第二节 矿用水泵的选型设计 一、 设计任务 选型设计的任务是根据矿山的具体条件，在现有产品中对水泵机组及管路进行合理的选择，以保证安全、经济、可靠地运转。具体内容包括：
（1）矿井排水系统；
（2）选择排水设备；
（3）提出经济核算结果；
（4）绘制泵房及管路布置图。
二、 原始资料 正常排水量Q为420 m3/h，排水高度H为420m。
三、 排水方案的确定 在我国煤矿中，目前通常采用集中排水法。集中排水开拓量小，管路敷设简单，管理费用低，但由于上水平需要流到下水平后再排出，则增加了电耗。当矿井较深时可采用分段排水。
涌水量大和水文地质条件复杂的矿井，若发生突然涌水有可能淹没矿井。因此，当主水泵房设在最终水平时，应设防水门。
在煤矿生产中，单水平开采通常采用集中排水；
两个水平同时开采时，应根据矿井的具体情况进行具体分析，综合基建投资、施工、操作和维护管理等因素，经过技术和经济比较后。确定最合理的排水系统。
从给定的条件可知，该矿井只有一个开采水平，故可选用单水平开采方案的直接排水系统。
四、 水泵的选型与计算 根据《煤矿安全规程》的要求，主要排水设备必须有工作水泵、备用水泵和检修水泵。工作水泵的能力应能在20h内排除矿井24h的正常涌水量（包括充填水和其他用水）。备用水泵的能力应不小于工作水泵能力的70%，并且工作水泵和备用水泵的总能力，应能在20h内排出矿井24h的最大泳水量。检修水泵的能力应不小于工作水泵能力的25%。水文地质条件复杂的矿井，可根据具体情况在主水泵房内预留安装一定数量水泵的位置，或另增设水泵。
排水管路必须有工作和备用水管。工作水管的能力应能配合工作水泵在20h内排完24h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20h内排出矿井24h的最大涌水量。
4.1．预选水泵的型号和台数 (1)水泵必须具备的总排水能力 根据《煤矿安全规程》的要求，在正常涌水期，工作水泵具备的总排水能力为：
在最大涌水期，工作和备用水泵具备的总排水能力为：
式中 ——工作水泵具备的总排水能力，m3/h；
——工作和备用水泵具备的总排水能力，m3/h；
——矿井正常涌水量，m3/h；
——矿井最大涌水量，m3/h。
由所给数据正常排水量Q为420 m3/h，即为420 m3/h，且最大涌水量为正常涌水量的1.7倍，故可得：
m3/h 最大涌水量为：
m3/h 工作和备用水泵总排水能力为：
m3/h （2）水泵所需扬程的估算 水泵所需扬程可由下式计算：
式中 ——测地高度，即水仓最低水位至排水管出口间的高度差，一般可取 井底与地面标高差（排水高度）（井底车场与水仓最低水 位距离），；
——管路倾斜架设时的倾角；
——管路效率。当管路架设在立井时，；
当管路架设在 斜井，且倾角时，；
当时， ；
当时，。
故可得：
m 即水泵所需扬程为471m。
（3）列出符合条件的泵的型号、级数、台数 ① 水泵型号的选择。依据计算的工作水泵排水能力和估算的所需扬程及原始资料给定的矿水物理化学性质的泥砂含量，从产品样本中挑选所有能够满足 排水要求、工作可靠、性能良好、符合稳定性工作条件、价格低的所有型号的泵。
由正常排水量为420 m3/h，排水高度H为420m，从泵性能及配套电机型号表2-1中预选D450—60型号泵，其额定流量为450 m3/h，扬程为480m。
②水泵级数的确定 式中 ——水泵的级数；
——单级水泵的额定扬程，。
取等于8级。
③水泵台数的确定 工作泵台数 ，取 =1。
备用泵台数 ，取=1。
检修泵数 n30.25 n1=0.25×1=0.25，取n3=1。
因此，共选3台泵。
五、 选择管路系统 5.1. 管路趟数及泵房内管路布置形式 根据泵的总台数，选用典型三泵两趟管路系统，一条管路工作一条管路备用。正常涌水时，一台泵向一趟管路供水；
最大涌水时，两台泵同时工作就能达到20h内排出24h的最大涌水量，故从减少能耗的角度可采用两台泵向两趟管路供水，从而可知每趟管路内流量Qe等于泵的流量。
泵房内管路布置主要取决于泵的台数和管路趟数，图5-34所示为煤矿中常用的三台泵二趟管路和五台泵三趟管路的布置方式。
本题管路布置参照图（a）所示的方案。这种管路布置方式任何一台水泵都可以经过两趟管路中任意一趟排水。
5.2．管材的选择 由于井深大于200m，确定采用无缝钢管。
5.3. 初选管径 选择排水管径就是针对一定的流量寻找运转费用和初期投资费用两者之和最低的管径。由于管路的初期投资费用与管径成正比，而运转所需的电耗与管径成反比，因此若管径选择偏小，水头损失大，电耗高，但初期投资少；
若管径选择偏大，水头损失小，电耗低，但所需的初期投资费用高。因此，管径是确定运转费用和初期投资费用在总费用中所占比重的重要因素。
通常使用试取管内流速的方法求得，其计算公式为：
式中 ——排水管内径，；
——通过管子的流量，；
——排水管内的流速，通常取，在这个速度范围内工 作较为经济，故称经济流速。
将，代入式，得 从表 2-2中预选无缝钢管，则排水内径=（325-2×10）mm = 305mm 表2-2热轧无缝钢管 （YB231-70）
外径/mm 壁厚/mm 外径/mm 壁厚/mm 外径/mm 壁厚/mm 89 3.5～24.0 146 4.5～36.0 273 7.0～50.0 95 3.5～24.0 152 4.5～36.0 299 8.0～75.0 102 3.5～28.0 159 4.5～36.0 325 8.0～75.0 108 3.5～28.0 168 5.0～45.0 351 8.0～75.0 114 4.0～28.0 180 5.0～45.0 377 9.0～75.0 121 4.0～32.0 194 5.0～45.0 402 9.0～75.0 127 4.0～32.0 203 6.0～50.0 426 9.0～75.0 133 4.0～32.0 219 6.0～50.0 459 9.0～75.0 140 4.5～36.0 245 7.0～50.0 480 9.0～75.0 常用壁厚尺寸系列 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 22 25 28 30 32 36 40 50 56 60 63 70 75 5.4. 壁厚验算 确定管壁厚度时，将排水管路看成为密闭容器，根据力学中最大变形的理论，用壁厚圆筒分析方法得出钢管壁厚计算公式：
式中 所选标准管径，；
管材许用应力。焊接钢管，无缝钢管；
管内水压，考虑流动损失，作为估算，；
附加厚度。焊接钢管，无缝钢管。
这里取，代入上式，得 由上可知，所选壁厚合适。
5.5. 选择吸水管径 为了提高吸水能力，防止气蚀发生，吸水管径一般比排水管径大一级，流速在0.8~1.5范围内，故选择无缝钢管，吸水管内径 验算流速 在合理范围内，故吸水管径为无缝钢管。
六、 工况点的确定及校验 6.1. 管路系统 管路布置参照图1-2所示的方案。这种管路布置方式任何一台水泵都可以经过两趟管路中任意一趟排水，排水管路系统图如图2-2所示。
图2-2泵房管路布置图 6.2. 估算管路长度 排水管长度可估算为：
取为470m，吸水管长度可估算为m 。
6.3. 管路阻力系数R的计算 ⑴沿程阻力系数计算 吸水管 排水管 ⑵局部阻力系数 局部阻力系数 吸、排水管及其阻力系数分别列于表2-3、表2-4中 表2-3吸水管附件及局部阻力系数 附件名称 数量 局部阻力系数 底阀 1 3.7 90。弯头 1 0.294 异径管 1 0.1 表2-4排水管附件及局部阻力系数 附件名称 数量 局部阻力系数 闸阀 2 逆止阀 1 3.2 转弯三通 1 1.5 90。弯头 4 异径管 1 0.5 直流三通 4 30。弯头 2 式中 R——管路阻力系数，；
、——吸、排水管的长度，m；
、——吸、排水管的内径，m；
、——吸、排水管的沿程阻力系数，对于流速v≥1.2m/s，其值 可按舍维列夫公式计算，即 、——吸、排水管附件局部阻力系数之和，根据排水管路 系统中局部件的组成，见表2-3、2-4。
6.4. 管路特性方程 新管 旧管 式中 K——考虑水管内径由于污泥淤积后减小而引起阻力损失增大的系数，对于新管K=1，对挂污管径缩小10%，取K=1.7，一般要同时考虑K=1和K=1.7两种情况，俗称新管和旧管。
6.5. 绘制管路特性曲线并确定工况点 根据求得的新、旧管路特性方程，取八个流量值求得相应的损失，列入表2-5中。
表2-5 200 250 300 350 400 450 500 550 600 426.1 427.2 428.6 430.3 432.2 434.4 436.8 439.5 442.5 427.5 429.5 431.8 434.7 437.9 441.7 445.8 450.4 455.4 利用表2-5中各点数据绘制出管路特性曲线如图2-6所示，新、旧管路特性曲线与扬程特性曲线的交点分别为M1和M2，即为新、旧管路水泵的工况点。由图中可知：新管的工况点参数为QM1=550m3/h,HM1=277m,ηM1=0.8,HsM1=7.1m,NM1=722KW；
旧管的工况点参数为QM2=530 m3/h，HM2=283m,ηM2=0.78,HsM2=6.8m,NM2=694KW，因ηM1、ηM2均大于0.7，允许吸上真空度HsM1=6.8m，符合《规范》要求。
图2-6 新旧管路特性曲线与泵特性曲线 七、 校验计算 7.1. 排水时间的验算 管路挂污后，水泵的流量减小，因此应按管路挂污后工况点流量校核。
正常涌水时，工作水泵台同时工作时每天的排水小时数。
正常涌水时，工作水泵台同时工作时每天的排水小时数为：
最大涌水期，工作水泵、台同时工作时每天的排水小时数：
即实际工作时，只需2台水泵同时工作即能完成在20h内排出24h的最大涌水量。
7.2. 经济性校核 工况点效率应满足 故满足经济性要求。
7.3. 稳定性校核 m 式中 ——单级零流量扬程，。
由-型水泵特性曲线图可知= 即满足稳定性要求。
7.4. 经济流速校核 吸水管中流速 排水管中流速 吸、排水管中的流速在经济流速之内，故满足要求。
(注：吸、排水管的经济流速通常取1.5～2.2m/s) 7.5.吸水高度校核 采用下式进行计算：
取，，代入上式，则允许的吸水高度为：
得到的允许吸水高度大于3.5米，符合要求。
7.6. 电机功率计算 用下式计算：
式中 电动机容量富余系数，一般当水泵轴功率大于时，取 ；
当水泵轴功率为时，取。
本题中，取，代入上式，得 根据产品样本取 7.7. 电耗计算 (1)全年排水电耗 式中 年正常和最大涌水时期泵工作台数；
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每昼夜工作小时数；
传动效率，对直联接取1，联轴器联接取0.95～0.98；
电机效率，对于大电动机取0.9～0.94，小电动机取0.82～0.9；
电网效率，取0.95。
将各项数据代入上式，可得 （2）吨水百米电耗校验 将各项数据代入上式，得 故符合要求。