1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ПО ТЕМЕ
1.1 Актуальность темы
Работа любого горного предприятия неизбежно сведена к прохождениям горных выработок. При этом процесс проходки характеризуется затруднением вентиляции тупиковой выработки. Для поддержания параметров рудничной атмосферы в тупиковом забое устанавливаются вентиляторы местного проветривания, центробежные и осевые.
Шахтные вентиляторные установки главного проветривания предназначены для систем шахтной вентиляции главного проветривания выработок шахт и рудников и состоят из рабочего и резервного вентиляторов с электроприводом, пускорегулирующей аппаратуры, аппаратуры режима работы (подачи и давления), контроля температуры подшипников, аппаратуры дистанционного и автоматизированного управления, защиты и сигнализации, комплекта средств для реверсирования воздушной струи и перехода с работающего вентилятора на резервный, главного, подводящего и вентиляционных каналов, строительных сооружений (зданий, фундаментов, диффузоров, глушителей шума и т. п.) [1].
Вентиляторные установки главного проветривания размещают, как правило, в здании на поверхности земли у устьев герметически закрытых стволов, шурфов, скважин и штолен, они пропускают весь воздух, проходящий по действующим выработкам шахты или рудника за исключением тупиковых забоев.
Шахтные вентиляторы главного проветривания в зависимости от направления движения воздушного потока в рабочем колесе изготавливают двух типов: центробежные (радиальные) и осевые. Центробежные вентиляторы по конструкции рабочего колеса делятся на односторонние и двусторонние. Односторонние центробежные вентиляторы имеют рабочее колесо одностороннего всасывания, а двусторонние – двустороннего. Осевые вентиляторы по конструкции и числу рабочих колес делятся на одноступенчатые, многоступенчатые и встречного вращения.
Шахтные вентиляторы применяются для транспортирования шахтного воздуха при незначительном повышении его давления и представляют собой турбомашины, в рабочих колесах которых происходит приращение удельной энергии воздуха за счет взаимодействия лопаток колеса с обтекающим их потоком [2].
В центробежных вентиляторах воздушный поток через входной патрубок в осевом направлении засасывается из всасывающей или всасывающих (в вентиляторе двустороннего всасывания) коробок в рабочее колесо, где отклоняется на 900 в межлопаточном пространстве рабочего колеса и под действием центробежных сил выбрасывается лопатками в радиальном направлении в спиральный корпус (кожух), который отводит воздух в требуемом направлении, одновременно частично преобразуя динамическое давление потока в статическое. В осевых вентиляторах воздушный поток поступает в рабочее колесо в осевом направлении и выдается из межлопаточного пространства также в осевом направлении, например, в диффузор и далее в атмосферу (при работе вентилятора на всасывание).
Система вентиляции (проветривания) угольных шахт является важным процессом в технологической цепи добычи угля. Хотя он и относится к вспомогательным горным технологическим процессам, но это непрерывный процесс, остановка которого приведет к простою всей шахты. Поэтому невозможно переоценить значение автоматизации этого объекта для горной промышленности [3].
Для нормальной работы системы автоматизации необходимо правильно регулировать параметры, изменяющиеся в процессе работы установки. Для этого важно также правильно подобрать датчики, используемые для измерения и контроля данных параметров.
Целью данной работы является разработка реверсивной вентиляционной установки, с помощью которой появятся новые возможности радикального решения проблемы реализации рациональной технологической схемы и экономичного конструктивного исполнения вентиляторной установки для главного проветривания шахт и рудников.
Основными задачами работы являются:
провести анализ технологического процесса проветривания как объекта автоматизации;
провести анализ радиальных (центробежных) вентиляторов;
сформулировать критерии, методы анализа и выбора вентиляторов главного проветривания шахт;
рассмотреть явление реверсирования вентиляторов;
обосновать и разработать реверсивную вентиляционную установку.
1.3 Научная новизна и практическая ценность
Научная новизна работы заключается в получении новых знаний в области реверсирования вентиляторов главного проветривания.
Разработанная в результате исследований реверсивная вентиляционная установка может радикально решить проблемы реализации рациональной технологической схемы и экономичного конструктивного исполнения вентиляторной установки для главного проветривания шахт и рудников.
2 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА НА СЕГОДНЯШНИЙ ДЕНЬ
Шахтная вентиляционная сеть испытывает беспрерывные возмущения расхода воздуха, которые имеют сложное строение, обусловленное наличием разных источников возмущения. Исследование показывает, что общешахтный расход воздуха в основном испытывает возмущения трёх типов:
высокочастотные стационарные возмущения расхода (пульсации тока), вызванные турбулентным течением воздуха по горным выработкам. Частота пульсации турбулентного потока находится в пределах 0,25-4 Гц, амплитуда пульсации скоростного потока не превышает ±25Па;
низкочастотные квазистационарные аэродинамические возмущения расхода воздуха, обусловлены стахотичным изменением общешахтного аэродинамического сопротивления из-за движения подземного транспорта, подъёмных сосудов, открывания и закрывания вентиляционных дверей. Амплитуда данных колебания может достигать нескольких сотен Па, а продолжительность 10-20 минут;
нестационарные инфронизкочастотные возмущения расхода, вызванные годовым изменением аэродинамического возмущения расхода, вызванные годовым изменение аэродинамического сопротивления шахты, развитием вентиляционной сети и изменением коэффициентов трения воздуха о стенки выработок. Математическое ожидание годовых колебаний вентиляторного режима от среднего значения составляет ±18% от математического ожидания.
На основании этого можно сделать вывод, что при разработке системы регулирования необходимо осуществлять управление по возмущающему воздействию третьего типа, при этом для повышения качества управления учитывать наличие возмущений первого и второго типа [4].
По прогнозам участка ВТБ в течение двух лет на шахте будет существовать следующий режим проветривания:
пределы изменения депрессии 3500-4000 Па;
пределы изменения продуктивности ВУГП 300-400 м3/с;
возмущение третьего рода за период в три месяца:
по депрессии – до 4000Па;
по продуктивности – до 15 м3/с.
Таким образом, для выбора вентилятора получаем координаты точек с минимальными и максимальными значениями продуктивности и депрессии: А (360 м3/с; 3500Па) и В (400 м3/с; 4000Па). Нанесём эти точки на график зон промышленного использования вентиляторов. Обе точки лежат в зоне промышленного использования вентилятора ВЦД-47,5У при частоте вращения n = 500 об/мин. Следовательно, вентилятор выбран правильно [5].
Для наиболее экономичной работы ВУГП необходима как ступенчатая, так и плавная настройка. Произведён анализ плавной настройки для центробежного вентилятора. Они могут быть разбиты на две группы:
за счёт аэродинамического регулирования;
за счёт частотного регулирования.
Рассмотрим следующие способы аэродинамического регулирования:
Дросселирование – осуществляется за счёт применения поворотных заслонок, жалюзийных решёток, штор и задвижек;
Поворотом закрылков лопаток рабочего колеса. Этот способ является наиболее экономичным из всех известных, однако имеет недостаток – сложность конструкции и снижение прочности, и надёжности лопаток, вследствие чего данный способ не применяется;
Поворотом лопаток направляющего аппарата. Наиболее применим при регулировании с поддержанием постоянной производительностью [6].
Из систем регулирования скорости вращения наиболее пригодной для ВУГП признана система с асинхронно-вентильным каскадом (АВК).
Достоинства АВК:
наличие обширной области экономичной работы;
возможность применения вентилятора простейшей конструкции с упрощённым направляющим аппаратом и без устройств поворота закрылков;
возможность изменения режима работы без остановки вентилятора.
Недостатки:
снижение коэффициента мощности при увеличении регулирования и, следовательно, необходимость установки статических конденсаторов;
максимальная скорость асинхронного электродвигателя меньше номинальной.
Таким образом, можно сделать вывод, что наиболее приемлемыми являются системы регулирования поворотом лопаток НА и по схеме АВК. Учитывая, что при установке системы АВК ожидаются гораздо большие затраты, для дальнейшего рассмотрения принимаем способ регулирования изменением угла установки лопаток НА [7].
3 ОБЗОР ИМЕЮЩИХСЯ И ПЛАНИРУЕМЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
3.1 Общие сведения о радиальных (центробежных) вентиляторах
Радиальные вентиляторы представляют собой спиральный кожух с расположенном внутри рабочим колесом, при вращении которого, воздух, попадающий в канал между его лопатками, двигается в радиальном направлении к периферии колеса, сжимается и под действием центробежной силы отбрасывается в спиральный кожух и далее направляется в выходное отверстие. Они способны перемещать воздух по воздуховодам на значительные расстояния и развивают давление до 12кПа.
В зависимости от назначения вентилятора, лопатки рабочего колеса изготавливают загнутыми веред или назад. Количество лопаток бывает различным. Применение радиальных вентиляторов с лопатками, загнутыми назад позволяет экономить электроэнергию на 20%, а вентиляторы с лопатками загнутыми вперед достигают требуемого результата по расходу и напору воздуха, занимая меньше места и создавая меньше шума. Радиальные вентиляторы выпускаются с восемью положениями кожуха. Могут иметь правое и левое вращение, одностороннее и двухстороннее всасывание. Радиальные вентиляторы производятся на одном валу с электродвигателем или с клиноременной передачей. Применяют вентиляторы низкого (до 1кПА), среднего (до 3кПА) и высокого (до 12кПА) давления [8].
Радиальные вентиляторы общего назначения, низкого и среднего давления применяются в стационарных системах вентиляции, кондиционирования, воздушного отопления, технологических установках и т.д.
Они предназначены для перемещения невзрывоопасных газовых сред с содержанием пыли и других твердых примесей не более 0,1 г/м3, не содержащих липких веществ и волокнистых материалов. Для вентиляторов двухстороннего всасывания (двухсторонних) с расположением ременной передачи в перемещаемой среде температура перемещаемой среды не должна превышать 600 С.
Обозначения радиальных вентиляторов (по ГОСТ 5976-90)
Буквы «В» – вентилятор;
Буквы «Р» и «Ц» – радиальный или центробежный;
Стократной величины коэффициента полного давления в режиме максимального КПД, округленного до целого числа;
Величины быстроходности hy в режиме максимального КПД, округленной до целого числа;
Номера вентилятора (числа, соответствующего наружному диаметру рабочего колеса D, в дециметрах, по ГОСТ 10616) [9].
Например, ВР-86-77-6,3 – обозначение вентилятора радиального с коэффициентом полного давления W = 0,86 и быстроходностью hy=76,5, № 6,3 (D = 630 мм).
По направлению вращения рабочего колеса различают вентиляторы правого и левого вращения. Вентилятор правого вращения: вентилятор, рабочее колесо которого вращается по часовой стрелке – вид со стороны всасывания. Вентилятор левого вращения: вентилятор, рабочее колесо которого вращается против часовой стрелки – вид со стороны васывания. У вентиляторов двухстороннего всасывания направление вращения определяется со стороны, противоположной приводу.
Варианты положения корпуса радиальных вентиляторов представлены на рисунке 3.1 [10].
Рисунок 3.1 – Варианты положения корпуса радиальных вентиляторов
Между выходным патрубком вентилятора и воздуховодом, всегда рекомендуется помещать антивибрационную прокладку (гибкую вставку). Она предотвращает передачу вибрации от вентилятора к каналу.
Вентиляторы устанавливаются на виброизоляторах, в некоторых случаях на виброизоляторах устанавливается и плита, на которой располагаются вентиляционные установки [11].
Рекомендуется также предусматривать прямой участок воздуховода сразу же после места его подсоединения к вентилятору. Длина этого участка должна быть, по крайней мере, в 1,5 раза больше максимального диаметра выходного патрубка вентилятора и внутри его должна быть звукоизоляция толщиной не менее 25 мм. Прямой участок воздуховода позволяет снизить турбулентность и связанные с ней шум и вибрации.
На выходе воздуха из вентилятора должны быть предусмотрены расширительные патрубки с углом не менее 30 градусов, при заборе воздуха они должны быть не менее 60 градусов. Это правило является общим для всего вентиляционного контура системы. Резкое изменение сечения каналов почти всегда приводит к появлению эффекта «гула» [12].
3.2 Анализ технологического процесса проветривания как объекта автоматизации
Система проветривания предназначена для обеспечения шахты воздухом в количестве, которое необходимо для обеспечения условия работы шахтёров в выработках при существующих параметрах при существующих параметрах рудничной атмосферы:
газовыделение;
запылённость;
выделение тепла;
влажность.
В систему проветривания современной шахты входят главные вентиляторные установки, вентиляторы местного проветривания, калориферные установки, вентиляторная сеть, устройства распределения воздушных потоков, устройств контроля параметров рудничной атмосферы и способов связи.
Задача автоматизации проветривания шахт сводится к подаче и распределению по выработкам такого количества воздуха, при котором обеспечивается заданная продолжительность забоев, придерживаясь правил безопасности и санитарно – гигиеничных норм и поддерживаются оптимальные режимы работы вентиляторных установок. Особенности подземной технологии выемки полезных ископаемых выдвигают эту задачу до ряда наиболее важных проблем горного дела. Трудности её решения условленны следующими основными причинами:
значительным изменением топологии и параметров вентиляционных сетей шахт, а так же общим взаимоотношением процессов регулирования расхода воздуха в выработках;
сложностью и даже противоречивостью динамических связей между входным влиянием – количеством воздуха, который поступает в забой и множеством выходных параметров этого объекта, подвергающимся регулированию концентрации метана, углекислого газа, пыли и т.д.;
стохастическим характером аэрогазовых процессов и наличием выбросов в случайных функциях регулируемых параметров;
большой рассредоточенностью и значительным количеством датчиком, что усложняет получения достоверной и полной информации;
сложностью построения системы автоматического управления вентиляторными установками (главного, флангового и местного проветривания) при обеспечении заданных высоких норм их надёжности [13].
В качестве объекта управления выбрана вентиляционная сеть шахты «Заперевальная 2». На данном предприятии используется всасывающая система с центрально–отнесённой схемой проветривания. Воздух в шахту поступает по клетевому стволу, расположенному на промплощади и отнесённому фланговому воздухоподающему стволу.
ВУГП установлена на скиповом стволе и оснащена двумя вентиляторами типа ВЦД-47,5У. Электропривод каждого вентилятора состоит из двух двигателей: разгонного синхронного АКИ-2-16-57-12У4И рабочего СДИ-17-76-12У4. Регулирование продуктивности осуществляется направляющим аппаратом; в качестве привода НА задействованы два двигателя АОЛ-2-34-4, технические данные которых приведены в таблице 3.1.
Для автоматизации ВГП применяется аппаратура УКАВ-2 в комплектации:
Станция автоматизации ШГС8803-13А2 – 2шт;
Станция КИП ШГС9510-ООМ» – 2шт;
Станция вспом. проводов ШГС5902-43М2 – 1шт;
Пульт управления ШГС9508-ООМ2.
Для контроля продуктивности и депрессии используются устройства типа ДМЭ.
Таблица 3.1 – Технические данные электродвигателей
| Электродвигатель | Напряжение питания, В | Ном. мощность, кВт | Частота вращения, об/мин | КПД |
| СДН-17-76-12У4 | 6000 | 4000 | 500 | 0,95 |
| АКИ-2-16-57-12У4 | 6000 | 800 | 490< | 0,943 |
| АОЛ2-34-4 | 380 | 3 | 1430 | 0,85 |
Аппаратура УКАВ-М обеспечивает возможность автоматизированного управления ВУГП при соблюдении всех нормативов безопасности и соответствии всем эксплуатационным требованиям, для вентиляторных установок, оборудованных одним или двумя реверсивными или нереверсивными осевыми вентиляторами, либо центробежными вентиляторами одностороннего или двустороннего всасывания.
Регулирование подачи вентилятора осуществляется путём изменения установки лопаток НА. Вручную это достигается кнопками S5 «Больше» и S6 «Меньше» в пульте управления ШУ7. для данного проекта от аппаратуры УКАВ-М требуется питание 24 В, а также для автоматизированного управления приводом НА параллельно к кнопкам S5 и S6 подключается система управления, через разъём XP8, дублируя данные кнопки.
3.3 Критерии, методы анализа и выбора вентиляторов главного проветривания шахт
Проектирование вентиляции ставит задачу обоснованного выбора главных вентиляторных установок (ГВУ), которая, как правило, решается без всестороннего анализа множества характеристик и критериев эффективности выбираемого оборудования.
При анализе вариантов оборудования по критерию, например, «стоимость» необходимо иметь в виду, что для установок с вентиляторами ВЦ (ВЦД) и ВОД, по статистическим данным за период c 1975 г. по 1990 г. удельные стоимости строительно-технологической части комплекса ГВУ, стоимость механического оборудования (вентиляторов) и стоимость их электрооборудования, соответственно, составляли 53%, 24% и 23%. При этом решение при анализе вариантов, как правило, принимают только с учетом стоимости вентиляторов.
Для работы главных вентиляторных установок как комплекса, в случае применения асинхронных электродвигателей в качестве привода вентиляторов, иногда могут создаваться совмещенные питающие подстанции 35/10/6,0 кВ, со средствами компенсации «отстающей» реактивной мощности. ГВУ, как правило, содержат воздухонагревательные устройства и сложную систему каналов со средствами переключения резервных агрегатов, стоимость и надежность которых также могут быть существенно различны, что должно учитываться.
Схема и сложность каналов ГВУ определяют уровень потерь в них давления и производительности (утечки, притечки), которые характеризуются коэффициентом потерь в каналах, которые для установок с вентиляторами ВЦ и ВОД, согласно упомянутой статистике, находятся в пределах 0.28–0.35, т.е. до 35% потребляемой ГВУ энергии теряется в каналах.
В условиях постоянного роста тарифов на энергию, удельный вес которой в себестоимости добываемого полезного ископаемого может достигать 30–35%(например, угольная промышленность США, Германии и т.п.) указанные потери окажутся значительными, поэтому критерий «экономичность» должен анализироваться с учетом потерь энергии в каналах, вентиляторе и электроприводе ГВУ с учетом роста тарифов на энергию.
Кроме критериев «стоимость» и «экономичность» другими важнейшими характеристиками оборудования вариантов для ГВУ являются: надежность, реверсируемость, адаптивность, компактность, управляемость и т.п.
Содержательный смысл рассматриваемого метода заключается в интегрированном учете суммарных производимых разновременно затрат на приобретение и эксплуатацию оборудования, которые посредством дисконтирования, через коэффициент эффективности капвложений приводятся к единому периоду (например, к сдаче вентиляторной установки в эксплуатацию или времени окончания ее использования).
При этом суммарные дисконтированные приведенные к единому моменту времени затраты на строительство и эксплуатацию вентиляторной установки (Ci) с оборудованием типа i определяются как:
, (1)
где Ki – капитальные вложения на создание вентиляторной установки с вентилятором типа i , руб; Aijt – эксплуатационные расходы на функционирование установки с вентилятором типа i, работающим в режиме j, в году t, руб.; t – номер шага (год) расчета; t = 0 – базисный год (начало строительства установки); Т – горизонт (период) расчета от начала строительства; αt – коэффициент дисконтирования, с учетом факторов времени, неопределенности и риска принят равным 0.12 (исходя из коэффициента эффективности капвложений и т.п.).
Таким образом, пользователь (проектировщик) на основе конкретных стоимостных данных заказчика (собственника-акционера) по вариантам вентиляторных установок, которые могут обеспечить требуемые вентиляционные режимы Qjt, Pjt и стоимости энергии (руб/кВт·ч, руб/Гкал), может объективно оценить возможные варианты вентиляторов по основным критериям: «стоимость» и «экономичность».
Как известно, характеристики оборудования для главных вентиляторных установок (ГВУ) должны представляться дополнительно следующими основными характеристиками: надёжность, реверсивность, адаптивность, управляемость и т. п.
3.4 Реверсирование вентиляторов
Необходимо отметить, что, согласно действующих ПБ, 60 % реверсивной производительности должно обеспечиваться в каждой из подземных выработок (согласно ПЛА); следовательно, с учётом специфики воздухораспределения в шахтах – вентиляторы, для выполнения указанных требований в реверсивном режиме, должны давать 100 и более процентов от прямого режима, что могут обеспечить только осевые вентиляторы, реверсируемые поворотом лопаток рабочего колеса на угол 120 от минимального.
Реверсирование осевых вентиляторов, как известно, возможно двумя основными способами: 1 – без изменения направления вращения; 2 – с изменением направления вращения. При реверсировании с изменением направления вращения (без поворота лопаток рабочего колеса) «диффузорная решётка» вентилятора становится «конфузорной», лопатка рабочего колеса (РК) «работает» задней кромкой вперёд, кривизна профиля лопатки становится обратной («противоестественной») – поэтому резко падает коэффициент полезного действия решётки РК и вентилятор в реверсивном режиме может обеспечить не более 75% прямого режима.
При реверсировании осевых вентиляторов без изменения направления вращения путём поворота лопаток РК до угла 1350 (т. е. на 1200 от минимального, что реализовано в наших разработках по вентиляторам серии ВО), вентилятор может обеспечить 100% и более от производительности прямого режима.
При реверсировании одного из опытно-промышленных вентиляторов ВО-21К (первая из работающих машин нового ряда серии ВО) нами получена производительность реверсивного режима в пределах 94–96 % от прямого режима за 40 с без остановки вентилятора.
Следует учитывать не только глубину, но и надёжность реверсирования производительности, пути повышения которой специалистами определены как: 1 – обеспечение возможности включения устройств реверсирования струи на ходу вентилятора; 2 – возможность опробования устройств реверсирования многократным включением при проверке; 3 – сокращение числа последовательно соединённых элементов в устройстве реверсирования и т. п.
Указанные пути повышения надёжности реверсирования полностью реализованы в установках с вентиляторами серии ВО, которые дополнительно содержат ручной привод, позволяющий оператору при отказе электрооборудования 0,4 кВ среверсировать вентилятор вручную за 60–90 с.
Более низкие показатели надёжности реверсирования в сравнении с машинами ВОД будут иметь установки с вентиляторами ВДК, т. к. каждый из них имеет по два электропривода, соответственно и по четыре высоковольтных распредустройства и т. п., которые переключаются (реверсируются) при реверсировании вентилятора.
О надёжности. По надёжности вентиляторов ВДК (Китай) нет никаких данных, кроме декларируемой лоббистами «простоты конструкции», однако, как отмечалось в упомянутой статистике, 47% отказов на ГВУ возникают в электрооборудовании даже при одноприводных вентиляторах, следовательно, на установках с вентиляторами ВДК с удвоенным количеством высоковольтного оборудования, в т. ч. содержащих 11 комплектных высоковольтных распредустройств – надёжность комплекса ГВУ будет в полтора-два раза ниже по сравнению с достигнутой на шахтах России (особенно при реверсировании в аварийных ситуациях).
Необходимо также иметь в виду, что вентиляторы ВДК имеют по два рабочих колеса с 28 поворотными (не на ходу) лопатками, в то время как вентиляторы ВО имеют всего одно рабочее колесо с 8 (поворотными на ходу) лопатками, не говоря о традиционном «качестве» китайской продукции.
По надёжности вентиляторов GAT (TLT – Голландия), AL-ALT и др. следует ожидать их высокое качество, но модульность исполнения и «сменяемость» на рабочем месте установки (кстати, обоснованная и апробированная нами на физической модели ГВУ в 70-х годах) предполагают только «фирменное» сервисное обслуживание и высокую техническую подготовку (культуру) и традиции эксплуатационного персонала.
Необходимо также иметь в виду, что надёжность, в значительной мере, обеспечивается ремонтопригодностью изделия, которая, в свою очередь, предопределяется степенью доступности при осмотре (ремонте), взаимозаменяемостью, размещением сервисных служб и т. п.
Об адаптивности. Важнейшими характеристиками ГВУ шахт является возможность адаптировать (перенастроить, изменить) их характеристики к изменяющимся параметрам вентиляционной сети (требуемого давления и расхода воздуха).
Вентиляторы серии ВО выполняются с трёмя сменными вариантами лопаток рабочего колеса, что позволяет, кроме регулирования производительности в 1,5–2,1 раза за счёт поворота лопаток РК от 150 до 450, увеличивать производительность и давление вентилятора дополнительно в 1,25–1,45 раза за счёт замены лопаток рабочего колеса. Адаптация указанным способом обеспечивает так же повышение среднего эксплуатационного статического КПД вентиляторов до 0,7–0,75 (достигнутый на шахтах – находится в пределах 0,38–0,62), т. к. взамен снимаемых устанавливаются лопатки, которые обеспечат заданный режим с наибольшим КПД.
Вентиляторы ВДК (Китай) не имеют таких возможностей, вентиляторы 450 LN4HKF (Германия) могут «адаптироваться» путем снятия половины лопаток с рабочего колеса, что снижает примерно в 2 раза не только создаваемые давление и производительность, но и КПД вентилятора.
3.5 Обоснование и разработка реверсивной вентиляционной установки
Шахтные установки главного проветривания состоят из двух самостоятельных вентиляторных агрегатов (рабочего и резервного), комплекта средств реверсирования и переключения воздушной струи (КСРП), вентиляционных каналов, аппаратуры управления, здания и фундаментов.
Существующие типовые вентиляторные установки, особенно с центробежными вентиляторами, отличаются сложностью технологических схем, значительной площадью застройки и, как следствие, требуют достаточно большого объёма капитальных вложений на их сооружение и дальнейшее содержание.
Схема разработанной реверсивной вентиляционной установки, с помощью которой появились новые возможности радикального решения проблемы реализации рациональной технологической схемы и экономичного конструктивного исполнения вентиляторной установки для главного проветривания шахт и рудников, приведена на рисунке 3.2.
Рисунок 3.2 – Схема разработанной реверсивной вентиляционной установки
Установка состоит из двух вентиляторных блоков, каждый из которых включает осевой вентилятор 4, входную 3 и выходную 5 коробки, приводной электродвигатель 8, а также двух модульных переключателей 2 с четырёхпозиционными заслонками, общего вертикального диффузора 6, атмосферного 7 и подводящего 1 каналов.
В зависимости от взаимного положения заслонок переключателей 2 обеспечивается прямая и реверсивная работа одного из двух вентиляторов при резервировании другого, либо отсечение установки от шахтной сети.
При прямой работе воздушный поток из подводящего канала 1 через переключатель 2 и входную коробку 3 поступает в работающий вентилятор 4 и далее через выходную коробку 5 и переключатель 2 в общий диффузор 6. При этом входная 3 и выходная 5 коробки резервного вентилятора запираются заслонками переключателей 2.
При реверсировании воздух через диффузор 6, атмосферный канал 7, переключатель 2, входную коробку 3 поступает в работающий вентилятор 4 и далее через выходную коробку 5 и переключатель 2 в шахту. При этом резервный вентилятор изолирован.
Во всех элементах установки, где имеют место повороты потока, устанавливаются специально спроектированные лопаточные системы, обеспечивающие минимальные аэродинамические потери и равномерность течения.
Заслонки переключателей 2 уравновешены относительно оси поворота и также имеют лопаточные системы для выравнивания потока.
Элементы каждого из вентиляторных блоков устанавливаются на общей фундаментной раме, что обеспечивает надежность работы системы электродвигатель-вентилятор и существенно упрощает монтаж установки в целом.
Вертикальное исполнение диффузора и специальная облицовка его внутренней поверхности обеспечивают эффективное подавление шума и выгодную направленность его излучения.
Шахтные вентиляторные установки нового типа отличаются компактностью и минимальными объемами строительно-монтажных работ и могут быть использованы в других отраслях промышленности и технологических процессах, где необходимо проветривание со 100% реверсированием воздушной струи и активным резервированием вентиляторов.
Особенности конструкции установки
в результате тщательной аэродинамической оптимизации проточной части установки и ее отдельных аэродинамически активных элементов обеспечивается минимальный уровень потерь статического давления;
конструкция поворотных колен-заслонок переключателей потока совместно со специальной лопаточной системой для выравнивания потока оптимизирована методами конечно-элементного анализа и сбалансирована (уравновешена) относительно оси поворота, что обеспечивает минимальные усилия и оперативность их перестановки;
эффективная система уплотнений переключателей потока сокращает подсосы воздуха в процессе эксплуатации;
элементы каждого из вентиляторных блоков устанавливаются на общей раме, что обеспечивает повышенную надежность работы системы «электродвигатель-вентилятор»;
замкнутая система воздуховодов (атмосферный канал сообщается с выходным диффузором) гарантирует необмерзаемость установки при отрицательных температурах;
вертикальное исполнение диффузора и специальная облицовка его внутренней поверхности обеспечивают эффективное подавление шума и выгодную направленность его излучения;
установки нового типа отличаются компактностью, простотой конструкции, повышенной эксплуатационной надежностью, удобством технического обслуживания и ремонта.
В результате данной работы проведен анализ технологического процесса проветривания как объекта автоматизации и радиальных (центробежных) вентиляторов; сформулированы критерии, методы анализа и выбора вентиляторов главного проветривания шахт; рассмотрено явление реверсирования вентиляторов; обоснована и разработана реверсивная вентиляционная установка, с помощью которой появятся новые возможности радикального решения проблемы реализации рациональной технологической схемы и экономичного конструктивного исполнения вентиляторной установки для главного проветривания шахт и рудников.
1. Ушаков К.З. Аэрология горных предприятий. Недра, 1987г.
2. Автоматизированные системы и средства управления производственными процессами в угольной промышленности. Труды института, выпуск XIII. М., 1973.
3. Гейер В. Г. Шахтные вентиляторные и водоотливные установки. Недра, 1987г.
4. Батицкий В. А., Куроедов В. И., Рыжков А. А. – Автоматизация производственных процессов и АСУ ТП в горной промышленности. – М.: Недра, 1991. – 303 с.
5. Технические средства автоматизации в горной промышленности./ В. И. Груба, Э. К. Никулин, А. С. Оголобченко. – Киев: ИСМО, 1998. – 373 с.
6. Н. Н. Петров Об экономичности, стоимости и металлоемкости вентиляторных агрегатов // ФТПРПИ – 1988. – №4. – с. 66–72.
7. В. П. Верещагин, В.Я.Олейник Анализ потерь энергии в шахтных вентиляторных установках // Вопросы эксплуатации шахтных стационарных установок. – Донецк. ВНИИГМ им. М. М. Федорова – 1985 г., с. 204–210;
8. Н. Н. Петров Экономичность действующих вентиляторных установок и пути ее повышения // Автоматическое управление в горном деле. – Новосибирск – 1974 г.;
9. С. И. Демочко, А. В.Кузнецов, В. П. Паршинцев Неисправности шахтных вентиляторных установок главного проветривания // Справочное пособие, – М.: Недра, 1990 – 188 с.
10. Аппаратура контроля поступления воздуха в тупиковые выработки АПТВ: Руководство по эксплуатации 0.06.466. 044 РЭ – 65 с.
11. Местер И. М. и др. Надежность проветривания подготовительных забоев. Безопасность труда в промышленности, 1971, № 1.
12. Гаврилов П. Д., Гимельштейн Л. Я., Медведев А. С. Автоматизация производственных процессов. Учебник для вузов. М.: Недра, 1985 – 215 с.
13. Датчики для автоматизации в угольной промышленности под общ. Ред. В.А. Ульшина – М: Недра,1984 – 245 с.
14. ГОСТ 22782.5-78. Искробезопасные цепи
15. ГОСТ 2.702-78. Правила выполнения электрических схем