В настоящее время удорожание электроэнергии вынуждает предприятия, в том числе и угольные шахты, более экономно и рационально использовать энергетические ресурсы. С этой целью на шахтах внедряются различные автоматизированные системы контроля и управления электроснабжением технологических процессов и установок [1]. Основное назначение таких систем – контроль и учет электропотребления и выдача «советов» на отключение энергоемких установок для исключения перерасхода электроэнергии шахтой. Однако не все установки шахты можно отключать, что связано с Правилами безопасности в угольных шахтах, Правилами технической эксплуатации электроустановок или с нарушением режима работы установок, связанных технологически между собой. Поэтому не удается обеспечить рациональное использование электроэнергии, исключить перерасход электроэнергии и как следствие – увеличение оплаты за потребляемые энергоресурсы. Нами предлагается дополнить структуру существующих автоматизированных систем контроля и управления электроснабжением шахты устройствами для регулирования режима работы технологических установок с целью рационального электропотребления шахты и минимизации расхода электроэнергии в часы максимальной нагрузки на энергосистему.

Согласно исследованиям [2], структура потребления электроэнергии технологическими процессами и установками шахты приведена в таблице 1.

Таблица 1 - Потребление электроэнергии технологическими процессами и установками шахты

Из таблицы 1 видно, что наиболее энергоемкими процессами являются подземный конвейерный транспорт, проветривание, водоотлив. Следовательно, для уменьшения перерасхода электропотребления шахты необходимо регулировать режимы работы магистральных конвейерных линий, главных вентиляторных установок и главных водоотливных установок. Эти установки относятся к так называемым потребителям-регуляторам (ПР). При этом если для расчетов за электроэнергию используется двухставочный тариф, включающий плату за заявленный максимум, то особое внимание при решении проблемы уделяется ограничению электропотребления в часы наибольших электрических нагрузок в сетях энергоснабжающей организации. Применение зонного тарифа заставляет предприятия также снижать потребление электроэнергии в периоды суток, где ставка по ее оплате наибольшая. При этом необходимо отметить, что на шахтах, где ПР выполняют роль регуляторов нагрузок в часы максимумов энергосистемы, но не используются для выравнивания собственных графиков нагрузок в другие периоды суток, их неравномерность между максимумами вырастает и в ряде случаев требуется увеличивать пропускную способность отдельных элементов системы электроснабжения чтобы избежать их перегрузки, дополнительных потерь электроэнергии и снижения надежности электроснабжения [2].

Учитывая изложенное, комплекс работ по регулированию режимов технологических установок на шахте должен быть направлен не только на снижение максимумов нагрузок энергосистемы, но и на повышение энергетических и технико-экономических показателей всех составных объектов электрохозяйства шахты.

В работе выполнен анализ возможных способов и технических средств регулирования режимов работы указанных выше технологических установок для снижения расхода электроэнергии с учетом требований Правил безопасности в угольных шахтах.

Магистральный конвейерный транспорт. Конвейерный транспорт шахты по своему технологическому назначению является транспортным объектом, обслуживающим очистные забои и, следовательно, вопрос о регулировании режимов работы конвейеров имеет реальный смысл только в сопоставлении с интенсивностью забойного грузопотока. Оптимальное управление по критерию «минимальные удельные энергозатраты» может быть достигнуто за счет загрузки конвейера, обеспечивающей минимальный расход электроэнергии на транспортирование единицы веса груза, и сокращения общего времени холостых пробегов ленты. Достичь оптимальной загрузки конвейерной линии в принципе возможно двумя способами:

1. Регулирование скорости ленты. Сущность данного способа заключается в том, чтобы обеспечить в процессе работы конвейерной линии наиболее выгодное, по соображениям экономии электроэнергии, соотношение параметров — «уровень за¬грузки ленты — величина скорости ленты», не ограничивая при этом производительность забоя.
2. При наличии промежуточных бункеров в линии необходимо регулировать интенсивность разгрузки буккеров. Сущность способа заключается в том, чтобы обеспечить в процессе разгрузки бункера наиболее выгодное, по соображениям экономии электроэнергии, соотношение параметров «уровень загрузки бункера – уровень загрузки ленты – величина скорости ленты».

Основной проблемой применения этих способов в настоящее время является отсутствие регулируемого привода для мощных электроприводов конвейеров, работающих в подземных условиях шахты.

Сокращение общего времени холостых пробегов ленты конвейера может быть достигнуто в результате применения следующих способов.

1. Автоматический останов конвейера в интервалах отсутствия грузопотока. Максимальное сокращение общего времени холостых пробегов ленты обеспечивается при синхронизации моментов останова конвейера с моментами прекращения поступления груза на конвейер. Однако этот способ при коротких интервалах отсутствия грузопотока и при нерегулируемых процессах пуска-останова приводит к отрицательному эффекту в отношении уменьшения износа и снижения энергозатрат, так как частые нерегулируемые пуски конвейеров ухудшают тепловой режим работы двигателя и связаны с дополнительными динамическими нагрузками в ленте и приводе. Поэтому останов конвейера целесообразно осуществлять по методу синхронизации в случае регулируемой интенсивности процессов пуска-останова, на основании оценки эффекта предстоящего отключения — при нерегулируемой интенсивности процессов пуска-останова.
2. Синхронизация момента пуска конвейера с момента поступления груза на его ленту. Способ управления позволяет сократить общее время холостых пробегов ленты и снизить удельный расход электроэнергии на транспортирование груза в сравнении с существующим методом пуска против грузопотока и методом одновременного пуска.

Что касается технических средств автоматизации магистрального конвейерного транспорта, то в настоящее время практически все конвейерные линии автоматизированы аппаратурой АУК.1М, которая обеспечивает централизованное управления процессами пуска-останова конвейеров, и автоматическую защиту от развития аварии при возникновении аварийных ситуаций. По нашему мнению, для управления конвейерными линиями необходимо применять компьютерно-интегрированные системы автоматизации, которые имеют возможность координации роботы конвейерного транспорта с помощью ЭВМ и допускают расширение при необходимости состава технических средств, в частности в нашем случае, использования конвейерных весов для контроля грузопотока. Такой системой является комплекс САУКЛ [3]. При использовании конвейерных весов, например, типа ВКП, можно осуществлять автоматический останов конвейера в интервалах отсутствия грузопотока. В дальнейшем при наличии регулируемого электропривода, возможна реализация и других указанных способов снижения расхода электроэнергии на конвейерном транспорте.

Главные вентиляторные установки. Главные вентиляторные установки на шахтах предназначены для подачи во все действующие подземные выработки свежего воздуха для нормальной жизнедеятельности людей, разбавления воздухом концентрации и вынос на поверхность вредных примесей – метана, углекислого газа, ядовитых примесей, образующихся при взрыве взрывчатых веществ, и поддержание благоприятного теплового режима в подземных выработках.

Согласно Правилам безопасности в угольных шахтах главные вентиляторные установки не могут быть выключены, допускается только их регулирование.

В зависимости от типа вентилятора в принципе возможны два способа регулирования режима работы установки:

1. Регулирование поворота лопаток направляющего аппарата (центробежные вентиляторы) или поворота лопаток рабочего колеса (осевые вентиляторы).
2. Регулирование частоты вращения вентилятора путем изменения частоты вращения приводного электродвигателя.

С точки зрения экономичности регулирования второй способ является более предпочтительным, однако требует значительных капитальных затрат.

Что касается технических средств автоматизации, то наиболее современной аппаратурой автоматизации главных вентиляторных установок является комплектное устройство автоматического управления шахтными вентиляторными установками типа УКАВ.М, которое допускает совместную работу с системой асинхронно-вентильного каскада для регулирования частота вращения вентилятора [4]. В качестве критерия регулирования при нормальном режиме проветривания, по нашему мнению, может быть принятый газовый фактор – минимальное среднее квадратичное отклонение допустимой концентрации метана от заданного значения при минимальных затратах энергии на управление. В случае аварийного режима в качестве критерия управления принимается минимальное время перехода системы из нормального состояния в заданное для создания оптимальных условий для ликвидации аварий и их последствий.

Главные водоотливные установки. Согласно Правилам безопасности в угольных шахтах главные водоотливные установки должны откачать максимальный суточный приток воды за 20 часов. Главные водоотливные установки относятся к тем установкам, которые можно выключить без ущерба производству при наличии свободной емкости водосборника достаточного объема для приема воды с горных выработок на период отключения водоотлива. Применение известных способов регулирования насосов (дросселирование потока воды, впуск воздуха во всасывающий трубопровод, изменение частоты вращения насоса) для условий шахтного водоотлива с целью снижения расхода электроэнергии нецелесообразно, ввиду незначительной глубины регулирования и других факторов. Необходимо организовать работу насосной установки таким образом, чтобы откачка воды из водосборника осуществлялась во временных зонах с наименьшей стоимостью электроэнергии и не осуществлялась в период максимальной стоимости электроэнергии или в период максимальной нагрузки на энергосистему. Такой режим работы можно организовать принудительным включением дополнительных насосов для откачки воды из водосборника и его освобождения до определенного свободного объема, а затем выключением насосов на заданный период времени [5].

Данный способ регулирования был смоделирован для водоотливной установки гор. 229 м шахты им. М.И. Калинина (максимальный водоприток 135 м³/ч, емкость водосборника 1178 м³). Графики электропотребления водоотливной установки до регулирования и после проведены на рисунке 1. Графики затрат на электроэнергию при соответствующих режимах работы – на рисунке 2.

	а)	б)

Рисунок 1 – Графики электропотребления водоотливной установки: а) до регулирования; б) после регулирования.

	а)	б)

Рисунок 2 – Графики затрат на электроэнергию при работе водоотлива: а) до регулирования; б – после регулирования.

В первом случае (рис. 1, а) откачка воды производится одним насосом, а во втором (рис. 1, б) – двумя, с выключением насосных агрегатов на время вечернего максимума.

На графиках вертикальными линиями показаны границы зон с максимальной стоимостью электроэнергии. Расчеты показывают, что при таком регулировании экономия денежных средств составляет порядка 10 тыс. грн.

Что касается технических средств автоматизации, то наиболее современной аппаратурой автоматизации главных водоотливных установок является аппаратура ВАВ.1М [5], одной из функций которой является коррекция рабочего режима насоса с учетом периода максимума энергопотребления или периода максимальной стоимости электроэнергии.

Для практической реализации полученных результатов разработана структурная схема автоматизированной системы управления электроснабжением (АСУЭШ) шахты им. М.И.Калинина государственного предприятия «Донецкая угольная энергетическая компания». Структурная схема электроснабжения подземных потребителей представлена на рисунке 3, где обозначено: ЦПП – центральная подземная подстанция; РПП-6 – высоковольтный распределительный подземный пункт. Состав ЦПП и РПП шахты приведен в таблице 2, где также определено количество сигналов телесигнализации (ТС), телеизмерения (ТИИ) и телеуправления (ТУ).

Рисунок 3 – Структурная схема электроснабжения подземных потребителей шахты им. М. И. Калинина

Таблица 2 – Состав ЦПП и РПП шахты им. М. И. Калинина

Структурная схема системы АСУЭШ приведена на рисунке 4. На рисунке 4 обозначено: КРУ – комплектное распределительное устройство; ИП – измерительный преобразователь расхода электроэнергии подземным электропотребителем; БСЗ – блок согласования и защиты; СЭ – счетчик расхода электроэнергии потребителями поверхности шахты; ГПП – главная поверхностная подстанция; МК – микроконтроллер; БПИ – блок передачи информации; ПК – промышленный компьютер; УПИ – устройство передачи команд управления на изменение состояния КРУ; МЭД – мнемосхема энергодиспетчера; ВАВ.1М №1 – аппаратура автоматизации насосной станции водоотлива гор. 1250 м; ВАВ.1М №2 – аппаратура автоматизации насосной станции водоотлива гор. 1070 м; ВАВ.1М №3 – аппаратура автоматизации насосной станции водоотлива гор. 758 м; ВАВ.1М №4 – аппаратура автоматизации насосной станции водоотлива гор. 229 м; УКАВ.М №1 – комплектное устройство автоматического управления вентиляторной установкой типа ВЦ-5 скипового ствола, оборудованной системой асинхронно-вентильного каскада; УКАВ.М №2 – комплектное устройство автоматического управления вентиляторной установкой типа ВЦД-47У восточного вентиляционного ствола, оборудованной системой асинхронно-вентильного каскада; САУКЛ – система автоматизации конвейерной линии от 2-й восточной лавы пласта h₁₀.

Рисунок 4 – Структурная схема АСУЭШ

В качестве измерительных преобразователей ИП рекомендуется принять устройства типа УКЭШ [1], но они могут быть использованы только для целей технического учета расхода электроэнергии. В настоящее время измерительные преобразователи коммерческого учета для подземных электропотребителей отечественной промышленностью не выпускаются. Места установки измерительных преобразователей приведены в таблице 3.

В качестве счетчиков расхода электроэнергии потребителями поверхности шахты могут быть приняты любые серийно выпускаемые датчики, имеющие выход подключения к ЭВМ, например, ЕвроАльфа.

Микроконтроллер МК осуществляет прием информации от датчиков, обработку и хранение в памяти данных, а также управляет передачей данных к промышленному компьютеру. В качестве микроконтроллера может быть принят любой микроконтроллер с встроенным АЦП, например, АTmega 16.

Блок передачи информации БПИ должен быть последовательного интерфейса стандарта RS485, как наиболее применяемого в современных системах управления. Рекомендуется к применению микросборка МАХ1480В фирмы MAXIM.

Блок БСЗ осуществляет: преобразование токовых сигналов от датчиков в сигнал напряжения; гальваническую развязку линий связи микроконтроллера с датчиками; защиту микроконтроллера от возможных перенапряжений в соединительных линиях датчиков, а также обеспечивает искробезопасность линий датчиков, что важно для использования микроконтроллера в подземных условиях шахт.

Основные функции системы АСУЭШ:

• по контролю:
  • контроль и учет расхода активной и реактивной энергии по производственным участкам, технологическим процессам и энергоемким установкам;
  • контроль состояния (включено-выключено) коммутационного устройства;
  • выявление наиболее загруженных электропотребителей;
  • работа в режиме диалога с энергодиспетчером;
  • определение фактических максимумов активной и реактивной мощности для основных элементов и узлов нагрузки СЭС на различных ступенях распределения и потребления электроэнергии;
• по управлению:
  • включение-выключение коммутационных устройств;
  • формирование команд в систему автоматизации технологической установки на необходимость регулирования режима работы электропотребителя;
  • формирование «советов» энергодиспетчеру по управлению электроснабжением шахты.

Принцип действия системы АСУЭШ заключается в следующем.

Измерительные преобразователи формируют графики электроэнергии, потребляемой подземными и поверхностными потребителями соответственно. Далее информация об электропотреблении подземных потребителей с ИП через БСЗ поступает на микроконтроллер.

Данные об электропотреблении поверхностных потребителей с непосредственно поступают на МК со счетчиков электроэнергии, так как в этом случае не требуется обеспечения искробезопасности

Микроконтроллер, как сказано ранее, управляет передачей данных через БПИ к ПК.

Компьютер осуществляет обработку и анализ полученных данных. И, если возникает ситуация, когда при данном режиме работы потребление электроэнергии превысит заявленное значение, система выдает команды в систему автоматизации на регулирование режима работы заданной установки. Следует отметить, что выдача такой команды является «советом» на выполнение условий принятого технологического критерия управления, как указывалось ранее.

Получив команду на регулирование режима работы, система автоматизации производит сбор информации о состоянии объекта, и в зависимости от полученных данных (например, количество угля в бункерах, степень заполнения водосборника, количество вредных примесей в шахтной атмосфере), система автоматизации выполняет или не выполняет полученную команду.

Кроме команд на регулирование режимов работы, система имеет возможность выдавать управляющие воздействия на включение или отключение КРУ через УПИ.

Также информация о состоянии потребителей и величине потребляемой электроэнергии выводится на мнемосхему энергодиспетчера.

Перечень ссылок

1. Лаевский С. Б., Демченко Н. П., Бажецев Ю. Г. Автоматизация управления электроснабжением шахт. – М: Недра, 1992. – 296 с.
2. Півняк Г.Г., Шкрабець Ф.П., Заїка В.Т., Разумний Ю.Т. Системи ефективного енергозабезпечення вугільних шахт. – Дн.: НГУ, 2004.- 206 с.
3. Ткачев В.В., Козарь Н.В., Проценко С.Н., Шевченко В.И. Компьютерная система автоматизированного управления конвейерным транспортом. / Горный журнал, №6, 1999. –С.48-50.
4. Богопольский Б.Х., Левин М.А . Автоматизация шахтных вентиляторных установок /Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Недра, 1976.- 232с.
5. Шевчук С.П. Повышение эффективности водоотливных установок - К.: Техника, 1991. - 53с.