Водоотлив шахты является важным горнотехническим процессом шахты, от надежной работы которого зависит бесперебойность и безопасность работы шахты в целом.
Шахтные водоотливные установки выполняют весьма ответственную задачу — предотвращают заполнение горных выработок подземными водами, что предъявляет очень высокие требования к надежности этих установок. Кроме того, водоотлив — одна из самых энергоемких установок шахты, и поэтому здесь важна экономия в использовании оборудования с минимальными затратами электроэнергии.
Вода выводится из горных выработок шахты безнапорными потоками - самотечным водоотливом, и напорным - по трубопроводам насосными установками. Напорный водоотлив осуществляется водоотливными установками, в состав которых входят насос, привод-электродвигатель, подводящий (всасывающий) и напорный (нагнетательный) трубопроводы с напорной арматурой. Самотечный водоотлив осуществляется по канавкам, проведенным по грунту выработок, геометрический наклон которых равняется необходимому гидравлическому. Водоотливные установки делятся на участковые и главные. Участковые установки перекачивают воду от забоев к водосборнику главной водоотливной установки и включаются по мере необходимости откачки воды. Основной является главная, которая откачивает воду на поверхность шахты.
На рисунке 1 представлена гидравлическая схема работы насосного агрегата при откачке воды из водосборного колодца, где 1 - приемный колодец; 2 – подводящий трубопровод, оборудованный приемной сеткой ПС (предохраняющей от поступления в трубопровод твердого крупностью большей, чем 0.3-0.5 ширины выходной щели рабочего колеса) и обратным клапаном ОК (который препятствует вытеканию воды из проточной части основного насоса при заливке); 3 - насос; 4- нагнетательный трубопровод с обратным клапаном ОК (служащий для сохранения воды в нагнетательном трубопроводе при стоянке насосов, недопущения обратного движения воды при остановке насосов и защиты насоса от гидравлического удара при внеплановой остановке), регулировочной задвижкой ЗР с приводом ПЗ (служащей для изменения режимов работы агрегата) и концевыми выключателями положения “открыто” - “закрыто” КВО, КВЗ; Qт - расходомер, установленный на подводящем трубопроводе; hт – уровнемер, расположенный в приемном колодце водосборника.
Рисунок 1 – Технологическая схема насосной установки главного водоотлива шахты (анимация, 8 кадров, 7 циклов повторения)
Опыт эксплуатации главной водоотливной установки шахты и анализ литературных источников показал, что насосная установка работает недостаточно эффективно - существует перерасход электроэнергии, выход из строя элементов насосов, подтопление выработок, имеют место кавитационные режимы, связанные с неконтролируемостью режимных параметров при существующих системах автоматизации. Экономическая и надежная работа водоотливной установки большей частью определяется фактическим режимом работы насоса, который в процессе эксплуатации постоянно изменяется в результате повышенного износа оборудования при перекачке вод с включением твердого, кислых вод, "зарастании" элементов трубопроводной сети. Поэтому исследования кавитационных явлений в подводящем трубопроводе и разработка устройства автоматической защиты насосов от кавитации являются актуальными.
Работа главной водоотливной установки характеризуется шестью механическими характеристиками, четыре из которых являются индивидуальными характеристиками насоса (кривые давления, КПД, мощности и кавитации) и две - характеристики подводящего и транспортного (нагнетательного) трубопроводов. Каждая из перечисленных характеристик может, изменятся в зависимости от технологических и эксплуатационных условий на водоотливе. Исследованиями и опытом эксплуатации насосов главной водоотливной установки установлено, что при автоматизации последних кроме обеспечения их работы в зоне промышленного использования необходимо осуществлять контроль и диагностику рабочих режимов водоотливной установки в целом [1,5,8]. При разработке устройства автоматизированной защиты шахтной водоотливной установки от кавитации необходимо учитывать наибольшее число параметров, часть из которых изменяется неоднозначно, а прямое инструментальное измерение, которые либо затруднены, либо невозможны. В этих случаях приходиться использовать непрямые методы контроля таких параметров.
Известно, что рабочий режим насосного агрегата графически определяется точкой пересечения напорных характеристик насоса и сети [5]. Следовательно, отклонение режима от расчетного может состояться только в результате изменения этих характеристик.
Характеристика насоса в процессе эксплуатации может изменяться по разным причинам: подсасывается воздух в подводящем трубопроводе, сносились уплотнения рабочих колес, забился всасывающий патрубок рабочего колеса посторонними предметами, сносились рабочие колеса, увеличилось сопротивление подводящего трубопровода и т.п.
График изменения напорных характеристик насоса и трубопроводной сети приведен на рисунке 2, где Pc – характеристика сети; Pм – характеристика насоса; Q0, Q1, Q2 - соответственно рабочая, минимальная и максимальная подача насоса в рабочей зоне; P0, P1, P2 - соответственно рабочее, минимальное и максимальное давление насоса в рабочей зоне; Pг – геометрическое давление водоподъема. Р0ВГ, Р1ВГ, Р2ВГ – соответственно рабочее, минимальное и максимальное геометрическое давление всасывания. Рдопвак – допустимое вакуумметрическое давления всасывания.
Рисунок 2 – График изменения напорных характеристик насоса и трубопроводной сети
Однако какой бы не была причина изменения характеристики насоса, эффект во всех случаях оказывается одинаковым - изменяется напор насоса в зоне промышленного использования. Отклонение напорной характеристики сети от расчетной также может быть вызвано разными причинами. В одних случаях это ведет к росту сопротивления сети (не вполне открытая задвижка на нагнетании, уменьшилось проходное сечение трубопровода в результате коррозии или заиливания, неполное открытие обратного клапана на нагнетании), в других - к снижению сопротивления (не полностью закрыта коммутационная задвижка на напорном коллекторе, нарушена герметичность нагнетательного трубопровода, не полностью закрыта задвижка на сбросном трубопроводе). При этом изменяется подача насоса, его напор, затрата воды в исходном пересечении нагнетательного трубопровода, потребляемая мощность, затрата воды через разгрузку, вакуум в патрубке насоса, то есть все параметры, которые характеризуют рабочий режим. Фиксация изменения каждого из перечисленных параметров в принципе может быть основой для установления гидравлической неисправности.
При росте сопротивления сети подача насоса уменьшается, а давление растет. Соотношение между относительным изменением подачи и относительным изменением давления зависит от формы напорной характеристики насоса, что при рассмотренном виде неисправности остается неизменной. Для шахтных насосов относительное изменение подачи в пределах зоны промышленного использования существенно превышает относительное изменение давления. Последнее свидетельствует о том, что защита по подаче рациональнее защиты по давлению.
Таким образом, можно сделать следующие выводы:
1. На изменение механических характеристик насосной установки в процессе эксплуатации влияют многие факторы, однако не все они одинаково значимы.
2. Ни один параметр не может быть принят в качестве единственного информационного сигнала достаточной для реализации защиты без дополнительного учета других параметров.
3. При реализации той или другой защиты стоит принимать во внимание не менее двух наиболее значимых для конкретных условий параметров, а другие, менее значимые, стоит исключить из рассмотрения.
Функции, которые будут реализованы разрабатываемым устройством:
- управляющие (открытие задвижки);
- сигнальные (о неисправности насоса, о предкавитационном режиме насоса);
- промежуточные (о положении задвижки).
Технические требования к устройству, которое разрабатывается:
- искробезопасность входных и выходных цепей;
- взрывозащита (устройство должно быть помещено в стандартную взрывозащищенную оболочку);
- искробезопасность питания разрабатываемого устройства;
- гальваническая развязка между новыми блоками разрабатываемого устройства;
- для возможности оперативного ремонта устройства предусмотреть наличие штекерного разъема;
- использование расходомера и уровнемера со стандартным электрическим аналоговым выходом;
- при аппаратном решении разрабатываемого устройства управления использовать микропроцессорную схемотехнику.
Так как работы по предотвращению аварийных ситуаций всегда менее трудоемки, чем работы по ликвидации их последствий, то внедрение автоматического устройства автоматизированной защиты шахтной водоотливной установки от кавитации на базе микроконтроллера, как составной части автоматизированной системы защиты шахтных насоса от кавитации позволит сэкономить часть средств на заработной плате и запасных материалах.
Применяемая в данное время на шахте аппаратура автоматизации типа ВАВ.1М не обеспечивает контроль кавитационных режимов в подводящем трубопроводе водоотливной установки, поэтому необходимым являтся разработка и применение дополнительных блоков защиты от кавитации подводящего трубопровода и самого насоса. Данные блоки защиты будут обеспечивать измерение, контроль и сравнение с уставками рабочих параметров насоса и сети для поддержания оптимального режима работы водоотливной установки. Соблюдение установленных режимов позволит улучшить показатели надежности и экономичности насосных агрегатов.
В результате проведения инженерных исследований, было установлено, что для расчета уставок управления в гидравлике не существует определенных зависимостей. В данной работе я предлагаю использовать метод наименьших квадратов для нахождения эмпирических зависимостей, которые и могут быть в дальнейшем использованы для расчета утсавок управления.
В ходе проведения научно-исследовательской работы планируется создать автоматизированную систему защиты главной водоотливной установки шахты от кавитации, которая позволит эффективно выполнять сбор и анализ информации, а также контролировать и регулировать рабочие режимы насосных агрегатов. Разработка новой системы защиты насосов от кавитации позволит получить экономический эффект за счет использования новой элементной базы и микроконтроллеров для обработки информации и выдачи ее на дисплей диспетчеру.
Для автоматизации различных водоотливов серийно выпускалась аппаратура следующих типов: АВО-5, АВН-1М, УАВ, КАВ, ВАВ, ВАВ-1М. Наиболее современной аппаратурой является аппаратура ВАВ-1М, которая предназначена для автоматического дистанционного и местного управления главными высоковольтными, низковольтными водоотливными установками, а также автоматического и местного управления одиночными водоотливными установками шахт, опасных по газу и пыли.
В зависимости от условий применения и комплектности поставки аппаратура изготавливается в трех модификациях: ВАВ1.1М, ВАВ2.1М, ВАВ3.1М.
Структурная схема соединения основных блоков аппаратуры ВАВ.1М изображена на рисунке 3.
Рисунок 2 – Структурная схема соединения основных блоков аппаратуры ВАВ.1М
Аппаратура ВАВ.1М обеспечивает:
- автоматическое управление работой насосных агрегатов в функции уровня воды;
- дистанционное и местное ручное управление работой насосных агрегатов;
- в случае отказа рабочего насоса автоматическое включение резервного;
- очередность работы насосов;
- последовательность включения и отключения, электродвигателей насосных агрегатов с выдержкой времени, что исключает одновременное их включение и отключение при параллельной работе во избежание наложения пусковых токов и гидравлического удара;
- запрет включения в работу сломанного насоса;
- возможность пуска и остановки от диспетчера, работающих в системе автоматического управления, независимо от уровня воды в водосборнике;
- при отключении за неисправностью одного или нескольких агрегатов, работающего в автоматическом режиме, взамен его включается резервный, настроенный для работы от аварийного уровня;
- включение одного или нескольких насосных агрегатов при верхнем уровне воды в водосборнике;
- коррекцию графика работы насоса с целью создания естественных условий его невключение в период максимальной нагрузки энергосистемы;
- учет времени работы насосных агрегатов;
- отображение сигналов на табло диспетчера об уровне воды в водосборнике, работе насосов, отказа и видов неисправности в работе установки, времени периодов максимальной нагрузки энергосистемы.
Хотя данная аппаратура и является самой распространенной, она имеет ряд недостатков:
- современная аппаратура управления должна быть выполнена на основе микропроцессорных устройств, что в ВАВ.1М не заложено;
- при числе насосов в водоотливной установке более трех необходимо применять несколько комплектов аппаратуры;
- при нескольких водоотливных установках необходимо применять несколько комплектов аппаратуры;
- при зависимых водоотливах нет блокировки не позволяющей нижней установке подавать воду в заполненный верхний водосборник;
- не предусмотрены функции контроля состояния всасывающего и напорного трубопроводов, насоса.
Для учета возможности возникновения кавитации необходимо иметь в наличии характеристику подводящего трубопровода, а также кавитационную характеристику насоса, которая может быть принята паспортной для данного типа насоса. Однако паспортная характеристика приводится для узкого диапазона изменения подач насоса, которая определяется зоной промышленного использования.
Вместе с тем, возникает необходимость определения этой характеристики в более широком диапазоне.
В результате исследований были получены следующие зависимости:
где Hвакдоп - допустимая вакуумметрическая высота всасывания, м;
ν - средняя скорость воды в подводящем трубопроводе, м/с;
∆hкр - критический кавитацищнный запас;
k - коэффициент запаса, равный 1,2-1,3, принимаем 1,25.
Для обеспечения безкавитацийнной работы насоса нужно, чтобы выполнялось следующее условие:
Если приравнять между собой Hвс.тр = Hвс + aвс · Q2 и (2) и решить относительно Hвс, то можно получить следующую зависимость:
Hвс = 10 - 8,97 · Q2 · (48,39 · λ + 4,63) - k · ∆hкр.
Эта зависимость получена для насосной установки, оборудованной насосом типа ЦНС 300-120-600, что обеспечивает подъем воды на высоту м. Диаметр подводящего трубопровода ровен 0,31 м.
Критический кавитационный запас вычисляется по формуле С.С. Руднева:
где n - частота вращения рабочего колеса насоса, 1475 об/мин;
с - кавитационный коэффициент быстроходности насоса, который можно вычислить по эмпирической формуле, мин-1:
с = 600 + 18,433 · (ns - 50)0,676 .
где ns - удельная быстроходность насоса, которая определяется следующей зависимостью, мин-1:
где Qн, Hн - соответственно подача (300 м3/ч) и напор (60 м), которые развиваются одной ступенью насоса типа ЦНС 300-120-600 в нормальном режиме.
После всех подстановок получаем следующую формулу:
Hвс = 10 - 54,639 · Q2 - 30,604 · Q2/3.
Выше приведенные зависимости являются основой для создания средств зашиты насосной установки от кавитации. Для этого предусмотрен контроль следующих параметров: текущего уровня воды в приемном колодце; текущей подачи насоса в рабочей точке.
Защита от кавитации основывается на сравнении контролируемого уровня воды с допустимым полученным на основании решения совместного уравнения (1) и (2). При несоблюдении равенства этих величин осуществляется уменьшение подачи насоса любым из 2-х известных способов: дросселирование напорного трубопровода либо регулирование частоты вращения рабочего колеса насоса.
Применяемая в настоящее время аппаратура управления главным водоотливом ВАВ.1М не достаточно надежно контролирует рабочие режимы насосов, что приводит к сниженню эффективности работы водоотлива. Установлено, что на изменение механических характеристик насосной установки в процессе эксплуатации влияет много факторов, однако не все они одинаково значимые. Ни один параметр не может быть принят в качестве единственного информационного сигнала, достаточного для реализации защиты без дополнительного учета других параметров. При реализации той или другой защиты следует принимать во внимание не менее двух наиболее значимых для конкретных условий параметров, а другие, менее значимые, следует исключить из рассмотрения.
Таким образом в результате исследования были сформулированы задачи, выбраны способы решения этих задач и намечена конкретная реализация устройства защиты водоотливных установок от кавитации в подводящем трубопроводе.
Обобщая опыт эксплуатации, необходимо отметить, что постоянная готовность к работе автоматизированных водоотливных установок может быть обеспечена при тщательном уходе, соблюдении сроков проведения ремонтов, ревизий насосного оборудования и своевременного технического обслуживания. Основой надежной работы аппаратуры является ее квалифицированное обслуживание.
1. Гейер В.Г., Тимошенко Г.М. Шахтные вентиляторные и водоотливные установки: Учеб. для вузов – М.: Недра, 1987 – 270 с.
2. Попов В.М., Рудничные водоотливные установки. - 2-е. изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1983 - 304 с.
3. Алексеев В.В., Рудничные насосные, вентиляторные и пневматические установки: Учебн. пособие.-М.: Недра, 1983 - 381с.
4. Шевчук С.П., Повышение эффективности водоотливных установок - К.: Техника, 1991. - 53 с.
5. Стационарные установки шахт. Под общей ред. Б.Ф. Братченко. М.: Недра, 1977. – 440 с.
6. Тимошенко Г.М. Научные основы проектирования и эксплуатации насосных установок в переходных режимах. Киев; Донецк: Вища шк. Головное изд-во, 1986. – 127 с.
7. В.Я. Карелин Насосы и насосные станции – М.:Недра, 1979. – 376 с.
8. Н.Г. Картавый Стационарные машины. – М: Недра, 1981. – 327 с.
9. Степанов А.И. Центробежные и осевые насосы: Пер. с англ. – 2-е изд. – М.: Машгиз, 1960. – 463 с.
В.Я. Карелин Кавитационные явления в центробежных и осевых насосах - М.:Недра, 1975 – 353 с.
11. Технические средства автоматизации в горной промышленности: Учебное пособие / В.И. Груба, Э.К. Никулин, А.С. Оголобченко. Под общей редакцией докт. техн. наук, проф. В.И. Грубы. – Киев: ИСМО, 1998. – 373 с.