，与传统设计方法配合使用。另外要尽量结合实际，否则就难以成熟和提高。开始阶段不要把题目选得过大，有的选一台泵从进口算到出口，一个泵站从进水池算到出水池 ,这样的计算结果难以判断。像渣浆泵的磨损部位、进水流道的旋涡部位等很适合用 有 ,一些大的泵厂应与有条件的院校合作开展这方面的研究工作。 3)重视关键技术和关键产品的研究与开发。 要提高泵的技术水平必须解决关键技术问题。例如 :渣浆泵磨损机理的研究；高效斜流泵水 力模型研究；自吸泵简化结构、提高效率的研究；便于检修的高效、大流量、高扬程矿山排购买后包含有 咨询 Q 197216396 4 水泵和输油泵的研究开发；新型船用泵的研究开发；大型烟气脱硫泵、煤液化用高温、高压泵的研究开发；屏蔽泵、磁力泵提高可靠性的研究；新型计量泵 (隔膜泵 )的研究开发；提高部分流泵效率的研究等。 课题的研究目的和意义 本设计要求学生了解矿井排水系统的有关知识，水泵的主要型式、组成部件和工作原理，阅读相关文献了解矿用水泵的应用现状和发展趋势。根据提供的原始数据和相关资料，通过计算选择经济、合理的排水设备。能综合运用所学的有关技术基 础课、专业课以及工程知识，通过设计能更好地理解掌握水泵与水泵站工程知识，了解水泵站设计的一般步骤与方法，提高设计与解决工程实际问题的能力。 购买后包含有 咨询 Q 197216396 5 第 2 章 矿井排水系统的确定 矿对排水设备的要求 由于煤矿特殊的自然环境，对排水设备的要求相对于其他生产条件要严格的多。不仅要考虑防火，防爆，通风；还要考虑水文地理条件，水的酸碱性等问题，设计选用合理的设备，充分发挥设备的生产能力，是选型设计的关键。 1）必须有工作水泵，备用水泵和检修水泵。 2）工作水泵的排水能力，应能在 20小时内排除矿井 24小时的正常涌 水量；备用水泵的排水能力，应不小于工作水泵的排水能力的 70%,并且工作和备用水泵的总能力，应能再 20小时内排出矿井 24小时的最大涌水量；检修水泵的能力，应不小于工作水泵的排水能力的 25%。 3）水文地质条件复杂的矿井，可根据具体情况，在主要泵房内预留安装一定数量水泵的位置，以便增设水泵。 4）正常涌水量 50m3/h,且最大涌水量 100m3/选用 2台水泵，其中一台工作，一台备用。 5）主要排水设备必须有工作和备用的水管，其中工作水管的能力配合工作水泵在 20小时内排除矿井 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。 案一 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。 如图 1（ 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排地面。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排水 设备直排地面。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排地面。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，将水直排地面。 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，维护工作量购买后包含有 咨询 Q 197216396 6 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。 图 1接排水系统 案二 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。 如图 1（ a）是竖井单水平开采时，由于井深已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 排水设备发生故障是，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。 购买后包含有 咨询 Q 197216396 7 图 1段排水系统 根据上述的有关规定 ,本着尽量减少水泵数量的原则 ,并且考虑基建、维护、运行成本的简易程度，选用方案一作为本设计的排水方法 . 购买后包含有 咨询 Q 197216396 8 第 3 章 矿用排水设备选型设计 泵选型设计原始数据 正常涌水量 308 m3/h，最大涌水量 719 m3/s，最大涌水持续时间 79 天，开采水平标高： h= m，井口标高 h= 50 m，倾 角 = 85 ，矿水为中性，重度为 10006 N/温为 T= 21 。 定泵的型号、台数 水设备最小能力计算 正常涌水期：确定工作水泵必须的排水能力： 08=369.6 m3/h 最大涌水期：工作水泵 +备用水泵必需的总排水能力： Q19=862.8 m3/h 式中 ： 矿井正常涌水量， m3/h 矿井最大涌水量， m3/h 煤矿安全规程 1规定的排水设备能力系数。 泵扬程估算 测地高度 口高度 4=50+250+4=304m C(1+85= 预选水泵的形式 参照 中国机电产品目录 2,因为矿水呈中性，所以选择 根据卧式多级离心泵 _型，选用 定水泵的级数 购买后包含有 咨询 Q 197216396 9 由 i= i=6 式中： 水泵必须的扬程， m； 水泵单级额定扬程， m； i 水泵的级数。 定水泵的有关参数 则水泵的型号为： 能曲线如图 2 表 2心泵参数 型号 级数 流量 扬程 H (m) 转速 n (r/功率 P(效率 必需汽蚀余量 (r (m) 泵重 (m3/h) (L/s) 轴功率 动机 功率 450 125 360 1480 10 79 390 图 2性能曲线 购买后包含有 咨询 Q 197216396 10 验水泵稳定性 24m足水泵稳定条件 式中： H 水泵零流量时扬程， m； 矿井排水垂直高度， m。 定水泵的台数 工作泵台数： n1 备用水泵台数： =n2 检修水泵台数： = 水泵总台数： n=n1+n2+台 择排水、吸水管的规格、趟数 确定排水管路趟数 一般排水管道的趟数 =工作水泵台数 +备用水泵台数 由于是 3台水泵，根据实际需要，故取 2趟排水管路。 布置方式：采用三台泵两趟管路的布置方式，如图 3 图 3台泵两趟管路的布置方式 购买后包含有 咨询 Q 197216396 11 管路材料：由于井深大于 200m，采用无缝钢管 排水管内径计算： 据流体机械 3附录 2，选管 2998，则吸水管内径 99=283式中： 额定工况点流量， 排水管内的经济流速，取； 排水管的计算内径 ， m。 验算壁厚 C= 中：水管内径 ,mm p管内水压，考虑流动损失，作为估算 )( ； z许用应力。铸铁 管 z=20接钢管 z=60无缝钢管 z =80C考虑运输和其他原因形成的表面损伤的附加厚度 ,对于铸铁管 C=7 9接管 C=2缝钢管 C=1 2 因此所选壁厚合适。 吸水管内径计算： =据流体机械 3附录 2，选管 3518，则吸水管内径 51=335于吸水管比较短，壁厚一般选择与排水管壁厚一样。 式中： 额定工况点流量， 吸水管内的经济流速，取 ； 吸水管的计算内径， m。 购买后包含有 咨询 Q 197216396 12 定水泵工况点 绘制管道系统图，如图 3 图 3道系统图 估算管道长度 排水管道长度可估算为： c+（ 4050） =304+（ 4050） =344354m 取 50m；吸水管长度可估算为 m。 计算沿程阻力损失系数，对于吸、排水管分别为： 0 2 9 2 2 ）（m m 根据流体机械 3附录 1，计算局部阻力损失系数，排水管路附件及其阻力系数如表3水管路附件及其阻力系数如表 3 购买后包含有 咨询 Q 197216396 13 表 3水管路附件及其阻力系数 排水管路附件名称 数量 局部阻力系数值 直角弯头 4 0度弯头 2 弯流三通 1 流三通 2 阀 2 止阀 1 计 p = 3水管路附件及其阻力系数 吸水管路附件名称 数量 局部阻力系数值 直角弯头 1 缩管异径管 1 阀 1 计 x = 管路阻力系数 : 52552445524 管路特性方程 旧管： c+04+0买后包含有 咨询 Q 197216396 14 绘制管路特性曲线，确定工况点 根据旧管特性方程，取个流量值求得相应的损失，如表 3 表 3路特性曲线对 应点数据 Q， m3/h 0 280 390 450 500 570 H， m 420 400 380 360 340 300 Q， m3/h 300 350 400 450 500 550 m 用表 3管特性曲线与扬程特性曲线的交点为旧管工况点，工况点各参数值即为泵的工况点参数值。工况点流量 m ，扬程 m ， 如 图 3 图 3路特性曲线图 算稳定性，排水时间，计算年电耗 算排水时间 正常涌水时的排水时间： 01 3 0 82424T m1 购买后包含有 咨询 Q 197216396 15 最大涌水时的排水时间： 0)11( 7 1 92424T m a xm a x 式中： 矿井正常涌水量， 矿井最大涌水量， 1n 工作水泵台数； 2n 备用水泵台数； 工况点流量， 根据 煤炭安全规程 1要求， 0小时。若 0小时，必须加大管径增加级数，以增加排水量。 0小时，增加水泵工作台数。 算水泵安装高度 )取 中： x 吸水管沿程阻力损失系数； 吸水管管长度； x 吸水管局部阻力损失系数； 吸水管管内径； g 重力加速度， g= 工况点吸上真空度， m； 工况点流量， 水泵允许安装高度， m。 在设计和施工水仓和吸水井时，应使水泵实际安装高度小于 购买后包含有 咨询 Q 197216396 16 算电机容量 4 0 01 0 0 0 3 2 05 2 01 0 0 0 0 01 0 0 0 根据产品样本取 80中： 工况点流量， 工况点扬程， m； 矿井水 重 度， 3 m 工况点效率； c 传动效率，皮带传动： 接传动 1.0 k 富裕系数，如表 3 表 3裕系数 流量 m3/h 20 2080 81300 300 富裕系数 计算耗电量 全年排水电耗 Y/a xm a xm a 吨水百米电耗校验 )1 0 0t( 06 7 购买后包含有 咨询 Q 197216396 17 结 论 本次课程设计主要内容是矿山排水设备的选型设计，其中包括：水泵选型计算过程、排水管路系统图
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