Угольная промышленность потребляет огромное количество энергетических ресурсов. Только на отопление, санитарно-бытовые нужды и нагрев воздуха, подаваемого в шахту, ежегодно расходуется около 10 млн. т. топлива. Поэтому очень важной и одной из первостепенных задач является экономия топлива, расходуемого на собственные нужды шахты. Учитывая вышесказанное, весьма актуальной стала задача внедрения в эксплуатацию топочных устройств, предназначенных для сжигания низкосортных высокозольных углей и отходов углеобогащения.

Прогрессивным методом сжигания низкосортных и высокозольных (до 80%) топлив, является сжигание в низкотемпературном псевдоожиженом (кипящем) слое [12]. Данный метод сжигания топлива отличается высоким уровнем смешения топлива и окислителя, повышенным по сравнению со слоевыми топками временем пребывания топлива в зоне горения, интенсивным теплоотводом к поверхностям нагрева, отсутствием движущихся частей в топочном объёме, возможностью сжигания в одном агрегате топлив различного состава и качества, пониженным до 1-5% содержанием топлива в слое. Данный метод сжигания облегчает воспламенение топлива, препятствует спеканию топливных частиц и шлакованию конвективных поверхностей нагрева.

1 Процесс теплоснабжения шахты как объект автоматизации ^

Одним из крупных потребителей тепла на шахтах являются калориферные установки, осуществляющие нагрев воздуха, подаваемого в шахту для проветривания горных выработок. При этом в технологической схеме нагрева воздуха в качестве теплоносителя используется нагретый воздух, а не пар или горячая вода. Применение данной системы позволяет отказаться от дополнительного оборудования в виде установок для умягчения и деаэрации воды, устройств для продувки котлов, насосов для перекачки конденсата, насосов подпиточной и сырой воды.

На промплощадках воздухо-подающих стволов и скважин, калориферная установка может оказаться единственным потребителем тепла. Сооружение же котельной, кроме значительных капитальных затрат встречает из-за ее удаленности серьёзные затруднения в связи с отсутствием водопроводных сетей хозфекальной канализации.

Именно для таких условий промплощадки шурфа №4 шахты "Ново-Донецкая" по предложению работников треста "Донецкуглеавтоматика" и ПО "Допропольеуголь" была была осуществлена разработка автономного газовоздушного воздухонагревателя [12] (рис. 1).

В отдельно стоящем здании топочного отделения установлены два теплогенератора, включающие в себя камеры: топочную и смешения. В теплогенераторе используется топка низкотемпературного кипящего слоя с тепловой мощностью 2,6 МВт. В состав топки входят растопочное устройство, однотрубная провальная воздухораспределительная решетка колпачкового типа и устройство золоудаления. Коллектор решетки выпол-нен из трубы диаметром 426 мм. К ней приварены патрубки диаметром 38 мм, в верхней части которых закреплены колпачки диаметром 48 мм, имеющие по периметру восемь отверстий-сопел диаметром 7 мм.

Топка оборудована системой возврата уловленного уноса из-под первой ступени очистки газовоздушной смеси. Кроме того с целью повы-шения экономических и улучшения экологических показателей теплогенератора целесообразно выполнение, как и на топках низкотемпературного кипящего слоя, рециркуляции дымовых газов, которая осуществляется по газовоздухопроводу.

Топочная камера выкладывается из кирпича по периметру колпачковой провальной воздухораспределительной решетки. Расстояние между стенкой топочной камеры и колпачками составляет 50 мм. На фронтальной части топочной камеры установлен пневмомеханический забрасыватель ЗП-600. В тыльной стене топочной камеры выполнен лаз для осмотра и ре-монта топки. Подача дутьевого воздуха осуществляется вентилятором ВМЦ 6. Тя-га в топке создается дымососом ДН-11,2. Подача жидкого топлива в пери-од растопки осуществляется шестеренным насосом Ш2-25Б с подачей 3,9х10-4 М?/C, давлением 1,6 МПа.

Топочное отделение размещается в здании с размерами в плане 12х15 м и общей высотой до перекрытия 14м. Оборудование располагает-ся в горизонтальной компоновке на четырех этажах (отметки 0,000; 3,200; 6,500; 10,370 и 10,450).

На первом этаже установлены дымососы, дутьевые вентиляторы, вентиляторы для разбавления дымовых газов, устройства выгрузки золы, скребковый конвейер золоудаления, растопочные устройства для хранения и подачи жидкого топлива. С целью снижения производственного шума дутьевые высокооборотные центробежные вентиляторы расположены в звукоизолированных камерах.

Рисунок 1 - Технологическая схема автономного газовоздушного воздухоподогревателя с теплогенератора с теплогенератором низкотемпературного кипящего слоя

1 - топочное отделение; 2 - теплогенератор; 3 - топочная камера; 4 - камера смешения; 5 - двухступенчатая система газоочистки; 6 - газопровод горячих газов; 7 - воздухоподогреватели; 8 - надшахтное здание; 9 - панель многостворчатых клапанов; 10 - шурф (скважина); 11 - газопровод холодных газов; 12 - газопровод для сброса горячих газов; 13 - двойные пылевые затворы; 14 - слив системы золоудаления; 15 и 16 - вентиляторы возврата уноса и разбавочного воздуха; 17 - дымосос; 18 - вентилятор дутьевого воздуха; 19 - провальнаяч трубная колпачковая воздухораспределительная решетка; 20 - растопочное устройство; 21 - дымовая труба; 22 - емкость для жидкого топлива.

На втором этаже смонтированы собственно топки, вентиляторы воз-врата уноса, щитовая, короба подачи воздуха, оборудована комната дежур-ного персонала. Вентиляторы возврата уноса используются также и для отсоса пыли в местах выгрузки шлака

На третьем этаже расположены камера смешения дымовых газов и холодного воздуха, распредпункт, угольные бункеры, короба подачи воз духа, двойные пылевые затворы, трубопроводы уловленного уноса.

На отметке 10,370 м размещены газоходы, батарейные циклоны, а на отметке 10,450 - надбункерная галерея, в которой расположены верхние части угольных бункеров и ленточный конвейер подачи топлива.

Вентиляция производственных помещений здания топочного отделе-ния на все периоды года предусмотрена естественная, для чего установле-ны два дефлектора диаметром 500 мм и один - 400 мм. В здании шурфа размещены воздухоподогрева-тели ВП-300, жалюзийные решетки ЖМ-9 для забора воздуха и многостворчатые клапаны с приводами. Жалюзийные решетки и многостворча-тые клапаны установлены в стенах на высоте, соответственно, 2,4 м и 2 м от пола. Многостворчатые клапаны предназначены для пропуска воздуха при неработающих теплогенераторах в переходный или летний периоды вре-мени.

Фундаментом для воздухоподогревателей служит камера, в которую попадает после прохождения по трубкам охлаж-дения газовоздушиая смесь. Габариты этой камеры позволяют периодиче-ски очищать трубки воздухоподогревателей от образовавшихся на внут-ренних частях отложений. Воздухоподогреватели разделены на две секции, работающие параллельно как во дымовым газам (по два на каждый теплогенератор), так и по воздуху. Каждая из секций воздухоподогревателя подключена к опреде-ленному теплогенератору, образуя два независимых агрегата автономноговоздухоподогревателя. Кроме того предусматривается возможность и совместной работы секций. От топок газовоздушная смесь по двум трубам диаметром 820х7 мм движется к воздухоподогревателю, после которого также по спаренным трубам диаметром 630х7 мм поступает на дымососы и выбрасывается в атмосферу. Сварная конструкция труб и специальные круглые четырехлинзовые компенсаторы позволяют избежать последствий, вызванных тепловыми удлинениями.

Для снижения тепловых потерь все газоходы изолируются специаль-ными минераловатными матами толщиной 200 мм с покрытием тонколи-стовой оцинкованной сталью толщиной 0,8 мм. В автономном воздухонагревателе для нагрева подаваемого в шахту воздуха предусматривается использование тепла, получаемого от сжигания низкосортного высокозольного угля в топке низкотемпературного кипяще-го слоя. Дымовые газы, являющиеся теплоносителем с температурой 700...950°С, из топочной камеры направляются в камеру смешения, в кото-рую центробежным вентилятором (ВЦ-4) подается также и холодный воз-дух. Забор этого воздуха осуществляется вне топочного здания. В резуль-тате смешения температура газовоздушной смеси снижается до 500°С. После камеры смешения за счет разрежения, создаваемого дымосо-сом газовоздушная смесь проходит двухступенчатую систему очистки от твердых частиц. В качестве ступеней очистки приняты батареи (БЦ-4) на 30 элементов.

Далее газовоздушная смесь по газоходам направляется в трубчатые воздухонагреватели ВП-300. Пройдя по трубам воздухоподогревателя, га-зовоздушная смесь передает тепло наружному воздуху, поступающему че-рез жалюзийные решетки в межтрубное пространство и воздухоподогрева-тели за счет общешахтной депрессии.

Воздух нагретый до температуры 2...10°С поступает в ствол шахты за счет общешахтной депррессии.

При повышенных температурах наружного воздуха схемой автономного газовоздухонагревателя предусмотрен сброс определенного количества горячей газовоздушной смеси с температурой 500°С по газоходу из га-зохода в газоход, минуя воздухоподогреватель.

Отработанная газовоздушная смесь с температурой 1б5...180°С транспортируется по газоходу и выбрасывается в атмосферу через метал-лическую дымовую трубу диаметром 1000 мм и высотой 45 м. Подготовка топлива и подача его в расходный бункеры происходит стандартным пособом. Схема включает в себя следующее основное технологическое оборудование, качающийся питатель ПКЛ-8-0 грохот ГИЛ-32, железоотделитель П-100-1, дробилку СМД-147, элеватор ЦТ-400.

Таблица 1 - Основные технико-экономические показатели автономного газовоздушного нагревателя.

Марка топлива	Ж, К, ОС
Теплота сгорания топлива МДж/кг	16,8
Мощность теплового по-тока МВт	5,2
Объем нагреваемого воз-духа м2/с	98,3
Температура воздуха подаваемого в шахту °C	2-5
Абсолютная минимальная температура наружного воздуха °C	-36
Температура теплоагента перед воздухоподогрева-телем °C	500
Температура газа после воздунагревателя °C	165-180
Массовый расход топлива кг/с	0,23
Режим работы	сезонный

Схемой автоматизации воздухоподогревателя предусматривается:

А. Контроль следующих параметров:

Давление дутьевого вентилятора;

Давление подмешивающего вентилятора;

Температура теплоносителя в камере смешения;

Температура воздуха подаваемого в шахту;

Давление после вентилятора возврата уноса;

Разрежение перед дымососом.

Б. Сигнализация и защита

Температура воздуха в стволе мала;

Давление дутьевого воздуха низко;

Разряжение в топке низко;

Температура теплоносителя высока или низка;

В. Дистанционное управление механизмами котлоагрегата

Дымососом- дистанционное;

Дутьевым вентилятором- дистанционное сблокированное с дымососом и схемой защиты котлоагрегата;

Вентилятором подмешивания - дистанционное сблокированное с дутьевым вентилятором;

Вентилятором возврата уноса - дистанционное сблокированное с дутьевым вентилятором;

При включении механизмов должен подаваться предупредительный сигнал. Работа при неисправной схеме сигнализации не допускается.

2 Критический обзор существующих технических решений ^

В настоящие время для автоматического регулирования применяется система выполненная на базе регулирующего прибора P-25.

Системой предусматривается регулирование температуры смеси воздуха и продуктов сгорания, проходящей через воздухонагреватели.

Стабилизация температуры в стволе осуществляется задающим устройство, вырабатывает сигнал, пропорциональный требуемому количеству тепла смеси воздуха, поступающего через воздухонагреватели, и продуктов сгорания топлива. Сигнал, поступающий от датчика температуры смеси сравнивается с сигналом задатчика. В зависимости от величины сигнала рассогласования, поступающего на регулирующий прибор, работающий по ПИ - закону, вырабатывается управляющие воздействие на изменение подачи топлива в воздухонагреватель, поступающее через нелинейный элемент на исполнительный механизм. Последний в свою очередь, изменяет угол поворота регулирующего органа, тем самым изменяя расход топлива.

Исследуемая система является следящей системой. Стабилизация температуры в стволе осуществляется косвенным путем - есть обратная связь по температуре смеси, но нет обратной связи по температуре в стволе.

Отсутствие обратной связи по температуре в стволе не может полностью гарантировать обеспечение последней на требуемом уровне. Так, при изменении отношения расходов воздуха, поступающего непосредственно в ствол, и воздуха, проходящего через воздухонагреватели, для достижения одного и того же значения температуры в стволе необходима разная температура смеси. Изменение отношения расходов может быть вызвано перекрытием подачи воздуха через один или несколько воздухонагревателей, необходимое, например, по причине проведения ремонтных работ. Существующая система также не способна учитывать изменение влажности воздуха, изменение атмосферного давления и др. все вышесказанное приводит к необходимости завышения требуемой температуры смеси для недопущения снижения температуры в стволе ниже требуемого. На практике это приводит к перерасходам топлива, и как следствие, снижению КПД.

К недостаткам существующей системы следует отнести и тот факт, что не учитывается нелинейность регулирующего органа, что приводит к ухудшению показателей качества. Также к существенным недостаткам следует отнести и тот факт, что существующая система не способна в автоматическом режиме поддерживать требуемую температуру в стволе во всем диапазоне изменения нагрузки. Это связано с тем, что лишь одна установка может находиться в автоматическом режиме работы.

3 Обоснование направления автоматизации ^

На основании описанного в предыдущем разделе можно сделать вывод о необходимости разработки новой аппаратуры автоматизации.

Реализация аппаратуры автоматизации возможна при применении современных микропроцессорных систем.

На сегодняшний день промышленностью многих стран выпускаются контроллеры для автоматизации различных технологических процессов. Но их стоимость такова, что большинство предприятий не может приобрести такие системы. Для данного технологического процесса можно построить систему автоматизации на микроЭВМ - микроконтроллере.

К настоящее время широко распространены микроконтроллеры фирмы Dallas Semiconductor, Microchip или Hitachi. Широко развитые линии PIC-контроллеров фирмы Microchip и микроконтроллеров H8/300 фирмы Hitachi обеспечивают достаточно высокую производительность при небольшом энергопотреблении. Эффективность работы микроконтроллеров Dallas Semiconductor, имеющих базовую архитектуру MCS51, в среднем превышает стандартную в 2,5 - 3 раза. Появившиеся в последнее время новые процессорные платформы MSP430 фирмы Texas Instruments и XE8000 фирмы Xemics также заслуживают внимания, особенно если основным критерием является минимальное энергопотребление.

Микроконтроллеры фирмы Atmel представляют собой мощный инструмент для создания современных высокопроизводительных и экономичных многоцелевых контроллеров. На настоящий момент соотношение "цена - производительность - энергопотребление" для AVR является одним из лучших на мировом рынке 8-разрядных микроконтроллеров.

Порты ввода/вывода AVR имеют число независимых линий "Вход/Выход" от 3 до 53. Каждый разряд порта может быть запрограммирован на ввод или на вывод информации. Мощные выходные драйверы обеспечивают токовую нагрузочную способность 20 мА на линию порта (втекающий ток) при максимальном значении 40 мА, что позволяет, например, непосредственно подключать к микроконтроллеру светодиоды и биполярные транзисторы. Общая токовая нагрузка на все линии одного порта не должна превышать 80 мА (все значения приведены для напряжения питания 5 В).

Аналого - цифровой преобразователь (АЦП) построен по классической схеме последовательных приближений с устройством выборки/хранения (УВХ). Каждый из аналоговых входов может быть соединен со входом УВХ через аналоговый мультиплексор. Устройство выборки/хранения имеет свой собственный усилитель, гарантирующий, что измеряемый аналоговый сигнал будет стабильным в течение всего времени преобразования. Разрядность АЦП составляет 10 бит при нормируемой погрешности +/- 2 разряда. АЦП может работать в двух режимах - однократное преобразование по любому выбранному каналу и последовательный циклический опрос всех каналов. Время преобразования выбирается программно с помощью установки коэффициента деления частоты специального предделителя, входящего в состав блока АЦП. Оно составляет 70...280 мкс для ATmega103 и 65...260 мкс для всех остальных микроконтроллеров, имеющих в своем составе АЦП. Важной особенностью аналого-цифрового преобразователя является функция подавления шума при преобразовании.

AVR функционируют в широком диапазоне питающих напряжений от 1,8 до 6,0 Вольт. Энергопотребление в активном режиме зависит от величины напряжения питания, от частоты, на которой работает AVR и от конкретного типа микроконтроллера. Подробные спецификации приводятся в оригинальной технической документации Atmel Corp. Температурные диапазоны работы микроконтроллеров AVR - коммерческий (0С...70С) и индустриальный (-40С...+85С).

Система команд AVR весьма развита и насчитывает до 133 различных инструкций. Например, у PIC-контроллеров система команд насчитывает до 75 различных инструкций, а у MCS51 она составляет 111. В целом, прогрессивная RISC архитектура AVR в сочетании с наличием регистрового файла и расширенной системы команд позволит в короткие сроки создать программу с эффективным кодом как по компактности реализации, так и по скорости выполнения.

Разрабатываемая аппаратура должна обеспечить два вида управления калориферной установкой: автоматическое, т. е. без непосредственного участия обслу-живающего персонала, и ручное основными и вспомогательными при-водами, осуществляемое из помещения оператора.

В автоматическом режиме работы аппаратура осуществляет поддержание на заданном уровне температуры воздуха в стволе.

Аппаратура должна обеспечить автоматический контроль всех существенных технологических параметров калориферной установки и выдачу аварийной световой и звуковой сигнализации в помещение оператора, в котельную и на табло диспетчера. На табло диспетчера и табло калорифера аварийная световая и звуковая сигнализация подается в случаях, если температура воздуха в стволе либо температура теплоносителя на выходе из калорифера или хотя бы одной из его секций, либо давление теплоносителя в трубопроводе снизятся ниже заданного критического значения. Кроме того на табло диспетчера выведена аварийная сигнализация о полном открытии ляды подачи воздуха через вентилятор подмешивания, а в помещение калориферной установки - аварийная сигнализация о заклинивании исполнительных механизмов и оповестительная сигнализация о крайних положениях исполнительных органов регулирования температуры воздуха в стволе и теплоносителя на выходе из калорифера.

5 Предложенное решение ^

На сегодняшний день все большее распространение получают системы построенные по модульному принципу. Причем сбор и первичная обработка сигналов с датчиков производится непосредственно в месте установки датчика, а информация о состоянии датчика передаются центральному модулю по цифровой лини связи. Такое построение системы позволит исключить влияние лини связи при передаче аналоговых сигналов, а также сократить количество используемых проводников для контроля удаленных сосредоточенных датчиков.

Рисунок 2 - Структурная схема системы автоматизации воздухоподогревателя

На структурной схеме автоматизации (рис.2) с удаленными модулями ввода-вывода изображено:
БЦП - Блок центрального процессора;
БС-КС - блок контроля камеры смешения;
БКУ-ВП - блок контроля и управления вентилятором подмешивания;
БКУ-ВО - блок контроля и упраления вентилятором ожижения;
БКС - блок контроля слоя;
БИПТ - блок измерения производительности теплогенератора;
БУПТ - блок управления подачей топлива;
БИТН - блок измерения температуры наружный;
БИТС - блок измерения температуры стволовой;
БКУ-ОК - блок контроля и управления обводным клапаном;
ПУ - пульт управления;
ИТО - информационное табло оператора.

Передача информации от модуля центрального процессора к блокам контроля и от блоков измерения к модулю процессора, а также обмен данными между пультом оператора и всеми блоками осуществляется по двухпроводной симметричной линии связи с интерфейсом RS-485.

Рассмотрим блок измерения температуры воздуха в стволе:

Рисунок 3 - Структурная схема блока измерения температуры в стволе
ИОН - источник опорного напряжения;
ИТ - источник тока;
ТД - термодатчик;
АЦП - аналого цифровой преобразователь;
УПП - устройство приема-передачи;
УС - устройство сопряжения.

Ранее были описаны все преимущества использования микроконтроллеров семейства AVR и поэтому для блока БИТС применится микроконтроллер AT90S4433-8PI в промышленном исполнении (PI), т.е. температура окружающей среды от -40 до +85 °С. Микросхема имеет 6 каналов ввода аналоговых сигналов (ADC0 - ADC5) один последовательный приемопередатчик (выводы RXD и TXD)

Напряжение питания микроконтроллера 5В постоянного тока.

Питание блока осуществляется по одной паре кабеля ТША1х4 напряжением 24В, а по второй паре проводов осуществляется передача текущего значения температуры в последовательном коде. Необходимые напряжения питания 12В и 5В получат от интегральных стабилизаторов напряжения КР142ЕН8А и КР142ЕН5А соответственно.

Перечень ссылок ^

1. Толпежников Л.И. Автоматическое управление процессами шахт и рудников: Учебник для вузов.-2-е изд., перераб. и доп.- М.: Недра, 1985.-352с.
2. Батицкий В.А., Куроедов В.И., Рыжков А.А. Автоматизация производственных процессов и АСУ ТП в горной промышленности: Учебник для техникумов.-2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1991.-303 с.
3. Гаврилов П.Д., Гимельшейн Л.Я., Медведев А.Е. Автоматизация производственных процессов .- М.:Недра, 1985.-215 с.
4. Технические средства автоматизации в горной промышленности: Учебное пособие /В.И. Груба, Э.К. Никулин, А.С.Оголобченко.-К.:ИСМО,1998.-373 с.
5. АСУТП угольной шахты /Мелькумов Л.Г., Бацков М.И.- К.:Техніка,1978.-216 с.
6. Н.П.Демченко Технические средства передачи информации в системах управления угольных шахт. - М.:Недра,1984.-245с.
7. Каган Б.М., Сташин В.В. Основы проектирования микропроцессорных устройств автоматики. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 304с.
8. Промислова електроніка : Підручник для вузів / В.С. Руденко, В.Я. Ромашко, В.В. Трифонюк. - К.: Либідь, 1993.-432с.
9. Обслуживание и наладка аппаратуры шахтной автоматики: (Справ. пособие) / Красик Я.Л., Лагунович Е.Ф., Магилат Г.И. и др.- К.: Техника, 1998. - 167с.
10. Промышленные тепломассообменные процессы и установки: Учебник для вузов/ А.М. Бакластов и др., М.; Энергоатомиздат, 1986. - 328с.
11. Хоровиц П., Хил У. Искусство схемотехники. М.: Мир, 1989, т.1.
12. Сжигание угля в кипящем слое и утилизация его отходов/ Ж. В. Вискин, В.И. Шелудченко и др. - Донецк: "Типография новы мир", 1997. - 284 с.

Главная страница

Ссылки

Результаты поиска

Электронная библиотека

Главная страница ДонНТУ

Страница магистров ДонНТУ

Поисковая система ДонНТУ