Рисунок 1 – Типичная схема системы водоотлива шахт
Автор: Willem Schoeman, Dr.Johann Van Rensburg and Dr. Gerhard Bolt
Источник: Conference on "Industrial and
Commercial use of Energy", Cape Town, August 2011
Ограничение поставок электроэнергии в Южной Африке обусловило необходимость реализации проектов по управлению нагрузкой. Целью данного исследования является определение наиболее экономически эффективной стратегии управления нагрузкой в системе водоотлива шахт.
Горнодобывающий сектор был выбран как один из крупнейших потребителей электроэнергии в Южной Африке. Значительное количество энергии используется для обезвоживания шахтных стволов. В результате от автоматизации системы водоотлива улучшится управление нагрузкой. Управление нагрузкой позволяет снизить потребление энергии в периоды пиковых нагрузок. Это приведет к экономии финансовых средств для шахты, а также к созданию условий для более надежной подачи электроэнергии от Eskom.
На сверхглубоких золотых шахтах система водоотлива используется каскадным способом для передачи воды из одного резервуара в другой до тех пор, пока она в конечном итоге не достигнет поверхности нижнего водосборника. Предварительно водонасосные системы выкачивают воду из подземного водохранилища, чтобы подземные водосборники могли вместить приток. Эта упрощенная насосная система с ручным управлением не позволит улучшить управление нагрузкой, используя только локальную подземную систему управления. Автоматизируя процесс, можно централизовать управление, позволяя управлять нагрузкой, учитывая все ограничения системы.
Типичная система водоотлива шахт контролируется вручную операторами подземных насосов, которые запускают и останавливают насосы в зависимости от уровня воды в водохранилище. Подземные резервуары с горячей водой используются как хранилища для технической и трещинной воды. Шахта должна быть постоянно обезвожена, чтобы избавить рабочие участки от избытка воды.
Эта вода в конечном итоге перекачивается на поверхность, охлаждается и возвращается для повторного использования в подземных горных работах. Типичная схема системы водоотлива шахт показана на рис. 1.
Рисунок 1 – Типичная схема системы водоотлива шахт
Моделирование показало возможный сдвиг примерно на 5,8 МВт от периода вечернего пика. Следовательно, путем реализации стратегии централизованного автоматического управления и изменения графика работы насоса в системе водоотлива может быть достигнута большая экономия энергии.
Когда система водоотлива автоматизирована, она разработана с учетом безопасности, простоты эксплуатации и устойчивости. Стандартная блокировка и управление, включенные в программируемый логический контроллер, используются при дистанционном управлении. Насос и двигатель имеют ряд параметров, которые должны контролироваться до и во время работы.
Для правильного управления требуются множественные сигналы, записанные соответствующими приборами из разных точек в рамках процесса водоотлива. Поэтому экономически выгодно устанавливать многожильные кабели и распределительные устройства. Контрольно-измерительные приборы, установленные на насосе и двигателе, централизованы в распределительном устройстве, установленном рядом с насосом. Это уменьшает количество дорогого кабеля за счет использования многожильных медных кабелей, которые передают и принимают сигналы от распределительного устройства на удаленную панель ввода и вывода.
Используя установленные датчики сигналов индикации уровня воды, кабели панели высокого напряжения и контрольно-измерительные приборы, стоимость полностью автоматизированной системы может быть значительно снижена.
Все сигналы от подземной системы управления должны быть достоверны. Это обеспечит доступность информации от индикаторов уровня воды, а также другой важной информации для системы управления в режиме реального времени. Поскольку система управляется из наземного диспетчерского пункта, сеть связи должна быть стабильной. Был использован оптоволоконный кабель, поскольку он оказался надежным и практичным для установки внутри шахтного ствола [1].
Оптоволоконный кабель может передавать большие объемы данных по одной паре волокон, в основном в зависимости от возможностей передающего и приемного оборудования. Поэтому нет необходимости использовать оптоволоконный кабель с большим количеством оптоволоконных пар для связи. Сокращение количества оптоволоконных жил в конечном итоге приведет к снижению затрат на прокладку кабелей. Если на шахте имеется существующая оптоволоконная сеть, способная связываться с подземными насосными станциями, и имеются запасные оптоволоконные жилы, то использование запасных волокон для связи значительно сократит затраты.
Управление осуществляется с поверхности с использованием системы SCADA. SCADA является предпочтительным методом из-за его надежности, а также способности взаимодействовать с управлением энергопотреблением с использованием протокола OPC, [2]. Принципиальная функциональная схема автоматизированной системы управления приведена на рис. 2.
Рисунок 2 – Принципиальная функциональная схема автоматизированной системы управления шахтным водоотливом
Программируемый логический контроллер установлен на каждой насосной станции и используется для управления и блокировки на указанном уровне. Связь с ПЛК осуществляется с использованием требуемого протокола для каждой из панелей удаленного ввода и вывода, установленных на каждом насосе. Действие, которое должно быть выполнено для конкретного насоса, передается из наземного диспетчерского пункта в подземный ПЛК, а затем в контрольно-измерительные приборы. Автоматизация всей системы водоотлива и управление ею с централизованной станции на поверхности позволили улучшить общее управление нагрузкой. Экономия энергии может быть достигнута путем контроля графика работы насоса, чтобы уменьшить потребление энергии в период пиковой нагрузки Eskom.
Внедрение автоматизированной системы управления системой водоотлива привело к существенной экономии энергии за счет улучшения контроля энергопотребления. Система должна иметь возможность получать в режиме реального времени информацию о полном процессе.
Из-за того, что система водоотлива имеет каскадную форму, более низкие уровни будут влиять на приток более высоких уровней. Оптимизированное управление нагрузкой возможно только тогда, когда все уровни контролируются одновременно и в реального времени.
1. Network cabling help, Date of issue 3 September 2006.
2. A Daneels, “International conference on accelerator and large experimental physics control systems”, Trieste Italy, 1999.
3. N J M de Kock, “Researching the long term impact of load management projects on South African mines”, November 2008.