автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Методика выбора параметров вентиляторных установок главного проветривания шахт и рудников

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ГОРНОГО ДЕЛА

На правах рукописи

Морозова Галшна Валентиновна

МЕТОДИКА ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ ВЕНТИЛЯТОРНЫХ УСТАНОВОК ГЛАВНОГО ПРОВЕТРИВАНИЯ ШАХТ И РУДНИКОВ

Специальность 05. 05. Об - горные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

НОВОСИБИРСК - 1992

Работа выполнена в Институте горного дела Сибирского отделения РАЕ

Научный руководитель - кандидат технических наук,

старший научный сотрудник КУЗНЕЦОВ Александр Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

КОСАРЕВ Николай Штрович

кандидат технических наук КРАСШ Александр Михайлович

Ведущая организация - Донецкий институт горной механики

им. М. Л Федорова

Запита диссертации состоится " 4 " декабря 1992г. ь ".13. " час. на заседании спещ1ализированного совета Д 003.17,Ой Института горного дела Сибирского отделения АН РАН ко адресу: 630091, Новосибирск, 91. Красный проспект, 54.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " 30 " 0И/Ш$1}рД 1992г.

Ученый секретарь специализировалного совета докт. техн. наук. проф.

Г.ЧАЙШЕ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Еа шахтах и рудниках страны насчитывается более 3 тысяч главных вентиляторных установок, на долю которых приходится 30-40Х электроэнергии, потребляемой горношахтным оборудованием. Парк действущих вентиляторов главного проветривания вклочает 80 типоразмеров, из них 14 находятся в серийном производстве. Фактический срок службы половины из этих вентиляторов превышает, нормативный (15-20 лет). В последнее время обострилась проблема реконструкции ПЗУ, которую усугубляет тот факт, что более чем на 1/3 горных предприятий исчерпаны резервы производительности вентиляторных установок и вентиляция сдерживает развитие горных работ.

Несмотря на то, что выпускаемые нашей промышленностью вентиляторы обладает высокими техническими показателями (номинальный КЦЦ машин достигает 0,86), эксплуатационный КПД действующих вентиляторов находится в пределах 0,38-0,62, причем с низким КПД работает как устаревшие машины так и вентиляторы последних образцов.

Сложившемуся положению во многом способствуют упрощенный подход к выбору параметров вентиляционного оборудования на стадиях его разработки и проектирования вентиляции, малая глубина регулирования и низкие адаптивные качества создаваемых ГВУ, несоответствие аэродинамических характеристик вентиляторов характеристикам шахтных вентиляционных сетей на различных этапах развития горных работ.

Необходимость повышения эффективности работы вентиляторных установфк способствовала созданию значительного числа вариантов машин, установок и способов их адаптации к изменяющимся вентиляционным режимам. Это предопределило' необходимость разработки инструмента для расчета, выбора и обоснования параметров вентиляторов главного проветривания и создаваемых на их основе вентиляторных установок. Настоящая работа выполнялась в соответствии с планами научно-исследовательских работ по теме 3.2.1. 5 "Разработка математического обеспечения для расчета параметров вентиляционных систем шахт и рудников" (Н. Г. Р. 01860079149); по теме 3. 2.1.6 "Разработка математических моделей, алгоритмов и пакета прикладных программ для решения комплекса экстремальных задач стандартизации горных машин" (Е Г. Р. 61081329); по теме 1.11.1.7

"Разработка рекомендаций по оптимизации размерного ряда шахтных вентиляторов" (КГ.Р. 81081324); в рамках хоздоговора 641-82 с ИГМ им. Федорова, Дэнгипроуглемашем.

Цель работы - совершенствование методики и разработка математических и программных средств для оценки способов повышении эффективности рудничной вентиляции.

Идея работы состоит в учете и моделировании динамики развития шахтной вентиляционной систеш* при обосновании параметров вентиляционного оборудования и способов его адаптации к изменяющимся условиям эксплуатации.

Задачи исследований:

- разработай методику обоснования оптимальных решений по параметрам вентиляторных установок и автоматизация процесса их поиска с учетом вероятностного характера развития горных работ;

- разработать методику подготовки исходных данных, включая ожидаемые режимы работы вентиляторных установок, описание аэродинамических характеристик вентиляторов, стоимостные параметры ГВУ;

- выполнить исследования эффективности и конкурентноспособности выпускаемых и разрабатываемых ВГП и ГВУ на основе критерия суммарных приведенных затрат за срок службы установки.

Методы исследования". Б работе использован аппарат математического программирования, теории вероятностей, статистического моделирования, прикладного системного анализа, теории принятия решений, а также средства вычислительной техники.

Научные положения, защищаемые в диссертации:

- принятая в качестве показателя эффективности работы вентиляторных установок величина определяется суммой затрат на разработку и освоение производства вентиляторов новых типоразмеров, строительство установок и их эксплуатацию и зависит от динамики и случайного характера изменения вентиляционных режимов;

- область экономичной работы вентилятора изменяется в зависимости от природно-климатических условий эксплуатации, затрат на вентиляцию, длительности работы установки в ожидаемых вентиляционных режимах и определяется в результате сравнения возможных вариантов обеспечения этих режимов;

- одним из возможных путей повышения эффективности работь главных вентиляторных установок является использование' принципа модульности, заключающегося в создании установок с параллельно V

последовательно соединенными вентиляторами. Это способствует расширению ряда компоновочных схем и адаптивных свойств вентиляторных установок и позволяет получить достаточное многообразие способов обеспечения вентиляционных редимов ва срок слуябы установки.

Достоверность научных положений и выводов, содержащихся в диссертации обеспечивается обоснованным применением методов исследований, подтверждается многочисленными расчетами и численными экспериментами на ЭЕМ. а такяе развитием отечественного и мирового вентиляторостроения.

Научная новизна состоит в:

- совершенствовании методики оценки технического уровня главных вентиляторных установок на стадиях разработки шахтных вентиляторов. проектирования и эксплуатации вентиляционных систем с учетом изменяющихся условий их функционирования;

- применении комплексного подхода, заключающегося в одновременном учете множества факторов: динамичности и частичной неопределенности горно-добывающего производства, действующего парка установок и ряда выпускаемых машин, всевозможных вариантов совершенствования ГВУ;

- создании математического обеспечения для моделирования:

1. ожидаешх вентиляционных режимов вахт и рудников в динамике их развития за срок слуябы установки;

2. процесса функционирования и адаптации установок в соответствии с изменяющимися условиями эксплуатации;

3. аэродинамических характеристик шахтных вентиляторов.

Личное участие автора заключается в анализе существующих методов и подходов к обоснованию параметров ГВУ; в разработке методики автоматизированного выбора параметров главных вентиляторных установок; в применении нового критерия комплексной оценки эффективности ВГП и ГВУ; в определении закономерности изменения вентиляционных режимов и их влиянии на параметры ВГП; з разработке ая-горзгтыа расчета эксплуатационных расходов; в разработке аналитического опасения аэродинамических характеристик вентиляторов.

Автором разработано программное обеспечение для анализа ла-за^зттрз ГВУ. осуззствхвно проведение опытной эксплуатации мето-

дики, численных расчетов и экспериментов, результаты которых представлены в научно-исследовательские и проектно-конструкторские организации.

Практическое значение работы:

Предложенная методика может быть использована при поиске и оценке технических решений на стадии разработки новых машин, при определении номенклатуры и объемов выпуска шахтных вентиляторов, а также при проектировании вентиляции шахт и рудников;

Использование методики и разработанного математического обеспечения позволяет:

- исследовать влияние аэродинамических и технических параметров машин на эффективность их работы, выявлять рациональные сочетания значений технике-экономических параметров главных вентиляторных установок;

- повысить качество и обоснованность принимаемых решений, учесть случайный характер изменения вентиляционных режимов, большое число вариантов совершенствования ВГП и ГВУ;

- принимать решения, связанные с реконструкцией ГВУ шахт и рудников, с учетом имеющихся производственных фондов предприятия, ряда выпускаемых машин и новых научных разработок в области шахтного вентиляторостроения;

- в процессе автоматизированного поиска решений задач рудничной вентиляции оперативно, наглядно и адекватно условиям эксплуатации отразить области экономичной работы вентиляторов;

- определять стоимостные параметры ГВУ с любыми гипотетичес-ческими компоновочными схемами и типоразмерами оборудования.

Реализация результатов работы:

1. Разработанное математическое обеспечение включено в "Руководящий технический материал по выбору вентиляторов главного проветривания", составленный в соответствии с заданием Минутлеп-рома и выполняемый в рамках хоздоговора ИГЛ СО РАН с ИГМ Им. Федорова и Донгипроуглемашем. Ожидаемый годовой эффект у потребителя от внедрения РТМ составит более 50 тыс. руб. на одну установку.

2. Методика оценки параметров шахтных вентиляторов применялась в научно-исследовательских работах ИГД СО РАН, ИГМ им. Федорова по технико-экономическому обоснованию параметров установок главного проветривания с разрабатываемыми вентиляторами типа ВВО, ВОА. *

3. Методика, алгоритмы и программы использованы Донгипроуг-лематем при разработке системы автоматизированного проектирования шахтных вентиляторов.

4. Разработанное методическое и программное обеспечение использовалось при анализе и оценке вариантов совершенствования существующего типоразмерного ряда шахтных БГП, предложенных институтами Донгипроуглемаш, Уралгормаш. ИГД СО РАН, ИГМ им. Федорова. Как показали результаты расчетов, годовой экономический эффект по отрасли от оптимизации эксплуатационных параметров главных вентиляторных установок может составить порядка 2-3 млн. руб. в ценах 1985 г.

5. Методическое и программное обеспечение для выбора и обоснования способов адаптации ГВУ к изменяющимся условиям эксплуатации передано в Высший горно-геологический Институт Болгарской Академии наук.

Апробация работы. Диссертационная работа и отдельные ее главы докладывались на Всесоюзных совещаниях "Управление вентиляцией и газодинамическими явлениями в шахтах", (г.Новосибирск, 1984-1991 г.г.), Научно-технической конференции по вопросам развития стационарных установок угольных шахт (г.Донецк, 1988 г.). Всесоюзной конференции "Вопросы совершенствования горных работ на шахтах и карьерах Сибири" (г. Новосибирск, 1989 г.), на научных семинарах лабораторий горно-экономических проблем и рудничной аэродинамики ИГД СО РАН (г.Новосибирск, 1991 г.), лаборатории шахтных вентиляторных установок ИГМ им. Федорова (г.Донецк, 1991 г.), отдела шахтных вентиляторов Донгипроуглемаша (г.Донецк. 1991 г.), совместном семинаре кафедры аэрологии и охраны труда и кафедры стационарных установок . Кузбасского политехнического института (г.Кемерово, 1992 г.).

По теме диссертации опубликовано 7 статей. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Основной материал изложен на 152 стр. машинописного текста и содержит 24 рисунка, 7 таблиц, список литературы из 109 наименований и 3 приложения.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю А. С. Кузнецову, оказавшему существенную помощь в подготовке диссертации.

Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы, перечислятся основные задачи исследований, научная новизна и значимость полученных результатов.

В первой главе приводятся характеристики ГВУ, содержательная постановка задач, анализ подходов и методов к обоснованию параметров ГВУ. Вопросам исследования эффективности и обоснования параметров ГВУ посвящены работы Н. К Петрова, Г. А. Бабака, Ф. С. Клебанова, Ю. А. Раскина, Н. Е Косарева, К Г. Еедима, С. В. Пака, А. А. Дзид-зигури, С. К Мачарашвили, И. Е Клепакова, 1й В. Суслина, В. И. Ковалевской и других ученых.

Главная вентиляторная установка (ГВУ) как комплекс представляется рядом разнородных технико-экономических параметров. К их числу относятся: аэродинамические характеристики вентиляторов, КПД, надежность, энергоемкость, экономичность, адаптивность и др. Чтобы сравнивать мевду собой по эффективности разные варианты конструкций ГВУ нужно иметь количественный критерий - показатель эффективности, отражающий целевую направленность выбора. В настоящее время в том или ином виде используются следующие показатели: максимальная величина КПД вентиляторной установки, область экономичной работы, ограниченная изолинией КПД, равного 0,6, средневзвешенный КПД в области промышленного использования и некоторые другие. Но, как показала практика, указанные параметры не полностью характеризуют эксплуатационную экономичность вентиляторов и эффективность работы главных вентиляторных установок.

Отсутствие критерия комплексной оценки эффективности ВГП и ГВУ, с помощью которого учитывались бы интересы как разработчиков и изготовителей оборудования, так и его потребителей приводит к росту затрат на вентиляцию. Необходимость минимизации потерь от нерациональности принимаемых решений обуславливает важность анализа и оценки параметров ГВУ на различных стадиях, начиная с разработки и заканчивая эксплуатацией.

При проектировании и создании новых, а также реорганизации производства уже освоенных типов вентиляторов возникает вопрос об экономически целесообразном количестве типоразмеров машин и значениях их параметров для каждого типоразмера. В существующих рекомендациях по выбору параметрических рядов ГЕУ анализ осущэств-

ляется без учета динамики вентиляционных, режимов отдельных установок, случайного характера условий эксплуатации на основа перебора небольшого числа вариантов машин. Все это не может не отражаться на качестве получаемого решения и эффективности вентиляции и приводит к необходимости разработки новой методики оценки эффективности параметров ГБУ на стадии их разработки.

Усложнение вентиляционных сетей шахт, связанное с углублением действующих горизонтов, концентрацией горных работ во времени и пространстве, изменение их параметров в широких пределах предъявляют повышенные требования к выбору ГБУ в практике проектирования вентиляционных систем шахт и рудников. В настоящее время при выборе типа вентилятора руководствуются традиционными решениями-аналогами и ориентировочной оценкой единичных технико-экономических показателей. Выбор вентиляционного оборудования осуществляется при условии, что в течение планируемого периода все расчетные аэродинамические.режимы должны вписываться в рабочую область вентилятора Выбор одного комплекта вентиляционного оборудования ГБУ на продолжительный период, невозможность учесть отклонения проектных режимов от фактических нередко -приводят к неббходимости преждевременной реконструкции вентиляционных систем, причем время реконструкции диктует, как правило, складывающаяся на шахте ситуация с обеспечением потребностей в воздухе, а не предварительный расчет моментов реконструкции.

Достигнутый в настоящее время уровень и многообразие решений в области шахтного, вентиляторостроения позволяют обеспечивать вентиляционные режимы различными типоразмерами машин в сочетании с различными способами их адаптации к изменяющимся условиям эксплуатации.

В си!лу крайне ограниченных сроков, отводимых на исследование и проектирование вентиляционных систем, • а также отсутствие математического обеспечения выбор параметров ГВУ осуществляется иэ относительно небольшего числа типоразмеров, при этом всевозможные способы адаптации ГБУ к изменяющимся условиям эксплуатации не учитываются.

Обоснование параметров вентиляторных установок .невозможно без учета взаимосвязей этих параметров с требуемыми вентиляционными режимами. Неучет динамики развития вентиляционных систем на стадии разработки ЕГП привел к тому, что размеры областей рацио-

напъного использования вентиляторов оказались незначительны по сразнэнию с известными диапазонами изменения вентиляционных режимов. Прогнозированию режимов работы ГВУ посвящен ряд работ Г. А. Бабака, Е Е Петрова, ¡0. М. Кайгородова, С. А. Тимухина, Е. Н. Короля, Ф.С.Клебанова. Важность и сложность задачи определили множество подходов к расчету ожидаемых вентиляционных режимов. Анализ разработанных методов прогнозирования режимов показал, что многофакторные модели труднореализуемы из-за отсутствия или недостатка информационной базы, модели, оскоганные на цепях Шркова имеют сложный математический аппарат, в других: моделях на отрщ-;зе; взаимосвязь вентиляционных режимов отдельной установки в различные. моменты времени, динамика вентиляционных режимов учитывается зл их ссвокупносг ,!, 3':«? это эагруднкяс применение разработанных методик на практике и потребовало новых подходов для моделирова-яш динамики Бей»'йлл1-,какими сжимов.

При автоматизации процесса обоснования параметров ВГП и ГВУ •.'рс-буется ыг?т?}лзтикесксз9 оптанте их аэродинамических хараяаерис-тик. Разработкой такого опксбяия занижались Е А. Хйхаяк, Ю. С. Деор-дида, В. П Водяник и другие. Проведенные исследования* позволили с.диеать нааоряае к энергетические характеристики кр;: :саидом угле тазорота лопатск .рабочргя аогэса С нагоавлящего аппарата), границы устойадз!/г;и,йг а хачже границы областей щхмодигдНЕОГС использования, вкеиччя я'гар:*, так нааыв^,*).,тя оЗлэсзь з«с-ноиичного испогьэочагшя вентиляторов. Требование, чтобы вентилятор работал с ¥Щ не ниже 0,6 служило ориентиром в в«5оре, когда ьй были яэвгстк* алгоритмы и методы раачета параметров вентиляционных систем кэ, Ыря автсматгаации процесса выбора вентиляционного оборудования это условие требует ввода не только иабы-точной информации, но и приводит к необоснованному ограничению эксплуатационных возможностей ГВУ.

Выполненный анализ показал, что в'настоящее время не существует единой методики обоснования параметров ВГП и ГВУ на стадиях кх разработки, проектирования и эксплуатации вентиляционных систем, что и определило круг задач, которые надлежало решить в ходе исследований.

Во второй главе предложена новая формулировка задачи обоснования параметров ГВУ при проектировании вентиляционных систем в условиях частичной неопределенности.

Для оценки эффективности использования того или иного оборудования и способов его регулирования в зависимости от изменяющихся условий эксплуатации необходимо рассматривать будущий период развития, удаленный во времени решения задачи примерно ка 15-20 лет, что обуславливает значительную неопределенность исходной информации. Заранее точно определить будущее развитие вентиляционной системы невозможно, что связано с принципиальной невозможностью получения полной достоверной информации о горно-геологических, газодинамических и геомеханических проявлениях, т. е. будущих условиях функционирования ГБУ. Чтобы адекватно отразить в модели динамику вентиляционной системы необходимо учитывать неопределенность ожидаемых режимов работы вентиляторных установок.

Предполагается, что динамика вентиляционного процесса представлена в виде двумерного случайного процесса (0(1), №4)), ха-рактеризуюпргося законом и параметрами распределения ожидаемых режимов в каждом из поддаркодов планирования.

Для каждого подпериода интервала планирования необходимо выбрать такой набор значений параметров ГБУ, включая тип вентилятора, диаметр рабочего колеса, компоновочную схему установки, типоразмер двигателя, частоту вращения,■ количество секций, угол установки лопаток рабочего колеса, число и тип лопаток, чтобы ожидаемые затраты на вентиляцию за период плакирования были минимальны.

В качестве целевой функции стохастической модели используется математическое ожидание суммарных расходов по установке период планирования, включая затраты на ее строительство, монтаж-демонтаж оборудования и текущие.расходы с учетом ущерба от неполного удовлетворения потребностей в воздухе. .

Цри'этом, ожидаемые годовые затраты на вентиляцию и ущерб от неполного обеспечения потребителей воздухом при наборе значений управляемых параметров определяются в виде (индекс Ь опущен):

Ус|(0,н)1тн)(10с3н + / в«П«$С0")<К2-, где - рабочая область установки при наборе значений параметров}

С]- годовые эксплуатационные расходы по установке, с ^-м набором параметров;

Т(О,Н) - функция плотности распределения двумерной случайной величины (0,Н);

Ф(СГ) - потери, связанные с необеспечением на О- требуемого расхода воздуха;

СО") - вероятность необеспеченности потребителей воздухом

4

в объеме 6 при ;]-м наборе значений параметров установки, 6 > 0 - сколь угодно малая величина.

Стохастическая постановка задачи помогает ответить на вопрос, что предпочтительнее: нести потери 'от неполного удовлетворения потребностей в воздухе в некоторые непродолжительные подпериоды времени, либо осуществлять большие затраты для стопроцентного обеспечения им потребителей.

Рассматриваемую задачу в детерминированной или стохастической постановке можно представить в виде сетевой модели. Для этого вводится взвешенный ориентированный граф. Каждая из вершин графа ассоциируется с установкой, характеризуемой некоторым набором параметров -оборудования, дуги соответствуют всевозможным вариантам перехода от одного комплекта оборудования к другому.

Для выбора параметров ГЕУ используется критерий минимума суммарных затрат за период планирования, приведенных к одному моменту времени. Приведэние затрат осуществляется по динамическому критерию, которой позволяет решать задачу с учетом указанных, ранее возможностей адаптации установки к изменяющимся вентиляционным режимам.

Рассматриваемая задача эквивалентна известной задаче отыскания кратчайшего пути в графе. В процессе моделирования динамики функционирования ГВУ анализируются возможные в будущэм ситуации и пути выхода из них с помощью замены лопаток, секций, вентилятора или двигателя, строительства новой установки и т.д.

Выбор способов адаптации вентиляторных установок к изменяющимся условиям эксплуатации еще на стадии проектирования ГВУ позволяет решать вопросы их комплектации с учетом индивидуальных особенностей развития горного предприятия, проанализировать и оценить параметры вентиляционного оборудования не только выпускаемых, но и перспективных типоразмеров.

Данная постановка задачи выбора параметров вентиляционного оборудования позволяет уже на стадии проектирования вентиляции определять оптимальные моменты реконструкции ГВУ.

В третьей главе рассмотрена задача обоснования параметров ГВУ на стадии.их разработки. Задачи обоснования решений о созда-

нии новых типов и типоразмеров оборудования возникают периодически по мере появления необходимости или технической возможности производства новых машин. Такого рода решения, как правило, не являются очевидными, если есть несколько альтернативных типов или типоразмеров оборудования, причем каждый из них может оказаться эффективнее других в зависимости от будущих условий эксплуатации, которые точно неизвестны. Смысл обосновываемого решения в данной задаче состоит в ответе на вопрос: создавать или не создавать рассматриваемые типоразмеры оборудования.

Если имеется несколько типов вентиляторов и компоновочных решений по ГБУ или один и тот же тип может создаваться в разных модификациях, то число возможных сочетаний вариантов может оказаться очень большим. Задача определения экономически целесообразного количества типоразмеров вентиляторов и установок главного проветривания формулируется следующим образом.

Для шахт и рудников страны или какого-то региона на некоторый период планирования заданы требуемые вентиляционные режимы ГВУ. Эти режимы с различными затратами обеспечиваются как выпускаемыми вентиляторами, так и машинами других типоразмеров, создание которых в принципе возможно. Капитальные зголения по установкам и затраты на освоение производства новых машин также различны. Необходимо выбрать такие параметры вентиляторов и определить стратегию их использования, чтобы затраты на освоение производства новых машин и расходы по обеспечению требуемых вентиляционных режимов были минимальны.

В математической постановке сформулированная задача имеет вид: п s л

II; z; +11 gt: у,. — min

i-i к.» i-i i 4 y,z

при ограничениях: $

Z = 1 j = 1,... ,n

yKj ч< z; кП; i = 1,... ,m j = 1, — ,n yKj£{0,l> к £ V; i=l,...,m j = 1,..., n где i = 1,... ,m - рассматриваемые типоразмеры вентиляторов;

V; - множество комплектов оборудования, включающих i—й вентилятор;

S - общее количество всевозможных комплектов оборудования;

j = 1,.-.., п - номер установки;

р - число подпериодов в интервале планирования, t = 1,...,р.

- начальные затраты на научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, подготовку и освоение серийного производства; ё^- - суммарные приведенные затраты на строительство и эксплуатационные расходы по обеспечению ожидаемых вентиляционных режимов за период планирования по ;гй установке с к- м комплектом оборудования.

На основе моделирования процесса функционирования отдельной установки осуществляется моделирование динамики развития некоторого множества вентиляторных установок, в результате которого определяются параметры типоразмерного ряда вентиляторов и установок главного проветривания.

Данная математическая модель отражает взаимосвязь между условиями эксплуатации и оптимизируемыми параметрами шахтных вентиляторов и позволяет находить оценки эффекта, с которым связан выбор той или иной: конструкции, при фиксированном наборе вариантов вентиляционного оборудования и определенном сочетании исходных данных, характернаующих динамику развития вентиляционных систем.

В работе рассмотрена задача автоматизации процесса разработки новых ЕГП и РВУ, к которой применимы предложенные выше модели и алгоритмы. Применение формализованных приемов в процессе разработки вентиляционного оборудования позволит усилить возможности разработчика, подкрепить анализом его опыт и интуицию, помочь получить .информацию, необходимую для принятия более обоснованных решений.

Задача разработчика заключается в определении значений параметров, характеризующих некоторый вариант разрабатываемой машины, и фиксированный набор которых при любом сочетании их значений позволяет формировать аэродинамические характеристики вентиляторов. Варианты аэродинамических схем новых вентиляторов могут быть определены разработчиками как интуитивно, так и на основе аппроксимации, интерполяции, экстраполяции аэродинамических характеристик существующих типоразмеров в область ожидаемых. рабочих режимов. С помощью законов подобия турбомашин и предложенного в. данной работе математического описания напорных и энергетических характеристик можно получать графическое изображение аэродинамических характеристик любых гипотетических вентиляторов, представ-

ляя разработчику широкие возможности для экспериментирования в процессе поиска оптимальных параметров разрабатываемых БГП и РВУ.

lía одном из этапов находятся представительные■сочетания информации, отражающей развитие рабочих режимов отдельных ГВУ. Поскольку в некоторых случаях статистических данных, определяющих варианты развития параметров Q и Н в будущем нет, то для того, чтобы найти ориентировочные значения вероятностных характеристик развития вентиляционной сети можно воспользоваться методом экспертных оценок. Неточные знз'-юття зткх вероятностей в дальнейшем могут быть скорректированы с помощью специально поставленного эксперимента. При многократном повторении его неизбежно вырисовываются вероятностные черты, которыми модно гссшользоваться для того, чтобы применить стохастлчесглй подход к задаче. Один из способов моделирования ожидаемых условий эксплуатации ГВУ приводится ниже.

Такой подход нацелен на максимально возможную автоматизацию процесса поиска оптимальных параметров разрабатываемы:; вентиляторов, значительное увеличение числа анализируемых вариантов, на обоснованный расчет последствий, с которыми связано принятие того или иного варианта решения.

В четвертой главе приводится методика подготовки исходных данных, включающая моделирование вентиляционных режимов, расчет стокуг-стных параметров, описание аэродинамических характеристик вентиляторов. • •

14втодика моделирования ожидаемых вентиляционных режимов сводится к следующему. По статистическим давздм вентиляционных режимов 347 ГВУ различных горно-добывающих бассейнов определены законы распределения случайных величин f и { , принимающих значения

f (Qjt) = Qjt4 / Qjt.. HHjt) = Hjt, j eN, teT, где j - номер установки;

t - год или номер подпериода некоторого периода времени Т.

Как показали исследования, изменение во времени значений параметров Q и Н можно рассматривать как простой марковский случайный процесс.

Предположим известен начальный режим (Qjto , Н^ ) установки с номером j.- Тогда, определяя с помощью датчика, генерирующего по найденным законам распределения значения ¿ ¿ • £¡t случайных

величин ^ (Qjt) и lf CHji) и вычисляя

QjiH = Tíí • . н]ы = • Hit . . t » t

находим все ожидаемые режимы j-й установки.

Как показал анализ статистики, для моделирования вентиляционных режимов некоторого года t может быть использован нормальный закон распределения двумерной случайной величины (Q, Н) в в области О«;*«: Q\< QmíX , Hm¡n H ч< Ндвх • Зная частоты попадания Q и Н в те или иные интервалы генерируем значения случайных величин (Q, Н).

В работе собрай, обработан и проанализирован статистический материал по стоимостным параметрам ВГП и ГВУ, на основе которого предложена методика расчета стоимостных параметров вентиляторных установок.

При моделировании динамики множества случайным образом выбранных ГВУ- местонахождение установок заранее неизвестно. Чтобы учесть регион, в котором эксплуатируется ГВУ районный коэффициент генерируется случайным образом по найденному закону распределения. При этом районный коэффициент по электроэнергии приводится в соответствие районному коэффициенту по капитальным вложениям. Все это учитывает алгоритм расчета эксплуатационных расходов, который позволяет осуществлять расчет стоимостных параметров по ГВУ с любыми гипотетическими , компоновочными схемами и типоразмерами оборудования (при параллельном и последовательном соединении вентиляторов, любом числе ступеней, секций и модулей). При этом используются некоторые базовые (выпускаемые) типоразмеры оборудования, относительно которых осуществляется перерасчет аэродинамических характеристик новых машин и установок.

. Напорные, (энергетические) характеристики вентиляторов при всех возможных углах установки лопаток рабочего колеса и при различной частоте вращения образуют семейства подобных геометри-чесгакс кривых.

Для вентиляторов с нерегулируемым приводом каждое из этих семейств кривых представляется в виде поверхности, описываемой единой функциональной зависимостью - полиномом второго порядка от двух переменных:

а 2

f(Q,6) = (а,© + a¿)-Q + (а3© + а„& + af)-Q + a¿© + а,в + a¿ , где Q - производительность вентилятора;

& - угол установки лопаток рабочего колеса (направляющего

аппарата);

а;- коэффициенты аппроксимации (1 = 1,... , 8). Для описания границ устойчивости осевых вентиляторов используется уравнение

Н(<5) = а,(}г + а,<Э + а3 На основе законов подобия турбомашин выведено также уравнение поверхности, аппроксимирующей все напорные характеристики вентилятора с регулируемым приводом:

Н(С), п) = + аг0-п + а3пг Аналогично определено уравнение поверхности, аппроксимирующей энергетические характеристики регулируемого по частоте вращения вентилятора

Р(0,п) = а,(}'п + а,0-п' + аап* Данное описание аэродинамических характеристик вентиляторов содержит минимальное количество коэффициентов аппроксимации (в сравнении с другими известными описаниями), т. к. описывает не каждую характеристику отдельно, а сразу все их семейство и позволяет легко рассчитать с помощью ЭВМ частоту вращения, угол установки лопаток рабочего колеса и эксплуатационные расходы по ГБУ. Разработанное описание не содержит избыточной информации по границе области промышленного использования с ^ « 0,6, при выборе оборудования рассматриваются все режимы, которые в принципе могут быть обеспечены тем или иным вентилятором. Неприемлемость работы установки с низким КПД определяется в ходе решения задачи автоматически. Достоинством такого подхода является установление действительной зоны экономичной работы вентилятора в конкретных условиях эксплуатации. Очевидно, что в течение некоторого непродолжительного подпериода времени может оказаться целесообразной эксплуатация установки при относительно низком КПД

Разработанное программное обеспечение допускает наглядное графическое представление аэродинамических характеристик ЕГП и ГВУ.

В пятой главе представлены результаты численных экспериментов, приведены рекомендации по использованию программного обеспечения для расчета коэффициентов аппроксимации аэродинамических характеристик вентиляторов, анализа способов адаптации ГВУ к изменяющимся -условиям эксплуатации. Выполнены анализ и оценка выпускаемого и разработанного в различных научных организациях вен-

тиляционного оборудования.

Обоснование параметров вентиляторных установок осуществляется на основе ожидаемых вентиляционных режимов. Моделируется динамика вентиляционных режимов 100 ГБУ различных горно-добывающих районов, при этом рассматривается период с 1991 г. по 2010 г.

Процессы развития вентиляционных систем произвольных действующих предприятий различны, так же и в результате статистического моделирования мы получаем каждый раз новую, отличную от других реализацию исследуемого процесса. Устойчивые сведения о закономерностях, свЬйственных развитию вентиляционной системы появляются в результате обобщения многих реализаций, поэтому численные эксперименты проводились многократно.

Считаем, что во всех исходных данных присутствует некоторая неопределенность, поэтому представляет интерес вопрос о степени влияния изменения входных данных на результаты расчета.

Обеспечение ожидаемых вентиляционных режимов может быть осуществлено различными параметрическими рядами машин, поэтому моделировались различные сочетания типов вентиляторов и РВУ и исследовалось влияние этих сочетаний на величину суммарных приведенных затрат. В результате численных экспериментов определяются значения параметров ряда машин и установок, при которых приведенные затраты минимальны.

Результаты показывают, что при переходе с ряда, включающего только выпускаемые типы вентиляторов к новому ряду, включающему в себя.многообразие типоразмеров БГП и ГБУ, затраты сократится к 2965 тыс. руб. в расчете на годовой объем выпуска и в сравнении с однотиповым' рядом, составленным из машин серии ВОА, на 700 тыс. руб.

Выявленный характер затрат объясняется тем, что из-за приведения в соответствие параметров ГВУ параметрам вентиляционных сетей капитальные вложения и эксплуатационные расходы у потребителя сокращаются в гораздо большей степени, чем растут затраты, связанные с сокращением серийности выпуска.

ЗАКЛЮЧЕНА

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи повышения эффективности работы ГВУ, основанное на со-

вершенствовании методики оценки и выбора параметров установок на стадиях их разработки, проектирования и эксплуатации вентиляционных систем с учетом динамики и случайного характера развития подземных горных предприятий.

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Разработано методическое и программное обеспечение, являющееся системой поддержки принятия решений по ГВУ, помогающее осуществлять выбор параметров ГВУ, определять конкурентноспособность, эффективность новых•разработок с учетом множества факторов: динамичности и частичной неопределенности развития горно-добывающего производства, действующего парка установок и ряда выпускаемых машин, всевозможных вариантов совершенствования ГВУ. Рассматриваемые модели реализованы в виде комплекса программ, дополнены процедурами информационного обеспечения и методикой использования.

2. С помощью разработанной методики и программного обеспечения выполнены анализ и оценка выпускаемого и разработанного в различных научных организациях вентиляционного оборудования. Этот анализ показал следующее:

- требование учета динамики вентиляционных режимов отдельной установки, многообразие условий эксплуатации приводят к необходимости использования различных компоновочных схем, комплектов оборудования и способов его регулирования за срок службы установки;

- одним из перспективных путей повышения эффективности шахтных вентиляторов и собственно вентиляции может стать расширение адаптивных свойств ГВУ на основе принципа модульности, который предполагает комбинирование в процессе эксплуатации различных компоновочных схем вентиляторной установки на базе одного типоразмера вентилятора и одной резервной машины;

- с учетом принципа модульности система осевых и центробежных вентиляторов с диаметрами рабочих колес до трех метров при повышенной густоте малых диаметров обеспечивает покрытие более 95% ожидаемых вентиляционных режимов. Создание машин больших диаметров требует индивидуальной проработки и анализа.

3. Проведение расчетов при выборе параметров ГВУ по изложенной схеме позволяет улучшить структуру парка машин, устранить несоответствие между параметрами машин и вентиляционными режимами, улучшить их технические характеристики и тем самым повысить эф-

фекгявность работы ГВУ. Ожидаемый годовой экономический эффект от оптимизации параметров вентиляторных установок составляет 2-3 миллиона рублей в ценах 1985 г.

Развиваемый в работе подход может служить методической основой при обосновании параметров других видов горных машин.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Кузнецов A.C., Шроэова Г.Б. Результаты предварительных расчетов по обоснованию параметров вентиляционных установок н ряда вентиляторов главного проветривания. //Управление вентиляцией и газодинамическими1 явлениями в шахтах. - Новосибирск; ИГД СО АН СССР. 1986. - С. 26-28.

Z. Кузнецов А. С., Морозова Г. R Статистическое моделирование ожидаемых вентиляционных режимов при обосновании ряда вентиляторов главного проветривания //Управление вентиляцией и газодинамическими явлениями в шахтах. - Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1986. - С. 28-33.

3. Морозова Г. В. Методика расчета стоимостных параметров перспективных вентиляторных установок //Управление вентиляцией и газодинамическими явлениями в шахтах. - Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1986. - С. 33-37.

4. Кузнецов А. С., Пэтров Н. Е , Мэрозова Г. В. , Петрова Л. Е Мэтодика выбора на ЭВМ оборудования для главных вентиляторных установок шахт и рудников //Управление вентиляцией и газодинамическими явлениями в шахтах. - Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1982. - С. 56-61.

5. Кузнецов А. С. . Морозова Г. В. , Петрова Л Е Аналитическое описание аэродинамических характеристик вентиляторов //Управление вентиляцией и газодинамическими явлениями в шахта:!:. - ' Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1983. - С. 74-83.

6. Кузнецов А. С., Морозова Г. Б. , Петрова JL Е Расчет на ЭВМ годовых эксплуатационных расходов по главным вентиляторным установкам //Управление вентиляцией и газодинамическими явлениями в шахтах. - Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1983. - С. 88-94.

7. Мэрозова Г. В. К вопросу выбора оборудования в условиях частичной неопределенности. //Вопросы совершенствования горных работ на шахтах и карьерах Сибири. - Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1990. - С. 70-73.