Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

В настоящее время очень остро стоит проблема закрытия угольных шахт – как экономически неэффективных, так и тех, что отработали все запасы угля. Однако не всегда ликвидации шахты можно начинать сразу с ее физического закрытия. Подземные воды с ликвидированной шахты после ее затопления могут мигрировать в соседние шахты (если они связаны с ликвидированной горными работами), либо выходить на поверхность. Существующие на соседних действующих шахтах водоотливные комплексы, как правило, не способны принять существенно возросший приток воды. Чтобы не затопить действующие шахты, нужна реконструкция их водоотливных комплексов или строительство новых водоотливов.

Эксплуатация водоотливных комплексов закрывающихся шахт, имеет свои особенности и различия, которые необходимо учитывать при автоматизации данного технологического процесса.

Принципиальное отличие водоотливных комплексов закрывающихся шахт от работающих в том, что они имеют небольшой (по сравнению с величиной притока) объем водосборника. Это приводит к необходимости организации работы погружной водоотливной установки с регулируемой подачей для стабилизации уровня воды в водосборнике – работа «на приток». Из известных способов регулирования подачи центробежных насосов – дросселированием напорного трубопровода и изменением оборотов приводного двигателя наиболее экономичным оказывается второй способ, который реализуется с помощью преобразователей частоты.

Еще одной особенностью данного объекта является применение погружных насосов с необходимостью контроля подпора насосов и исключения их работы «на сухую».

Необходимость разработки системы автоматического управления погружными насосами водоотлива связана, во–первых, с необходимостью организации работы водоотлива «на приток», во–вторых, с необходимостью управления водоотливной установкой в переходных режимах для исключения гидравлических ударов и бросков давления, в–третьих, с неспособностью существующих систем автоматического управления водоотливом обеспечить все необходимые функции по контролю и управлению погружным водоотливным комплексом в условиях шахт, которые закрываются.

Таким образом, цель разработки – повышение эффективности погружной водоотливной установки 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 ликвидируемых угольных шахт.

Достижение поставленной цели возможно за счет глубокого исследования данного объекта управления, разработки и реализации необходимых алгоритмов управления с использованием современной элементной базы – программируемых логических контроллеров и специализированных телекоммуникационных сетей для взаимодействия элементов САУ.

1. Актуальность темы

1.1 Гидравлическая характеристика закрывающихся шахт г.Донецка

Бывшая шахта №9 «Капитальная» расположена на территории Пролетарского района города Донецка, в настоящее время шахта ликвидирована.

Погружная водоотливная установка расположена на бывшей основной промплощадке шахты №9 «Капитальная». Ближайшими промышленными объектами являются шахты бывшего шахтоуправления «Красная Звезда».

Усредненный приток воды по данным изучения и обследования шахт Буденовского и Пролетарского районов г. Донецка составил по шахте №6 «Красная Звезда» – 260 м³/ч, №9 «Капитальная» – 340 м³/ч и им. 60–летия Советской Украины — 280 м³/ч.

Шахты №9 «Капитальная», №6 «Красная Звезда», №12 «Наклонная», «Ливенка–Заперевальная» и им. 60–летия Советской Украины связаны между собой системой горных выработок, которые при их затоплении образуют единый водный бассейн.

На основании гидропрогноза относительно возможной активизации процесса сдвижения горных пород и земной поверхности принят следующий вариант обеспечения гидрогеологической и экологической безопасности поверхности.

Затапливаются горные выработки шахт №9 «Капитальная», №6 «Красная Звезда» и связанные с ними шахты №9 «Капитальная», № 2, №6 «Капитальная», №12–18, №12 «Наклонная» до отметки +30 м. Проектный уровень затопления поддерживается с помощью водовыдачи насосами из вертикальных стволов шахт №9 «Капитальная», №6 «Красная Звезда». При этом прогнозные притоки составят: в шахту №9 «Капитальная» – 340 м³/ч, в шахту №6 «Красная Звезда» – 150 м³/ч.

При затоплении горных выработок шахты им. 60–летия Советской Украины возможный максимальный переток воды из шахты «Ливенская–Заперевальная», №12 «Наклонная», №12–18 в шахту №6 «Красная Звезда» составит 140 м³/ч, а суммарный приток 150+ 140 = 290м³/ч.

При ограниченной пропускной способности гидросвязей между шахтами им. 60–летия Советской Украины и №6 «Красная Звезда» возможно накопление шахтных вод в южных выработках шахты им. 60–летия Советской Украины выше уровня перетока (отм. + 10 м) с последующим нерегулируемым по величине и времени перетоком воды в бассейн шахт №6 «Красная Звезда» и №9 «Капитальная» и объеме 650 тыс. м³. При этом ожидается временное поднятие уровня затопления горных выработок указанных шахт до отметки +35 м, т.е. на 5 м выше допустимого. Поэтому уровень затопления необходимо поддерживать на отметке +10 м, чтобы создать компенсационный объем приема воды из шахты им. 60–летия Советской Украины.

1.2 Общая характеристика погружной водоотливной установки

Ожидаемый водоприток по шахте №9 «Капитальная» – 340 м³/ч. Геодезическая высота нагнетания – 176,5 м. Технологическая схема погружной водоотливной установки шахты №9 «Капитальная» приведена на рис.1.

Отметка верхнего рабочего уровня +10 м, нижнего рабочего уровня +9 м, отметка критического аварийного уровня +30 м, минимальный уровень воды в водосборнике 6 м (исходя их условия устойчивой безкавитационой работы погружных насосных агрегатов АНПШ 375–240 [1]).

В соответствии с требованиями «Правил безопасности в угольных шахтах» [2] для откачки вышеуказанного притока в скиповом стволе установлено три погружных насосных установки типа АНПШ 375–240: два агрегата – рабочих, один – резервный, откачка производится по 3–м напорным трубопроводам диаметром 273 х 11,4 подвешенным в стволе (рис.1).

Технологическая схема погружной водоотливной установки шахты

Рисунок 1 – Технологическая схема погружной водоотливной установки шахты

Пуск и остановка насоса производится согласно с инструкцией по эксплуатации погружного насосного агрегата завода–изготовителя. В рабочем положении насосный агрегат полностью погружен в воду. Для защиты насосного агрегата от кавитации при недопустимом снижении уровня воды, минимальный уровень воды в водосборнике устанавливается на отметке +6 м. Таким образом, с учетом всех особенностей и ограничений, отметка уровня +10 м – соответствует верхнему уровню, при достижении которого осуществляется запуск погружной насосной установки; отметка +9 м – нижний уровень, при достижении которого осуществляется остановка погружной насосной установки; +30 м – аварийный, критический уровень, при достижении которого осуществляется запуск второй погружной насосной установки; отметка +6 м – минимально допустимый нижний уровень воды в водосборнике, необходимый для устойчивой безкавитационой работы погружных насосных агрегатов АНПШ 375–240 (рис.1)

Согласно инструкции на эксплуатацию погружного насосного агрегата завода–изготовителя [1] оптимальным режимом работы агрегата является продолжительный режим без остановок, при условии эксплуатации в рабочем диапазоне подач агрегата.

Наиболее предпочтительной, эффективной и экономичной является работа погружного водоотлива в режиме непрерывной откачки воды – «работа на приток» с соответствующим регулированием подачи насосных агрегатов. Для условий погружного водоотлива шахты №9 «Капитальная» необходимость данного режима работы также обусловлена небольшим объемом воды, которая может поместиться в водосборнике между отметками верхнего и нижнего уровня. Объем воды между отметками верхнего и нижнего уровней составляет всего 20 % от часового притока. Такое соотношение между объемом водосборника и величиной притока при классическом управлении погружным водоотливом в функции уровня воды в водосборнике приведет к очень частым пускам и остановкам насосного агрегата, что отрицательно отразится на работе водоотливной установки (более 70% отказов возникают в момент пуска насосов).

По требованию завода–изготовителя погружных насосов [1] при организации водоотлива по схеме периодической работы агрегатов необходимо увеличивать длительность цикла непрерывной работы агрегата, эксплуатируя его при меньших значениях расхода в пределах рабочего диапазона. При этом необходимо учесть, что число включений погружного насосного агрегата не должно составлять более 3–х в сутки с интервалом не менее 60 мин. Работу агрегатов всегда необходимо завершать в штатном режиме (на закрытую задвижку на напорном трубопроводе).

При пуске погружного насосного агрегата задвижка на нагнетательном трубопроводе должна быть закрыта. После успешного запуска насосного агрегата (после того как напор на выходе насосного агрегата достигнет номинального значения), задвижка плавно открывается, причем во время открытия задвижки не должно наблюдаться забросов давления (напора). Таким образом, запуск и остановку погружных насосных агрегатов необходимо осуществлять на закрытую задвижку.

При работе водоотливной установки необходимо контролировать ее основные технологические параметры: подачу, напор, уровень воды в водосборнике.

2. Формализация объекта управления

На эффективность функционирования погружного водоотлива оказывают влияние ряд параметров погружной насосной установки, определяющих ее текущее состояние [3–4]: Q(t) – подача погружной насосной установки; H(t) – напор (давление) погружной насосной установки; HВ(t) – вакуумметрическая высота всасывания (подпор на входе в насосный агрегат); HГ – геодезическая высота нагнетания; η – коэффициент полезного действия насосной установки; n – частота вращения вала насоса; dВ – диаметр всасывающего трубопровода; dН – диаметр нагнетательного трубопровода; lВ – длина всасывающего трубопровода; lН – длина нагнетательного трубопровода; aВ – гидравлическое сопротивление всасывающего трубопровода; aН – гидравлическое сопротивление нагнетательного трубопровода; hУ(t) – величина уровня воды в водосборнике; QП(t) – часовой приток в шахты.

Вышерассмотренные переменные и параметры погружной насосной установки взаимосвязаны через уравнения напорных характеристик насоса и нагнетательного трубопровода [3–4]. Уравнение напорной характеристики погружной центробежной насосной установки записывается в следующем виде вид [5–6]:

Уравнение напорной характеристики погружной центробежной насосной установки

где H0 – напор насоса, создаваемый при закрытой задвижке; Q – подача (производительность) насоса; А, В, – постоянные коэффициенты для выбранного типа насоса (определяются по справочнику).

Уравнение напорной характеристики нагнетательного трубопровода, как правило, можно представить в виде [3–4]:

Уравнение напорной характеристики нагнетательного трубопровода

где HГ – геометрическая высота подъема воды (для рассматриваемого объекта равна геодезической высоте нагнетания – 176,5 м); ΔHФ – фактическая потеря напора в трубопроводе.

Рабочий режим погружной насосной установки определяется совместной работой насосного агрегата и нагнетательного трубопровода и его можно определить аналитическим или графическим решением системы уравнений напорной характеристики насосного агрегата и напорной характеристики нагнетательного трубопровода. Точка пересечения характеристик (точка А) (рис. 2) определяет рабочий режим погружной насосной установки. Здесь же приводится кривая КПД насоса и допустимой вакуумметрической высоты всасывания НВ.

Характеристики погружной насосной установки

Рисунок 2 – Характеристики погружной насосной установки

Рабочий режим центробежной насосной установки должен удовлетворять условию бескавитационной работы HB < HBp. В рассматриваемой погружной водоотливной установке устойчивая бескавитационая работа насосной установки зависит исключительно от величины уровня воды в водосборнике hУ и обеспечивается его (уровня) требуемым поддержанием.

Для рассматриваемой погружной водоотливной установки управляемыми переменными являются: уровень в водосборнике hУ и напор на выходе насосного агрегата H.

Основным управляющим воздействием, позволяющим целенаправленно воздействовать на управляемые переменные hУ и H является подача Q погружной насосной установки. Существуют различные технические способы управления подачей погружного центробежного насоса, анализ и выбор которых будет выполнен ниже.

На погружную водоотливную установку действуют следующие возмущающие воздействия: изменение напорной характеристики насосов в процессе эксплуатации; изменение напорной характеристики трубопроводов в процессе эксплуатации (изменение α); изменение плотности жидкости ρ; часовой приток шахты QП;

Для рассматриваемого объекта управления – погружной водоотливной установки основным возмущением, максимально влияющим и определяющим режим ее работы, является часовой приток шахты QП. С учетом проведенного выше анализа особенностей погружной водоотливной установки, получена ее обобщенная схема как объекта управления (рис.3)

Обобщенная схема погружной водоотливной установки как объекта управления

Рисунок 3 – Обобщенная схема погружной водоотливной установки как объекта управления (анимация: 30 кадров, 70 килобайт)

3. Цель и функции САУ

Цель разрабатываемой САУ – повышение эффективности погружной водоотливной установки 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 ликвидируемых угольных шахт.

Для реализации поставленной цели необходимо:

Разрабатываемая система автоматического управления погружной водоотливной установкой угольной шахты должна выполнять следующие функции:

4. Основные требования пользователя к разрабатываемой САУ

Требования по функциональности:

Требования по производительности:

Требования по надежности:

Требования по безопасности:

5. Анализ существующих систем автоматизации водоотлива

Все существующие системы автоматического управления водоотливом имеют общий недостаток – они не учитывают динамических свойств составных частей водоотливной установки и динамических процессов происходящих в них. [6–7].

Все серийные системы автоматизации водоотлива строятся по дискретным схемам и осуществляют управление водоотливной установкой в функции уровня воды в водосборнике [6–7]. 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.

В настоящее время в угольной промышленности для автоматизации водоотливов применяются системы автоматического управления УАВ, ВАВ, ВАВ–1м. Аппаратура ВАВ–1м является наиболее современной, с наибольшим набором выполняемых функций. Поэтому рассмотрим эту систему автоматического управления [4].

Унифицированная взрывобезопасная аппаратура автоматизации водоотливных установок ВАВ–1м предназначена для автоматического, дистанционного и местного управления главными водоотливными установками горных предприятий. В аппаратуре ВАВ–1м предусмотрено:

Анализ функциональных возможностей системы автоматизации ВАВ–1м показывает отсутствие функций управления водоотливной установкой в динамических режимах. Неуправляемое течение переходных процессов приводит к резкому повышению давления, скачкам и пульсациям давления, а иногда – и к гидравлическим ударам. Совместное воздействие перечисленных явлений на проточную часть водоотливной установки вызывает интенсивный износ оборудования водоотлива, что снижает долговечность, надежность, безопасность данного технологического процесса.

Кроме того, система ВАВ – 1м не осуществляет регулирование подачи насосного агрегата для «работы на приток», что имеет немаловажное значение для рассматриваемого объекта управления – погружной водоотливной установки.

Для управления погружными насосами нефтедобывающих и угольных предприятий ОАО «УКРЭЛЕКТРОАППАРАТ» разработало устройство серии КУПНА–700 [3].

Устройство КУПНА–700Ш(В) предназначено для управления и защиты насосных установок мощностью до 700 кВт, которые применяются для откачки воды из стволов ликвидируемых или закрытых шахт.

КУПНА обеспечивает работу насосной установки в режимах «ручной» и «автоматический» с управлением с диспетчерского пункта. Устройство осуществляет весь необходимый набор защит, учет электроэнергии, управление в функции уровня воды в водосборнике, световую сигнализацию, автоматическое защитное отключение [7].

Анализ функциональных возможностей устройства КУПНА показал, что основные функции по защите и управлению относятся к приводному электродвигателю насоса (контроль активной мощности электродвигателя, контроль тока электродвигателя, значение коэффициента мощности установки, защита и контроль параметров работы электродвигателя, контроль сопротивления изоляции системы «кабель–двигатель»). К самому насосному агрегату относится функция пуска и остановки насоса в зависимости от уровня воды в водосборнике.

Устройство КУПНА не выполняет следующие функции управления и контроля насосного агрегата:

Рассмотренные системы автоматического управления водоотливными установками ВАВ–1м и КУПНА–700Ш(В) не выполняют всех необходимых функций по контролю и управлению погружной водоотливной установкой шахты №9 «Капитальная».

Выводы

Произведен анализ поргружной водоотливной установки угольной шахты как объекта автоматического управления.

По результатам выполненного анализа осуществлена формализация объекта управления – погружной водоотливной установки, сформулированы требования к разрабатываемой системе автоматического управления по выполняемым функциям контроля, управления и защиты, а также поставлены требования пользователя к САУ. [9]

Существующие системы автоматического управления водоотливными установками угольных шахт, в том числе, разработанная для погружных насосных установок система управления КУПНА–700Ш(В) не выполняют всех необходимых функций по управлению, контролю и защите рассматриваемого объекта управления – погружной водоотливной установкой. Поэтому разработка системы автоматического управления погружной водоотливной установкой настоящее время в условиях большого количества ликвидируемых угольных шахт является актуальной.

Список источников

  1. Указания по монтажу и применению в проектах систем шахтного водоотлива агрегатов насосных погружных шахтных АНПШ. Инструкция по эксплуатации АЭТА.062313.005.375.250ТО. ОАО Завод «Молот», 2010.– 40 с
  2. Правила безопасности в угольных шахтах. Киев: ООО «ЛИГА ЗАКОН», 2010.– 185 с.
  3. Гейер В.Г., Тимошенко Г.М. Шахтные вентиляторные и водоотливные установки. М.: Недра, 1987.– 270 с.
  4. Попов, В.М. Шахтные насосы (теория, расчет и эксплуатация). / В.М.Попов – М.: Недра, 1993. – 224 с.
  5. Автоматизация процессов подземных горных работ. // Под общей ред. Иванова А.А. – Киев; Донецк: Вища шк., 1987. – 327 с.
  6. Grout I. Digital systems design with FPGAs / I. Grout. – Elsevier, 2008. – 724 pp.
  7. Zeidman B. Designing with FPGAs and CPLDs / B. Zeidman. – Elsevier, 2002. – 224 pp.
  8. Баранов С.И. Синтез микропрограммных автоматов (граф–схемы и автоматы) / С.И. Баранов. – Л.: Энергия, 1979. – 232 с.
  9. Глушков В.М. Синтез цифровых автоматов / В.М. Глушков. – М.: Государственное издательство физико–математической литературы, 1962. – 476 с.
  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.