Аннотация
Степанин А.А., студент; Хорхордин А.В., к.т.н., доц.; Федюн Р.В., к.т.н., доц. Моделирование подтверждающее эффективность применяемых типовых ПИ-регуляторов и их полученных настроек для всех контуров управления в САУ погружной водоотливной установкой
В настоящее время достаточно сильно стоит проблема закрытия угольных шахт, в частности тех, которые отработали все запасы угля. Однако не всегда ликвидацию угольной шахты можно начинать сразу с ее физического закрытия. Подземные воды с ликвидированной шахты после ее затопления могут мигрировать в соседние шахты (если они связаны с ликвидированной горными работами), либо выходить на поверхность. Существующие на соседних действующих шахтах водоотливные комплексы, как правило, не способны принять существенно возросший приток воды. Чтобы не затопить действующие шахты, нужна реконструкция их водоотливных комплексов или строительство новых водоотливов.
Принципиальное отличие водоотливных комплексов ликвидируемых шахт от работающих в том, что они имеют небольшой (по сравнению с величиной притока) объем водосборника. Это приводит к необходимости организации работы погружной водоотливной установки с регулируемой подачей для стабилизации уровня воды в водосборнике - работа «на приток». Еще одной особенностью данного объекта является применение погружных насосов с необходимостью контроля подпора насосов и исключения их работы «на сухую».
Пуск, работа и остановка насоса производится согласно с инструкцией по эксплуатации погружнорго насосного агрегата завода-изготовителя. В рабочем положении насосный агрегат полностью погружен в воду. Для защиты насосного агрегата от кавитации при недопустимом снижении уровня воды, минимальный уровень воды в водосборнике устанавливается на отметке +6 м. Таким образом, с учетом всех особенностей и ограничений, отметка уровня +10 м – соответствует верхнему уровню, при достижении которого осуществляется запуск погружной насосной установки; отметка +9 м – нижний уровень, при достижении которого осуществляется остановка погружной насосной установки; +30 м – аварийный, критический уровень, при достижении которого осуществляется запуск второй погружной насосной установки; отметка +6 м – минимально допустимый нижний уровень воды в водосборнике, необходимый для устойчивой безкавитационой работы погружных насосных агрегатов АНПШ 375-240
Наиболее предпочтительной, эффективной и экономичной является работа погружного водоотлива в режиме непрерывной откачки воды – «работа на приток» с соответствующим регулированием подачи насосных агрегатов.
По требованию завода-изготовителя погружных насосов [1] при организации водоотлива по схеме периодической работы агрегатов необходимо увеличивать длительность цикла непрерывной работы агрегата, эксплуатируя его при меньших значениях расхода в пределах рабочего диапазона. При этом необходимо учесть, что число включений погружного насосного агрегата не должно составлять более 3-х в сутки с интервалом не менее 60 мин. Работу агрегатов всегда необходимо завершать в штатном режиме (на закрытую задвижку на напорном трубопроводе).
При пуске погружного насосного агрегата задвижка на нагнетательном трубопроводе должна быть закрыта. После успешного запуска насосного агрегата (после того как напор на выходе насосного агрегата достигнет номинального значения), задвижка плавно открывается, причем во время открытия задвижки не должно наблюдаться забросов давления (напора).
На погружную водоотливную установку действуют следующие возмущающие воздействия: изменение напорной характеристики насосов в процессе эксплуатации; изменение напорной характеристики трубопроводов в процессе эксплуатации.
Подавляющее большинство современных систем автоматического управления технологическими процессами и техническими объектами реализуются при использовании принципа управления по отклонению (принципа обратной связи). Поэтому разрабатываемая САУ погружной водоотливной установкой и ее отдельные контуры управления реализуются при использовании принципа управления по отклонению.
Исходя из рассмотренных выше особенностей погружной водоотливной установки (пуск/остановка на закрытую задвижку; открытие задвижки на нагнетательном трубопроводе после запуска насосной установки; регулирование подачи насоса для реализации функции «работа на приток») предлагается в разрабатываемой САУ использовать три отдельных контура управления работающих по принципу обратной связи. Укрупненная схема предлагаемой концепции построения САУ погружной водоотливной установкой приведена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Укрупненная схема концепции построения САУ
Первый контур управления (контур 1 на рис.1) – реализует управление насосной установкой в процессе ее запуска на закрытую задвижку, путем необходимого изменения подачи насосной установки Q по сигналу обратной связи о текущем значении напора на выходе насоса Н.
Второй контур управления (контур 2 на рис.1) – реализует управление открытием задвижки на нагнетательном трубопроводе после запуска насоса, которое осуществляется путем изменения ее угла поворота ?З по сигналу обратной связи о текущем значении напора на выходе насоса Н.
Третий контур управления (контур 3 на рис.1) – реализует управление подачей насоса в соответствии с изменением уровня воды в резервуаре.
Для повышения точности и качества управления погружной насосной установкой предлагается в контуре управления пуском насосной установки на закрытую задвижку и в контуре управления подачей насоса в соответствии с изменением уровня в водосборнике (работа водоотлива «на приток») использовать внутренний контур управления подачей насосной установки. Обобщенная структура двухконтурной САУ[2] параметрами погружной водоотливной установки приведена на рисунке 2.
Рисунок 2 – Обобщенная функциональная схема САУ уровнем в водосборнике
На обобщенной схеме (рис.2) присутствуют следующие элементы: РУ – регулятор уровня в водосборнике; РП – регулятор подачи погружной насосной установки; ПЧ – преобразователь частоты приводного электродвигателя; ЭД – приводной электродвигатель погружной насосной установки; ПН – погружной насос; В – водосборник. На основании рис.2, получена структурная схема САУ уровнем водосборнике (САУ погружной водоотливной установки при работе «на приток»).
Полученные модели элементов САУ позволили осуществить выбор и настройку ПИ-регулятора подачи в контуре автоматического управления подачей погружной насосной установки, а также внешнего ПИ-регулятора уровня[3].
Изменение основных параметров САУ уровнем воды в водосборнике погружной водоотливной установки
Разработана структурная схема САУ уровнем в водосборнике погружной водоотливной установки. Полученные модели элементов САУ позволили осуществить выбор и настройку ПИ-регулятора подачи в контуре автоматического управления подачей погружной насосной установки, а также внешнего ПИ-регулятора уровня.
Выполненное моделирование подтвердило эффективность применяемых типовых ПИ-регуляторов и их полученных настроек для всех контуров управления в САУ погружной водоотливной установкой.
Список использованной литературы
1.Указания по монтажу и применению в проектах систем шахтного водоотлива агрегатов насосных погружных шахтных АНПШ. Инструкция по эксплуатации АЭТА.062313.005.375.250ТО. ОАО Завод «Молот», 2010.- 40 с.
2.Гейер, В.Г. Шахтные вентиляторные и водоотливные установки. / В.Г. Гейер, Г.М. Тимошенко М.: Недра, 1987.- 270 с.
3. Лукас, В.А. Теория автоматического управления / Лукас, В.А.. – М.: Недра, 1990. – 416 с.