Тарасенко Дмитрий Владимирович

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• 1. Актуальность темы
• 2. Цель магистерской диссертации и задачи исследований
• 3. Анализ и требования к системе насосной станции водоотлива шахты как объекта автоматического управления
• 4. Анализ существующих научно–технических решений по автоматизации насосных станций водоотлива шахты
• 4.1 Системы автоматического управления насосной станцией водоотлива шахты
• 4.2 Автоматическое регулирование подачи водоотливной установки насосной станции
• 4.3 Автоматическое управление насосной станцией водоотлива с учетом периодов максимальной нагрузки энергосистемы
• 4.4 Автоматическая защита насоса водоотливной установки от кавитации
• 4.5 Технический учет потребленной электроэнергии водоотливной установкой
• 5. Некоторые результаты теоретических исследований для определения переменных параметров и режимов работы автоматизированной насосной станции
• 5.1 Обоснование способа согласования режимов работы насосных станций при их автоматическом управлении
• 5.2 Исследования на ЭВМ системы САР водоотливной установки с управляемой задвижкой
• 5.3 Разработка схемотехнических решений по системе автоматического управления насосной станцией водоотлива шахты
• Список источников

1. Актуальность темы

Одним из вспомогательных технологических процессов угольных шахт является технологический процесс водоотлива. Это многомерный, многосвязный и энергоемкий технологический процесс. На протяжении многих десятилетий и в настоящее время различными научно–техническими работниками, и организациями выполнялись работы по повышению эффективности процесса водоотлива, и надежности насосного оборудования.

Одним из направлений такой работы является автоматизация насосных станций водоотлива шахты. Существующие системы автоматизации имеют ряд недостатков с точки зрения рассматриваемой проблемы. Применение современных методов научных исследований, программных продуктов и микропроцессорной техники позволит обосновать функциональные возможности, и разработать новые, высокоэффективные системы автоматического управления насосной станцией водоотлива шахты, поэтому тема магистерской диссертации является актуальной.

2. Цель магистерской диссертации и задачи исследований

Целью магистерской диссертации является научное обоснование способа и алгоритма управления и на этой основе создание системы автоматического управления насосной станции водоотлива шахты, повышающей его эффективность.

Задачи исследований:

1. Выполнить анализ насосной станции водоотлива шахты как объекта автоматического управления и сформулировать требования к системе автоматического управления насосной станцией водоотлива шахты.
2. Разработать математические модели определения переменных параметров и режимов работы насосной станции, которые могут быть использованы при автоматическом управлении насосной станцией водоотлива шахты.
3. Выполнить исследования на ЭВМ системы автоматического регулирования водоотливной установки как объекта автоматического управления.
4. Разработать алгоритм управления и на его основе обосновать структуру и схемотехнические решения по системе автоматического управления насосной станцией водоотлива шахты.

3. Анализ и требования к системе насосной станции водоотлива шахты как объекта автоматического управлени

Технологический процесс шахтного водоотлива предназначен для удаления воды с горных выработок на поверхность шахты. Водоотлив осуществляется с помощью водоотливных установок (насос с приводным электродвигателем и трубопроводными коммуникациями). На шахте различают следующие водоотливные установки: главные, откачивающие на поверхность шахты водоприток всей шахты, и участковые, перекачивающие воду с нижележащих горизонтов на верхний горизонт, где расположена главная насосная станция. Водоотливные установки устанавливаются в насосных станциях водоотлива.

Существуют различные схемы водоотлива [13]. В магистерской диссертации рассматривается технологическая схема водоотлива, которая приведена на рисунке 1. Водоотлив осуществляется с двух горизонтов — гор.1 и гор.2. На горизонте гор.2 расположена участковая насосная станция (далее по тексту УНС), а на горизонте гор.1 — главная насосная станция (ГНС). Водоотлив осуществляется следующим образом (см. рисунок 1). Вода, поступающая из забоев и выработанного пространства, собирается в водоотливные канавки, по которым безнапорным потоком, через предварительный отстойник (на рисунке 1 не показан), направляется в водосборник 2 насосной станции УНС. Из водосборника 2 вода водоотливной установкой по трубопроводу напорным потоком перекачивается на верхний горизонт (гор.1) в водосборник 1 насосной станции ГНС, водоотливные установки которые перекачивают воду на поверхность шахты в специальный отстойник. Основным возмущающим фактором, действующим на состояние водоотливной установки, является шахтный приток, влияющий на изменения уровня воды в водосборнике, причем для участковой насосной станции его величина во временном промежутке не значительна, а для главной насосной станции приток определяется подачей насоса участковой насосной станции, что может составлять 250 м³/ч и более.

Проектирование и эксплуатация водоотливных установок осуществляется в соответствии с требованиями Правил безопасности в угольных шахтах [2].

Основные требования следующие.

Конкретное число водоотливных установок определяется техническим расчетом в зависимости от притока воды. Подача каждого насоса или группы насосов, не считая резервных, должна обеспечивать откачку максимального суточного притока воды не более чем за 20 ч.

Главная насосная станция должна имеет как минимум два трубопровода — рабочий и резервный. Подключение насоса к трубопроводу осуществляется с помощью управляемой задвижки. Вместимость водосборника главной насосной станции должна быть рассчитана не менее чем на 4–часовой максимальный приток без учета заиления. Водосборник должен поддерживаться в рабочем состоянии — его заиление не должно превышать 30% объема.

Участковые насосные станции водоотлива также состоят из водоотливных установок и водосборника. Минимальное количество водоотливных установок — одна рабочая и резервная. Общее количество участковых водоотливных установок должны определяться проектом. Для участковых насосных станций допускается иметь один трубопровод. Вместимость водосборника должна быть рассчитана не менее чем на 2–часовой максимальный приток без учета заиления. Водосборник должны поддерживаться в рабочем состоянии — его заиление не должно превышать 30% объема.

В качестве насосов водоотливных установок применяются секционные центробежные насосы типов ЦНС, ЦНСК, ЦНСШ, НШС и др. [3]. Подача насосов и развиваемый напор имеют различные типовые значения. Выбор подачи насосов производить в соответствии с данными об ожидаемых водопритоках. Как правило на участковых насосных станциях применяются менее мощные насосы, например, типа ЦНС 180–340, т.е. эти насосы развивают подачу 180 м³/ч и напор 340 м. вод. столба. На главных насосных станциях применяют более мощные насосы, например, типа ЦНС 360–600.

Насосы водоотливных установок работают на трубопроводную сеть с положительной геометрической высотой водоподъёма.

Каждый тип насоса имеет индивидуальные рабочие характеристики, которые в процессе эксплуатации насоса изменяются по причине сложных условий эксплуатации насосов при перекачивании кислых и загрязненных вод, а, следовательно, изменяются и значения рабочих параметров насоса (подача, напор, коэффициента полезного действия), что приводит к снижению эффективности работы водоотливной установки, возникновению отказов насосного оборудования. Поэтому требуется постоянный инструментальный контроль рабочих параметров насоса, анализ соответствия или отклонения текущих значений параметров от заданных (расчетных) значений.

Анализ отказов и причин их возникновения свидетельствуют, что в период эксплуатации водоотливной установки возникают как внезапные, так и постепенные отказы [12]. Внезапные отказы связанны с дефектами заводского изготовления, качеством монтажа и обнаруживаются преимущественно в период приработки оборудования. Постепенные отказы имеют место в режиме эксплуатации и связанны с эксплуатационным износом узлов водоотливной установки. Так, в каждом режиме работы водоотливных установок существуют аварийные ситуации. В частности, при пуске водоотливной установки могут возникнуть следующие аварийные ситуации:

• кавитация в насосе;
• выход рабочего режима насоса из зоны промышленного использования;
• снижение подачи и напора ниже допустимых значений;
• порыв нагнетательного трубопровода;
• опасный гидравлический удар;
• перегрев подшипников насоса и приводного электродвигателя;
• аварии приводного электродвигателя.

При остановке насосного агрегата может возникнуть ситуация не закрытие задвижки на нагнетательном трубопроводе основного насоса и соответственно возникновение опасного гидравлического удара. Опасный гидравлический удар приводит к разрушению трубопроводной сети и конструкции насоса.

Потому требуется постоянный контроль текущих режимов работы насосного агрегата, их соответствия расчетным режимам.

В качестве приводных электродвигателей насосов применяются нерегулируемые асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором серии ВАО. Например, для насоса ЦНС 180–340 применяется электродвигатель типа ВАО2–450–250/380–2 У2 с уровнем взрывозащиты IExdIIBT4, мощностью 250 кВт, частотой вращения 3000 об/мин, напряжением питания 660 В. Если же насос является мощным, например, типа ЦНС 300–600, то тогда применяются высоковольтные приводные асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором, например, серии ВАО типа ВАО2–560–800–2Д У2 с уровнем взрывозащиты IExdIIBT4, мощностью 800 кВт, частотой вращения 3000 об/мин, напряжением питания 6 кВ. Для управления указанными электродвигателями используют либо магнитные пускатели для низковольтного электродвигателя, либо высоковольтные комплектные распределительные устройства (высоковольтные ячейки) для высоковольтного электродвигателя. Насосные станции водоотлива является крупными электропотребителем, их суммарная мощность составляет в среднем 20% от установленной мощности шахты. Так как водоотливные установки имеют независимый от технологии добычи график работы в течение суток, то насосные станции водоотлива могут выступать в качестве потребителей регуляторов в системе электроснабжения шахты, включением — отключением которых возможно снизить величину заявленной мощности предприятия, а также неравномерность графика нагрузки энергосистемы [3]. Таким образом, при управлении электроснабжением шахты необходимо осуществлять технический учет потребленной электроэнергии водоотливной установкой, так как важно знать текущие значения энергопотребления установкой для использования её в качестве потребителя–регулятора.

Также следует отметить, что при наличии автоматического регулирования режима работы водоотливной установки можно:

• кавитация в насосе;
• повысить технико–экономические показатели водоотлива в результате снижения установленной мощности насосных агрегатов, а следовательно уменьшения капитальных затрат и эксплуатационных расходов на водоотлив;
• снизить расходы электроэнергии на преодоление гидравлического сопротивления в трубопроводе в результате уменьшения средней скорости потока;
• повысить надежность водоотлива из–за уменьшения количества пусков агрегатов и поддержания устоявшихся режимов работы оборудования.

Таким образом, требования к системе автоматического управления насосной станцией водоотлива шахты следующие:

1. Система должна быть выполнена на микропроцессорной элементной базе и иметь три уровня управления:

• нижний уровень системы должен включает в себя полевое оборудование: датчики, исполнительные устройства, пусковую аппаратуру;
• средний уровень системы должен содержать программируемые контроллеры, к модулям входа/выхода которых должно подключаться полевое оборудование. Обмен данными между оборудованием нижнего уровня и локальными контроллерами должно осуществляться через проводное соединение по электрическому кабелю;
• верхний уровень системы должен содержать, который служит для визуализации протекания технологического процесса водоотлива и управления им, ведение суточных и формирование архивных протоколов (в виде текстовых файлов) о значениях рабочих параметров водоотливных установок и работе технологического оборудования, хранение в памяти компьютера (сервера) текущих суточных и архивных протоколов, их просмотр и печать.

2. Система должна обеспечить три вида управления:

• местное управление, при этом управление технологическим оборудованием должно осуществляться с пульта управления оператора насосной станции с помощью кнопок на его лицевой панели;
• дистанционное управление, при этом должно осуществляться ручное управление с компьютера диспетчера шахты с помощью панели клавиш;
• автоматическое управление, при этом управление должно осуществляться по заданному алгоритму в зависимости от уровня воды в водосборнике, без вмешательства диспетчера шахты.

3. Система должна осуществлять:

• включение и отключение коммутационной аппаратуры приводных электродвигателей главных насосов и погружного (заливочного) насоса;
• включение и отключение коммутационной аппаратуры приводного электродвигателя задвижки (открытие, закрытие задвижки) на нагнетательном трубопроводе водоотливной установки;
• автоматическое включение резервного насоса при отказе рабочего;
• запрет включения в работу неисправного насоса.

4. Система должна осуществлять автоматический контроль следующих параметров и режимов:

• приток воды в водосборник;
• аналоговый уровень воды в водосборнике;
• наличие заливки водой основных насосов перед их включением;
• подача насоса;
• давление воды в нагнетательном трубопроводе на выходе насоса;
• вакуумметрическое давление во всасывающем трубопроводе насоса;
• технический учет расход электроэнергии водоотливной установкой;
• температуру подшипников насоса и приводного электродвигателя;
• положение задвижки на нагнетательном трубопроводе (открыта или закрыта);
• состояние коммутационной аппаратуры приводного электродвигателя основного насоса (включена, выключена);
• время работы водоотливной установки.

5. Система должна обеспечить следующие виды защит:

• при развитии кавитации в насосе;
• от перегрева подшипников;
• гидравлическую защиту по расходу воды;
• при заклинивании задвижек;
• невозможность повторного пуска неисправной водоотливной установки без вмешательства обслуживающего персонала.

6. Система должна подавать звуковую и световую сигнализацию о режимах работы водоотливной установки, а также вывод информации на световое табло оператора насосной станции о текущем уровне воды в водосборнике, наличия и видах неисправности водоотливной установки.

7. Система должна передавать данные (при необходимости команды управления) в (от) промышленный компьютер на пульте управления горного диспетчера шахты для визуализации работы насосной станции и управления ею, формировании базы данных, архивацию данных и при необходимости формирования печатных форм за определенный период времени.

8.* Система должна управлять насосной станцией с учетом периодов максимальной нагрузки энергосистемы.

9.* Система должна осуществлять автоматическое регулирование подачи водоотливной установки.

10. Система должна взаимодействовать через локальную промышленную сеть с Системами других насосных станций, если эти станции гидравлически взаимосвязаны.

Требования, помеченные звездочкой, должны быть приняты для системы автоматического управления насосной станции путем технико–экономического обоснования для условий водоотлива конкретной шахты.

Так, требование 8 — управление насосной станцией с учетом периодов максимальной нагрузки энергосистемы, по нашему мнению, может быть принято только для системы автоматического управления главной насосной станцией водоотлива шахты, так как она является наиболее энергоемкой по сравнению с участковой насосной станцией и её отключение в период максимальной нагрузки в энергосистеме позволить достичь необходимого результата. Кроме того, водосборник главной насосной станции имеет больший объем для накопления воды на период остановки водоотливной установки.

Требование 9 — автоматическое регулирование подачи водоотливной установки может быть принято, по нашему мнению, только для системы автоматического управления участковой насосной станции водоотлива шахты, так как насосы главной насосной станции перекачивают воду на высоту практически максимальную по возможностям существующих типоразмеров насосов, что обуславливает малую глубину регулирования. Регулирование подачи насосной станции участковой насосной станции позволит изменять приток воды в водосборник главной насосной станции, что в некоторых случаях может быть необходимым, например, при создании свободного объема водосборника для накопления воды на период остановки насосов главной насосной станции как потребителей регуляторов системы электроснабжения.

4. Анализ существующих научно — технических решений по автоматизации насосных станций водоотлива шахты

4.1 Системы автоматического управления насосной станцией водоотлива шахты

В настоящее время разработаны различные системы автоматического управления насосной станцией водоотлива шахты. В работе проанализированы функциональные и аппаратные возможности основных, по нашему мнению, современных систем управления для использования их в рассматриваемой технологической схеме водоотлива шахты, в частности: Система управления водоотливной установкой [4]; Аппаратура автоматизации шахтного водоотлива типа ААВ [5]; Автоматизированная система управления водоотливом шахты типа АУНС [6]; Автоматизированная система контроля и управления водоотливной установкой типа АСКУ ВУ [7]; Автоматизированная система управления водоотливными установками и насосными станциями АСУВ Каскад [8]; Автоматизированная система контроля и управления главными высоковольтными, низковольтными и одиночными водоотливными установками [9]; Автоматизированная система управления АСУ Водоотлив [10]; Автоматическая система управления водоотливными установками типа АСУВ [11].

В результате анализа установлено, что все системы управления выполнены на микропроцессорной элементной базе, имеют трехуровневую структуру управления, что соответствует поставленным в работе требованиям к системе автоматического управления насосной станцией водоотлива шахты. Однако по функциональным возможностям ни одна из систем управления в полной мере не соответствует поставленным в работе требованиям к системе автоматического управления насосной станцией водоотлива шахты. В частности, отсутствует:

• функция автоматического регулирования режима работы водоотливной установки;
• защита насоса при развитии кавитации;
• контроль аналогового уровня воды в водосборнике;
• контроль расхода электроэнергии водоотливной установкой.

Поэтому для разработки новой системы автоматического управления насосной станции водоотлива требуется научно–техническое обоснование реализации указанных функций.

Несмотря на это, автоматизированная система управления АСУ Водоотлив может быть использована для автоматического управления главной насосной станцией водоотлива шахты, так как одной из функций системы является управление насосами с целью создания естественных условий их не включения на период максимума нагрузки энергосистемы. При этом дополнительно к системе управления АСУ Водоотлив должно применяться устройство автоматической защиты насоса от кавитации и устройство контроля расхода электроэнергии водоотливной установкой. Как указывалось ранее, устройство автоматического регулирования режима работы водоотливной установки главной насосной станции не требуется.

Для участковой насосной станции также может быть использована система управления АСУ Водоотлив. При этом дополнительно к системе управления АСУ Водоотлив должно применяться устройство автоматического регулирования режима работы водоотливной установки и устройство контроля расхода электроэнергии водоотливной установкой.

4.2 Автоматическое регулирование подачи водоотливной установки насосной станции

Существуют различные способы регулирования режима работы насоса [2], в частности:

• дросселирование трубопроводной сети;
• сброс части воды из напорного трубопровода в водосборник;
• подвода расчетного количества воздуха ко всасу насоса;
• плавного изменения частоты вращения рабочего колеса насоса.

В результате анализа эффективности применения каждого из указанных способов к шахтным водоотливным установкам установлено, что наиболее приемлемым за счёт простоты и дешевизны реализации является способ дросселирование потока воды в напорном трубопроводе насоса путем регулирования задвижки. Хотя данному способу регулирования присущи недостатки, основным из которых являются:

• повышенный абразивный износ проточной части и регулирующего органа дросселя;
• значительные потери напора на дросселе при маневрировании затвором;
• существенно нелинейная статическая характеристика.

Устройство для автоматического регулирования подачи водоотливной установки насосной станции шахты путем дросселирования трубопроводной сети в настоящее время отсутствует.

4.3 Автоматическое управление насосной станцией водоотлива с учетом периодов максимальной нагрузки энергосистемы

Существуют три варианта автоматического управления насосной станцией водоотлива с учетом периодов максимальной нагрузки энергосистемы [3]:

• принудительное включение водоотливной установки с дальнейшим регулированием скорости откачки воды;
• регулирование работы водоотливной установки по трем точкам;
• принудительное включение водоотливной установки по времени.

В результате анализа установлено, что наиболее приемлемым является способ принудительного включения водоотливной установки насосной станции по времени.

Суть способа заключается в следующем. Время работы водоотливной установки состоит из циклов (T_ц). В течении времени Т_з водосборник объемом V_в заполняется водой притоком воды (прямая А–В на рисунке 2). При достижении верхнего уровня воды в водосборнике (точка В) аппаратура автоматизации автоматически включает в работу водоотливную установку, и вода откачивается с водосборника (цикл T_р, прямая Б–В). При достижении уровня воды в водосборнике нижнего уровня (точка В) водоотливная установка автоматически выключается. Далее цикл повторяется (В–Д’–Ж). При этом, как видно из графика, водоотливная установка работает в течении времени Т_м — время максимальной нагрузки на систему электроснабжения шахты, что приводит к перерасходу электроэнергии, потери её качества. Время Т_м для энергосистемы устанавливаются заблаговременно, поквартально (сезонно). При применении управления водоотливной установкой путем принудительного включения по времени, предварительно задается время t_вкл, при достижении которого водоотливная установка включается независимо от уровня воды в водосборнике и откачивает воду (прямая Г–Д). Время t_вкл выбирается таким образом, чтобы к началу периода Т_м водосборник был пуст или имел такой объем свободной емкости, чтобы при не работающем насосе водосборник за время Т_м не переполнился водой. Т_ем самым исключается работа водоотливной установки в период максимальной нагрузки на систему электроснабжения шахты.

4.4 Автоматическая защита насоса водоотливной установки от кавитации

Как известно, причиной возникновения кавитации является свойство жидкости к кипению (фазовому переходу) при нормальной температуре в условиях низких давлений. Появлению кавитации способствует растворенный в воде воздух, который выделяется при уменьшении давления [14].

В настоящее время нет достаточно надежных методов обнаружения кавитации, позволяющих точно фиксировать момент ее возникновения. О появлении кавитации судят по ее вторичным признакам. Так, для определения начала кавитации и оценки ее развития могут использоваться следующие способы: энергетический; виброакустический; эрозионный и визуальный.

В результате анализа установлено, что наиболее приемлемым для инструментального контроля является энергетический способ. При этом способе началом кавитации считается снижение подачи насоса и увеличение вакуумметрического давления во всасывающем трубопроводе насоса. Следует отметить, что формирование информации о начале развития кавитации возможно при достижении воды в водосборнике определенного уровня воды h_к, соответствующего расчетному значению кавитационного запаса применяемого насоса. Это необходимо для исключения ложного срабатывания при кратковременных изменений рабочего режима насоса по другим причинам, вызывающих колебания подачи насоса и вакуумметрического давления во всасывающем трубопроводе насоса, например при засорении всасывающего устройства. Уровень h_к может быть ниже отключающего уровня системы автоматического управления водоотливной установки, чем достигается увеличении объема откачивающей воды водоотливной установкой.

Устройство для автоматической защиты насоса водоотливной установки от кавитации в настоящее время отсутствует.

4.5 Технический учет потребленной электроэнергии водоотливной установкой

Для управления водоотливной установкой насосной станции, как потребителем–регулятором системы электроснабжения шахты необходимо осуществлять технический учет потребленной электроэнергии водоотливной установкой. Этот вид контроля может быть реализован при наличии соответствующих контрольно–измерительных устройств. Однако в настоящее время это является проблемой, так как приводной электродвигатель насоса водоотливной установки коммутируется высоковольтной ячейкой, как правило, типа КРУВ–6, в которой число первичных датчиков недостаточно, чтобы реализовать стандартные схемы измерения активной мощности, потребляемой электроприемником, подключенным к трехфазной электрической сети шахты. Так, в ячейке КРУВ–6 встроен трансформатор напряжения TV (тип НОЛ.11–605) мощностью S_н=400 ВА, подключённый к двум фазам высоковольтной сети, соответственно имеется вывод только одного вторичного линейного напряжения U_АС=100В. Для стандартного подключения контрольно–измерительных устройств мощности и расхода электроэнергии (схема Арона), необходимы выводы двух линейных напряжений. При включённой ячейке КРУВ – 6, нагрузка TV составляет 7–10% S_н, то есть режим близок к режиму холостого хода, из этого следует, что относительная погрешность TV будет находиться пределах 0,5–1%. Также, в ячейках КРУВ–6 встроены два трансформатора тока TТ1 и ТТ2 (типа ТОЛК–6–1), соответственно имеются выводы двух вторичных токов (I_2A=I_2C=0–5А). Нагрузкой трансформаторов токов являются электромагнитные реле максимальной токовой защиты. Данная схема включения нагрузки приводит к значительному снижению стабильности и класса точности TТ (примерно 2–3%), что не приемлемо для контрольно–измерительных устройств мощности и расхода электроэнергии. Таким образом, при существующей схеме выводов высоковольтной ячейки КРУВ–6 (вывод вторичного напряжения U_2АС=100В и выводы токов I_2A, I_2C) должны быть обоснованы способы нестандартного подключения контрольно–измерительных устройств мощности к данной ячейке. В настоящее время известна разработка высоковольтной ячейки КРУВ–6 ДВМП, которая, как указано в руководстве по эксплуатации, осуществляет измерение величины мощности, потребляемой нагрузкой, и расхода электроэнергии для технического учета потребленной электроэнергии [11]. Однако, указанные ячейки пока не применяются на шахтах Донбасса, а контроль и учет расхода электроэнергии водоотливными установками необходим, что требует поиска научно–технических решений указанной проблемы.

5. Некоторые результаты теоретических исследований для определения переменных параметров и режимов работы автоматизированной насосной станции

5.1 Обоснование способа согласования режимов работы насосных станций при их автоматическом управлении

В работе рассмотрена технологическая схема водоотлива, состоящая из участковой насосной станции и главной насосной станции. Схема приведена на рисунке 3. На схеме обозначено: ВУ₁ — водоотливная установка участковой насосной станции; ВУ₂ — водоотливная установка главной насосной станции; Q_пр1, Q_пр2 — приток воды безнапорным потоком в водосборник соответственно участковой и главной насосной станции; Q₁, Q₂ — подача водоотливной установки соответственно участковой и главной насосной станции; h_н, h_в, h_(t1) — уровень воды в водосборнике участковой насосной станции, соответственно нижний, верхний и промежуточный на момент времени t₁; H_н, H_в, H_(t1) — уровень воды в водосборнике главной насосной станции, соответственно нижний, верхний и промежуточный на момент времени t₁.

Установка ВУ₁ снабжена системой автоматического регулирования (САР) режима работы водоотливной установки.

Предлагается следующий способ автоматического согласования режимов работы главной и участковой насосных станций водоотлива, в том числе с учетом периода T_max максимальной нагрузки в системе электроснабжения шахты на суточном интервале времени.

Включение в работу водоотливной установки ВУ₂ вне периода T_max осуществляется при достижении текущего уровня воды H_(t1) в водосборнике 2 уровня H_в или принудительно по команде от верхнего уровня управления (диспетчера шахты). Включение в работу водоотливной установки ВУ₁ осуществляется при достижении текущего уровня воды h(_t1) в водосборнике 1 уровня h_в, при условии

Включении установки ВУ₁ производится на номинальный режим работы.

Отключение водоотливной установки ВУ₁ или ВУ₂ в вне периода T_max осуществляется при достижении текущего уровня воды в соответствующем водосборнике нижнего уровня.

При наступлении T_max, по значению H_(t1) определяется свободный объем V_{св (t1)} водосборника 1 как

V — общий объем в водосборника главной насосной станции;

V_в(t1)=H_(t1)S — заполненный водой объем водосборника главной насосной станции на момент времени t₁;

S — площадь водосборника.

Далее вычисляется время заполнения водой T_з водосборника 2 объемом V_{св (t1)} как

Причем, если контроль величины Q_пр2 как правило отсутствует, то учитывая, что величина Q_пр2 << Q₁, значением Q_пр1 можно пренебречь. Тогда из выражения (3) следует, что значение T_з определяет подача Q₁ водоотливной установки ВУ₁. Причем, если контроль величины Q_пр2 как правило отсутствует, то учитывая, что величина Q_пр2 << Q₁, значением Q_пр1 можно пренебречь. Тогда из выражения (3) следует, что значение T_з определяет подача Q₁ водоотливной установки ВУ₁.

Исходя из требования использования водоотливной установки ВУ₂ как потребителя регулятора необходимо, чтобы установка ВУ₂ в период времени T_max была выключена. Тогда должно выполняться условие

Используя выражение (3) можно вычислить необходимое значение Q₁ и с помощью САР изменить режим работы водоотливной установки ВУ₁ (уменьшить подачу на расчетную величину) на период T_max. При этом водоотливная установка ВУ₂ выключается. По истечении времени T_max водоотливная установка ВУ₁ переводится на номинальный режим работы.

Для моделирования изменения уровня воды в водосборнике 2 при различной подаче Q₁ разработана программа в пакете MathCAD. Например, на рисунке 4 приведен график изменения уровня воды в водосборнике главной насосной станции шахты им. М. И. Калинина (площадь водосборника S=500 м²) горизонта 229 м, в который вода перекачивается участковой водоотливной установкой горизонта 758 м (тип насоса ЦНС 300х600).

На рисунке 4 обозначено: кривая Н₂ — изменение уровня воды в водосборнике главной насосной станции при номинальной подаче участковой водоотливной установки Q₁=300 м³/ч; кривая Н₁ – изменение уровня воды в водосборнике главной насосной станции при подаче участковой водоотливной установки Q₁=210 м³/ч; интервал времени Т_з1 время заполнения водой водосборника главной насосной станции без регулирования подачи водоотливной установки участковой насосной станции; интервал времени Т_з2 – время заполнения водой водосборника главной насосной станции с регулированием подачи водоотливной установки участковой насосной станции.

Как видно из приведенного графика, при снижении подачи водоотливной установки участковой насосной станции с значения 300 м³/ч до значения 210 м³/ч мы обеспечиваем возможность отключить водоотливную установку главной насосной станции на период максимальной нагрузки в системе электроснабжения, тем самым снизить энергопотребление шахты на величина установленной мощности водоотливной установки главной насосной станции. При этом водосборник главной насосной станции будет аккумулировать воду, поступающей с участковой насосной станции без его переполнения.

5.2 Исследования на ЭВМ системы САР водоотливной установки с управляемой задвижкой

Технологическая схема водоотливной установки с управляемой задвижкой приведена на рисунке 5.

Функциональная схема системы САР водоотливной установки с управляемой задвижкой, установленной на нагнетательном трубопроводе водоотливной установки приведена на рисунке 6.

На рисунке 3 обозначено:

1. W_з(р) — передаточная функция управляемой задвижки с электроприводом

k_з — коэффициент сопротивления задвижки, k=2,5;

k_пр — передающий коэффициент электропривода задвижки (°/В•с), k_пр=18;

T_м — постоянная времени, T_м=0,076 с [15].

2. W_тр(р) — передаточная функция трубопроводной сети

k — передаточный коэффициент, k=0,009;

T — постоянная времени, Т=23,55 c;

τ— временная задержка, τ=2,045 c [15].

3. W_н(р) — передаточная функция насоса

k — передаточный коэффициент, k=0,3;

4. Q_з(p) — заданное значение подачи водоотливной установки, которое формируется на верхнем уровне управления.

5. Q_ф(p) — фактическое значение подачи водоотливной установки.

6. К_ос — коэффициент обратной связи, К_ос=1.

Структурная схема математического описания системы САР водоотливной установки с управляемой задвижкой приведена на рисунке 7.

В результате исследования на ЭВМ системы САР с различными типами регуляторов установлено, что наиболее технически приемлемым является ПИД–регулятор. При этом получен график переходного процесса, который изображен на рисунке 8.

В соответствии с полученным графиком определена величина перерегулирования:

Время переходного процесса t_p=37,2 с.

Таким образом, полученные показатели качества системы CАР водоотливной установки с управляемой задвижкой удовлетворяют требованиям к процессу регулирования — процесс устойчив, отсутствуют опасные колебания выходной величины.

5.3 Разработка схемотехнических решений по системе автоматического управления насосной станцией водоотлива шахты

В работе разработана структурная схема системы автоматического управления насосной станцией водоотлива шахты для главной насосной станции, которая приведена на рисунке 9.

В работе также разработана структурная схема системы автоматического управления участковой насосной станцией водоотлива шахты для участковой насосной станции, которая приведена на рисунке 10.

В качестве базовой аппаратуры для системы автоматического управления насосной станции водоотлива шахты принята аппаратура АСУ Водоотлив. Также в состав системы входят устройства: УКАУ — устройство автоматического контроля аналогового уровня воды в водосборнике (1шт. на станцию); САР_i — устройство автоматического регулирования задвижки (1шт. на каждую i–ю водоотливную установку); УКЗ — устройство автоматической защиты водоотливной установки от кавитации (1шт. на каждую i–ю водоотливную установку); УКРЭ_i — устройство контроля расхода электроэнергии водоотливной установкой (1шт. на каждую i–ю водоотливную установку).

Аппаратура АСУ Водоотлив предназначена для применения на действующих, реконструируемых и строящихся шахтах, опасных по газу и пыли, внезапным выбросам угля, газа, и обеспечивает, в типовом варианте, автоматическое управление до четырех насосов с двигателями высокого и низкого напряжения [10]. Количество управляемых насосов, при необходимости, может быть увеличено.

Аппаратура АСУ Водоотлив обеспечивает:

• режимы управления: автоматический (с возможностью дистанционного пуска и останова), ручной (полуавтоматический, со шкафа автоматики) и аварийный (прямое управление исполнительными механизмами водоотлива);
• автоматическое управление работой насосных агрегатов в функции уровня воды;
• автоматическое включение резервного насоса при отказе рабочего;
• очередность работы насосов;
• последовательность запуска и остановки насосов при их параллельной работе;
• запрет включения в работу неисправного насоса;
• коррекцию графика работ насоса с целью создания естественных условий его не включения на период максимума нагрузки энергосистемы;
• учет времени работы насосных агрегатов;
• отображение сигналов на табло диспетчера об уровне воды в водосборнике, работе насосов, отказе и виде неисправности в работе установки, времени периода максимума нагрузки энергосистемы.

Состав аппаратуры АСУ Водоотлив,: АРМ Диспетчера, расположено в диспетчерской шахты, и оборудование, расположенное в насосной станции: блок датчиков БДУ–E_x, блок управления насосной станцией БУНС–E_x, блок управления задвижками БУЗ–E_x.

Устройство автоматического регулирования задвижки (САР) обеспечивает изменение рабочего режима водоотливной установки с помощью управляемой задвижки, установленной на нагнетательном трубопроводе установки.

Устройство автоматического контроля аналогового уровня воды в водосборнике типа УАКУ контролирует текущий аналоговый уровень воды в водосборнике.

Устройство автоматической защиты водоотливной установки от кавитации типа УКЗ обеспечивает контроль развития кавитации в насосе и защиту водоотливной установки от кавитации.

Устройство контроля расхода электроэнергии водоотливной установкой типа УКРЭ обеспечивает контроль и учет расхода электроэнергии водоотливной установкой.

Устройства УАКУ, УКЗ и УКРЭ являются новыми устройствами, разработанными в работе, но в связи с ограниченностью объема реферата, их разработка приведена в магистерской диссертации.

Список источников

1. Правила безопасности в угольных шахтах [Электронный ресурс]: утв. приказом Гос. Комитета горного и техн. надзора ДНР и М–вом угля и энергетики ДНР от 18.04.2016 г. № 36/208: ввод в действие 17.05.2016. – Донецк, 2016 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://mintek–dnr.ru/zu....
2. Центробежные насосы и трубопроводные сети в горной промышленности : справочное пособие / Ф. А. Папаяни [и др.]; под общ. ред. Ф. А. Папаяни, Н. Б. Трейнера. – Донецк: Восточный издательский дом, 2011. – 334 с.
3. Данильчук, Г. И. Автоматизация электропотребления водоотливных устанвок/ Г. И. Данильчук, С. П. Шевчук, П. К. Василенко. – К.: Техника, 1981. – 102 с.
4. ООО НПФ Элкуб [Электронный ресурс]: офиц. сайт. – Электрон. дан. – Новосибирск, [2019] [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://elcub.ru/.
5. Частное акционерное общество ДИГ [Электронный ресурс]: офиц. сайт. – Электрон. дан. – Запорожье, [2019] [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.deg.com.ua.
6. Производственная компания Ильма [Электронный ресурс]: офиц. сайт. – Электрон. дан. – Томск, [2019] [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ilma–mk.ru.
7. ФГУП ПО Север [Электронный ресурс]: офиц. сайт. – Электрон. дан. – Томск, [2019]. – Режим доступа: http://www.posever.ru.
8. Производственное предприятие шахтной электроаппаратуры Шела [Электронный ресурс]: офиц. сайт. – Электрон. дан. – Киреевск, [2019]. – Режим доступа: http://www.shela71.ru.
9. ООО ИНГОРТЕХ [Электронный ресурс]: офиц. сайт. – Электрон. дан. – Екатеринбург, [2019]. – Режим доступа: http://www.ingortech.ru/.
10. Компания ДЭП [Электронный ресурс]: офиц. сайт. – Электрон. дан. – Донецк, [2019]. – Режим доступа: http://dep.ru.
11. ООО Научно–производственное предприятие РУДПРОМАВТОМАТИКА [Электронный ресурс]: офиц. сайт. – Электрон. дан. – Кривой Рог, [2019]. – Режим доступа: http://www.rpa.ua/.
12. Бессараб, В. И. Управление шахтной водоотливной установкой в аварийных и аномальных режимах работы / В. И. Бессараб, Р. В. Федюн, В. А. Попов // Научные труды Донецкого национального технического университета. Серия: Вычислительная техника и автоматизация. Выпуск 106. – Донецк: ДонНТУ, 2006. – 220 с. – С. 26–33.
13. Бойко, Н. Г. Рудничные (шахтные) водоотливные и вентиляторные установки: конспект / Н. Г. Бойко; Н. Г. Бойко; ДонНТУ, Каф. Энергомеханические системы. – Донецк, 2009. – 168 с.
14. Карелин, В. Я. Кавитационные явления в центробежных и осевых насосах – Москва: Недра, 1975 – 353 с.
15. Автоматизация сложных электромеханических объектов энергоемких производств: учебное пособие для вузов / К. Н. Маренич [и др.]; К. Н. Маренич, С. В. Дубинин, Э. К. Никулин и др.; ГВУЗ ДонНТУ. – Донецк: ООО Технопарк ДонГТУ УНИТЕХ, 2015. – 237 с.