Эксплуатация водоотливных комплексов закрывающихся шахт, имеет свои особенности и различия, которые необходимо учитывать при автоматизации данного технологического процесса. Принципиальное отличие водоотливных комплексов закрывающихся 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». Из известных способов регулирования подачи центробежных насосов - дросселированием напорного трубопровода и изменением оборотов приводного двигателя наиболее экономичным оказывается второй способ, который реализуется с помощью преобразователей частоты. Еще одной особенностью данного объекта является применение погружных насосов с необходимостью контроля подпора насосов и исключения их работы «на сухую».
Необходимость разработки системы автоматического управления погружными насосами водоотлива связана, во-первых, с необходимостью организации работы водоотлива «на приток», во-вторых, с необходимостью управления водоотливной установкой в переходных режимах для исключения гидравлических ударов и бросков давления, в-третьих, с неспособностью существующих систем автоматического управления водоотливом обеспечить все необходимые функции по контролю и управлению погружным водоотливным комплексом в условиях шахт, которые закрываются.
Водоотлив глубоких шахт может быть реализован по различным технологическим схемам [1]: прямой водоотлив с горизонта непосредственно на поверхность; ступенчатый водоотлив с промежуточным водосборником; ступенчатый водоотлив с последовательно соединенными насосами, расположенными на различных горизонтах (без промежуточных водосборников).
В настоящее время всё чаще стоит вопрос о закрытии угольных шахт – как экономически неэффективных, так и отработавших все запасы угля. Но не всегда закрытие шахты можно начинать с прекращения ее физического функционирования. Так, после отключения насосов от электричества наступает так называемая мокрая консервация, которая неизбежно приводит к подъему вод на соседних шахтах (если они связаны с закрываемой шахтой горными выработками), либо к выходу подземных вод на поверхность. Существующие на соседних работающих шахтах водоотливные установки, в большинстве случаев, не способны принять повышенный приток воды от закрывающейся шахты. Чтобы не затопить соседние работающие шахты, необходима реконструкция их водоотливных установок, либо строительство новых водоотливов, либо работа водоливной установки на закрывающейся шахте. Функционирование и эксплуатация водоотливных установок закрывающихся шахт имеет свои особенности и отличия, которые необходимо учитывать при автоматизации данного технологического процесса.
Водоотливная установка закрывающейся глубокой шахты (рис.1) реализуется по схеме с последовательным соединением насосов разных ступеней без промежуточных водосборников.
Первая (нижняя) ступень водоотливной установки закрывающейся глубокой шахты реализована с использованием погружных насосных агрегатов типа АНПШ, вторая (верхняя) ступень водоотливной установки реализована с использованием центробежных насосных установок шахтного водоотлива типа ЦНСШ, НСШ и т.п.
Рисунок 1 – Технологическая схема водоотливной установки закрывающейся глубокой шахты
1 – погружной насос АНПШ; 2 – электродвигатель погружного насоса АНПШ; 3 – нагнетательный трубопровод погружного насоса; 4 – задвижка с электроприводом погружного насоса; 5 – всасывающий трубопровод центробежного насоса; 6 – центробежный насос ЦНСШ; 7 – электродвигатель центробежного насоса ЦНСШ; 8 – задвижка с электроприводом центробежного насоса; 9 – нагнетательный трубопровод центробежного насоса
Пуск и остановка насоса АНПШ производится согласно инструкции заводаизготовителя по эксплуатации погружного насосного агрегата. 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 включение погружной насосной установки АНПШ; отметка +9 м – нижний уровень, при достижении которого осуществляется выключение погружной насосной установки АНПШ; +20 м – аварийный, критический уровень, при достижении которого осуществляется запуск второй погружной насосной установки (рис.1). Согласно инструкции на эксплуатацию погружного насоса завода-изготовителя [2] оптимальным режимом работы агрегата является продолжительный режим без остановок, при условии эксплуатации в рабочем диапазоне подач насоса АНПШ.
Наиболее предпочтительной, эффективной и экономичной является работа водоотливной установки закрывающейся глубокой шахты с погружными насосами в нижней ступени в режиме непрерывной откачки воды – работа водоотлива в соответствии с притоком воды в водосборник за счет автоматического управления подачей насосных установок обоих ступеней. Необходимость данного режима работы, кроме рекомендаций завода-изготовителя, также обусловлена небольшим объемом воды, которая может поместиться в водосборнике между отметками верхнего и нижнего уровня. Объем воды между отметками верхнего и нижнего уровней, на большинстве закрывающихся глубоких шахт составляет всего 20…30 % от часового притока шахты. Такое соотношение между объемом водосборника и величиной притока при классическом управлении рассматриваемой ступенчатой водоотливной установкой закрывающейся глубокой шахты с погружным насосом в нижней ступени в функции уровня воды в водосборнике приведет к очень частым пускам и остановкам насосных установок верхней и нижней ступеней, что отрицательно отразится на надежности и долговечности оборудования рассматриваемой ступенчатой водоотливной установки закрывающейся глубокой шахты (более 70% отказов технологического оборудования возникают в моменты пуска установок).
По требованию завода-изготовителя погружных насосов [2], работающих на нижней ступени рассматриваемой водоотливной установки закрывающейся глубокой шахты (рис.1), при организации водоотлива по периодической схеме работы, 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 погружных насосов всегда необходимо завершать в штатном режиме (на закрытую задвижку на напорном трубопроводе).
При пуске погружного насоса задвижка на нагнетательном трубопроводе должна быть закрыта. После успешного запуска погружного насоса (после того как напор на его выходе достигнет номинального значения), задвижка плавно открывается, причем во время открытия задвижки не должно наблюдаться забросов давления (напора). Итак, запуск и остановку погружных насосных агрегатов необходимо осуществлять на закрытую задвижку.
Таким образом, объектом управления является ступенчатая водоотливная установка последовательно соединенными насосами, с погружным насосным агрегатом в первой ступени и центробежным насосом во второй ступени (рис.1), функционирование которой осуществляется в следующей последовательности:
- запуск первой (нижней) ступени (погружной насосной установки) – запуск погружного насоса 1 на закрытую задвижку 4;
- открытие задвижки 4 на нагнетательном трубопроводе 3 погружного насоса 1 (после его выхода на рабочий режим при закрытой задвижке);
- запуск второй (верхней) ступени (центробежной насосной установки) – запуск центробежного насоса 6 на закрытую задвижку 8;
- - открытие задвижки 8 на нагнетательном трубопроводе 9 центробежного насоса 6 (после его выхода на рабочий режим при закрытой задвижке);
- работа водоотливной установки в функции стабилизации уровня воды в водосборнике – работа водоотливной установки в соответствии с притоком.
С учетом выполненного выше анализа особенностей, параметров и рабочего режима водоотливной установки закрывающейся глубокой шахты последовательно соединенными насосами без промежуточных водосборников, получена её схема как объекта управления, которая приведена на рисунке 2.
Рисунок 2 – Схема водоотливной установки закрывающейся глубокой шахты как объекта управления
Управляемыми переменными, характеризующими ступенчатую водоотливную установку закрывающейся глубокой шахты, являются (рис.2):
- для водосборника – уровень воды в водосборнике hВ;
- для погружной насосной установки – подача погружного насоса QПН; напор на выходе погружного насоса НПН; напор на выходе трубопровода погружного насоса НРПН;
- для центробежной насосной установки – подача центробежного насоса QЦН; напор на выходе центробежного насоса НЦН; напор на выходе трубопровода центробежного насоса НРЦН.
Управляющими воздействиями ступенчатой водоотливной установки закрывающейся глубокой шахты, являются (рис.2):
- для водосборника – подача погружного насоса QПН;
- для погружной насосной установки – частота вращения вала погружного насоса nПН;положение (угол поворота) задвижки на нагнетательном трубопроводе погружного насоса aЗПН;
- для центробежной насосной установки – частота вращения вала центробежного насоса nЦН; положение (угол поворота) задвижки на нагнетательном трубопроводе центробежного насоса aЗЦН.
Внешним возмущающим воздействием для рассматриваемого объекта управления – ступенчатой водоотливной установки закрывающейся глубокой шахты является приток шахтной воды в водосборник QП. Внутренними возмущающими воздействиями для элементов рассматриваемой водоотливной установки, являются (рис.2): подпор на входе погружного насоса НПП (определяемый уровнем воды в водосборнике hВ); подпор на входе центробежного насоса НТПН; а также подача погружного насоса QПН (для центробежного насоса) в режиме работы водоотливной установки в соответствии с притоком.
Перечень ссылок
1. Гейер, В. Г. Шахтные вентиляторные и водоотливные установки / В. Г. Гейер, Г. М. Тимошенко. – Москва : Недра, 1987. – 270 с.
2. 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», 2018. – 40 с.