Обоснование принципа действия, структурной схемы устройства автоматического контроля притока воды до водосборника шахтной водоотливной установки
Автор: Губка Ю. А., студент.
Водоотливные установки шахт и рудников являются одними из важнейших объектов, автоматизация процессов которых должна обеспечить максимальную надёжность откачки воды из горных выработок. Система автоматического управления водоотливом, учитывающая график нагрузки энергосистемы, находится под воздействием множества возмущающих факторов, полный учёт которых практически невозможен из-за усложнения системы при относительно небольшом улучшении качества управления.
В настоящее время определение и контроль притока воды в водосборник шахты очень актуальная задача. Как известно, водоотливная установка есть одним из крупных потребителей электроэнергии (до 20% общего расхода энергии). Экономичная работа водоотливных установок горных предприятий и рациональный режим их электропотребления в комплексе «энергосистема-потребитель» существенно влияют на экономику предприятия и отрасли в целом.
Также контроль за притоком воды позволяет спрогнозировать и оценить водоприток по шахте, позволяет рассчитать продолжительность паузы между автоматическими включениями насоса tп„ и работы водоотлива в каждом цикле tp на следующие сутки, серьёзно повысило эффективность автоматического управления водоотливными установками, скорректировав их работу с учётом графиков нагрузки энергосистему предприятия.
Поиски решения данной задачи приводят к необходимости обоснования принципа автоматического контроля притока воды в водосборник.
1 ПРИТОКИ ВОДЫ И АВТОМАТИЧЕСКОЕ ИХ ИЗМЕРЕНИЕ
1.1 Динамика притоков воды
Анализ возмущающих факторов системы автоматического управления показывает [1], что главное воздействие на систему оказывает величина притока воды, изменения которой существенно влияют на точность функционирования установки в требуемом режиме. В отличие, например, от таких возмущений, как изменение производительности установки, заиливание водосборника и других, которые легко учитываются и поддаются математическому описанию [2], формирование общешахтного притока воды является процессом случайным, зависящим от множества факторов, трудно поддающихся учёту.
Анализ статистических данных показал, что притоки воды в шахты как по годам их эксплуатации, так и в течение каждого года являются величинами переменными со значительным диапазоном изменений. Более того, практически не наблюдается ни одного предприятия, где они сохраняли относительное постоянство. Поэтому случайный процесс формирования общешахтного притока воды в течение года, месяца не является стационарным. Главными факторами, вызывающими эту нестационарность, являются:
1. изменение размеров площади обнажённого внутришахтного пространства
2. иссякание водоносных горизонтов шахт с течением времени
3. сезонное изменение водопритоков, просачивающихся с поверхности
Внутригодовые изменения притока являются следствием всех факторов, а на неглубоких шахтах особое влияние оказывает последний из них.
Таким образом, главное возмущение системы автоматического управления водоотлива в режиме внепикового потребления энергии является нестационарной, случайной величиной. Следовательно, система управления должна формировать управляющее воздействие с учётом конкретных значений возмущения, т. е. необходимо производить измерение водопритоков.
Исходя из физической сущности процесса формирования общешахтного притока воды, для упрощения расчёта, можно принять, что в течение такого периода времени, как сутки или полусутки, этот процесс является стационарным, так как факторы вызывающие его нестационарность на длительном интервале, не могут значительно повлиять на изменения притока. Для подтверждения этой гипотезы были проведены измерения притоков воды в главные водосборники шахт [3]. При этом установлено, что при вероятности 0,95 практически по всем реализациям отклонения усреднённых статистических значений притоков воды не выходят за доверительные интервалы, т. е. с вероятностью 0,95 можно утверждать, что процесс формирования суточного общешахтного притока воды является стационарным.
1.2 Способы автоматического измерения притоков воды
Известно несколько способов определения и прогнозирования шахтных притоков воды [4], базирующихся на статистических данных и стокообразующих факторах, каждый из которых может давать результаты с определенной точностью, Однако эти результаты — вероятностного характера, а сами методы не могут быть реализованы аппаратурно для автоматизации процесса.
Исследования способов измерения притока показали, что наиболее приемлемым как в отношении точности автоматических измерений, так и технической реализации является метод, основанный на определении притока по объему воды V, накопившейся в водосборнике за определенный
период времени Т:
(1)
где Q(t) — водоприток в период заполнения водосборника.
В шахтных условиях нет практической возможности измерять непосредственно объем воды. Однако его величину можно определить, зная уровень воды в водосборнике, чтобы затем рассчитать приток. При этом следует учитывать, что в общем случае площадь горизонтального сечения S водосборника изменяется по его высоте, и что одним и тем же объемам воды
на разных высотах водосборника соответствуют неодинаковые значения разности верхнего и нижнего уровней воды.
При постоянных значениях величины S по глубине водосборника среднее и мгновенное значения притока определятся по формулам:
(2)
,где (3)
разность
уровней воды в водосборнике за время его заполнения 
.
Определение мгновенных значений притока по формуле (3) на первый взгляд кажется довольно простым. Однако следует учитывать, что водосборники шахт — это горные выработки большой длины со значительной площадью горизонтального сечения. Поэтому, даже большие притоки приводят к незначительным отклонениям уровня воды, измерение которых практически затруднено.
Устройство автоматического
определения притока воды может разрабатываться на основе уравнения (2). При
этом возможны два способа определения притока: по времени заполнения
водой части водосборника между двумя фиксированными уровнями (при 
= const):
(4)
и по величине перепада
уровней воды в водосборнике за фиксированный период времени (
= const):
(5)
где 
и 
--
постоянные величины.
В рассмотренных способах
определения притока воды величины 
и 
рекомендуется
измерять в период заполнения водосборника. Однако эти же величины можно
измерять и при работающей насосной установке. Для такого случая
можно записать:
(6)
Qн — производительность водоотливной установки;
—
разность уровней воды в водосборнике за время 
работы водоотливной
установки.
В принципе можно определять приток на основании измерений, проведенных в период заполнения водосборника и частично в период работы водоотливной установки. Исходя из уравнений (5) и (6) и с учетом представительности каждого из измерений, получаем:
(7)
Полученное уравнение позволяет синтезировать систему автоматического контроля притока.
2 ОПИСАНИЕ И АЛГОРИТМИЗАЦИЯ КОНТРОЛЯ ПРИТОКА
2.1 Описание принципа работы устройства автоматического измерения притока и разработка алгоритма его работы
Способ определения величины притока по периоду времени заполнения известного объема водосборника использован при разработке датчика притока, принцип действия и алгоритм работы которого приведены ниже.
Пусть имеется некоторый водосборник объёмом V, который оборудован датчиками уровня, расходомером, установленном на нагнетательном трубопроводе, который учитывает расход Q откачанной воды.
Рассмотрим цикл работы водоотливной установки во время притока воды (см. рис 1).
Рисунок 2.1.1 Схема водосборника оборудованного промежуточными электродными датчиками уровня
При достижении воды верхнего датчика уровня ВУ насос Н откачает воду до следующего уровня 0,8. При этом расходомер Р определит Vву-0,8 и время откачки tву-0,8 при производительности Qн. Аналогично определяются параметры промежуточных уровней 0,8-0,6; 0,6-0,4; 0,4-0,2; 0,2-НУ. После того как вода опустится до НУ, выключится насос. После этого определим время притока tприт, заполняющего Vну-0,2. После получения основных параметров на основании теории Раздела 1 можно вывести зависимости:
, где (8)
Кп – коэффициент притока,
t0,2-ну – время откачки насосом воды объёма 0,2-НУ
tприт – время наполнения притоком воды объёма НУ-0,2.
Этот коэффициент показывает степень избыточности гидравлических мощностей водоотливной установки. Чем ниже Кп тем быстрей происходит опустошение водосборника.
,где (9)
-- истинный объём между уровнями
НУ и 0,2
-- объём откачанной воды между
уровнями НУ и 0,2 вместе с притоком
,
где (10)
-- объём притока, пришедшего во время откачки НУ-0,2
, где (11)
-- искомая скорость
притока, м³/c
(12) Общий объём откачанной воды. Как
видно из уравнений и описания принципа действия учёт времени 
происходит только до уровня 0,2 и нет необходимости ждать полного
самонаполнения водосборника. Этим повышается быстродействие определения
притока. Нахождение истинного объёма водосборника позволяет контролировать его
заиленность, если учитывать ежедневное его изменение. Также следует отметить,
что при применении расходомера производится полный учёт расхода откачанной
воды, который можно применять в расчётах эффективности работы водоотливной
установки предприятия, а также использовать в системах для автоматического
определения утечек напорного стволового трубопровода [4].
Имея
приведенные выше зависимости и принцип работы, составим алгоритм
автоматического контроля притока воды в водосборник. 
