Система водоснабжения гидроустановок

В гидромеханизации применяются центробежные насосы (табл. 7.14, 7.15). Насосы представляют собой гидравлические машины, предназначенные для перекачивания жидкостей. Преобразуя механическую энергию приводного двигателя в механическую энергию движущейся жидкости, насосы поднимают жидкость на определенную высоту, перемещают ее на необходимое расстояние в горизонтальной плоскости или заставляют циркулировать в какой-либо замкнутой системе. Вода всасывается насосом и перекачивается по напорному трубопроводу за счет преобразования энергии двигателя в энергию жидкости. Энергия жидкости после насоса всегда больше чем перед насосом.
Основными параметрами насосов, определяющими диапазон изменения режимов работы насосной станции, состав ее оборудования и конструктивные особенности, являются напор Н, подача Q, мощность N и коэффициент полезного действия η.

Во избежание кавитации насос необходимо располагать как можно ниже, всасывающий трубопровод делать прямолинейным из труб большого диаметра, не допускать работу насоса на предельной высоте всасывания. Для устранения кавитации при пуске насоса следует снижать подачу частичным закрытием задвижки на напорном трубопроводе.
Если в производственных условиях необходимо расширить область использования одного и того же насоса, то это можно сделать изменением частоты вращения или срезкой рабочего колеса по внешнему диаметру.
Пересчет расхода, напора и мощности при изменении частоты вращения производят по формулам:

где Q2 и Q1— расход соответственно при n2 и n1, м3/с; H2 и Н1 — напор соответственно при n2 и n1, м; N2 и N1 — потребляемая мощность при n2 и n1, кВт; n1 и m — частота вращения, об/мин.
Пересчет расхода, напора и мощности в зависимости от изменения диаметра рабочего колеса:

где D1 и D2 — диаметр рабочего колеса первоначальный и измененный, м.
Уменьшение наружного диаметра допускается не более чем на 20 % первоначального диаметра, так как большее уменьшение диаметра приводит к снижению КПД.
Лопастные насосы сравнивают по коэффициенту быстроходности:

где n — частота вращения, об/мин; Q — расход, M3/с; H — напор при максимальном значении КПД, м.
Рекомендуемая область применения насоса по подаче и напору, получаемая изменением частоты вращения или обточкой рабочего колеса по внешнему диаметру, приведена на рис. 7.41.

В качестве вспомогательных насосов (пожарных, для заливки основных насосов перед пуском) применяются консольные насосы типа К (табл. 7.15).
Для гидромеханизации горных работ используются поверхностные и подземные воды. При выборе источника водоснабжения в первую очередь ориентируются на подземные воды месторождения полезного ископаемого.

При отсутствии или невозможности использования таких источников как вследствие неудовлетворительного качества или недостаточного количества, так и по технико-экономическим соображениям водоснабжение осуществляется из поверхностных источников (речек, озер, дождевых и паводковых стоков, которые аккумулируются в водохранилищах и прудах и т. п.) или из артезианских скважин. В первом приближении считают, что источник удовлетворяет потребности гидроустановки в воде, если его годовой дебит (м3) не менее годовой производительности гидроустановки (м3 горной массы).

На карьерах для гидромеханизации используются главным образом поверхностные источники и дренажные воды разрабатываемых месторождений.
Существуют три способа подачи воды из водоисточника: самотечный, напорный, комбинированный — сочетание самотечного и напорного.
Самотечный способ подачи воды возможен лишь при благоприятных топографических условиях, позволяющих подвести воду с необходимым напором к месту работы. Для обеспечения потребного напора гидроустановки необходимо иметь превышение отметки водозабора в водоисточнике над рабочей площадкой карьера, определяемое по формуле

где Нм — рабочий напор у гидромонитора, м; Σh — сумма потерь напора (в водоводах, гидромониторах и др.), м.
Напорный способ подачи воды осуществляется с помощью насосов. Необходимый напор, который должны развивать насосы для обеспечения рабочего напора гидромониторов, определяется по формуле

где Нг — геодезическая разность отметок горизонта воды в водоисточнике и рабочей площадки карьера, м; Нм — рабочий напор, м.
Комбинированный способ водоподачи применяется в том случае, если самотечный способ не обеспечивает необходимых напоров и требуется установка насосов.
Подача воды к гидромониторам в количестве и с напором, обеспечивающими эффективную разработку горной массы, осуществляется системой сооружений и устройств водоснабжения, входящей в общий комплекс гидромеханизации.
В зависимости от дебита водоисточника и конкретных условий гидромеханизации горных работ различают две принципиальные схемы водоснабжения — прямоточную и циркуляционную (круговоротную). При прямоточном водоснабжении имеет место однократное использование воды, после чего она сбрасывается из системы, а вместо нее забирается свежая вода из источника. При циркуляционном водоснабжении вода используется многократно, а свежая вода из источника подается только для восполнения потерь в системе (рис. 7.42).
При прямоточном водоснабжении дебит водоисточника должен быть больше или равен общему потреблению воды гидроустановкой. При кругооборотном водоснабжении дебит водоисточника должен быть больше или равен безвозвратному водопотреблению, которое равно потерям воды в системе.
В общем виде каждая система водоснабжения включает в свой состав сооружения и устройства по забору воды из источника, устройства для транспортирования и создания напора воды, сооружения по обезвоживанию гидросмеси и очистке воды.
Когда дебит водоисточника меньше общего водопотребления установок, обеспечение водой агрегатов гидромеханизации возможно только по циркуляционной схеме. Кроме того, часты случаи, когда циркуляционное водоснабжение технически более целесообразно даже при наличии водоисточников с дебитом, достаточным для прямоточного водоснабжения.
Прямоточное водоснабжение возможно при условии обеспечения соотношения

где Q — расход воды водоисточника, м3/ч; q — удельный расход воды на 1 м3 грунта, м3; Vу — производительность установки по породе, м3/ч; Σqп — сумма потерь воды в забое, м3/ч.
Сумма потерь воды в забое складывается из потерь на испарение и фильтрацию и потерь воды, остающейся в порах намытого грунта.
При отсутствии источников воды с необходимым дебитом организуется оборотное водоснабжение. Для восполнения потерь воды в системе при этом виде водоснабжения необходимо иметь водоисточник для «подпитки» с расходом воды

Потери воды в системе при работе на кругообороте складываются из потерь: в забое, в карьерах, на отвалах, при испарении в водоемах и при фильтрации в водохранилище. Потери воды в забое состоят из потерь на фильтрацию через подошву забоя и на унос воды ветром. Поскольку фильтрационные потери при наличии грунтовых вод незначительны, ими в расчетах можно пренебречь.
Потери воды на отвалах происходят вследствие насыщения пор грунта водой, фильтрации через ложе и дамбы отвалов, испарения с водной поверхности отвалов и отстонийков. Потери воды, м3, в порах грунта определяются по формуле

где V — объем породы в естественном состоянии (в целике), поступающей в отвал за 1 ч, м3; m — пористость породы, доли ед.; ω — естественная влажность породы, доли ед.
Потери воды на испарение за вычетом количества выпадающих осадков можно определить по формуле

где E — слой испарения за месяц, мм; dв — среднемесячный дефицит влажности, мм; vв — средняя скорость ветра за месяц на
высоте 10 м, м/с (значения dв и vв принимаются по данным метеорологических станций); Rв — коэффициент, зависящий от дефицита влажности, принимается по табл. 7.16.
Ориентировочно можно принять следующие потери воды в пруде-отстойнике за счет фильтрации (слой воды в год, м).

Для предварительных расчетов суммарные потери воды, м3/ч, можно определить по формуле

где Vу — производительность установки по грунту, м3/ч; q — удельный расход воды на разработку грунта, м3/м3; P — потери воды (для связных грунтов P = 15/20 %, для несвязных — P = 10%).
На основании практических данных установлено, что общие потери воды, которые необходимо учитывать при определении объема водоисточника, составляют не более 15—20 % от потребного расхода воды для гидроустановки.

Одним из радикальных способов использования водоисточников с небольшим бытовым расходом является устройство водохранилищ. Местом для устройства водохранилищ могут быть малые несудоходные реки, ручьи, балки, овраги, староречье и др.
Расчет объема водохранилища. Естественный приток воды We к водохранилищу

где Mc — средний многолетний модуль стока с 1 км2, л/с; F — площадь водосбора, км2.
Величина Mс может быть определена по карте изолиний, по данным гидрометрических наблюдений за водоисточником или по данным аналогичных бассейнов, по эмпирическим формулам. Потребный объем воды, м3, для работы гидроустановок

где Wп — производительность карьера по породе, м3; q — удельный расход воды, м3/м3.
Мертвый объем водохранилища

Водный баланс, м3, должен удовлетворять условию

где Wпот — потери воды на фильтрацию и испарение, м3.
Потери воды на фильтрацию, м3/с, через тело плотины (дамбы) определяются по формуле

где Кф — коэффициент фильтрации грунта, м/с; L — длина плотины (дамбы), м; H — средняя глубина воды у плотины (дамбы), м; l1 — длина фильтрационного пути, м.

где bo — ширина основания плотины (дамбы), м; m — заложение откоса плотины (дамбы).
При отсутствии опытных данных может быть принят следующий коэффициент фильтрации.

Для образования водохранилищ создают насыпные (укатанные) и намывные земляные плотины (дамбы). Плотины могут сооружаться из однородного и разнородного материала, с экраном и с ядром.
При возведении плотин и дамб рекомендуется пользоваться СНиП «Плотины земляные насыпные. Нормы проектирования», «Плотины земляные намывные. Нормы проектирования».
Конструкция плотины выбирается в зависимости от грунтов и способа возведения плотины. Высота плотины определяется потребным объемом водохранилища и характеристиками водостока. Заложение откосов устанавливается в зависимости от грунтов и высоты плотины. Откосы проверяются расчетом на устойчивость. Откосы плотин и дамб для предохранения от воздействия волн, льда, колебаний горизонта воды, атмосферных осадков укрепляют. В качестве покрытий верховых откосов служат плетневое крепление и каменная мостовая, низовых откосов — дерн или засев травами.
Для сопряжения тела плотины с основанием и предотвращения фильтрации в ее основании выполняется противофильтрационное устройство в виде траншеи, замка или зуба, заполняемое водонепроницаемым материалом — суглинком, глиной. Для отвода фильтрационной воды из тела плотины в основании низового откоса сооружается дренаж.
Насосные станции при гидромониторных работах делятся на основные, предназначенные для подачи воды в гидромонитор с напором и в количестве, обеспечивающем эффективную разработку, и насосные станции подпитки, входящие в комплекс водопровода подпитки, предназначаемый для восполнения потерь воды в системе. Основные или напорные насосные станции в зависимости от местных условий водоснабжения могут быть первого подъема, обычно совмещаемые с водозабором, и последующих (2-го, 3-го и т. д.) подъемов, не имеющие водозабора. Насосные станции подпитки обычно забирают воду из источника и подают ее в гидроотвал.
Совместная работа насосов на общий трубопровод может быть параллельной и последовательной. Центробежные насосы могут работать параллельно только при условии, что все они имеют одинаковый напор. Если один из насосов имеет большую подачу и более высокий напор, то насос, имеющий меньшие подачу и напор, будет «задавлен» первым насосом и его подача на общий трубопровод будет равна нулю. Кроме того, может случиться, что частично вода от большего насоса будет поступать обратным током через меньший насос в резервуар. Поэтому для параллельной работы следует подбирать насосы однотипные, в крайнем случае с незначительно отличающимися напорами и подачами.
Различные схемы параллельной работы насосов применяются весьма часто для водоснабжения установок, где целесообразно подачу от нескольких насосов или станций объединять в общий коллектор.
Последовательную работу насосов, при которой один насос (первая ступень) подает жидкость во всасывающий трубопровод другого насоса (вторая ступень), применяют для получения при почти неизменной подаче увеличения напора в системе: общий напор почти равен сумме напоров отдельных насосов. Насосы должны быть однотипными или иметь близкие по подаче характеристики. Можно использовать насосы с разным напором. Последовательное соединение насосов применяют для повышения напора воды при разработке тяжелых грунтов гидромониторами, большой длине трубопроводов, в качестве перекачивающих станций и т. д.
Следует отметить, что последовательное соединение насосов обычно экономически менее выгодно, чем применение одного насоса с требуемым напором.
При последовательной работе насосов необходимо обращать особое внимание на их выбор, так как не все насосы могут быть использованы для последовательной работы по условиям прочности корпуса. Эти условия оговариваются в техническом паспорте насоса. Обычно последовательное соединение насосов допускается не более чем в две ступени.
Последовательно соединенные насосы можно расположить в одном машинном зале, значительно сократив эксплуатационные затраты и капитальные вложения на строительство здания станции. Ho в этом случае необходимо устанавливать арматуру повышенной прочности и выполнять более массивные крепления и упоры труб. Поэтому иногда целесообразнее размещать насосы на определенном расстоянии друг от друга при транспортировании воды на большое расстояние.
Насосные станции на карьерах обычно располагают в деревянных зданиях простейшего типа. Сами насосы как на первом, так и на последующих подъемах монтируются на бетонных, ряжевых или свободных фундаментах. Тип фундамента выбирается в зависимости от срока службы насосной станции и мощности устанавливаемых насосов.
Тип водозабора определяется условиями водоснабжения. Наиболее распространенные конструкции водозаборов на открытых разработках показаны на рис. 7.43.

Береговой водозабор в водоподводящем канале (рис. 7.43, б) нашел более широкое применение на открытых разработках. Его устраивают при надежном укреплении канала. Глубина водохранилища около водозабора обычно 2—3 м. Входные отверстия водоприемников от горизонта воды не менее 0,7—1,25 м.
На открытых разработках часто применяют плавучие насосные станции. Их применяют при схемах водоснабжения с оборотной водой и устанавливают на гидроотвалах. Они удобны тем, что работают нормально в условиях больших колебаний уровня воды источника водоснабжения. Обычно эти станции монтируют на сборных или цельносварных металлических понтонах (рис. 7.44).
Водозабор осуществляется при помощи всасывающих труб, которые опускаются на глубину 1,2—1,5 м от уровня воды в водоеме. При этом расстояние от конца приемной части всасывающей трубы до дна водоема должно быть не менее 0,8—1 м. Открытая часть всасывающей трубы предохраняется от засорения при помощи сетки.


Всасывающие трубопроводы. Предназначены для надежного, бесперебойного, с наименьшими потерями энергии подвода воды к насосам, являются одним из наиболее ответственных элементов насосной станции.
Основным требованием, предъявляемым к всасывающим трубопроводам центробежных насосов с точки зрения обеспечения ими надежного и бесперебойного подвода воды, является их воздухонепроницаемость, так как, по данным многочисленных опытов и наблюдений, попадание воздуха в межлопастные каналы рабочего колеса насоса весьма отрицательно сказывается на его характеристиках. Даже небольшое (до 1 % и 1 м3 воды) наличие нерастворенного воздуха может уменьшить подачу насоса на 5—10 %, а при увеличении содержания воздуха до 10—15 % насос теряет всасывающую способность и происходит срыв его работы.
Во избежание попадания воздуха во всасывающий трубопровод через свободную поверхность воды в водоприемном сооружении входное отверстие трубопровода заглубляют на 0,5—1,5 м ниже уровня воды.
Для предотвращения образования во всасывающем трубопроводе воздушных мешков трубопровод прокладывают с подъемом в сторону насоса (уклон не менее 0,005), чтобы воздух, выделившийся из воды в зонах с пониженным давлением, мог свободно двигаться вместе с водой к насосу. По этой же причине при переходе с одного диаметра на другой на горизонтальных участках трубопровода применяют только «косые» переходы с горизонтальной верхней образующей.
Для уменьшения потерь энергии всасывающий трубопровод должен быть возможно меньшей длины и иметь минимальное число фасонных частей (колен, отводов, тройников и др.). Диаметры всасывающих труб, фасонных частей и арматуры определяют расчетом. Для предварительного выбора можно руководствоваться следующими значениями допустимых скоростей: при диаметре всасывающих труб до 250 мм — 0,7—1 м/с; 300— 800 мм — 1—1,5 м/с; свыше 800 мм — 1,5—2 м/с.
Для уменьшения местных потерь при входе потока во всасывающую трубу диаметр входного сечения Dвх увеличивают по сравнению с диаметром трубы dтр. Обычно принимают Dвх = (1,25/1,5) dтр. При центральном угле конусности входной части 8—16° длина ее составляет k = (3,5+7) (Dвх-dтр).
Число всасывающих труб на насосных станциях первого подъема, совмещенных с водозаборным сооружением, обычно принимают равным числу установленных насосов. При относительно большой длине всасывающих линий и при сложных дорогостоящих конструкциях водоприемных сооружений, что характерно для крупных насосных станций первого подъема, оборудованных большим числом рабочих и резервных агрегатов, допускается меньшее число всасывающих труб, чем число насосов.
Всасывающие трубопроводы как внутри здания насосной станции, так и вне его обычно выполняют из стальных труб на сварке с применением фланцевых соединений лишь для присоединения к арматуре и насосам.
Напорные трубопроводы. Представляют собой гидротехнические сооружения, которые транспортируют воду, находящуюся под давлением (напором), от насосов к установкам. В современной практике горных работ применяют трубопроводы самых различных диаметров — от 0,1 до 1,2 м, рассчитанные на напор воды от нескольких метров до сотен метров.
Водоводы, снабжающие гидромониторные установки водой, подразделяются на магистральные, транспортирующие воду от насосных станций до контура карьера, участковые, подающие воду в пределах карьерного поля до рабочего участка, и забойные, подводящие воду от участковых водоводов непосредственно к гидромониторам.
Пульпопроводы разделяются на карьерные, располагающиеся в пределах карьерного поля, магистральные, подающие пульпу из карьера за пределами его контура до гидроотвала, отвальные, передающие пульпу в напорном потоке на гидроотвалах без ее выпуска на отвал, и намывные, из которых пульпа непосредственно укладывается на поверхность гидроотвала.
В условиях горных работ напорные трубопроводы монтируются из цельнотянутых или сварных стальных труб. Цельнотянутые трубы изготовляются с максимальным наружным диаметром 426 мм при толщине стенки не менее 6—11 мм, что определяется технологией их производства. Сварные трубы изготовляются диаметром 90—1000 мм и более и могут иметь меньшую, чем цельнотянутые трубы, толщину стенок.
Расчет водопроводной сети гидроустановки осуществляется с целью подбора насоса с необходимым напором и расходом воды. Для проведения расчетов необходимы расходы воды, длина магистрального водовода, его профиль со всеми высотными отметками, необходимый напор у водопотребителя.
При проектировании водоснабжения необходимо определить положение и длину разводящих трубопроводов, их диаметры на различных участках и общий напор, необходимый для подачи воды к расходным пунктам. Диаметры водопроводных линий должны выбираться по заданным расходам воды с учетом экономических факторов. Трубопроводы малых диаметров дешевле по стоимости и монтажу, но при равном расходе воды потери напора в них больше, чем в трубопроводах большого диаметра. Это ведет к увеличению мощности насосных агрегатов, увеличению их стоимости и эксплуатационных расходов.
Диаметр водопроводной линии (диаметр трубы), м, от насосной станции к гидроустановке определяется по формуле

где Qв — расход воды по трубопроводу (подача насоса), м3/ч; V — гидравлическая оптимальная скорость движения воды в трубопроводе (V = 1,2/2,2 м/с).
Гидравлические потери, необходимые для расчета водоводов, подразделяются на два вида: потери по длине водовода; местные потери (при входе воды в трубопровод, при изменениях сечения труб, прохождении через фасонные части).
Потери можно определять по формулам Маннинга, Павловского, Михеева, Скобея, Дарси — Вейсбаха и др.
Потери, м, напора на 1 м длины трубопровода за счет трения по формуле Дарси—Вейсбаха

где g — ускорение свободного падения (g = 9,81 м / с2); λ0 — коэффициент гидравлического сопротивления.
Для ламинарного движения жидкости λ0 не зависит от шероховатости стенок труб и определяется по формуле

где Re — число Рейнольдса (критерий, характеризующий переход к турбулентному режиму).
Считается, что при Re≤2320 течение воды ламинарное, а при Re≥2320 — турбулентное. Практически ламинарное движение воды наблюдается только в тонких капиллярах, а в чистой воде Re = 2320.
Для ориентировочных расчетов значения λ0 можно принимать следующие:

Потери, м, по всей длине водовода

где hl1 — потери по магистральному водоводу, м,

где Lм — длина магистрального водовода, м; hl2 — потери по забойному водоводу, м,

где L3 — длина забойного водовода, м; i0з — удельные потери напора в забойном водоводе, м/м [определяются по формуле (7.54)].
Местные потери напора, м, можно принять для приближенных расчетов равными 8—10 % от общих потерь по всей длине водовода, т. е.

Необходимая часовая производительность, м3, насосной станции по воде определяется по формуле

где W — годовая производительность карьера по породе, м3; q — удельный расход воды, м3/м3; k1 — коэффициент резерва воды; Nд — число рабочих дней гидромеханизации в году; nсм — число рабочих смен в сутки; t — продолжительность смены, ч.
Число и тип насосов определяются в зависимости от необходимой производительности и напора гидроустановок. Число рабочих насосов должно подбираться с учетом снижения их общей производительности при параллельной работе.
Общий необходимый напор, м, на гидроустановке как при одном, так и при нескольких последовательно соединенных насосов определяется по формуле

где Hг.н — геодезическая высота подачи воды, м; Hг.в — геодезическая высота всасывания насоса (Hг.в = 1,7+2,2 м); An — потери напора во всасывающем трубопроводе (hв = 1,0+1,5 м); h1 — потери напора по всей длине водовода, м; hм — местные потери напора, м; Hг — необходимый напор на насадке гидромонитора, м; hг — общие потери напора в гидромониторе, м.
Необходимое число подъемов по водоводу

где Hн — напор насоса (насосной станции), м.
Необходимое число насосов по производительности

где Qн — производительность (подача) насоса по воде, м3/ч; Kв — коэффициент использования гидрооборудования по времени.
Общее число насосов с учетом подъемов