ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

В настоящее время очень остро стоит проблема закрытия угольных шахт – как экономически неэффективных, так и тех, что отработали все запасы угля. Однако не всегда ликвидации 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.

Эксплуатация водоотливных комплексов закрывающихся шахт, имеет свои особенности и различия, которые необходимо учитывать при автоматизации данного технологического процесса.

1. Актуальность темы

1.1 Гидравлическая характеристика закрывающихся шахт г.Донецка

Бывшая шахта № 9 «Капитальная» расположена на территории Пролетарского района города Донецка, в настоящее время шахта ликвидирована.

Погружная водоотливная установка расположена на бывшей основной промплощадке шахты № 9 «Капитальная». Ближайшими промышленными объектами являются шахты бывшего шахтоуправления «Красная Звезда».

Усредненный приток воды по данным изучения и обследования шахт Буденовского и Пролетарского районов г. Донецка составил по шахте № 6 «Красная Звезда» – 260 м3/ч, № 9 «Капитальная» – 340 м3/ч и им. 60–летия Советской Украины — 280 м3/ч.

Шахты № 9 «Капитальная», № 6 «Красная Звезда», № 12 «Наклонная», «Ливенка–Заперевальная» и им. 60–летия Советской Украины связаны между собой системой горных выработок, которые при их затоплении образуют единый водный бассейн.

На основании гидропрогноза относительно возможной активизации процесса сдвижения горных пород и земной поверхности принят следующий вариант обеспечения гидрогеологической и экологической безопасности поверхности.

1.2 Общая характеристика погружной водоотливной установки

Ожидаемый водоприток по шахте № 9 «Капитальная» – 340 м3/ч. Геодезическая высота нагнетания – 176,5 м. Технологическая схема погружной водоотливной установки шахты № 9 «Капитальная» приведена на рис.1.

Отметка верхнего рабочего уровня +10 м, нижнего рабочего уровня +9 м, отметка критического аварийного уровня +30 м, минимальный уровень воды в водосборнике 6 м (исходя их условия устойчивой безкавитационой работы погружных насосных агрегатов АНПШ 375–240 [1]).

В соответствии с требованиями «Правил безопасности в угольных шахтах» [2] для откачки вышеуказанного притока в скиповом стволе установлено три погружных насосных установки типа АНПШ 375–240: два агрегата – рабочих, один – резервный, откачка производится по 3–м напорным трубопроводам диаметром 273 х 11,4 подвешенным в стволе (рис.1).

Технологическая схема погружной водоотливной установки шахты

Рисунок 1 – Технологическая схема погружной водоотливной установки шахты

Пуск и остановка насоса производится согласно с инструкцией по эксплуатации погружного 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 (рис.1)

Согласно инструкции на эксплуатацию погружного насосного агрегата завода–изготовителя [1] оптимальным режимом работы агрегата является продолжительный режим без остановок, при условии эксплуатации в рабочем диапазоне подач агрегата.

Наиболее предпочтительной, эффективной и экономичной является работа погружного водоотлива в режиме непрерывной откачки воды – «работа на приток» с соответствующим регулированием подачи насосных агрегатов. Для условий погружного водоотлива шахты № 9 «Капитальная» необходимость данного режима работы также обусловлена небольшим объемом воды, которая может поместиться в водосборнике между отметками верхнего и нижнего уровня. Объем воды между отметками верхнего и нижнего уровней составляет всего 20 % от часового притока. Такое соотношение между объемом водосборника и величиной притока при классическом управлении погружным водоотливом в функции уровня воды в водосборнике приведет к очень частым пускам и остановкам насосного агрегата, что отрицательно отразится на работе водоотливной установки (более 70% отказов возникают в момент пуска насосов).

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). Таким образом, запуск и остановку погружных насосных агрегатов необходимо осуществлять на закрытую задвижку.

При работе водоотливной установки необходимо контролировать ее основные технологические параметры: подачу, напор, уровень воды в водосборнике.

2. Формализация объекта управления

На эффективность функционирования погружного водоотлива оказывают влияние ряд параметров погружной насосной установки, определяющих ее текущее состояние [3-4]: Q(t) – подача погружной насосной установки; H(t) – напор (давление) погружной насосной установки; HВ(t) – вакуумметрическая высота всасывания (подпор на входе в насосный агрегат); HГ – геодезическая высота нагнетания; ? – коэффициент полезного действия насосной установки; n – частота вращения вала насоса; dВ – диаметр всасывающего трубопровода; dН – диаметр нагнетательного трубопровода; lВ – длина всасывающего трубопровода; lН – длина нагнетательного трубопровода; aВ – гидравлическое сопротивление всасывающего трубопровода; aН – гидравлическое сопротивление нагнетательного трубопровода; hУ(t) – величина уровня воды в водосборнике; QП(t) – часовой приток в шахты.

Рабочий режим погружной насосной установки определяется совместной работой насосного агрегата и нагнетательного трубопровода и его можно определить аналитическим или графическим решением системы уравнений напорной характеристики насосного агрегата и напорной характеристики нагнетательного трубопровода. Точка пересечения характеристик (точка А) (рис. 2) определяет рабочий режим погружной насосной установки. Здесь же приводится кривая КПД насоса и допустимой вакуумметрической высоты всасывания НВ.

Характеристики погружной насосной установки

Рисунок 2 – Характеристики погружной насосной установки

Рабочий режим центробежной насосной установки должен удовлетворять условию бескавитационной работы HB < HBp. В рассматриваемой погружной водоотливной установке устойчивая бескавитационая работа насосной установки зависит исключительно от величины уровня воды в водосборнике hУ и обеспечивается его (уровня) требуемым поддержанием.

Для рассматриваемой погружной водоотливной установки управляемыми переменными являются: уровень в водосборнике hУ и напор на выходе насосного агрегата H.

Основным управляющим воздействием, позволяющим целенаправленно воздействовать на управляемые переменные hУ и H является подача Q погружной насосной установки. Существуют различные технические способы управления подачей погружного центробежного насоса, анализ и выбор которых будет выполнен ниже.

На погружную водоотливную установку действуют следующие возмущающие воздействия: изменение напорной характеристики насосов в процессе эксплуатации; изменение напорной характеристики трубопроводов в процессе эксплуатации (изменение ?); изменение плотности жидкости ?; часовой приток шахты QП;

Для рассматриваемого объекта управления – погружной водоотливной установки основным возмущением, максимально влияющим и определяющим режим ее работы, является часовой приток шахты QП. С учетом проведенного выше анализа особенностей погружной водоотливной установки, получена ее обобщенная схема как объекта управления (рис.3)

Обобщенная схема погружной водоотливной установки как объекта управления

Рисунок 3 – Обобщенная схема погружной водоотливной установки как объекта управления

3. Цель и задачи САУ

Цель разрабатываемой САУ – повышение эффективности погружной водоотливной установки за счет разработки системы автоматического управления, что позволит продлить срок службы технологического оборудования, повысить надежность и безопасность, а также уменьшить эксплуатационные расходы на процесс водоотлива ликвидируемых угольных шахт.

Для реализации поставленной цели необходимо:

• получать информацию об основных параметрах, характеризующих погружную водоотливную установку: об уровне воды в водосборнике, о подаче каждой насосной установки, о напоре (давлении) на выходе каждой насосной установки;

• выполнять реализацию требуемых алгоритмов контроля и управления на основании полученной информации о параметрах погружной водоотливной установки;

• осуществлять выдачу полученных управляющих воздействий на объект управления – погружную водоотливную установку через соответствующие исполнительные механизмы САУ;

• выполнять требуемое взаимодействие с оператором через элементы человеко–машинного интерфейса.

4. Обоснование концепции построения САУ

Подавляющее большинство современных систем автоматического управления технологическими процессами и техническими объектами реализуются при использовании принципа управления по отклонению (принципа обратной связи) [5]. 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 4.

Первый контур управления (контур 1 на рис.4) – реализует управление насосной установкой в процессе ее запуска на закрытую задвижку, путем 25 необходимого изменения подачи насосной установки Q по сигналу обратной связи о текущем значении напора на выходе насоса Н.

Укрупненная схема концепции построения САУ

Рисунок 4 – Укрупненная схема концепции построения САУ

Второй контур управления (контур 2 на рис.4) – 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.4) – реализует управление подачей насоса в соответствии с изменением уровня воды в резервуаре – «работа на приток», которое осуществляется за счет необходимого изменения подачи насосной установки Q по сигналу обратной связи о текущем значении уровня в резервуаре hУ.

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 параметрами погружной водоотливной установки приведена на рисунке 5. На обобщенной схеме 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.

Обобщенная функциональная схема САУ уровнем в водосборнике

Рисунок 5 – Обобщенная функциональная схема САУ уровнем в водосборнике

Выводы

Произведен анализ погружной водоотливной установки угольной шахты как объекта автоматического управления.

По результатам выполненного анализа осуществлена формализация объекта управления – погружной водоотливной установки, сформулированы требования к разрабатываемой системе автоматического управления по выполняемым функциям контроля, управления и защиты, а также поставлены требования пользователя к САУ. [6]

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: июнь 2025 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  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. Правила безопасности в угольных шахтах. Киев: ООО «ЛИГА ЗАКОН», 2010.– 185 с.
  3. Гейер В.Г., Тимошенко Г.М. Шахтные вентиляторные и водоотливные установки. М.: Недра, 1987.– 270 с.
  4. Попов, В.М. Шахтные насосы (теория, расчет и эксплуатация). / В.М.Попов – М.: Недра, 1993. – 224 с.
  5. Лукас В.А. Теория автоматического управления. – М.: Недра, 1990. – 416 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. Автоматизация процессов подземных горных работ. // Под общей ред. Иванова А.А. – Киев; Донецк: Вища шк., 1987. – 327 с.
  8. Grout I. Digital systems design with FPGAs / I. Grout. – Elsevier, 2008. – 724 pp.
  9. Zeidman B. Designing with FPGAs and CPLDs / B. Zeidman. – Elsevier, 2002. – 224 pp.
  10. Баранов С.И. Синтез микропрограммных автоматов (граф–схемы и автоматы) / С.И. Баранов. – Л.: Энергия, 1979. – 232 с.
  11. Глушков В.М. Синтез цифровых автоматов / В.М. Глушков. – М.: Государственное издательство физико–математической литературы, 1962. – 476 с.