排水设备选型计算.docx

目 录目 录5摘 要7第一章 绪论及设计原始资料与任务8第二章 离心泵结构和特点92.1 概述92.2 离心泵的工作原理、分类、型号及结构92.3 离心泵的气蚀102.4 离心泵的分类10第三章 排水设备选型计算123.1 确定排水系统123.1.1预选的泵的型号和台数123.1.2确定水泵的台数和级数133.2管路及管路布置143.2.1管路系统143.2.2计算管路特性163.2.3 校验计算20第四章 确定水仓、水泵房尺寸及其附属设备234.1 确定水仓尺寸234.2 泵房分配井闸直径的确定244.3 水泵基础尺寸的确定244.4 计算主泵房主要尺寸25第五章 其余方案的选型计算及方案比较275.1确定水泵台数275.2 管路及管路布置285.3计算耗电量34致 谢36参考文献37摘要本设计主要内容是矿山排水设备的选型设计及压水室形状对水泵性能的影响。在此课题的设计过程中，主要运用分析、比较等方法，根据矿井安全生产的政策、法规，应用历史设计经验，结合煤炭行业发展现状，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来进行综合设计的。本课题来源与工程实际，因此在设计的过程中，通过多种渠道掌握给排水行业最新信息，初步选择排水方案并对设备选型，进行相关计算，确定设备工况，然后通过校验水泵的吸水高度、排水时间，以及对各方案水泵装置效率的比较，排除不合理的方案，最后再对方案进行经济核算以确定方案的合理性。关键词 排水系统 水泵 选型 工况点第一章 绪论及设计原始资料与任务1绪论在矿井建设和生产过程中，涌入矿井的水流称为矿水。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。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。排水设备主要包括：水泵、配套电机、管路、泵房、管子道、水仓及电控设备等。排水设备的选择要以选出的排水设备在整个矿井服务期限中都可以按有关规定的要求排除矿井涌水为原则。排水系统的选择、设备的选型，以选出的整个系统在整个矿井服务期限内均能按有关规定的要求排除矿井涌水为原则，尽可能做到安全可靠，投资少，运行费用低，自动化程度高，维护方便。为了改善煤矿生产条件，提高设备运行的安全性、稳定性，设计过程中还要注重科技发展新成果的合理应用。2设计的原始资料(1) 井口标高为+141米，水平标高为-80米(2) 正常涌水量，最大涌水量(3) 正常涌水期按 305 天，最大涌水期60天 ；(4) 矿水中性，矿水密度1020kg/m3 ；(5) 服务年限 30 年；(6) 矿年产量 600万吨。3设计任务确定合理的排水系统并选择排水设备。 第二章 离心泵结构和特点2.1 概述泵是输送液体并提高液体压力的机器，泵分为化工用泵、水泵。其主要差异是水泵特殊材料和适用对象不同而设计不同，防止腐蚀和适应化工工艺， 包括结构、轴封、材料及检修难度等。工业用泵的要求 ：1、适应化工工艺要求运行可靠。2、耐腐蚀，耐磨损。3、满足无泄漏要求。4、耐高温或耐低温并能有效连续工作。2.2 离心泵的工作原理、分类、型号及结构 1、 离心泵的装置 为了使离心泵能正常工作，离心泵必须配备一定的管路和管件，这种配备有一定管路系统的离心泵称为离心泵装置。离心泵的一般装置示意图，主要有底阀、吸入管路、出口阀、出口管线等。图2-1 离心泵装置示意图2、 离心泵的工作原理 离心泵在工作时，依靠高速旋转的叶轮，液体在惯性离心力作用下获得了能量以提高了压强。离心泵在工作前，泵体和进口管线必须罐满液体介质，防止气蚀现象发生。当叶轮快速转动时，叶片促使介质很快旋转，旋转着的介质在离心力的作用下从叶轮中飞出，泵内的水被抛出后，叶轮的中心部分形成真空区域。一面不断地吸入液体，一面又不断地给予吸入的液体一定的能量，将液体排出。离心泵便如此连续不断地工作。2.3 离心泵的气蚀 所谓的气蚀是指：离心泵启动时，若泵内存在空气，由于空气的密度很低，旋转后产生的离心力很小，因而叶轮中心区所形成的低压不足以将液位低于泵进口的液体吸入泵内，不能输送流体的现象。离心泵启动前一定要向泵壳内充满液体以后，方可启动，否则将造成泵体发热，震动，出液量减少，对水泵造成损坏造成设备事故（简称“气蚀”）！2.4 离心泵的分类离心泵的种类很多，分类方法常见的有以下几种方式：1 单级双吸离心泵 扬程范围为10140m，流量范围是9028600m3h。按轴的安装位置不同，分卧式和立式两种结构。卧式S型单级双吸离心泵相当于两个B型泵叶轮组合而成，液体从叶轮左、右两侧进入叶轮，流量大。转子为两端支承，泵壳为水平副分的蜗壳形。两个呈半螺旋形的吸液室与泵壳一起为中开式结构，共用一根吸液管， 吸、排液管均布在下半个泵壳的两侧，检查泵时，不必拆动与泵相连接的管路。由于泵壳和吸液室均为蜗壳形，为了在灌泵时能将泵内气体排出，在泵壳和吸液室的最高点处分别开有螺孔，灌泵完毕用螺栓封住。泵的轴封装置多采用填料密封，填料函中设置水封圈，用细管将压液室内的液体引入其中以冷却并润滑填料。轴向力自身平衡，不必设置轴向力平衡装置。在相同流量下双吸泵比单吸泵的抗汽蚀性能要好。 2按叶轮数目分单级离心泵 泵中只有一个叶轮，单级离心泵是一种应用广泛的泵。由于液体在泵内只有一次增能，所以扬程较低。如图12所示为单级单吸离心泵。多级离心泵 具有两个或两个以上叶轮的离心泵称为多级离心泵。级数越多压力越高。3按离心泵扬程分低压泵：扬程20m ；中压泵 ：扬程 20-100m ；高压泵：扬程100m 。 4 按泵的用途和输送液体性质分清水泵；泥浆泵；酸泵；碱泵；油泵；低温泵；高温泵；屏蔽泵等。 第7页第三章 排水设备选型计算3.1 确定排水系统在井底车场设置水泵房，管路通过副井敷设。有两种可供选择的排水系统，一种是直接排水一种是分段排水，在相同的条件下，直接排水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，需要的人员也少，因此确定采用直接排水系统。3.1.1预选的泵的型号和台数 1、工作水泵必须的排水能力根据煤矿安全规程规定：工作水泵的能力应能在20小时内排出矿井24小时的正常涌水量。即：又：工作水泵和备用水泵的排水能力，能在20小时内排出矿井24小时的最大涌水量。即：式中 2、水泵必须的扬程 式中 3、根据杨程涌水量选择水泵型号 根据计算的.从水泵技术规格表中选取水泵型号。 查表可知D45060和DS450-100型水泵可满足要求 D45060、DS450-100型水泵其技术参数如下表3-1: 表3-1 D450-60、DS450-100型水泵技术参数D450-60 DS450-100 经比较，D450-60的效率比DS450-100的效率高，故优选D450-60性泵。3.1.2确定水泵的台数和级数1、水泵的台数正常涌水时所需台数：备用台数:验算4 所以，除此之外尚需一台检修，共计五台水泵，二台工作，二台备用,一台检修。2、水泵的级数 取4级 即预选泵五台，配电机JSQ-1410(500Kw)3、验算泵的稳定性 查表当Q=0时，则总扬程为704=280（m) 又 故满足稳定性条件0.9的要求。 式中水泵工作时，正常转速下零流量扬程（m) 3.2管路及管路布置3.2.1管路系统1、确定管路趟数根据各涌水期投入工作的水泵台数可选用三条管路，正常涌水期两台水泵各用一条管路排水，最大涌水期四台泵工作，可启用备用管路，每两台水泵对一趟管路并联排水。2、计算管径及选择管材经济流速则排水管径式中 查表可知的无缝钢管可满足要求取壁厚=8mm.试算=325-82=309（mm)所需壁厚：与所取=8（mm)正好吻合，验算合适。式中许用应力。去管材抗拉强度，即。当钢号不明时，可取：铸铁管，焊接钢管无缝钢管；标准内径（cm）；排水高度（cm);0.15-无缝钢管附加高度（cm）；由于矿井不深，采用（YB231-70）3528的无缝钢管，吸水管选用3518的无缝钢管。3、管路系统图3-1 D450-604管路系统图排水管路系统图如3-1所示：工作时的水泵台数可选用三条管路，正常涌水期两台水泵各用一条管路排水，最大涌水期四台泵工作，可启用备用管路，每两台水泵对一管路并联排水。4、估算管路长度排水管长度3.2.2计算管路特性1、计算沿程阻力系数 2、局部阻力系数表3-2。表3-2 局部阻力系数排水管名称数量系数90弯头50.2945=1.4730弯头20.102=0.20三通70.76+105=5.7闸阀20.262=0.52止回阀11.7扩大管10.5p10.0 局部阻力系数附表3-3附表3-3局部阻力系数吸水管名称数量系数滤水网1290弯头10.294收缩管10.12.3943、计算管路阻力系数 4、管路特性方程式 （1）根据（煤矿设计规范）规定：确定水泵扬程时，应考虑排水管淤积而增加的阻力， 将计算的管路损失乘以1.7系数。 参照水泵的流量范围，选取八个流量值分别算出排水所需的扬程和利用得到的数据表3-4， 表3-4 排水扬程和流量值406090100110130140150H(m)226.99227.22229.99231.17232.46235.42237.08238.8756.7556.8157.5057.7958.1158.8659.2759.72确定工况点在泵单机特性坐标图上绘出管路特性曲线，如图3-2所示。正常涌水期工况点为单台泵与一条管路特性的交点，图3-2中K点即为所求，该点工况参数为：图3-2工况图（2）最大涌水时期，三条管路并联的管路损失系数：由于管路并联压力不变，排水管、吸水管管径不变，所以管路损失系数相同即 相应的管路特性方程式为：取四台泵并联的流量范围为单台泵的4倍，取八个流量，分别带入此式求出所扬程列入表3-5：表3-5排水扬程和流量值16 0240360400440520560600H（m）226.75228.95233.88235.96238.36243.52246.48249.66(m)56.6957.2458.4758.9759.5760.8861.6262.42（3）在最大涌水期工况点为四台泵与一条管路特性的交点（如图3-3所示）。四台水泵并联的流量与一台水泵流量相等，所以得到四台泵的并联工作特性，它与三条管路并联特性的交点K1就是四套水泵联合工作的等效工况点，由该点等扬程线交单台泵特性于K1即为联合工作中各泵的工矿点，各点工况参数为：图3-3 最大涌水期工况图5、计算允许吸上真空度 3.2.3 校验计算1、验算排水时间： 正常涌水期每天必需的排水时间为： 最大涌水期每天必需的排水时间为：无论正常涌水期和最大涌水期每昼夜的时间均不超过20小时，符合（煤矿安全规程）要求。2、验算排水管中流速3、验算电动机功率 故原配电机JSQ-1410-4电机满足要求。 4、计算耗电量（1）每年总耗电量各涌水期不同，它们的每年耗电量分别为：全年总耗电量： 式中：排水的电耗： （2）吨水百米电： （3）吨煤排水电耗第四章 确定水仓、水泵房尺寸及其附属设备4.1 确定水仓尺寸 水仓应有主舱和副仓，两者轮换清理和使用。主泵房的主仓和副仓必须能容纳8小时的正常涌水量。在采用水沙充填和水力采煤的矿井中，依靠水仓澄清含有大量悬浮物质和固体颗粒的矿水，往往不能达到令人满意的程度。因此，还必须在水仓进口处设置专门的沉淀池，图4-1是有沉淀池的水仓布置方式。有大巷进入斜巷的水，首先经过沉淀池后，再流入仓内。图4-1 有沉淀池的水仓布置方式 主、副仓容量 主、副井仓长 4.2 泵房分配井闸直径的确定水仓与泵房之间的分配井要安装闸阀。闸阀的直径尺寸应满足如下条件：在闸阀两端水差等于0.1米时，闸阀在全开情况下的水量不少于n最大Q泵，则闸阀直径D可按下式计算： 查表选取 其技术参数如下表4-1: 表4-1 PZ-800水闸阀技术参数型号公称直径介质温度介质操作行程操作方式质量（kg）PZ-800800常温水268手动828根据需要参数共选取PZ-800型配水闸阀四个，PZ-400型配水阀一个PZ-400型配水闸阀技术参数如下表4-2：表4-2 PZ-400水闸阀技术参数型号公称直径介质温度介质操作行程操作方式质量（kg）PZ-400400常温水168手动3324.3 水泵基础尺寸的确定基础的平面尺寸水泵基础的长和宽应比水泵底座最大外形尺寸每边约大200mm，大型水泵基础应高于泵房地面150-300mm；小型水泵可以固定于岩石上。水泵地脚螺栓轴线距基础边缘的最小距离a，应不小于螺栓直径d的4倍，a=4d=435=140mm。查北京水泵厂D450-60安装使用说明书泵外形安装尺寸表底座长基础长：L=541+144+1260+970+70+2002=3385(mm)基础宽：B=890+2002+3542=1570(mm)基础的高度：基础深度h一般大于螺栓埋设深度200300mm，螺栓埋设深度直钩式螺栓：爪式螺栓：4.4 计算主泵房主要尺寸1、水泵房长度L 2、水泵房宽度B图4-2泵房断面图标准泵房尺寸： B=4.2(m)H=4.1mT=350mm 式中 ：3、水泵房的高度h水泵房高度应满足检修时起重的要求，根据具体情况确定，根据房实际需求取泵房的高度5.5m。泵房布置图如图4-3所示。 图4-3五台D450-604主水泵房布置图第五章 其余方案的选型计算及方案比较5.1确定水泵台数1、工作水泵必须的排水能力根据煤矿安全规程规定：工作水泵的能力应能在20小时内排出矿井24小时的正常涌水量。即： 又：工作水泵和备用水泵的排水能力，能在20小时内排出矿井24小时的最大涌水量。即：式中 2、水泵必须的扬程 式中 3、根据杨程涌水量选择水泵型号根据计算的.从水泵技术规格表中选取水泵型号。查表可知型水泵可满足要求型号水泵能满足要求。其技术数据如下表5-1：表5-1 200D43、200D65和200DM43技术参数型号200D43200D65200DM43效率806880额定流量288280288经比较，200D65的效率低不选用，又因为200DM43耐磨。所以，优先选用200DM43较好。200DM配电机型号JS138-4(300kw)(6kw).正常涌水期所需台数 备用台数 检查水泵台数 共计七台水泵：三台水泵、三台备用、一台检修。 水泵级数 即预选200DM436型水泵七台 4、验算泵的稳定性 自特性查的Q=0时，则总扬程为516=306（m） 又 故满足稳定性条件的要求5.2 管路及管路布置 按（煤矿安全规程）根据各涌水期投入工作的水泵台数，可选用三趟管路。正常涌水期三台泵工作，用二趟管子排水；最大涌水期六台泵工作，可启用备用管路，即每两台水泵一趟管路，三趟管路同时工作。1、计算管径及选择管材经济流速则排水管内径 查表可知的无缝钢管可满足要求，取壁厚=8mm，试算所需壁厚：与所取=8mm吻合，验算合适。式中：由于矿井不深，采用（YB231-70)3518的无缝钢管作排水管，吸水管选用3779无缝钢管。 2、管路系统排水管路系统图如5-1图所示： 图5-1 200DM436管路系统图正常涌水期三台泵工作，用二趟管子排水；最大涌水期六台泵工作，可启用备用管路，即每两台水泵一趟管路，三趟管路同时工作。3、估算管路长度排水管长度 取吸水管长度4、计算管路特性（1）计算沿程阻力损失吸水管：排水管：式中：吸水管的内径（m）； 排水管的内径（m）； 吸水管中沿程阻力损失系数； 排水管中沿程阻力损失系数。局部阻力损失系数，附表（1）附表（1） 局部阻力损失系数排水管名称数量系数90弯头50.2945=1.4730弯头20.102=0.20三通90.78+1.5=7.1闸阀20.262=0.52止回阀11.7扩大管10.511.49附表（2）局部阻力损失系数吸水管名称数量系数滤水网1290弯头10.294收缩管10.12.394 （2）计算管理阻力系数 式中 吸水管长度（m）； 排水管长度（m）； 排水管上局部阻力系数之和； g重力加速度，g=9.807（3）管路特性方程式根据（煤矿设计规范）规定：确定水泵扬程时，应考虑排水管淤积而增加的阻力，将计算的管路损失乘以1.7系数. 参照水泵的流量范围，选取八个流量值分别算出排水所需扬程和六分之一扬程如下表5-1表5-1 流量值和排水所需扬程1030507090110160180H(m)225.04225.39226.08227.11228.49230.22236.00238.9737.5037.5537.6837.8538.0838.3739.3439.82 5、确定工况一台泵工作时的工况如图5-2，点为K工况点，工况参数为： 图5-2一台泵工作工况图6、计算允许吸上高度 式中 实际条件下预计的允许吸水高度（m）； 预计工况时的允许吸上真空度（m）； 泵房大气压，查表； 矿水温度下的饱和蒸汽压（Pa），查表； 7、验算排水时间正常涌水期每天必需的排水时间为： 最大涌水期每天必需的排水时间为： 无论正常涌水期和最大涌水期每昼夜的时间均不超过20小时，符合煤矿安全规程要求。5.3计算耗电量 1、每年耗电量 式中 1.05-照