Аннотация
В работе приведена структурная схема устройства защиты шахтной водоотливной установки от кавитационных режимов работы. Рассмотрен алгоритм работы устройства защиты шахтной водоотливной установки от кавитации.
Откачка воды из шахты относится к основному технологическому процессу при работе горного предприятия, так как его срыв приводит к нарушению безопасных условий труда горнорабочих и вынужденной остановке добычи угля. В связи с этим возникает потребность в обеспечении технических мер, обеспечивающих стабильность и надежность работы установок главного водоотлива.
Одной из особенностей функционирования водоотливной установки является непостоянство ее эксплуатационных характеристик, что приводит к выходу рабочего режима насосного агрегата из зоны промышленного использования. Следует отметить также возникновение аварийных режимов работы насосного агрегата, связанных с нарушением целостности напорного трубопровода, гидравлические удары, разгерметизация всасывающего трубопровода и др. В ряде случаев это приводит к смещению рабочей точки в зону непромышленного использования насосного агрегата или возникновению кавитационного режима (рис. 1) [1].
Рисунок 1 – Гидравлические характеристики насосного агрегата и трубопроводной сети
Анормальным режимам работы шахтного водоотлива на рис.1 соответствуют следующие характеристики: Нс1- утечка жидкости; Нс2- порыв трубопровода; Нс3- перекрытие сечения напорного трубопровода; Нвс1- подсос воздуха во всасывающем трубопроводе; Нвс2 - перекрытие сечения всасывающего трубопровода.
На рис. 1 приведены следующие условные обозначения: 1 - характеристика насоса; 2 - характеристика трубопроводной сети; 3 - кавитационная характеристика всасывающего трубопровода; 4 - допустимая вакуумметрическая высота всасывания; 5 - гидравлическая характеристика всасывающего трубопровода.
Для поддержания нормального режима работы насосного агрегата в случае возникновения кавитации разработано устройство защиты и стабилизации кавитационного запаса, структурная схема которого приведена на рис.2.
Рисунок 2 – Структурная схема устройства защиты и стабилизации кавитационного запаса водоотливной установки
Устройство работает следующим образом. С кварцевого генератора импульсы возбуждения фиксированной частоты поступают в пъезоэлектрический преобразователь, выход которого подключен к входу широкополосного импульсного усилителя. После усиления сигнал поступает на соответствующий вход триггерной схемы. В ее функции входит формирование импульсов, длительность которых определяется длительностью импульсов с выхода импульсного усилителя, а частота - частотой сигнала генератора.
Импульсы с выхода триггерной схемы поступают в ограничитель амплитуды и далее в мостовую измерительную схему, в которой осуществляется сравнивание напряжений с выхода генератора и с выхода ограничителя амплитуды. При постоянстве амплитуды сигнала и частоты кварцевого генератора в диагонали мостовой схемы создается ток разбаланса, зависящий от длительности импульсов с выхода пьезоэлектрического преобразователя [2]. Сигнал разбаланса с выхода мостовой измерительной схемы поступает в блок пороговых элементов, в котором по величине тока уставки и амплитуде тока разбаланса задаются пороговые значения интенсивности кавитации во всасывающем трубопроводе. Выходной сигнал блока управления приводом заслонки формирует управляющий сигнал на продолжение работы насоса или на включение привода заслонки нагнетательного трубопровода при возникновении кавитации. Блок индикации обеспечивает сигнализацию в соответствии с текущими режимами работы насоса.
На рис. 3 приведен алгоритм функционирования устройства защиты и стабилизации кавитационного запаса шахтной водоотливной установки.
Рисунок 3 – Алгоритм функционирования устройства защиты и стабилизации кавитационного запаса водоотливной установки
После идентификации входных сигналов и установления угла поворота заслонки во всасывающем трубопроводе в исходное положение, устройство проверяет пребывание насосного агрегата в зоне промышленного использования по текущим значениям давления и расхода жидкости в нагнетательном трубопроводе. При работе насосного агрегата отслеживается текущее состояние уровня воды в водосборнике и величина давления во всасывающем трубопроводе. После сравнения с номинальными значениями формируется информационный сигнал о нормальном или аварийном режиме работы всасывающего трубопровода. По величине перепада давления определяется степень загрязнения погружного фильтра или разгерметизации во всасывающем трубопроводе, а также осуществляется сигнализация его состоянии. Далее оценивается фактическая величина кавитационного запаса насосной установки, которая далее сравнивается с допустимым значением:
где P1- избыточное давление во всасывающем патрубке на входе в насосный агрегат; Pamb- атмосферное давление; Pv- давление насыщенных паров жидкости при рабочей температуре; V1– скорость перекачиваемой жидкости во всасывающем патрубке; ς – плотность жидкости при рабочей температуре.
По разнице значений кавитационного запаса оцениваются условия протекания режима кавитации, и осуществляется регулирование рабочей точки насосного агрегата в зоне промышленного использования до полного вывода насоса за пределы зоны кавитации (рис.1). При этом фиксируется текущий угол поворота заслонки, а стабилизация режима работы насоса осуществляется по выходному сигналу преобразователя кавитации в зависимости от текущего значения величины кавитационного запаса.
После подачи питания, устройство стабилизации кавитационного запаса проверяет значения давления во всасывающем трубопроводе и величину расхода в нагнетательном трубопроводе (блок 2).
В блоке 3 устройства проверяется величина кавитационного запаса насосного агрегата и определяются условия дальнейшей работы насоса. Ограничение диапазона регулирования величины кавитационного запаса в соответствии со значением фактической интенсивности кавитации во всасывающем трубопроводе осуществляется путем настройки конечных выключателей привода заслонки на предельный угол поворота равный 20 ?, пока рабочая характеристика не выйдет на границу зоны промышленного использования.
В устройстве формируется и хранится информация о производительности и режимах работы насосного агрегата, интенсивности кавитации Uп.п. и давлении во всасывающем трубопроводе, текущем положении заслонки на нагнетательном трубопроводе, величине производительности. Устройство определяет порог уставок интенсивности кавитации и осуществляет индикацию об их достижения (блоки 4 - 7). При достижении соответствующего уровня кавитации в нагнетательном трубопроводе осуществляется дросселиерование.
В блоках 8 - 9 определяется действующее значение величины кавитационного запаса и ее проверка по допустимому значению (блок 10). При выполнении условия включается привод заслонки на регулирование потока жидкости (блок 12). В случае, если фактическая вакууметрическая высота всасывания не превышает критического значения, устройство диагностирует и отражает текущее состояние в подводящем трубопроводе насосного агрегата (блок 13).
Таким образом, применение устройства защиты и стабилизации кавитационного запаса насосного агрегата позволяет своевременно определять интенсивность кавитации и осуществлять регулирование гидравлические режимы работы с целью недопущения ее дальнейшего развития.
Список использованной литературы
1. Гейер В.Г. Шахтные вентиляторные и водоотливные установки. - М.: Недра, 1987. – 270 с.
2. Шутилов В.А. Основы физики ультразвука. – Л.: ЛГУ, 1980. – 280 с.