Рисунок 1 – Рабочий режим водоотливной установки
Авторы: Получистова М.В., студ.; Федюн Р.В., доц., к.т.н.
Источник: Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых
/ Сборник научных работ ХVI научно-технической конференции аспирантов и студентов в г. Донецке 25-26 мая 2017 г. – Донецк, ДонНТУ, 2017. – 341 с.
Водоотлив горных предприятий является важнейшим элементом всего комплекса горнотехнического оборудования, а его надежная работа определяет возможность ведения безопасных горных работ по добыче полезных ископаемых. На сегодняшний день главная водоотливная установка является крупным потребителем электроэнергии (около 25% общего расхода энергии шахты). Экономичная работа водоотливных установок горных предприятий и рациональный режим их электропотребления существенно влияют на экономику предприятия и отрасли в целом.
Известно, что рабочие параметры водоотливной установки являются непостоянными в процессе эксплуатации[5]. Объясняется это тяжелыми условиями эксплуатации, особенно перекачиванием кислых и загрязненных вод.
Опыт эксплуатации водоотливных установок показывает, что на надежность и экономичность функционирования водоотлива существенно влияют неисправности ряда элементов трубопроводной сети. Это, в первую очередь, относится к работе всасывающего трубопровода, а именно приемного устройства (приемная сетка и приемный клапан). В результате увеличиваются сопротивление и вакуум в подводящем трубопроводе, что приводит не только к снижению экономичности насоса, но и зачастую к полной потере его работоспособности из-за возникновения кавитационных режимов и разрушений рабочего колеса. К такому же результату приводит незначительная разгерметизация подводящей части трубопровода. Отрицательное влияние кавитации на водоотливную установку проявляется в увеличении потерь энергии, усилении шума и вибрации, износа рабочих колес вследствие кавитационной эрозии.
Все существующие системы автоматического управления водоотливом (ВАВ, ВАВ-1м) имеют общий недостаток – они не учитывают динамических свойств составных частей водоотливной установки и динамических процессов, происходящих в них.
Все серийные системы автоматизации водоотлива строятся по дискретным схемам и осуществляют управление водоотливной установкой в функции уровня воды в водосборнике[3,4]. Анализ существующих систем автоматизации водоотлива угольных шахт показал, что они не обеспечивают эффективное управление водоотливом в динамических режимах работы, кроме того, не обеспечивается возможность регулирования производительности насосной установки. Таким образом, вопросы управления главной водоотливной установкой угольной шахты являются актуальными.
На режим работы водоотливной установки оказывают влияние ряд параметров, которые определяют ее текущее состояние:
Анализ влияния этих параметров на режим работы водоотлива показывает его неоднозначность. Каждый параметр определенным образом влияет на рабочий режим водоотлива, однако, можно выделить три группы параметров: условно-постоянные, возмущающие, управляемые.
Условно-постоянные параметры или остаются неизменными, или незначительно и медленно изменяются в процессе эксплуатации. К данной группе параметров относятся такие технические характеристики водоотлива, как dВ, dH, LВ, LH, N, η, HВ, HГ, которые определяют собственные динамические свойства объекта управления и применяются при определении постоянных времени и коэффициентов передачи элементов водоотлива.
Управляемые параметры – это такие переменные, воздействие на которые позволяет получать требуемые режимы работы объекта управления. Для водоотливной установки это следующие переменные: Q, H. Как известно, водоотливные установки угольных шахт, как правило, оснащаются центробежными секционными насосами. В этом случае управляемые параметры Q, H взаимосвязаны. Это приводит к тому, что при воздействии на один из управляемых параметров будут изменяться и другие управляемые параметры. Поэтому необходимо учитывать эту особенность при разработке принципов управления водоотливом.
На водоотливную установку действует такое возмущающие воздействие, как часовой приток шахты QП.
Рабочий режим водоотливной установки графически определяется точкой пересечения рабочих характеристик насоса и нагнетательного трубопровода. Приведенные на рисунке 1 рабочие параметры насосной установки Qр и Hр являются основными параметрами и относятся к управляемым. Однако режим работы водоотливной установки определяется всеми рассмотренными параметрами.
Точка А на рисунке 1 обозначает расчетный режим работы насоса с характеристикой HН=f(Q) на напорный трубопровод с характеристикой HТ=f(Q). Однако в процессе эксплуатации происходит изменение рабочего режима и его параметров из-за воздействия рассмотренных возмущений и под действием внешних условий. Поэтому получаем не рабочую точку, а рабочую область ABCD – рисунок 2.
Рисунок 1 – Рабочий режим водоотливной установки
Рисунок 2 – Рабочая область водоотливной установки
Изменение параметров рабочей точки в процессе эксплуатации под воздействием внешних возмущений необходимо учитывать при разработке системы автоматического управления.
Исходя из проведенного анализа системы автоматического управления объектом, был предложен вариант концепции создания замкнутой системы с обратной связью (рис. 3). Объектом управления выступает водоотливная установка, выходными переменными которой являются уровень воды hв, напорная характеристика насоса НН, напорная характеристика трубопровода НТР и давление воды РВ. На объект действует возмущающее воздействие – часовой приток шахты QП. Управление выходными переменными осуществляется с помощью задвижки, главным параметром которой служит угол её открытия φ и может изменяться в пределах от 0 до 90 градусов, и частоты вращения приводного электродвигателя w.
Рисунок 3 – Концепция структурной схемы создаваемой системы управления
Управление параметрами рабочего режима насосной установки в данном случае будет осуществляться сочетанием двух способов: изменением частоты вращения приводного электродвигателя с помощью тиристорных преобразователей частоты и изменением характеристики сети с помощью управляемой задвижки.
Разработанная концепция системы должна давать такие результаты:
Таким образом, целью данной разработки является повышение эффективности функционирования водоотливной установки шахты за счет разработки системы автоматического управления, что позволит продлить срок службы технологического оборудования, повысить надежность и безопасность, а также уменьшить эксплуатационные расходы на процесс водоотлива.