Работа водоотливной установки с подпором на входе

5.1 Актуальность вопроса

Проблемы повышения надежности и эксплуатационных показателей работы водоотливной установки приобрели актуальность в последнее десятилетие. На данный момент большинство главных водоотливных установок предприятий оборудованы насосами типа ЦНС. Как показывает опыт их эксплуатации средний ресурс работы составляет 1400 ... 2000 час., А КПД водоотливных установок не превышает показателя 0,46, что свидетельствует о низкой эффективности водоотливной установки.

Анализ методов повышения надежности водоотливной установки показывает, что наиболее интересным и рациональным является борьба с кавитационными явлениями. Проведенные исследования показывают, что 60-70% водоотливов работает в кавитационном режиме, что значительно уменьшает КПД водоотлива в целом и способствует более быстрому разрушению частей насоса. Кроме того наличие кавитации повышает потери напора в трубопроводе, в среднем 1,5 ... 4м, вместо регламентированных 0,5 ... 0,8.

Существовавшие ранее методы создания подпора не приносили желаемого результата, или имели низкие показатели надежности. Кроме того на данном этапе большинство энергомеханических служб не уделяют внимания практической важности данной проблемы.

В классических центробежных насосах часть жидкости из зоны высокого давления проходит через щель между рабочим колесом и корпусом насоса в зону низкого давления. Когда насос работает в режиме существенного отклонения расчетного режима, в сторону повышения давления нагнетания, потери жидкости повышаются, результатом перепада давления является возможность появления кавитационных явлений, как следствие разрушения рабочего колеса. Изобразим на рис.5.1 результат кавитационных явлений.

Рис. 5.1. Результат кавитационных явлений

В традиционных схемах шахтного водоотлива с горизонтальными водосборниками насосные установки располагаются на высоте не менее 4 м над нижним уровнем воды в колодце с учетом высоты выработок и расстояния от подошвы к колесу насоса. Это расстояние является не, что иное как геометрическая высота всасывания. Исходя из этого мы видим, что без дополнительного подпора могут работать, в зависимости от места установки, насосы с частотой оборотов 1460 об/мин.и подачей от 250 до 450 м3/ч. или насосы с частотой оборотов 2960 об/мин. и подачей до 100 м3/ ч.

Подпор необходим в следующих случаях: когда высота всасывания больше 4 м, также как достаточно действенное средство предотвращения кавитации.

Существует несколько способов создания подпора, среди них такие как использование погружных насосов, установка насосной установки ниже уровня водосборника.

На практике чаще всего насосная установка устанавливается выше уровня воды в водосборнике. Расстояние от центра насосной установки должно быть не менее высоты всасывания. Если высота всасывания меньше расстояния от центра насоса в водосборник, то возникают кавитационные явления, то есть давление на входе больше упругости насыщенных паров (для водоотливных установок в которых температура воды на входе составляет 20 - 60 0С давление будет равно (2,1 - 14,4)103 Па). Кавитационные явления в свою очередь влияют на напор и подачу насосной установки, также вследствие кавитации наступает кавитационная коррозия. Повышение геометрической высоты всасывания уменьшает потери напора, как следствие уменьшается давление в нагнетательном трубопроводе.

5.2 Создание подпора при помощи подкачивающего устройства

Если допустимая геометрическая высота всасывания меньше чем требуемая глубина нижнего уровня воды в водосборнике, то необходимо использовать подкачивающие средства (для создания подпора) - погружные насосы.

Рис. 5.2. Схема водоотливной установки с подкачивающим устройством

Как видно из рис.5.2 данный способ достаточно эффективен и довольно часто применяется на практике в качестве подкачивающего средства используется погружной насос 2. Для управления средствами подкачки используют управляемые задвижки 1. Принцип работы заключается в следующем: вода из водосборника откачивается погружным насосом 2, который имеет такую же подачу как и насос водоотливной установки но меньший напор, вода через трубопровод 3 подается к насосу в результате этого на входе мы имеем постоянное давление и постоянный напор, результатом этого является то, что основная водоотливная установка работает при постоянной подаче и напоре. В качестве оборудования для подкачки рекомендуется использовать:

1. одноступенчатые электронасосы типа ЭЦВ, они достаточно просты в эксплуатации, имеют сравнительно небольшую мощность, а также удобные не только для подкачки но и являются вспомогательными для заполнения основных насосов водой;
2. электронасосы центробежные погружные для загрязненных вод ГНОМ, которые изготавливаются по ГОСТ 20763 - 85 и имеют подачу от 10 до 400 м3 /ч. и напоры от 10 до 32м, что является достаточно приемлемым для работы водоотливной установки производительностью до 400м3/ч.
3. можно использовать насос разработанный в институте горной механики им.Федорова марки ППН 300 - 20 (П - погружной, П - подпорный, Н - насос, 300 - подача м3/ч., 20 - напор, м, мощность 30кВт) .
4. насос одноступенчатый типа ВП – 340 получил наибольшее применение и серийно изготавливается Ясногорским заводом в качестве подпорного (подача 340м3/ч., напор 19м, мощность двигателя 31 кВт) для насосов ЦНС 300-700 ... 1000.

К преимуществам данного способа можно отнести: удобный доступ к основным узлам насоса, камера водосборника может иметь любую конфигурацию - даже располагаться под определенным углом, возможность применения насосов с любой высотой всасывания. Данный способ характерен тем, что используя погружной насос сравнительно небольшой мощности (до 35кВт) мы создаем на входе насоса постоянную подачу и напор, как следствие возможность возникновения кавитационных явлений минимальная.

К недостаткам следует отнести: наличие в схеме водоотлива подкачивающих приспособлений, что значительно уменьшает надежность и долговечность насосной установки, усложнение запуска из-за того что в начале необходимо привести в порядок подкачивающее устройство.

5.3 Создание подпора при помощи струйного аппарата

Как видно данный способ является весьма действенным и получает широкое применение в силу своей простоты, он создает постоянный напор и подачу на входе водоотливного насоса, но этот способ характеризуется большими затратами на обслуживание. Также при использование струйного насоса существует возможность заливки насоса.

Рис. 5.3. Схема водоотливной установки со струйным аппаратом

Как видно из рис.5.3 создавать подпор можно и с помощью струйного аппарата 2, он соединяется с основным насосом посредством трубопровода 3 и регулируется управляемой задвижкой 1. В этом случае подкачивающие приспособление не только создает подачу но и заполняет основную часть водоотливной установки перед пуском. Преимуществом данной схемы является то, что она обеспечивает необходимый подпор, постоянную подачу, заполняет основной водоотливной насос перед пуском.

К недостаткам следует отнести: осложнения технологической схемы из-за наличия струйного аппарата. Вследствие этого необходимо больше времени на техническое обслуживание и ремонт.

5.4 Размещение насоса ниже уровня водосборника

У этого способа есть несколько модификаций – можно размещать насос в углубленных камерах, а можно ниже уровня водосборника.

Иногда условия эксплуатации или другие факторы не позволяют использовать вышеперечисленные способы – тогда подпор будет создаваться при использовании погружных камер, этот способ будет уместен тогда, когда необходимо использовать насосы с отрицательной глубиной всасывания, это позволит отказаться от подкачивающих средств как следствие увеличится надежность водоотливной установки, изобразим данный способ на рис.5-4:

Рис. 5.4. Расположение насоса в углубленной камере

Погружные насосные камеры используются для работы насосов с отрицательной высотой всасывания, вследствие этого такие схемы нашли достаточно широкое применение в горно - рудной промышленности и на практике водоснабжения. Принцип работы заключается в следующем: при открытой задвижке 2 на всасывающем трубопроводе 1, насос 4 всегда заполнен водой и готов к запуску. Превышение уровня воды в водосборнике должно быть больше уровня подпора. Преимуществами данного способа является то, что отпадает необходимость заполнения водой насоса перед запуском.

К преимуществам также стоит отнести: простота управления, высокая надежность данной схемы из-за отсутствия промежуточных узлов. Так как камеры насоса всегда заполнены водой уменьшается возможность возникновения кавитационных явлений.

К недостаткам следует отнести: в условиях угольных шахт являются следующие: вмещающие породы в угольных месторождениях осаждаются и под действием горного давления (особенно на глубине более 500м, в Донбассе это большинство шахт) образуются трещины и возникает фильтрация воды в камеру. Это вызывает необходимость организации вспомогательного водоотлива камеры; шахтная вода проникая в водосборник затрудняет его очистку. Также сложность доставки вспомогательного оборудования в камеру. Опыт эксплуатации шахт Донецкого региона подтвердил эти недостатки, поэтому камеры строятся только при благоприятных условиях.

Также возможна установка насоса ниже уровня водосборника, в данном способе вода сразу с водозбирника 1 попадает к насосу 4 через трубопровод 3 регулируемый задвижкой 2, высота погружной камеры и создает необходимый подпор (рис5-5.) - этот способ является разновидностью способа 3 с установкой насоса в погружной камере.

Рис. 5.5. Размещение насоса ниже уровня водосборника

Данный способ обеспечивает создание вакуума на входе в насос, как следствие отсутствие кавитации. Этот способ также получил широкое применение за отсутствия подкачивающих насосов и простоту.

К преимуществам можно отнести: такие как и у способа 3, но он характеризуется меньшим количеством аппаратуры управления (задвижек), меньшим количеством выработок, простотой управления и эксплуатации. Практически при любом уровне воды в водосборнике создается вакуум на всасывающем трубопроводе, есть возможность отсутствия кавитационных явлений.

К недостаткам следует отнести: такие же как и у способа 3, но также добавляется негативное явление, как осложнение строительства погружных камер, несоблюдение требований ПБ к проветриванию выработок, необходимость организации откачки воды из насосной камеры.

5.5 Выводы

Необходимость подпора обусловлена предотвращением кавитационных явлений, то есть созданию вакуума на входе в насос, при этом обеспечивается постоянная подача и напор подкачивающим приспособлением.

Работа без подпора абсолютно для всех насосов ограничивается следующими значениями подачи: при частоте оборотов до 1460об/мин. подача будет равняться 250 - 450м3/ч., при частоте оборотов 2960 об/ мин. подача равна 100м3 /ч.

Подпор необходим также при отрицательной высоте всасывания.

Подпор можно создать либо с помощью подкачивающих приспособлений или с помощью создания насосной камеры ниже уровня водосборника, в первом случае мы получаем соблюдения всех требований ПБ, ПТЭ, обеспечиваем удобный доступ к водоотливной установке, в противовес получаем сложность обслуживания и эксплуатации; во втором случае мы имеем простую в эксплуатации и обслуживании установку, но из-за наличия горного давления данный способ возможен только при глубине шахты до 500м, также сложно обеспечить соблюдение требований ПБ по проветриванию и обслуживанию выработок.

Как видите в сегодняшней лекции мы убедились, что создание подпора очень важный вопрос и при сравнительно небольших затратах возможно уменьшить кавитацию на входе.

Все вышеперечисленные схемы неоднократно использовались на предприятиях "Красноармейсугля".

Ключевые термины:

Кавитация — процесс парообразования и последующей конденсации пузырьков пара в потоке жидкости, сопровождающийся шумом и гидравлическими ударами, образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или каверн), заполненных паром самой жидкости, в которой возникает. Кавитация возникает в результате местного понижения давления в жидкости, которое может происходить либо при увеличении её скорости(гидродинамическая кавитация), либо при прохождении акустической волны большой интенсивности во время полупериода разрежения (акустическая кавитация), существуют и другие причины возникновения эффекта. Перемещаясь с потоком в область с более высоким давлением или во время полупериода сжатия, кавитационный пузырёк схлопывается, излучая при этом ударную волну.

Подача насоса — объём жидкости, нагнетаемой насосом за единицу времени.

Напор (в гидравлике и гидромеханике) —удельная механическая энергия жидкости. Измеряется в метрах. Механическая энергия в данном случае означает полную энергию за вычетом тепловой составляющей. Другими словами, напор - это полная энергия за вычетом тепловой энергии, которой наделен каждый ньютон веса жидкости.

Центробежный насос — насос, в котором движение жидкости и необходимый напор создаются за счёт центробежной силы, возникающей при воздействии лопастей рабочего колеса на жидкость.

Задвижка — трубопроводная арматура, в которой запирающий или регулирующий элемент перемещается перпендикулярно оси потока рабочей среды. Задвижки — очень распространённый тип запорной арматуры. Они широко применяются практически на любых технологических и транспортных трубопроводах диаметрами от 15 до 2000 миллиметров в системах жилищно-коммунального хозяйства, водоснабжения, нефтепроводах, объектах энергетики и многих.

Правила технической эксплуатации (ПТЭ) устанавливают основные положения и порядок работы водоотливных установок, основные размеры, нормы содержания важнейших сооружений, устройств и требования, предъявляемые к ним. Правила технической эксплуатации обязательны для всех подразделений и предприятий, так как их выполнение позволяет обеспечить слаженность всех звеньев, четкую и бесперебойную работу и безопасность..

Контрольные вопросы

1. Объясните актуальность применения водоотливной установки с подпором на входе.
2. Перечислите основные способы создания подпора.
3. В чем состоит суть создания подпора подкачивающим устройством?
4. В чем состоит суть создания подпора при помощи струйного аппарата?
5. В чем состоит суть создания подпора при помощи размещения насоса ниже уровня водосборника?
6. Назовите основные недостатки каждого из способов.
7. Перечислите средства создания подпора при помощи подкачивающего устройства.
8. Назовите диапазон применения подкачивающих устройств?

Краткие итоги

• Рассмотрели основные способы создания подпора
• Перечислили основные преимущества и недостатки указанных способов