Рисунок 1 – Первый ряд скважин
Подстилающий угольный пласт Суводол
Авторы: G. Blazeski1, V. Dilevski2
Автор перевода: Получистова М. В.
Источник (англ.): Automation System for the well drainage system at Coal Mine Underlying Seam Suvodol
1 Siskon Systems Engineering, Skopje, Republic of Macedonia, goran.biazeski@siskon.com.mk
2 Siskon Systems Engineering, Skopje, Repubiic of Macedonia, viadimir.dilevski@siskon.com.mk
Производство электроэнергии в Македонии в значительной степени зависит от угля. Таким образом, открытие новых угольных ресурсов является не только государственной необходимостью, но и важнейшей составляющей процесса производства электроэнергии в ГЭК Битола
. В этом отношении жизнеспособным примером системы, которая обеспечит запасы угля для будущей эксплуатации, является дренажная система из 19 скважин, оснащенных погружными насосами, и 9 измерительных станций для подземных подземных вод, расположенных на угольной шахте Суводол
, которая является частью горно-энергетического комплекса Битола
.
Было замечено, что существующий удаленный аспект такой системы создает трудности в ее постоянной эксплуатации и устранении неполадок. Поэтому для дистанционного управления и контроля дренажной системы была изготовлена специальная система автоматизации (SCADA).
Чтобы полностью удовлетворить новым требованиям, на каждой из скважинных станций была установлена сложная электронная система управления и контроля, состоящая из частотных преобразователей для управления насосами с регулируемой скоростью, программируемых логических контроллеров, устройств беспроводной связи и контрольно-измерительной аппаратуры: ультразвуковой, накладной расходомер, датчик уровня воды и анализатор качества воды.
Технология понижения уровня грунтовых вод предполагает применение каскадного ПИД-регулирования, которое обеспечивает необходимый расход и постоянный уровень грунтовых вод в течение более длительного периода с помощью постоянной адаптации частоты насоса-двигателя.
Контроль уровня воды по всему радиусу воздействия скважинных станций осуществляется 9 пьезометрическими станциями, оснащенными беспроводным устройством, ПЛК и датчиками уровня воды.
Все важные сигналы, которые дают информацию для фактического состояния скважинных станций и уровня воды в окружающей зоне, передаются в главный диспетчерский центр в угольной шахте посредством беспроводной линии связи в диапазоне 5 ГГц.
Система SCADA изготовлена на заказ и специально разработана для этой системы. Чертежи представляют фактические геологические профили, изображенные в пропорции местности, которая подвергается осушению, и ее угольных пластов, расположенных под землей. Фотографии динамичны и меняются в реальном времени. Все состояния, такие как технологические события, измерения в реальном времени, предупреждения и критические состояния тревоги, отображаются для операторов, что является большим преимуществом при непрерывной эксплуатации скважины.
Эта система в целом имеет большое значение для будущего срока службы и эксплуатации угольной шахты Суводол
.
Месторасположение базового угольного комплекса находится в ГЭК Битола, и, как угольная шахта, он имеет большое значение для выработки электроэнергии на ТЭС 1, 2 и 3 с установленной мощностью 233 МВт каждая. Тепловые электростанции в ГЭК «Битола» работают на полную мощность и участвуют в общем производстве электроэнергии в Республике Македония с 70-80%.
Наземный рудник Суводол расположен в 15 км к востоку от Битолы и простирается на площади 9 км2. Эксплуатация рудника Суводол началась в 1977 году, а в середине 1982 года началась добыча угля. Рудник Суводол был открыт в соответствии с проведенными в 1972-1974 годах исследовательскими работами и с 1975 года завершил разработку обработки запасов угля, которая определила и проверила геологические запасы около 175 000 000 тонн и использование 95% минерального сырья при соответственно 5% потерь, эксплуатационные запасы 161 000 000 тонн рассчитаны со средней долей угля и отходов 1:3,9. Угольный пласт имеет среднюю толщину 19,8 метра и расположен на глубине 30-100 метров.
Территория месторождения находится под основным производственным слоем эксплуатационного месторождения шахты Суводол и занимает площадь около 3 км2. Разработан основной проект разработки месторождения и разработки этого запаса угля и определены геологические запасы 55 000 000 тонн угля, из которых имеются эксплуатационные запасы 50 000 000 тонн угля с коэффициентом вскрыши 1:4,7 т3. Технология эксплуатации состоит из непрерывных систем ETS.
Планируемая годовая мощность около 6,5 млн. тонн угля, необходимого для работы трех блоков на ТЭС, должна быть получена с помощью совмещенных выемок и гомогенизации угля на трех участках: главный угольный пласт в Суводоле С. М., Брод Гнеотино С. М. и С. М. Глубокий подстилающий угольный пласт. Это связано, в первую очередь, с уменьшением запасов угля в СМ Суводол и необходимостью их заканчивания углем с других участков соответственно угольных шахт.
Посредством анализа и интерпретации выполненных исследований и исследований для основной серии углей, только два угольных пласта были выбраны как экономически интересные: нижний угольный пласт I и нижний угольный пласт II, соответственно, расположенные под основным продуктивным угольным пластом.
Первый нижележащий угольный пласт характеризуется сравнительно небольшой толщиной 4,5 метра и лежит непосредственно под районом основного продуктивного пласта в Суводоле, который уже раскопан или находится в процессе раскопок (близится к концу его запасов угля) и расположен на глубине от 2,5 до 35,0 метров от поверхности. Второй угольный пласт (основной угольный пласт в лежащем в основе угольном ряду) расположен на расстоянии 50 + 100 метров от поверхности, отделенный от первого пласта серией пыльных песков. Основным отличием здесь является то, что он имеет непрерывное расширение, с переменной толщиной и в определенных местах подразделяется на несколько более тонких швов.
Основной проблемой перед раскопками угля является успешное обезвоживание подземных вод. Первым шагом было правильное расположение скважин, чтобы добиться эффективного обезвоживания пострадавшего района.
На первом этапе этих крупных инвестиций было пробурено 19 скважин и 9 пьезометров различной глубины в соответствии с основным геологическим и горным проектом. Там установлены 19 погружных насосов в каждой из скважин с различной мощностью на разных глубинах, согласно тестам и оценкам эффективности. Скважины расположены в два ряда:
Первый ряд: состоит из 12 скважин, скважины с номерами от 1 до 12 и 5 станций пьезометров
Рисунок 1 – Первый ряд скважин
Второй ряд: состоит из 7 скважин, скважины с номерами от 13 до 19 и 2 станции пьезометра
Рисунок 2 – Второй ряд скважин
Пьезометры расположены таким образом, чтобы предоставлять достоверную информацию об уровне грунтовых вод во всей области, на которую влияет система скважин.
Из-за характера процесса обезвоживания и ожидаемого радиуса подземного обезвоживания, а также прочности и структурной целостности конструкции скважины наложены технологические ограничения работы насоса.
Каждый насос имеет асинхронный 3-фазный двигатель. Мощность двигателей в различных насосах и скважинах варьируется от 5,5 кВт до 18,5 кВт при 400 В переменного тока. Каждый двигатель имеет номинальную частоту 50 Гц.
Предпосылками успешного функционирования систем контроля и управления являются:
На каждой скважинной станции установлено:
На каждой станции пьезометра установлено:
Желаемый эффект от обезвоживания заключается в равномерном и постоянном снижении уровня грунтовых вод во всей области, на которую воздействует система скважин. Таким образом, насос должен быть в состоянии не опорожнять скважину в течение короткого периода времени, наоборот, вода должна откачиваться медленно, достигая желаемого уровня в подземных условиях и поддерживая этот уровень.
Эти технологические требования требуют применения регулирования производительности насоса, которое обусловлено несколькими факторами:
Другим ограничением является рекомендация поставщика насоса относительно диапазона регулирования частоты погружного насоса, который в данном случае составляет от 30 Гц до 50 Гц, чтобы избежать механического воздействия и повреждения насоса.
Учитывая эти технологические проблемы, была разработана интегрированная, изготовленная на заказ, система автоматизации для регулирования насоса, диспетчерского управления и сбора данных.
Регулирование производительности насоса осуществляется приводом с регулируемой скоростью. Частота, которая подается на двигатель преобразователем частоты производителя SIEMENS типа MICROMASTER 430, рассчитывается на программируемом логическом контроллере (тип ПЛК SIEMENS SIMATIC S7-1200) и передается в качестве уставки на преобразователь посредством PROFIBUS DP протокол промышленной последовательной связи.
Расчет частоты требует техники регулирования двух каскадных ПИД-регуляторов, которая выполняется на ПЛК. Выходные данные этого алгоритма дают частоту насоса, которая будет удовлетворять ограничениям и желаемым значениям уровня подземной воды и желаемого потока.
Эта концепция требует двух сигналов обратной связи. Один сигнал поступает от измерительного преобразователя уровня воды – SIEMENS SITRANS P MPS, который работает по принципу гидростатического давления, а второй – от сигнала потока, который рассчитывается с помощью ультразвукового расходомера – SIEMENS SITRANS FST 020.
Первый ПИД-регулятор является главным контроллером для замкнутой системы. Уставка в главном контроллере – это требуемый уровень подземных вод, который задается инженером-геологом с панели оператора локально или через интерфейс SCADA в диспетчерском центре. Обратная связь – это сигнал тока 4-20 мА от датчика уровня воды.
Второй ПИД-регулятор является подчиненным контроллером и внутренним контуром управления от каскадных ПИД-регуляторов. Уставка для этого контроллера – требуемый поток – также задается инженером-геологом с панели оператора на месте или с интерфейса SCADA в диспетчерском центре.
Обратная связь для внутреннего контура представляет собой сигнал тока 4-20 мА от ультразвукового накладного расходомера. Выходной сигнал структуры регулирования задает заданную частоту для привода с переменной скоростью, который передается по протоколу промышленной последовательной шины.
Существует ситуация, когда частота насоса составляет 30 Гц, и из-за низкого уровня подачи подземной воды насос все еще опорожняет скважину ниже желаемого уровня уставки. На этом этапе регулирование переходит от каскадного ПИД к гистерезисному контролю. Когда уровень воды достаточно высок над желаемой уставкой уровня, насос снова запускается с непрерывным регулированием и так далее.
Алгоритм регулирования описывается следующей структурой управления:
Рисунок 3 – Структура системы управления насосом
Для обеспечения функций удаленного управления, мониторинга работы и управления системой обезвоживания необходимо обеспечить в режиме реального времени сигнализацию и сбор следующих данных:
Каждая из скважинных и пьезометрических станций оснащена устройствами беспроводной связи – SIEMENS SCALANCE Industrial WLAN, тип W700. Беспроводная связь соответствует стандарту IEEE 802.11h для промышленных приложений в диапазоне свободных частот 5 ГГц. Этот тип беспроводной связи обеспечивает быстрое и надежное среднее значение передачи данных со средней пропускной способностью 20 Мбит / с.
Для беспроводного сигнала на расстоянии 1 км и более была установлена антенная вышка, которая выступает в качестве основного узла для успешной беспроводной передачи данных в главный диспетчерский центр в угольной шахте Суводол.
Данные принимаются сервером SCADA. Для этой системы в программном обеспечении SIEMENS Simatic WinCC SCADA было разработано приложение для визуализации, управления, мониторинга, отчетности и регистрации аварийных сигналов.
Визуализация SCADA сделана удобной для пользователя, так как она проста, так как функциональность одним щелчком мыши и интуитивно понятное управление и контроль для операторов возможны без специальных знаний о технологии благодаря полностью автоматизированной работе и дизайну отображаемых экранов.
Мониторинг, аварийные сигналы и уведомления о событиях оказывают огромную помощь обслуживающему персоналу для быстрого и простого обнаружения неисправностей и непрерывной работы системы.
Был сделан обширный функционал генерации отчетов. Отчеты ежедневно; еженедельная и ежегодная информация о наиболее важных параметрах для мониторинга и анализа дренажной системы скважины. Отчеты дают геологам и инженерам по горному делу конкретные данные о поведении, динамических и статических характеристиках подземных вод, которые являются основой для принятия решений при дальнейших раскопках, а также общее представление о поведении подземных вод, полезных для будущей деятельности в угольной шахте.
Изображения экранов SCADA:
Рисунок 4 – Главный дисплей SCADA 1
Рисунок 5 – Главный дисплей SCADA 2
Рисунок 6 – линия Скважина 13 - Скважина 19
Рисунок 7 – Выбор, управление и мониторинг скважинной станции
Основываясь на накопленном опыте, был достигнут ряд полезных эффектов: