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1、第十一章第十一章 排水设备选择设计排水设备选择设计选择设计的任务在于自现有产品中选择能够在特定矿井选择设计的任务在于自现有产品中选择能够在特定矿井条件下条件下安全、可靠又经济安全、可靠又经济工作的排水设备，并便于操作工作的排水设备，并便于操作和维修。和维修。设计时必须遵守设计时必须遵守煤矿安全规程煤矿安全规程（以下简称（以下简称“规程规程” ” ）和）和煤矿工业设计规范煤矿工业设计规范（以下简称（以下简称“规范规范” ” ）的）的有关规定。有关规定。1 1 任务和步骤任务和步骤一、具体任务一、具体任务选型设计的任务包括选型设计的任务包括1) 1) 确定排水系统；确定排水系统；2) 2) 选定排
2、水设备；选定排水设备；3) 3) 提出经济核算结果；提出经济核算结果；4) 4) 绘制泵房、管子道和管子间的布置图。绘制泵房、管子道和管子间的布置图。二、必备的资料二、必备的资料设计时必须具备的主要原始资料有：设计时必须具备的主要原始资料有：1) 1) 矿井开拓方式（水平数）、及服务年限；矿井开拓方式（水平数）、及服务年限；2) 2) 各开采水平和井口的标高；各开采水平和井口的标高；3) 3) 同时开采水平数及各水平正常涌水量和最大涌水量，同时开采水平数及各水平正常涌水量和最大涌水量，及其发生的期间；及其发生的期间；4) 4) 矿水容重及其物理化学性质（如矿水容重及其物理化学性质（如pHpH值
3、等）；值等）；5) 5) 准备敷设管路的井筒布置及泵房附近车场的布置图；准备敷设管路的井筒布置及泵房附近车场的布置图；6) 6) 矿井供电电压及井下运输轨距等辅助资料；矿井供电电压及井下运输轨距等辅助资料；7) 7) 沼气等级及矿井年产量。沼气等级及矿井年产量。三、选型计算步骤三、选型计算步骤1) 1) 拟定排水系统；拟定排水系统；2) 2) 初步选择水泵；初步选择水泵；3) 3) 拟定泵房水泵及管路组合方案；拟定泵房水泵及管路组合方案；4) 4) 选择管路；选择管路；5) 5) 计算管路特性；计算管路特性；6) 6) 确定排水装置的排水工况；确定排水装置的排水工况；7) 7) 验算排水时间；
4、验算排水时间；8) 8) 计算允许的吸水高度；计算允许的吸水高度；9) 9) 计算必须的电动机容量及电能耗量；计算必须的电动机容量及电能耗量；10) 10) 经济核算；经济核算；11) 11) 筛选并确定方案，筛选并确定方案，12) 12) 绘制泵房、管子道及管子间的布置图。绘制泵房、管子道及管子间的布置图。2 2 选择排水系统选择排水系统有两种可供选择的排水系统，一种是直接排水，一种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。是分段排水。 在相同条件下，前者的水平和泵房数量少，系统简在相同条件下，前者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，维护工作量要减少单可靠
5、，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。一半以上，需用的人员也少。对于条件比较复杂的多水平开采矿井，应根据各水平对于条件比较复杂的多水平开采矿井，应根据各水平深度，涌水量以及现有水泵的性能等因素，从基本投深度，涌水量以及现有水泵的性能等因素，从基本投资要少、易于施工、操作简单和维修方便等方面加以资要少、易于施工、操作简单和维修方便等方面加以综合考虑，经过技术和经济比较后，确定采用直接排综合考虑，经过技术和经济比较后，确定采用直接排水还是分段排水。水还是分段排水。3 3 预选泵的型式和台数预选泵的型式和台数规程规程第第242242条对主排水设备的水泵的要求：条对主排水设
6、备的水泵的要求： 必须有工作、备用和检修的水泵，其中：必须有工作、备用和检修的水泵，其中： 工作水泵工作水泵的能力，应能在的能力，应能在2020小时内排出矿井小时内排出矿井2424小时的小时的正常涌水量（包括填充水和其它用水）。正常涌水量（包括填充水和其它用水）。 备用水泵备用水泵的能力，应不小于工作水泵能力的的能力，应不小于工作水泵能力的7070，并，并且工作和备用水泵的总能力，应能在且工作和备用水泵的总能力，应能在2020小时内排出矿井小时内排出矿井2424小时的最大涌水量。小时的最大涌水量。 检修水泵检修水泵的能力，应不小于工作水泵能力的的能力，应不小于工作水泵能力的25%25%。 水文
7、地质条件复杂的矿井，可根据具体情况，在主要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，或另外增设水泵。泵房内预留安装一定数量水泵的位置，或另外增设水泵。规范规范第第2-l362-l36条对小涌水量矿井的水泵的规定：条对小涌水量矿井的水泵的规定：对对于正常涌水量为于正常涌水量为50m50m3 3/h/h及以下，且最大涌水量为及以下，且最大涌水量为100m100m3 3/h/h及以下的矿井，可选用两台水泵，其中一台工及以下的矿井，可选用两台水泵，其中一台工作，一台备用。作，一台备用。一、工作水泵必须的排水能力一、工作水泵必须的排水能力根据有关规定，要求投入工作的
8、水泵的排水能力，能在根据有关规定，要求投入工作的水泵的排水能力，能在2020小时内排完小时内排完2424小时的正常涌水量，即：小时的正常涌水量，即： (2-(2-48)48)又工作水泵与备用水泵的总能力，能在又工作水泵与备用水泵的总能力，能在2020小时内排完小时内排完2424小时的最大涌水量，即：小时的最大涌水量，即： (2-49)(2-49)式中式中 q qz z 正常涌水量正常涌水量(m(m3 3/h)/h)； q qmaxmax 最大涌水量最大涌水量(m(m3 3/h)/h)； Q QB B 工作水泵必须的排水能力工作水泵必须的排水能力(m(m3 3/h)/h)； Q QBmaxBma
9、x 工作与备用水泵必须的排水总能力工作与备用水泵必须的排水总能力(m(m3 3/h)/h)。二、水泵必须的扬程二、水泵必须的扬程作为估算可认为水泵必须产生的扬程作为估算可认为水泵必须产生的扬程 (2-(2-50)50)式中式中 干管倾斜敷设时的倾角。干管倾斜敷设时的倾角。亦可利用管路效率概念，用下式计算亦可利用管路效率概念，用下式计算 (2-(2-51)51)式中式中 g g 管路效率。对于竖直敷设的管路管路效率。对于竖直敷设的管路g g；对于倾斜；对于倾斜敷设的管路，当倾角敷设的管路，当倾角3030时取时取g g，30302020时取时取g g ，2020时取时取g g。认为管路阻力损失在数
10、值上等于管路长度的认为管路阻力损失在数值上等于管路长度的10%10%12%12%，即即R RT TQ Q2 20.12)0.12)l l，又，又l lsinsin= =HcHc，则，则 或或三、预选水泵型式三、预选水泵型式自泵产品样本中，挑选能满足自泵产品样本中，挑选能满足Q QB B和和H HB B的水泵，最好是一台的水泵，最好是一台泵就能达到所要求的排水能力。泵就能达到所要求的排水能力。 在满足要求的各型水泵中，优先选择工作可靠、性能良在满足要求的各型水泵中，优先选择工作可靠、性能良好、体积小、重量轻而且价格便宜的产品。好、体积小、重量轻而且价格便宜的产品。 当矿水的当矿水的pHpH值小于
11、值小于5 5时，应采用防酸水泵。时，应采用防酸水泵。若采用分段式水泵，当流量能满足要求时，必须的级数为：若采用分段式水泵，当流量能满足要求时，必须的级数为： (2-(2-52)52) 式中式中H Hi i为泵流量为泵流量Q QB B时的平均单级扬程时的平均单级扬程m m。这值由泵的平均单级。这值由泵的平均单级特性曲线上查出。特性曲线上查出。四、校验水泵稳定性四、校验水泵稳定性为保证泵工作稳定性，应满足式为保证泵工作稳定性，应满足式(2-14)(2-14)规定的条件规定的条件式中式中 H H0 0 泵零流量时的扬程。泵零流量时的扬程。 ( (对于分段式水泵对于分段式水泵H H0 0=iH=iH0
12、i0i，这里，这里H H0i0i为平均单级特性上零流量时的扬程。为平均单级特性上零流量时的扬程。) )通过稳定性的校验，可以淘汰不能满足稳定要求的水泵，通过稳定性的校验，可以淘汰不能满足稳定要求的水泵，从而减少可比的方案数。从而减少可比的方案数。五、确定泵台数五、确定泵台数根据根据规范规范第第2-1362-136条的规定条的规定当当q qz z50m50m3 3/h/h和和q qmaxmax100m100m3 3/h/h时，若必须的工作水泵台数为时，若必须的工作水泵台数为n nl l，则必须的水泵总台数为，则必须的水泵总台数为n n2n2n1 1。当当q qz z50m50m3 3/h/h时，
13、若工作水泵的必须台数为时，若工作水泵的必须台数为n nl l，则备用水泵，则备用水泵的台数的台数n n2 2应取应取n n2 21 1，( (偏上整数偏上整数) )和和n n2 2maxmax/Q-n/Q-nl l( (偏上整数偏上整数) )中中的较大者。其中的较大者。其中Q Q为泵的工况流量，在未知工况的情况下，为泵的工况流量，在未知工况的情况下，可取可取Q Qq qz z/n/nl l。检修水泵的台数。检修水泵的台数n n3 3l l( (偏上整数偏上整数) )。必须的水。必须的水泵总台数泵总台数n nn nl l+n+n2 2+n+n3 3。对于水文地质条件复杂的矿井，可根据情况，增设水
14、泵或对于水文地质条件复杂的矿井，可根据情况，增设水泵或在泵房内预留安装水泵的位置。在泵房内预留安装水泵的位置。4 4 确定管路趟数和泵房内管路布置确定管路趟数和泵房内管路布置一、确定管路趟数一、确定管路趟数规程规程第第242242条对水管做了规定：条对水管做了规定：主要排水设备必须有工作和备用的水管。主要排水设备必须有工作和备用的水管。工作水管的能力能配合工作水泵在工作水管的能力能配合工作水泵在2020小时内排出矿井小时内排出矿井2424小小时的正常涌水量。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工作和备用水管的总能力，应能配合工作和备用水泵在2020小时内，排出矿井小
15、时内，排出矿井2424小时的最大涌水量。小时的最大涌水量。规范规范第第2-1382-138条对敷设在斜井中排出小涌水量的管路条对敷设在斜井中排出小涌水量的管路规定：规定：正常涌水量在正常涌水量在50m50m3 3/h/h及以下，且最大涌水量为及以下，且最大涌水量为100m3/h100m3/h及及以下的斜井，一般敷设一条管路，其能力应在以下的斜井，一般敷设一条管路，其能力应在2020小时内，小时内，排出矿井排出矿井2424小时的最大涌水量。小时的最大涌水量。二、泵房内管路布置二、泵房内管路布置按泵台数和管路趟数可以组合成多种布置方式。按泵台数和管路趟数可以组合成多种布置方式。常见的几种布置方式：
16、常见的几种布置方式：两台泵一趟管路两台泵一趟管路的布置，适合于的布置，适合于q qz z50m50m3 3/h/h而且而且q qmaxmax100m100m3 3/h/h条件下的斜井排水设备。条件下的斜井排水设备。两台泵两趟管路两台泵两趟管路的布置，正常涌水期一台泵工作，可用其中任的布置，正常涌水期一台泵工作，可用其中任一趟管路排水，另一趟作为备用；最大涌水期两台泵同时工作，一趟管路排水，另一趟作为备用；最大涌水期两台泵同时工作，可以共用其中一趟或分别用一趟管路排水。可以共用其中一趟或分别用一趟管路排水。三台泵两趟管路三台泵两趟管路的布置，一台泵工作时可用任一趟管路排水，的布置，一台泵工作时可
17、用任一趟管路排水，两台泵同时工作时，可共用两台泵同时工作时，可共用趟或分别用一趟管路排水。三台趟或分别用一趟管路排水。三台泵中有一台轮换作为检修。泵中有一台轮换作为检修。四台泵三趟管路四台泵三趟管路的布置，若正常涌水期两台泵同时工作，它们的布置，若正常涌水期两台泵同时工作，它们可以各用一趟管路排水，另一趟备用；最大涌水期内三台泵同可以各用一趟管路排水，另一趟备用；最大涌水期内三台泵同时工作，可各用一趟管路排水。时工作，可各用一趟管路排水。各方案的共同缺点：各方案的共同缺点：用于分配管路的闸阀均位于泵房内上部，不利于维修和操作。用于分配管路的闸阀均位于泵房内上部，不利于维修和操作。所需的闸阀数量
18、较多。所需的闸阀数量较多。图图f f所示布置方案的特点：所示布置方案的特点：将各泵分支管路与干管路分开，在各分支管上不装控制闸阀将各泵分支管路与干管路分开，在各分支管上不装控制闸阀和分配闸阀，而是在两者之间设置集中的闸阀系统，进行水和分配闸阀，而是在两者之间设置集中的闸阀系统，进行水泵控制和管路分配。同是三台泵两趟管路（与泵控制和管路分配。同是三台泵两趟管路（与c c相较），闸相较），闸阀数量少了两只。阀数量少了两只。由于闸阀集中并座落在泵房地板上，这就大大地方便了操作由于闸阀集中并座落在泵房地板上，这就大大地方便了操作和维修。和维修。该方案的另一特点：该方案的另一特点： 各泵共用一口大直径的
19、吸水井各泵共用一口大直径的吸水井。 吸水井数量的减少，减少了相应的开拓量。吸水井数量的减少，减少了相应的开拓量。 井口直径加大，便于开拓和施工。井口直径加大，便于开拓和施工。 由于吸水管加长，增加了吸水阻力损失。由于吸水管加长，增加了吸水阻力损失。规范规范第第2-1422-142条规定：条规定：每台水泵排水量小于每台水泵排水量小于100m100m3 3/h/h时，两台泵才可共用一口吸时，两台泵才可共用一口吸水井，其滤水器边缘间的距离不得小于吸水管直径的两倍。水井，其滤水器边缘间的距离不得小于吸水管直径的两倍。对于对于100m100m3 3/h/h以上的水泵应有独立的吸水井。以上的水泵应有独立的
20、吸水井。5 5 计算管径选择管材计算管径选择管材一、必需的管内径一、必需的管内径利用流量表达式可推出管内径的流量、流速的关系式。利用流量表达式可推出管内径的流量、流速的关系式。对于排水管，其内径为：对于排水管，其内径为： (2-53)(2-53)式中式中 排水管内径排水管内径(m)(m)； Q Q 通过管子的流量通过管子的流量(m(m3 3/h)/h)； v vp p 流速流速( (m/sm/s) )。管径大小直接涉及排水所需电耗和装备管道的基本投资。管径大小直接涉及排水所需电耗和装备管道的基本投资。若管径偏小，水头损失（若管径偏小，水头损失（ ）大，电耗高，但）大，电耗高，但所需的基本投资少
21、。所需的基本投资少。若管径偏大，水头损失小，电耗低，所需基本投资多。若管径偏大，水头损失小，电耗低，所需基本投资多。通常计算时，取通常计算时，取v vp p作为经济流速。作为经济流速。对于吸水管内径，通常比排水管内径大对于吸水管内径，通常比排水管内径大25mm25mm，以降低流，以降低流速，减少损失，取得较大的吸水高度。此时，必须的吸速，减少损失，取得较大的吸水高度。此时，必须的吸水管内径为：水管内径为： (2-54)(2-54)根据计算的吸、排水管内径可以预选标准管。根据计算的吸、排水管内径可以预选标准管。二、选择管材二、选择管材选择管材的主要依据是管子将要承受的选择管材的主要依据是管子将要
22、承受的水压水压大小。大小。对于敷设在深度不超过对于敷设在深度不超过200m200m竖井内的排水管多采用竖井内的排水管多采用焊焊接钢管接钢管，深度超过，深度超过200m200m时多采用时多采用无缝钢管无缝钢管；对于敷设在斜井内的排水管路，可按承压的变化，由对于敷设在斜井内的排水管路，可按承压的变化，由下向上分段采用下向上分段采用无缝钢管、焊接钢管和铸铁管无缝钢管、焊接钢管和铸铁管。管材。管材充足时也应尽量统一。铸铁管最大承压为充足时也应尽量统一。铸铁管最大承压为1MPa1MPa。必须的管壁停度必须的管壁停度包括两部分：包括两部分：一部分为承压厚度，一部分为承压厚度，另一部分为考虑到运输和其它原因
23、形成的表面损伤面必另一部分为考虑到运输和其它原因形成的表面损伤面必须事先增加的厚度。须事先增加的厚度。必须的壁厚为：必须的壁厚为： (2-(2-55)55)利用该式可以校验所选管壁厚度是否合适。若计算值利用该式可以校验所选管壁厚度是否合适。若计算值大于所选标准厚度，则应更新选择后再验算。大于所选标准厚度，则应更新选择后再验算。dp dp 标准管内径标准管内径(cm)(cm)；z z 许用应力。取管材抗拉强度许用应力。取管材抗拉强度b b的的4040，即，即z zb b。 当钢号不明时，可取：铸铁管当钢号不明时，可取：铸铁管z z20(MPa)20(MPa)，焊接钢，焊接钢 管管z z60(MP
24、a)60(MPa)，无缝钢管，无缝钢管z z80(MPa)80(MPa)；p p 管内液体压强，作为估算管内液体压强，作为估算p pP P(MPa)(MPa)；H Hp p(m)(m)为排为排 水高度；水高度；c c 附加厚度。铸铁管取附加厚度。铸铁管取c c0.9(cm)0.9(cm)，焊接钢管取，焊接钢管取 c c0.2(cm)0.2(cm)，无缝钢管取，无缝钢管取c c0.2(cm)0.2(cm)。6 6 计算管路特性计算管路特性管路特性方程式可写成管路特性方程式可写成 (2-(2-56)56)式中式中 HcHc 测地高度测地高度(m)(m)； Q Q 通过管路的流量通过管路的流量(m(
25、m3 3/s)/s)， R RT T 管路阻力损失系数管路阻力损失系数(s(s2 2/m/m5 5) )， k k 管内径变化而引起阻力损失变化的系数。对于新管管内径变化而引起阻力损失变化的系数。对于新管k=1k=1。 对于管内挂污管径缩小对于管内挂污管径缩小1010的旧管的旧管k k。若已知若已知H Hc c和和R RT T，则利用该式可以给出管路特性曲线。设计，则利用该式可以给出管路特性曲线。设计人员的任务是在设备安装以前，事先求得人员的任务是在设备安装以前，事先求得R RT T，以便预计管，以便预计管路特性。路特性。一、利用阻力损失系数公式计算一、利用阻力损失系数公式计算计算阻力损失系数
26、的公式为：计算阻力损失系数的公式为：式中式中 x x、p p 吸水管和排水管中沿程阻力损失系数；吸水管和排水管中沿程阻力损失系数； l lx x、l lp p 吸水管和排水管的沿程管路长度吸水管和排水管的沿程管路长度(m)(m)； d dx x、d dp p 吸水管和排水管的内径吸水管和排水管的内径(m)(m)； xx、pp 吸水管和排水管上局部阻力损失系数和；吸水管和排水管上局部阻力损失系数和； g g 重力加速度，重力加速度，g g9.81(m/s9.81(m/s2 2) )。利用当量长度的概念，可以将局部损失转移为数值相等利用当量长度的概念，可以将局部损失转移为数值相等的沿程损失。其当量
27、管长的沿程损失。其当量管长 。利用此关系可将上。利用此关系可将上式改写为：式改写为： (2-(2-57)57)式中式中 ， 。1 1尼古拉兹紊流水力粗糙管公式尼古拉兹紊流水力粗糙管公式 或或 (2-(2-58)58)式中式中 d d 管内径管内径(mm)(mm)； 当量粗糙高度当量粗糙高度(mm)(mm)。2 2舍维列夫公式舍维列夫公式考虑到钢管和铸铁管使用后发生锈蚀或沉垢，管壁粗考虑到钢管和铸铁管使用后发生锈蚀或沉垢，管壁粗糙加大后的粗糙管区（流速糙加大后的粗糙管区（流速）阻力系数）阻力系数 (2-59) (2-59) 式中式中 d d 管内径管内径(m)(m)。二、利用管路损失图解求二、利
28、用管路损失图解求R RT TQ Q2 2之值之值取取0.02+0.0018(vd)0.02+0.0018(vd)并借助并借助 作出作出 通过管子的流量通过管子的流量Q mQ m3 3/h/h、流速、流速v v m/sm/s、管内径、管内径d mmd mm和百和百米管长中的阻力损失米管长中的阻力损失R RT100T100Q Q2 2的关系图解。的关系图解。如图如图11-211-2所示，所示，等流速线等流速线为与纵坐标轴平行的线；为与纵坐标轴平行的线；等管径线等管径线为平行于横坐标轴的线；为平行于横坐标轴的线；等流量线等流量线为从右上方向左下方倾斜的路线；为从右上方向左下方倾斜的路线；等损失线等损
29、失线为与流量坐标轴平行的路线。为与流量坐标轴平行的路线。 若已知四项参数中的两若已知四项参数中的两项，利用该图解可以求项，利用该图解可以求得其余两项。得其余两项。例如，已知例如，已知d d75mm75mm，Q Q25m25m3 3/h/h，分别做相应，分别做相应的的等直径线和等流量线等直径线和等流量线，两线交于两线交于Q Q点。由点。由Q Q点做点做等损失线交于损失坐标等损失线交于损失坐标轴线上，查得交点值轴线上，查得交点值R RT100T100Q Q2 2。再由。再由Q Q点做等点做等流速线交于流速坐标轴流速线交于流速坐标轴线上，查得交点值线上，查得交点值v v。根据求得的根据求得的R RT
30、100T100Q Q2 2之值，利用下式可求得全管路阻力损失之值，利用下式可求得全管路阻力损失或损失系数或损失系数 (2-(2-60)60)或或 (2-(2-61)61)式中式中 (R(RT TQ Q2 2) ) 全管路阻力损失全管路阻力损失(m)(m)； l l 计算管长，它等于实际管长与当量管长之和计算管长，它等于实际管长与当量管长之和(m)(m)； Q Q 查解查解R RT100T100Q Q2 2时所用的流量时所用的流量(m(m3 3/h)/h)。将求出的将求出的R RT T值代入式（值代入式（2-562-56），即得管路特性方程式，并），即得管路特性方程式，并可绘成曲线。可绘成曲线。
31、7 7 确定工况验算排水时间确定工况验算排水时间一、确定工况点一、确定工况点将管路特性曲线绘在泵特性曲线图上，它与泵扬程特性将管路特性曲线绘在泵特性曲线图上，它与泵扬程特性曲线的交点即为曲线的交点即为工况点工况点。 工况点所标各参数值即为泵预计的工况点所标各参数值即为泵预计的工况参数值工况参数值。以。以Q Q、H H、N N、和和HsHs分别表示其流量、扬程、轴功率、效率和分别表示其流量、扬程、轴功率、效率和允许吸上真空度。允许吸上真空度。二、验算排水时间二、验算排水时间求得工况流量求得工况流量Q Q后，应验算各涌水时期的排水时间。后，应验算各涌水时期的排水时间。 在正常涌水时期，在正常涌水时
32、期，n n1 1台工作水泵分别出各自排水管同时排水；台工作水泵分别出各自排水管同时排水； 在最大涌水时期，在最大涌水时期，n n1 1台工作水泵和台工作水泵和n n2 2台备用水泵同时投入工台备用水泵同时投入工作并各自由各自的水管排水，作并各自由各自的水管排水， 则它们每昼夜的排水时间分别为：则它们每昼夜的排水时间分别为：根据根据规程规程和和规范规范的规定的规定T Tz z应不超过应不超过2020小时，否则必须加大管径或增加泵级数以增加小时，否则必须加大管径或增加泵级数以增加排水量，必要时得另选水泵。排水量，必要时得另选水泵。若若T Tmaxmax超过超过2020小时，则应在最大涌水时期增加投
33、入工作的水小时，则应在最大涌水时期增加投入工作的水泵台数。泵台数。8 8 计算允许吸水高度计算允许吸水高度自泵特性曲线上查出工况时的允许吸上真空度后，可求出自泵特性曲线上查出工况时的允许吸上真空度后，可求出实际条件下预计的允许吸水高度实际条件下预计的允许吸水高度 式中式中 实际条件下预计的允许吸水高度实际条件下预计的允许吸水高度(m)(m)； Hs Hs 预计工况时的允许吸上真空度预计工况时的允许吸上真空度(m)(m)； pa pa 泵房大气压泵房大气压(Pa)(Pa)； 矿水温度下的饱和蒸气压矿水温度下的饱和蒸气压(Pa)(Pa)； 吸水沿程阻力损失系数；吸水沿程阻力损失系数； dxdx、l
34、x lx 吸水管内径和长度吸水管内径和长度(m)(m)； xx 吸水管线上局部阻力损失系数之和；吸水管线上局部阻力损失系数之和； Q Q 工况流量工况流量(m3/h)(m3/h)。在设计水仓和吸水井时，应使实际的在设计水仓和吸水井时，应使实际的H Hx x小于小于 ，以免发生，以免发生汽蚀。汽蚀。9 9 电动机必须的容量及耗电量电动机必须的容量及耗电量一、必须的电动机容量一、必须的电动机容量在已知工况参数情况下，可用下式计算：在已知工况参数情况下，可用下式计算： 或或 (2-64)(2-64)式中式中 N Nd d 电动机必需的容量电动机必需的容量(kW)(kW)； 矿水密度矿水密度(kg/m
35、(kg/m3 3) )； Q Q 工况流量工况流量(m(m3 3/h)/h)； H H 工况扬程工况扬程(m)(m)； N N 工况功率工况功率(kW)(kW)； 泵工况效率；泵工况效率； c c 传动效率，可取传动效率，可取c c，直联取，直联取c c1 1； k k 富裕系数，当富裕系数，当Q Q20m20m3 3/h/h时时k k，Q Q202080m80m3 3/h/h时时k k，Q Q 8080300m300m3 3/h/h时时k k，Q Q300m300m3 3/h/h时时k k。通常井下水泵配防滴式电机、但有瓦斯煤尘爆炸危险通常井下水泵配防滴式电机、但有瓦斯煤尘爆炸危险的辅助排水
36、设备，必须配防爆式电动机。的辅助排水设备，必须配防爆式电动机。二、耗电量二、耗电量通常计算三项指标：通常计算三项指标：全年耗电总量全年耗电总量排排1 1立方米水的电耗立方米水的电耗产出产出1 1吨煤的排水电耗吨煤的排水电耗1 1全年耗电总量全年耗电总量即各涌水时期投入工作的泵耗电量之总和，对于任一台即各涌水时期投入工作的泵耗电量之总和，对于任一台水泵在一年内的耗电量，可用下式计算：水泵在一年内的耗电量，可用下式计算： (2-65)(2-65)式中式中 1.05 1.05 照明等辅助用电系数；照明等辅助用电系数； 水密度水密度(kg/m(kg/m3 3) )； Q Qi i 工况流量工况流量(m
37、(m3 3/h)/h)； H Hi i 工况扬程工况扬程(m)(m)； i i 泵工况效率；泵工况效率； cici 传动效率；传动效率； didi 电机效率；电机效率； w w 电网效率；电网效率； r ri i 工作日数工作日数(d)(d)； T Ti i 每昼夜工作小时数每昼夜工作小时数( (h/dh/d) )。在正常涌水期，若有在正常涌水期，若有n nz z台泵投入工作，且各泵工况不同台泵投入工作，且各泵工况不同时，其总耗电量等于各泵年耗电量之总和时，其总耗电量等于各泵年耗电量之总和 (2-(2-66)66)在最大涌水时期，若有在最大涌水时期，若有n nmaxmax台泵投入工作，且各泵工
38、况台泵投入工作，且各泵工况不同时，其总耗电量等于各泵年耗电量之总和不同时，其总耗电量等于各泵年耗电量之总和 (2-67)(2-67)正常涌水时期耗电量与最大涌水时期耗电量之和，即年正常涌水时期耗电量与最大涌水时期耗电量之和，即年耗电总量耗电总量 若各泵各时期工况完全相同，则全年耗电总量若各泵各时期工况完全相同，则全年耗电总量 r rz z、r rmaxmax 正常和最大涌水时期泵工作昼夜数正常和最大涌水时期泵工作昼夜数(d)(d)； T Tz z、T Tmaxmax 正常和最大涌水时期泵每昼夜工作小时数正常和最大涌水时期泵每昼夜工作小时数( (h/dh/d) )。2 2排排1m1m3 3水的电
39、耗水的电耗式中式中 g gy y 年平均涌水量年平均涌水量(m(m3 3/y)/y)3 3产出产出ltlt煤的排水电耗煤的排水电耗式中式中 A A 矿井年产量矿井年产量(t)(t)。10 10 吨煤的排水耗费吨煤的排水耗费开采一吨有益矿物，需要消耗于排水方面的费用包括开采一吨有益矿物，需要消耗于排水方面的费用包括设备折旧费、工人工资、维修费及其它费用设备折旧费、工人工资、维修费及其它费用。一、年耗电费一、年耗电费等于年耗电总量与当地工业用电电价之乘积，即等于年耗电总量与当地工业用电电价之乘积，即 s s1 1= =ECECd d式中式中 CdCd 当地工业用电电价。当地工业用电电价。二、设备折
40、旧费二、设备折旧费若将安装设备的费用也包括在此项目之内，则设备折若将安装设备的费用也包括在此项目之内，则设备折旧费可按下式求出：旧费可按下式求出：s s2 2( (设备及安装总费设备及安装总费)折旧率折旧率三、建筑折旧费三、建筑折旧费建筑项目包括泵房、管子道及水仓等专用作排水的建建筑项目包括泵房、管子道及水仓等专用作排水的建筑。建筑折旧费筑。建筑折旧费s s3 3建筑费建筑费折旧率折旧率四、工人工资四、工人工资可用下式计算：可用下式计算：s s4 4工资单价工资单价在册人数在册人数 式中在册人数等于每日应出勤的人员数与在册系数之乘积。式中在册人数等于每日应出勤的人员数与在册系数之乘积。在册系数
41、大于在册系数大于1 1。五、维修费五、维修费指设备大、中和小修及日常维修的工人工资及材料消指设备大、中和小修及日常维修的工人工资及材料消耗费。可按设备费的某百分比值计算。以耗费。可按设备费的某百分比值计算。以“ “s s5 5” ”表示。表示。六、其它费用六、其它费用上述五项以外的费用。以上述五项以外的费用。以“ “s s6 6” ”表示。表示。根据上述六项金额总计和矿井年产量，可算出开采一根据上述六项金额总计和矿井年产量，可算出开采一吨有益矿物，在排水方面的耗资吨有益矿物，在排水方面的耗资 式中式中 A A 矿井年产量矿井年产量(t)(t)。 例题例题2-3 2-3 根据下列条件选择排水设备
42、根据下列条件选择排水设备1) 1) 单水平开采，井深单水平开采，井深625m625m；2) 2) 正常涌水量正常涌水量q qz z760(m760(m3 3/h)/h)，正常涌水期，正常涌水期r rz z320(d)320(d)；3) 3) 最大涌水量最大涌水量q qmaxmax1500(m1500(m3 3/h)/h)，最大涌水期，最大涌水期r rmaxmax45(d)45(d)；4) 4) 矿水中性，密度矿水中性，密度1020(kg/m1020(kg/m3 3) )；5) 5) 矿井电压矿井电压(6000V)(6000V)；6) 6) 矿井主排水设备泵房设在井底车场附近，轨距矿井主排水设备
43、泵房设在井底车场附近，轨距600(mm)600(mm)；7) 7) 属低沼气矿井；属低沼气矿井；8) 8) 矿井年产量矿井年产量4104106 6(t)(t)。解：1 1预选水泵预选水泵1)1)正常涌水时期，水泵必需的排水能力正常涌水时期，水泵必需的排水能力2) 2) 最大涌水时期，水泵必需的排水能力最大涌水时期，水泵必需的排水能力3) 3) 水泵必须的扬程水泵必须的扬程其中其中HcHc( (井深井深) + () + (井底车场与最低吸水面标高差井底车场与最低吸水面标高差) + () + (排水管出排水管出口高出井口的高度口高出井口的高度) )625+4+1625+4+1630(m)630(m
44、)又竖井又竖井9090。4) 4) 预选水泵，由泵产品目录（附录预选水泵，由泵产品目录（附录4 4）中查得）中查得DS450DS450型型水泵水泵额定流量额定流量Q Qe e450 (m450 (m3 3/h)/h)，单级额定扬程，单级额定扬程H Heiei100(m)100(m)，单，单级平均特性示于图级平均特性示于图11-311-3。比较比较Q QB B、Q Qmaxmax和和Q Qe e可知，在正常涌水时期需要水泵台数可知，在正常涌水时期需要水泵台数在最大涌水时期需要投入工作的水泵台数，在最大涌水时期需要投入工作的水泵台数，除此之外尚需一台检修。即工作水泵除此之外尚需一台检修。即工作水泵
45、n n1 12 2，备用水泵，备用水泵n n2 22 2，检修水泵，检修水泵n n3 31 1，共五台水泵。，共五台水泵。由特性曲线可以查得由特性曲线可以查得Q QQ QB B/2/2456m456m3 3/h/h126.6 L/s126.6 L/s时的时的扬程扬程H Hi i99.8(m)99.8(m)，所需泵的级数，所需泵的级数 i iH HB B/H/Hi i(693(6937.0777.077级级依上述，预选依上述，预选DS450DS45010071007泵五台。泵五台。5) 5) 校验泵稳定性校验泵稳定性 由特性查得由特性查得Q Q0 0时的扬程时的扬程H H0 0125712578
46、75(m)875(m)，又，又787.5(m)787.5(m)，该值大于，该值大于H Hc c630(m)630(m)，满足稳定条件，满足稳定条件0 0H Hc c的要求。的要求。2 2管路及管路布置管路及管路布置根据各涌水期投入工作的水泵台数，可选用根据各涌水期投入工作的水泵台数，可选用三条管路三条管路正常涌水期两台水泵用一条管路排水，正常涌水期两台水泵用一条管路排水，最大涌水期四台泵工作，可启用备用管路，共三条管路最大涌水期四台泵工作，可启用备用管路，共三条管路并联排水。并联排水。1) 1) 计算管径，选择管材计算管径，选择管材取流速取流速v vp p2.2(m/s)2.2(m/s)，则排
47、水管内径，则排水管内径自标准自标准YB 231-70YB 231-70查得外径查得外径DpDp325mm325mm的无缝管壁厚中有的无缝管壁厚中有8 8、1010、14mm14mm等。取壁厚等。取壁厚=14mm=14mm试算，此时试算，此时dpdp325-214325-214297mm297mm，所需壁厚，所需壁厚 与所取与所取=14mm=14mm正好吻合。式中正好吻合。式中HpHp为排水高度。为排水高度。考虑到矿井较深，可采用壁厚不等的管道分段安装。即考虑到矿井较深，可采用壁厚不等的管道分段安装。即分段采用分段采用YB 231-70YB 231-703251432514、3251032510
48、和和32583258无无缝钢管作为排水管。对于吸水管，采用缝钢管作为排水管。对于吸水管，采用35183518无缝管。无缝管。2) 2) 管路系统管路系统 参照图参照图11-111-1中的中的f f和和e e所示方案，将其中吸水井改为各泵所示方案，将其中吸水井改为各泵一口井。此时，管路系统如图一口井。此时，管路系统如图11-411-4所示，图中只给出了所示，图中只给出了其中一台泵的管路布置，共余四台泵的管路布置类同。其中一台泵的管路布置，共余四台泵的管路布置类同。3) 3) 估计管路长度估计管路长度 排水管长度可估算为排水管长度可估算为 l lp pHc + (40Hc + (4050)50)6
49、70670680m680m 取取l lp p680m680m，吸水管长度，吸水管长度l lx x8m8m。3 3计算管路特性计算管路特性1)1)计算沿程阻力系数计算沿程阻力系数 对于吸、排水管分别为：对于吸、排水管分别为：2) 2) 局部阻力损失系数局部阻力损失系数 对于吸、排水管中的局部管件分别为：对于吸、排水管中的局部管件分别为：排水管局部损失的当量管长：排水管局部损失的当量管长：吸水管局部损失的当量管长：吸水管局部损失的当量管长： 3) 3) 管路阻力损失系数管路阻力损失系数 4) 4) 管路特性方程式：管路特性方程式： H H2 2，其中其中Q Q以以(m(m3 3/s)/s)计；计；
50、 H H630+726.410630+726.410-6-6Q Q2 2，其中其中Q Q以以(L/s)(L/s)计。计。参照水泵的流量范围，选取九个流量值，分别算出排水所参照水泵的流量范围，选取九个流量值，分别算出排水所需扬程和与七级泵相应的七分之一扬程值，如表需扬程和与七级泵相应的七分之一扬程值，如表2-72-7所列。所列。利用得到的数据可绘出管路特性曲线，如图利用得到的数据可绘出管路特性曲线，如图11-311-3所示。所示。最大涌水时期，三条管路并联的管路损失系数最大涌水时期，三条管路并联的管路损失系数 相应的管路特性方程式为：相应的管路特性方程式为： H H630+80.710630+8
51、0.710-6-6Q Q2 2 其中其中Q Q以以(L/s)(L/s)计。计。取取4 4台泵并联的流量范围为单台泵的四倍，仍取九个流台泵并联的流量范围为单台泵的四倍，仍取九个流量，分别代入此式求出所需扬程，列入表量，分别代入此式求出所需扬程，列入表2-82-8，利用表，利用表中数据绘出管路特性曲线如图中数据绘出管路特性曲线如图11-511-5所示。所示。4 4确定工况确定工况1)1)在正常涌水时期，工况点为单在正常涌水时期，工况点为单台泵与一条管路特性的交点。台泵与一条管路特性的交点。该点工况参数为该点工况参数为2)2) Q Qk k148L/s148L/s3 3/s/s3 3/h/h，3)3
52、) H Hk k92.25792.257，4)4) k k。2)2)在最大涌水时期，工况点为在最大涌水时期，工况点为四台泵与三条并联四台泵与三条并联管路特性管路特性的交点。的交点。 首先将单台泵特性的流量值加大到四倍，得到四台泵并首先将单台泵特性的流量值加大到四倍，得到四台泵并联工作特性。它与三条管路并联特性的交点联工作特性。它与三条管路并联特性的交点 ，即为，即为联联合工作的等效工况点合工作的等效工况点。由该点作等扬程线，交单台泵特。由该点作等扬程线，交单台泵特性于性于 。 即为联合工作中各泵的工况点。即为联合工作中各泵的工况点。 各点工况参数为各点工况参数为5 5计算允许吸水高度计算允许吸
53、水高度取取pa98104， ，又自泵特性上查得，又自泵特性上查得Hs。相应的允许吸水高度相应的允许吸水高度 此值一般可以满足需要。此值一般可以满足需要。 6 6验算排水时间验算排水时间正常涌水和最大涌水时期每天必须的排水时间分别为：正常涌水和最大涌水时期每天必须的排水时间分别为：无论正常涌水期和最大涌水期，每昼夜的排水时间均不无论正常涌水期和最大涌水期，每昼夜的排水时间均不超过超过2020小时，符合小时，符合规程规程规定。规定。7 7验算电机容量验算电机容量根据工况参数可算出电机必需的容量为：根据工况参数可算出电机必需的容量为： 可配可配1600kW1600kW电动机。电动机。8 8计算耗电量
54、计算耗电量各涌水时期工况不同，它们的每年耗电量分别为：各涌水时期工况不同，它们的每年耗电量分别为：全年总耗电量全年总耗电量排排1m1m3 3水的电耗水的电耗9 9设备及安装费设备及安装费整个排水系统的设备及安装费用共分为三部分，整个排水系统的设备及安装费用共分为三部分，一是机械设备部分（如表一是机械设备部分（如表2-92-9所列）；所列）；其余两部分是电气设备和管路系统（费用统计略）。其余两部分是电气设备和管路系统（费用统计略）。费用计算费用计算设备费是按实际需要计算的。设备费是按实际需要计算的。表中的运杂费按设备价格的百分比计算。表中的运杂费按设备价格的百分比计算。安装用的材料，按设备价格的
55、百分比数计算。安装用的材料，按设备价格的百分比数计算。工资调整系指地区不同而引起的差别。工资调整系指地区不同而引起的差别。根据统计计算结果可以算出用于排水方面的设备费。根据统计计算结果可以算出用于排水方面的设备费。1010建筑费建筑费在估算泵房尺寸和管子道尺寸后，再根据井底车场的在估算泵房尺寸和管子道尺寸后，再根据井底车场的布置统计出水仓的长度和断面大小（可查有关资料），布置统计出水仓的长度和断面大小（可查有关资料），可以算出开拓量为可以算出开拓量为14477m14477m3 3。1111吨煤排水耗费吨煤排水耗费计算吨煤排水耗费如下：计算吨煤排水耗费如下：1)1)年耗电费年耗电费 2)2) 取
56、当地工业用电价格取当地工业用电价格C Cd d元，则年耗电费元，则年耗电费3)3) s s1 1ECECd d2,330,0002,330,000元元2) 2) 设备折旧费设备折旧费 取设备使用寿命为取设备使用寿命为2020年，折旧率为年，折旧率为5 5。3) 3) 建筑折旧费建筑折旧费 取折旧率为取折旧率为5 5。4) 4) 工人工资工人工资 泵房共安装五台泵，每日三班，每班两人，每昼夜共需泵房共安装五台泵，每日三班，每班两人，每昼夜共需六人。六人。在册系数取在册系数取，则在册人数为，则在册人数为人。人。工资单价包括工资单价包括基本工资、辅助工资和附加工资基本工资、辅助工资和附加工资。对于井
57、下工人，辅助工资可按基本工资的对于井下工人，辅助工资可按基本工资的2929计算，附计算，附加工资按基本工资与辅助工资之和的加工资按基本工资与辅助工资之和的计算。计算。5) 5) 维修费维修费 对于排水设备，其维修费可取设备费对于排水设备，其维修费可取设备费6 6。6) 6) 其它费用其它费用 作为估算，可取工人工资的作为估算，可取工人工资的1515。7) 7) 吨煤的排水耗费吨煤的排水耗费 以矿井年产量除上述六项费用总和（其中后五项的费用以矿井年产量除上述六项费用总和（其中后五项的费用计算未给出），得吨煤的排水耗费计算未给出），得吨煤的排水耗费 即开采一吨煤，耗于排水设备方面的费用为元。即开采一吨煤，耗于排水设备方面的费用为元。谢谢 谢！谢！下一章下一章
