автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование и обеспечение рациональных режимов эксплуатации шахтных главных вентиляторных установок

\

На правах рукописи

ТИМУХИН Сергей Андреевич

ОБОСНОВАНИЕ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ЭКСПЛУАТАЦИИ ШАХТНЫХ ГЛАВНЫХ ВЕНТИЛЯТОРНЫХ УСТАНОВОК

Специальность 05.05.06 «Горные машины»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Екатеринбург -1998

Работа выполнена в Уральской государственной горно-геологической академии.

Ведущая организация: Научно - исследовательский и проектно-конструкторский институт - горного и обогатительного машиностроения (НИПИГормаш)

Защита состоится « 5 » июня 1998г. в 10.00 часов. На заседании диссертационного совета Д063.03.01 в Уральской государственной горногеологической академии (620144, г.Екатеринбург, ул. Куйбышева 30).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральской государственной горно-геологической академии.

Автореферат разослан «ЗД» 1998г.

Ученый секретарь диссертационного

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, проф. Маховиков Б.С. докт. техн. наук, проф. Петров H.H. докт. техн. наук, проф. Ярцев В.А.

совета

Актуальность работы. В условиях высоких цен на энергоносители, значительного сокращения воспроизводства основных фондов, увеличения' частоты и тяжести аварий на подземных горных предприятиях особую значимость приобретают работы, направленные на обоснования и обеспечение наиболее рациональных режимов эксплуатации горных машин и комплексов. В полной мере это относится к комплексам главных вентиляторных • установок (ГВУ) как основному звену систем жизнеобеспечения шахт и рудников. Ввиду своей значительной энергоемкости и регулировочных возможностей комплексы ГВУ играют также роль потребителей - регуляторов нагрузки подземных горных предприятий, обеспечивающих минимальный уровень оплаты за пользование электрической энергией.

Задачи научного обоснования и обеспечения рациональных режимов их эксплуатации практически постоянно стояли в центре внимания ученых и специалистов в области горной механики, весомый вклад в решение которых внесли Г.А.Бабак, И.В.Брусиловский, А.И. Веселов, Г.М.Водяник, Л.Я. Гимельшейн, А.А.Дзидзигури, И.О.Керстен, В.И.Ковалевская, Косарев Н.П., Е.М.Левин, Б.А.Носырев, В.С.Пак, В.В.Пак, Н.Н.Петров, И.А.Раскин, Т.С.Соломахова, К.А.Ушаков, И.С. Фрейдлих и другие. Выполненные ими фундаментальные исследования легли в основу современной науки о главных вентиляторных установках и явились теоретической базой настоящей работы.

Среди зарубежных ученых в области аэродинамики и вентиляторных установок следует отметить К.Пфлейдерера, Б.Экка, О.Бака (Германия), А.И. Степанова (США) и других.

За последние десятилетия в ведущих научно-исследовательских и проектных организациях, машиностроительных заводах, вузах горного профиля и военизированных горноспасательных частях (ВГСЧ) выполнен весьма значительный объем НИР и ОКР в области главных вентиляторных установок. Тем не менее значительного прогресса в повышении результативности режимов эксплуатации ГВУ достигнуть пока не удалось и установки зачастую эксплуатируются с повышенным электропотреблением, низким уровнем надежности и безопасности, не удовлетворяющим требования правил безопасности (ПБ) и правил технической эксплуатации (ПТЭ).

Основной причиной такой ситуации является то, что традиционный подход' в исследованиях ГВУ с точки зрения решения задач существенного повышения результативности режимов эксплуатации установок практически исчерпал свои возможности. Характерным для такого подхода является также недостаточная увязка вопросов экономичности и безопасности. На их тесную взаимосвязь и взаимодействие не обращалось должного внимания, несмотря на то, что в условиях рыночных отношений фактор безопасности все в большей степени становится также и экономическим, так как

материальные затраты, связанные с ликвидацией аварий, все ощутимее : влияют на состояние экономики предприятий.

Многолетний научно-практический опыт, накопленный в области горной механики, показывает, что проблема научного обоснования и обеспечения рациональных режимов эксплуатации главных вентиляторных установок является прежде всего комплексной, и поэтому успешное ее решение возможно только на основе системного подхода.

Часть диссертационной работы выполнялась в рамках отраслевой программы МП-2 " Разработать и внедрить эффективные способы и средства обеспечения безопасных условий труда в цветной металлургии", утвержденной заместителем министра цветной металлургии СССР 24.12.1985г. (этап ДЗ) и в соответствии с планами важнейших НИР УГТГА (шифр 76073046, 80035265,78006159,76029812 и др.).

Целью работы является установление закономерностей влияния параметров вентиляционных сетей и структуры вентиляционных воздушных потоков на уровень суммарных потерь энергии в комплексах главных вентиляторных установок для научного обоснования и практического обеспечения рациональных режимов эксплуатации установок при условии снижения электропотребления, повышения их надежности и безопасности жизнедеятельности подземных горных предприятий.

Идея работы заключается в использовании эффекта снижения суммарных потерь энергии в комплексах ГВУ при улучшении аэродинамики вентиляционных сетей и структуры вентиляционных воздушных потоков для уменьшения электропотребления, повышения надежности вентиляторных установок и обеспечиваемой ими безопасности подземных горных предприятий.

Задачи исследований.

1. Развитие теории взаимодействия вентиляторов главного проветривания и вентиляционных сетей, обеспечивающей установление взаимосвязей факторов, влияющих на режимы эксплуатации ГВУ, на основе системного анализа передачи и потерь энергии в системе ВГП+сеть.

2. Разработка и анализ критериев эффективности главных вентиляторных установок как целостных систем; научное обоснование рациональных режимов эксплуатации (рабочих областей) вентиляторных установок.

3. Установление закономерностей влияния структуры вентиляционных воздушных потоков на режимы эксплуатации главных вентиляторных установок.

4. Решение задач оптимизации параметров, совершенствования и создания принципиально новых компоновочных схем главных вентиляторных установок.

5. Обеспечение рациональных режимов эксплуатации ГВУ посредством разработки информационно - математического обеспечения и создания систем автоматического контроля и регулирования установок, мероприятий

по повышению их надежности и безопасности на основе использования установок жизнедеятельности подземных горных предприятий.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использованы системный анализ, теория сложных систем, численные методы прикладной математики, математический анализ, теория надежности, теория рудничных турбомашин, теория аэродинамики и экономико-статистические методы.

Основные результаты исследований получены на экспериментальных стендах , на ЭВМ и на действующих комплексах ГВУ предприятий цветной металлургии.

Научные положения, выносимые на защиту. Существующий подход к оценке режимов эксплуатации шахтных главных вентиляторных установок, базирующийся на раздельном рассмотрении ВГП и ШВС, не учитывает специфики рудничных турбоустановок, представляющих собой целостную совокупность турбомашин и сетей.

Обоснование режимов эксплуатации главных вентиляторных установок должно осуществляться с обязательным учетом потерь энергии в вентиляционной сети, представляющих собой наиболее значительную часть потерь в системе ГВУ.

Увеличение неравномерности структуры полей скоростей воздушных потоков в горных выработках и вентиляционных каналах приводит к росту в них потерь давления и снижению к.п.д. ШВС и каналов, а также к ухудшению технико-экономических показателей ВГП. Оптимизацию параметров , совершенствование и разработку новых компоновочных схем ГВУ следует осуществлять с учетом того, что коэффициент неравномерности структуры вентиляционных воздушных потоков (определяемый как коэффициент кинетической энергии потока) не должен превышать значения 1,1.

Обеспечение рациональных режимов эксплуатации ГВУ посредством создания систем автоматического контроля и регулирования ВГП и регуляторов расхода воздуха (РРВ) в ШВС должно осуществляться на основе оптимизации функционирования целостного комплекса ВГП +сеть

Оценка надежности ГВУ как целостной системы должна производиться с учетом надежности функционирования ШВС и отражать степень влияния непрерывного и периодического контроля основных параметров установок на показатели их надежности.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертации обоснована сходимостью экспериментальных результатов, полученных на лабораторных стендах (установках) и действующих ГВУ; определением (при статистических исследованиях) доверительных интервалов оценок параметров при доверительной вероятности 0.95; адекватностью математических моделей и физических явлений, подтвержденной расчетами на ЭВМ и результатами экспериментов на

лабораторных стендах и действующих ГВУ; длительным опытом успешного внедрения основных результатов разработок на горнодобывающих предприятиях цветной металлургии.

Научная новизна диссертации заключается в том, что в ней на основе дальнейшего развития теории взаимодействия вентиляторов главного проветривания и вентиляционной сети разработаны принципиально новые подходы к обоснованию и обеспечению рациональных режимов эксплуатации комплексов главных вентиляторных установок.

Выполнен системный анализ потерь энергии в главных вентиляторных установках. Показано, что в известных работах в этой области потери в вентиляционных сетях не учитываются в общей сумме энергопотерь в вентиляционных установках. В связи с этим введены новые понятия "полезная гидравлическая мощность главной вентиляторной установки» и "теоретический режим работы установки".

Разработан опытно-теоретический метод определения суммарных потерь давления в проточных частях вентиляторов главного проветривания. Метод позволяет учитывать все виды потерь, оказывающих влияние на действительную рабочую характеристику вентиляторов.

Разработаны критерии эффективности вентиляционных каналов, шахтной вентиляционной сети и главной вентиляторной установки. При этом установлена степень влияния неравномерности вентиляционных воздушных потоков на к.п.д. каналов и сети. Критерии позволяют оценивать главные вентиляторные установки как целостные системы с единых технико-экономических позиций.

Сформулированы научно обоснованные подходы к определению наиболее рациональных режимов эксплуатации главных вентиляторных установок, дано новое понятие их рабочих областей. Показано, что при выборе вентиляторов главного проветривания необходимо исходить из принципа минимума мощности на зажимах сетевого двигателя привода вентиляторной установки.

Получены зависимости подачи, статистического давления и к.п.д. шахтных осевых и центробежных вентиляторов от неравномерности структуры полей скоростей воздушных потоков на их входе. Обоснованы допускаемый уровень этой неравномерности и необходимость ее учета при оптимизации параметров, совершенствовании и разработке компоновочных схем поверхностных подкомплексов главных вентиляторных установок.

Сформулированы принципы обеспечения рациональных режимов эксплуатации ГВУ, позволяющие учитывать зависимости энергопотребления установок от общешахтного и внутришахтного воздухораспределения. Показано, что графики подачи и электропотребления вентиляторных установок необходимо увязывать с графиками электрических нагрузок подземных горных предприятий для повышения их эффективности.

Решена задача учета непрерывного и периодического контроля параметров ГВУ при оценке надежности их работы.

Личный вклад заключается в дальнейшем развитии научного направления, связанного с исследованием, обоснованием и обеспечением рациональных режимов эксплуатации шахтных главных вентиляторных установок.

В рамках- отдельных разделов диссертации личный вклад автора состоит в выводе закономерностей, положенных в основу научного обоснования рабочих областей вентиляторных установок; в установлении степени влияния неравномерности вентиляционных воздушных потоков на режимы эксплуатации и к.п.д. установок; в получении зависимостей, положенных в основу методики оптимизации параметров входных элементов поверхностных подкомплексов установок; в разработке методики периодической оценки технико-экономического уровня главных вентиляторных установок как целостных систем; в разработке принципа управления вентиляторными установками, позволяющего осуществлять минимизацию мощности на зажимах сетевого двигателя привода с учетом потерь энергии в вентиляционной сети; в разработке предложений, направленных на повышение надежности главных вентиляторных установок и обеспечиваемой на основе их использования безопасности жизнедеятельности подземных горных предприятий.

Практическая ценность диссертации состоит в том, что совокупность разработанных в ней методов, предложений и средств позволяет обоснованно подходить к выбору и обеспечению наиболее рациональных режимов эксплуатации комплексов главных вентиляторных установок.

Практическую ценность представляет разработка и реализация мероприятий по улучшению аэродинамики поверхностных подкомплексов установок и создание их новых компоновочных схем. Практическая значимость работы подтверждается разработанными и реализованными методиками оптимизации параметров и периодического обследования вентиляторных установок, а также реализацией ее результатов посредством создания систем автоматического контроля и управления, обеспечивающих поддержание выбранных режимов эксплуатации установок.

Реализация результатов работы заключается в том, что они внедрены в институте «Унипромедь», АО «Севуралбокситруда», Гайском ГОКе, Дегтярском РУ, Березовском руднике, ЮУБРе, Кировоградском мелькомбинате, ВГСЧ предприятий цветной металлургии страны, Артемовском машиностроительном заводе и НИИПП «ТУРМАШ».

Разработана и принята для практического использования при проектировании и реконструкции ГВУ на предприятиях цветной металлургии методика расчета и выбора оптимальных параметров входных элементов установок. Разработаны и внедрены на ГВУ Уральских рудников цветной металлургии рекомендации по улучшению аэродинамики

поверхностных подкомплексов установок, промежуточные направляющие аппараты для находящихся в эксплуатации осевых реверсивных вентиляторов типа ВОКР. Техническая документация на направляющие аппараты принята на Артемовском машиностроительном заводе для реализации в конструкциях выпускаемых осевых вентиляторов .

Разработаны и внедрены в практику ВГСЧ предприятий металлургической отрасли промышленности сводный каталог действительных реверсивных характеристик шахтных осевых вентиляторов главного проветривания и методика периодического обследования главных вентиляторных установок. Созданы, апробированы и переданы в эксплуатацию на подземном руднике Гайского ГОКа и на ш.№13 АО «Севурапбокситруда» комплексы средств автоматического контроля и программно-математического обеспечения систем автоматизированного контроля и управления главными вентиляторными установками.

Разработана и принята в проекте института «Унипромедь» компоновочная схема установки с вентилятором ВОД-16, строительство которой осуществлено на ш. «Южная» Березовского рудника.

Разработана и согласована с заводом изготовителем методика обоснования сроков дальнейшей безопасной эксплуатации шахтных вентиляторов главного проветривания производства Артемовского машзавода.

Результаты работы использованы в учебном процессе студентов направления 551800 «Технологические машины и оборудование» Уральской государственной горно-геологической академии.

Подтвержденный актами экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы составляет 6,53 млрд.руб. (в ценах 1кв. 1997 года).

Апробация работы. Диссертационная работа и основные ее разделы докладывались на ежегодных научно-практических конференциях УПТА в период с 1975 по 1987гг.; на научно-технических советах АО "Севурапбокситруда" в 1976-1978 и 1987-1989гг.; Гайского ГОКа в 197879гг.; АО "Уралзолото" в 1976-77гг.; Дегтярского рудоуправления в 198081гг.; штаба ВГСЧ Урала в 1981, 1982, 1988, 1989гг.; на отраслевом совещании в институте ЦНИПП (г. Березовский, 1986г.); на Всесоюзном совещании служб депрессионных съемок ВГСЧ металлургических предприятий (Мончегорск, 1983г., Ленинабад-Свердловск, 1988г.); на Всесоюзном совещании в Институте горного дела СО АН РАН по проблеме "Вентиляция и газодинамические явления в шахтах" (Новосибирск, 19781984гг.); на научно-технической конференции с международным участием ученых и инженеров "Проблемы и перспективы развития горной механики" (Екатеринбург, 1995г.); на научно-технических конференциях:"Системы и средства контроля состояния шахтной атмосферы" (Екатеринбург, 1995г.); «Механика в горном производстве» (Екатеринбург, 1997г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 50 работах, включая 9 авторских свидетельств на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из предисловия, девяти глав и заключения, изложенных на 246 страницах; она содержит 68 рисунков, 14 таблиц, список использованной литературы из 194 наименований и приложение.

Основное содержание работы

1 .ОБОСНОВАНИЕ СИСТЕМНОСТИ ПОДХОДА И АНАЛИЗ ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИ В КОМПЛЕКСАХ ГЛАВНЫХ ВЕНТИЛЯТОРНЫХ

УСТАНОВОК

Анализ состояния проблемы обоснования и обеспечения рациональных режимов эксплуатации комплексов главных вентиляторных установок показал, что успешное ее решение возможно только на основе учета всей совокупности факторов, формирующих процессы общешахтного проветривания. При этом комплексы ГВУ представлены как совокупности подкомплексов (подсистем - электроснабжения, электропривода, вентилятора главного проветривания, вентиляционных каналов и шахтной вентиляционной сети), обладающих всеми системно-техническими свойствами (целостность, членимость, наличие устойчивых связей и др.). Анализ степени адекватности комплексов ГВУ основным признакам сложных систем показал правомерность их представления как систем определенной степени сложности и обоснованность системного подхода к решению настоящей проблемы. Отсюда, общей теоретической базой для исследований в области комплексов ГВУ в работе принята теория сложных систем, на основе которой они описаны дифференциальными уравнениями:

с/Р^сИ =ЛхгР-ЛцРг>

¿¿РзМ = (1)

где X - плотности вероятностей перехода ГВУ из одного состояния в другое; Р-вероятности состояний; п- количество подсистем на которое расчленяется система ГВУ.

Интегрирование данной системы уравнений при заданных начальных условиях обеспечивает возможность определения вероятности состояний ГВУ как функции времени. С учетом того, что число состояний ГВУ конечно и из любого состояния возможен переход в любое другое за то или иное

число шагов, можно считать, что существуют предельные вероятности состояний системы, не зависящие от ее начального состояния. При этом в предельном (установившемся) режиме работы ГВУ все вероятности состояний будут постоянны и их производные будут равны нулю. Отсюда система (1) может быть представлена в виде системы линейных алгебраических уравнений:

ЛиР-ЛиР^О, (2)

п

Решение системы (2) совместно с условием /LP=1 обеспечивает

i-i

вычисление всех предельных вероятностей Pi;P2;P3...P „ ■

Системный анализ потерь энергии в комплексах ГВУ позволил установить целостную картину потерь в подкомплексах установок в их взаимосвязи с режимами функционирования установок . При этом предложен опытно-теоретический метод определения суммарных потерь давления в проточной части шахтных ВГП. Метод позволяет при известных кинематических параметрах вентиляторов рассчитать их теоретические характеристики по статическому давлению. Например, для центробежных машин по полученной зависимости

Р5^о,5Ркц(ис,и1-Щ^д2). (з)

тс üibi

где Psvt; - теоретическое значение статического давления; р- плотность воздуха; Кц- коэффициент циркуляции; Ks- коэффициент, учитывающий увеличение статического давления в выходных элементах машины ; i- число последовательно соединенных рабочих колес ; U2- окружная скорость воздуха на выходе из колеса; (З2- угол выхода лопаток ; bj- ширина лопаток на выходе; D2- диаметр рабочего колеса; Q- подача машины.

Зависимость (3) может быть представлена как

Ps^A-CQ2-, (4)

/

где Аь С] - величины, постоянные для конкретных типов вентиляторов и фиксированной частоты вращения их рабочих колес.

На основе выражения (4) и уравнения, описывающего экспериментальную характеристику вентилятора по статическому давлению (полином второй степени), суммарные потери давления в проточной части шахтных вентиляторов главного проветривания

1ДР*^{Ага)-Ъд-{Сгс)<2г , (5)

где п- число отдельных видов потерь ( в т.ч. потери, связанные с вихреобразованием, с взаимным влиянием потерь и т.д.); а,Ь,с -коэффициенты аппроксимации экспериментальных характеристик ВГП. Например, для вентилятора ВЦ-25М2:

I ДРда = 5412-72,30+0,8901,Па. (6)

Анализ позволил установить , что полезная гидравлическая мощность вентиляционной сети ( и всей ГВУ в целом) определяется по выражению 1\ГП= Р<1вс" Рш(Рп), где Рйвс" динамическая составляющая полной депрессии сети; С?шСЗп) - количество воздуха, проходящего по вентиляционной сети (полезно расходуемого на проветривание ).

Иллюстрация физики процесса передачи и потерь энергии в системе ГВУ (ВГП + сеть) дана на рис.1, где приведены теоретические характеристики вентилятора по полному и статическому давлениям Ру,; Рзу^ДС)), действительная характеристика по статическому давлению РЗУ=:Г((3), характеристики реальной (К.1) и идеальной (Ио) вентиляционных сетей.

Как видно из рис.1, для любого реального режима работы ГВУ (характеристика сети ЯО теоретическое значение полного давления вентилятора

Р* Р~ Д/**™ ~ Р^ + Р¡¡л

где Р5ВС-статическая составляющая полной депрессии сети; Р^ -теоретическое значение динамического давления вентилятора.

Рис. 1. К анализу потерь в системе ВГП + сеть

В работе введено понятие общего гидравлического к.п.д. системы ГВУ (ВГП + сеть):

+ Рлс + ЁДРет + Р*) = Лвс/Р* . (7)

Анализ (7) показывает, что любое перемещение режимов работы вправо по характеристикам вентилятора связано с уменьшением общих гидравлических потерь в системе, удельной полной энергии (Ри) системы и с увеличением доли полезной работы, совершаемой установкой. При этом крайне правому режиму работы ( теоретическому, характеристика сети Но) соответствуют следующие предельные (теоретические) значения основных технологических параметров системы ГВУ: С^=тах; Г|Гу=тах;

Рйвс=тах; РЗУ=Равс; Ру^тт; д РЗУ1=тах; Р5ВС=0. На основании этого

¿•I

в работе сделан вывод о том, что с энергетической точки зрения теоретический режим эксплуатации ГВУ является наивыгоднейшим.

2. СИСТЕМНЫЕ КРИТЕРИИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГЛАВНЫХ ВЕНТИЛЯТОРНЫХ УСТАНОВОК

На основе условий и требований к критериям эффективности сложных систем в диссертации разработаны критерии эффективности вентиляционных каналов, шахтной вентиляционной сети и главной вентиляторной установки как целостной системы.

С учетом всех видов потерь в вентиляционных каналах получен критерий их аэродинамического совершенства (энергетической эффективности):

ЧгчЛы^г+Ъ&К^. (8)

где г]ок - объемный к.п.д. канала; Кнз- коэффициент неравномерности структуры воздушного потока в канале; Хк- коэффициент потерь трения по длине канала; 1к- длина канала; Ог- гидравлический диаметр канала; ТЛж -сумма коэффициентов местных сопротивлений в канале.

С учетом требований ПТЭ относительно допускаемого уровня потерь воздуха и давления в подводящих каналах получено выражение для определения нормативных значений их к.п.д.: Г|кн = 4,5 р Ук /Рш, где Ук - скорость воздуха в канале; Рш- полная депрессия ШВС.

Критерий энергетической эффективности поверхностных подкомплексов установок :

3 _ Р$у 0-у__.-дч

где Му - входная мощность вентилятора главного проветривания. Нормативное значение данного критерия Г|пки = 2,7 Т|эс Г1пр р Ук2 / Рш .

. Для шахтной вентиляционной сети, представленной в диссертации как совокупность связанных между собой горных выработок шахты с определенным уровнем аэродинамического сопротивления и объемных потерь, критерий энергетической эффективности

(10)

где т|ош - объемный к.п.д. шахтной вентиляционной сети; >.„ 1;, <!„ -коэффициент потерь трения, длина и гидравлический диаметр I -

выработки; £ §мсг сумма коэффициентов j местных сопротивлений сети на рассматриваемом вентиляционном направлении; ш - КшГ коэффициент неравномерности структуры воздушного потока в 1- выработке; п - число выработок. При этом для конкретных условий предполагается программная реализация данного выражения, осуществляемая на основе математической модели вентиляционной сети.

Критерии энергетической эффективности ГВУ как целостной системы

Лу = 1эс% П* По, %ш1 + Хк /«4- + ЕО х

. ' , . ' (П)

»=1 '=■1 (Л п У"1

л^гъ-^^рГ^РМпЦР.РшИ,); (12)

где Ущ - скорость воздуха в ШВС; Рк - полная депрессия канала.

Выражение (12) наглядно отражает связь между конечной целью ГВУ ( обеспечение достаточности С2П ) и уровнем ее энергетической эффективности ( т)у), а также степень соблюдения требований ПБ и ПТЭ в части максимально допускаемых значений скоростей воздуха в горных выработках и каналах, а также потерь давления и воздуха в каналах: УШ<УШПБ; УК<УКПБ; РК<0,1РШ ; (}ш/(3,2: 0,9.

Анализ полученных выражений свидетельствует о решающей роли аэродинамического сопротивления вентиляционной сети (депрессии сети) в повышении энергетической эффективности главных вентиляторных установок. Работоспособность предложенных критериев апробирована на расчетах основных энергетических показателей ГВУ для рудников цветной металлургии. При этом фактические значения

= 17- 68% ; г|пк = 12 - 41% ; = 0,5 - 7,9% ; Г|у= 0.08- 0,96%.

В диссертации выполнено исследование показателя удельной мощности ГВУ как общесистемного критерия их энергетической эффективности. При этом под удельной мощностью ГВУ ( ) принято отношение мощности на зажимах сетевого двигателя Ыс к подаче вентилятора главного проветривания, т.е.

• (13)

Рассмотрено три разновидности данного показателя с точки зрения их объективности. Установлено, что показатель яс (наряду с показателем Кс) наиболее приемлем при автоматизированном контроле и регулировании ГВУ в качестве целевой функции управления. Приведены результаты оценки

энергетики установок рудников цветной металлургии по их удельной мощности.

На рис.2 приведены зависимости г)вс; г|5У; %; q0; N<¡={"(0), (ГВУ с ВГП ВЦ-25М2), отражающие энергетику установки как совокупности ВГП+сеть

к ВтУ

2.0 0

о,а-0.6' 0А' 0.2 О

^с^'Вт

400 300 200 юо

0,10 0,08 0.06

4е

К

N

V/ /

/ А

20 0 Б 0 &0 100

Рис. 2. Энергетические зависимости ГВУ

С учетом основных требований, предъявляемых к комплексам ГВУ, в работе получено критериальное выражение для определения общего уровня их эффективности:

Пу-КоКг.К^, (14)

где К« - коэффициент обеспеченности воздухом объектов горных работ (или шахты в целом ); Кг - коэффициент готовности ГВУ как системы; Кр -коэффициент реверсивности установок.

Реализация данных показателей позволит выработать единый методический подход к технико-экономической оценке режимов эксплуатации главных вентиляторных установок и состояния общешахтного проветривания.

3. ОБОСНОВАНИЕ РАБОЧИХ ОБЛАСТЕЙ ГЛАВНЫХ ВЕНТИЛЯТОРНЫХ УСТАНОВОК

С точки зрения реализации основных задач, стоящих перед комплексами ГВУ, их рабочим областям должны соответствовать наиболее энергосберегающие режимы эксплуатации при условии полной обеспеченности объектов горных работ (или шахты в целом) свежим воздухом, т.е. Qn. = Qn.noTp (Qm=Qui потр) при Nc; qc =min или г|у = max. Кроме того, рабочие области установок должны удовлетворять требованиям устойчивости и однозначности работы вентиляторов, управляемости общешахтным проветриванием и реверсивности вентиляционной струи.

В диссертации предложен новый подход к формированию удовлетворяющих данным требованиям режимов работы установок, совокупность которых в поле регулировочных графиков вентиляторов представляет собой рабочие области ГВУ. В основе подхода лежит минимизация суммарных потерь энергии в системе ВГП + сеть, т.е.

£ Д Psvi+PsBC = min при условии Qn=Qn.noTp (Qui = Qui потр)->•1

С учетом того, что перемещение режимов работы вправо по характеристике ВГП сопровождается снижением суммарных потерь энергии в системе, и следовательно, электропотребления, экономически более выгодна эксплуатация ГВУ с вентиляционными сетями, имеющими минимальное аэродинамическое сопротивление. Однако связанное с этим снижение статического давления вентилятора ниже определенного уровня может привести к неуправляемости процессов общешахтного проветривания. Поэтому граничные значения Qv max рабочей области установки для каждой кривой давления ВГП должны соответствовать минимально допускаемым с точки зрения управляемости проветриванием значениям статического давления вентилятора, T.e.Psvmin>PBC±he±ht, где he;ht -депрессия естественной и каких- либо других источников тяги в вентиляционной системе ( кроме рассматриваемого ВГП ), Рвс - полная депрессия всей сети (ШВС + канала).

Таким образом, нижняя граница рабочей области ГВУ не может быть задана однозначно. Она определяется в каждом случае исходя из особенностей вентиляционной сети (рис.3, линия Ш).

Так как с перемещением режимов работы вправо возрастают потери в ВГП с синхронным их снижением в ШВС, то при каком-то значении подачи (Qv min) темпы роста потерь в вентиляторе сравняются с темпами снижения потерь в сети. Отсюда совокупность Qv min по каждой кривой давления регулировочного графика принята в работе как некоторая целесообразная верхняя граница рабочей области ГВУ.

Рис. 3. К обоснованию рабочих областей ГВУ

Для ее определения необходимо по каждой кривой давления вентилятора решить зависимость

с1Рж!аО, = ■ 15)

С учетом выражения (5) и того, что Р5ВС =РЗУ - Рано решение (15) получено в виде

= (16) где К.<1ВС - постоянная вентиляционной сети по динамическому давлению (идеальной сети).

Апробация (16) на примере шахтных осевых и центробежных ВГП (типоряд ВОД и тип ВЦ, ВЦД ) показала, что верхняя граница рабочих областей ГВУ расположена вблизи перегибов кривых давления в их верхней части (см. рис.3 , линия I).

Таким образом, расположение верхней границы рабочей области вентиляторных установок определяется аэродинамикой ВГП, оно может быть определено однозначно по каждому типу вентилятора и нанесено на его регулировочный график.

В диссертации рассмотрен также другой подход к определению этой границы, основанный на том, что номинальный режим работы ВГП является своего рода рубежом, правее которого наиболее значительно возрастает к.п.д. установки ( % = снижаются мощность на зажимах сетевого

двигателя привода (N0 = удельная мощность (Чс=ДО)) ГВУ (см.

рис.2). Следовательно, значения по каждой кривой давления

вентилятора также могут представлять верхнюю границу рабочей области установки (см. рис.3 , линия II), ниже которой располагаются наиболее энергосберегающие режимы работы ГВУ. Причем им будут соответствовать наибольшие значения коэффициента использования ВГП ( КН=С)У / и подачи воздуха в ШВС ((2Ш ).

Из рис. 3 видно, что рабочие области ГВУ шире рабочих областей ВГП и смещены относительно последних в зону меньших значений давлений. Конечно, режимы, лежащие выше также реальны, но они крайне неэкономичны, и их не следует допускать. В любом случае при проектировании и эксплуатации нужно исходить из того , что наиболее экономичные (энергосберегающие) режимы работы ГВУ расположены ниже рабочих областей ВГП. Данным режимам соответствует также наибольшая устойчивость и однозначность работы ВГП, наибольшие значения коэффициентов реверсивности для осевых машин и коэффициентов использования вентиляторов, наименьшие силовые нагрузки на статорную группу машин. Некоторое увеличение поперечных усилий от рабочего колеса на вал в центробежных вентиляторах, характерное для режимов их работы, отличающихся от номинального, не оказывает существенного влияния на долговечность и надежность роторной группы машин, так как наибольшие значения поперечных усилий имеют место в режимах малых подач.

4. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ ВОЗДУШНЫХ ПОТОКОВ ВО ВСАСЫВАЮЩЕЙ ЛИНИИ ВГП НА РЕЖИМЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГВУ

Наличие воздушных потоков во всасывающей линии ВГП с неравномерной структурой приводит к увеличению потерь давления, снижению подачи, давления и к.п.д. вентиляторов, обусловленному

неблагоприятным силовым взаимодействием лопаток их рабочих колес с неравномерно притекающим потоком.

Вопросы воздействия неравномерности полей скоростей входных потоков на аэродинамические характеристики вентиляторов являются одними из наиболее сложных и малоизученных вопросов аэродинамики. До настоящего времени нет ни математической модели нестационарных процессов в рабочем колесе, ни зависимостей технологических показателей вентиляторов от уровня неравномерности структуры входных воздушных потоков. Недостаточно исследованы также процессы изменения структуры воздушных потоков во всасывающей линии ВГП.

В работе выполнен анализ существующих критериев неравномерности воздушных потоков, в качестве которого принят коэффициент кинетической энергии потока ( отношение действительной кинетической энергии потока в сечении канала к кинетической энергии потока в том же сечении, определенной по средней скорости). В виде, удобном для практических

вычислений, данный коэффициент Кнз=2 "^3/п/(УСр)3, где п - число замерных точек в сечении потока.

Экспериментальные исследования процессов изменений неравномерности полей скоростей воздушных потоков ( в лабораторных условиях и на действующих ГВУ ) во всасывающих линиях ВГП показали, что наибольший уровень неравномерности наблюдается в случаях нерациональных сопряжений вентиляционных стволов с подводящими каналами. В результате данного исследования получены экспериментальные зависимости Кю=:Г(1к) для наиболее часто встречающихся на практике типов сопряжений, на основе которых создана усредненная математическая модель процесса выравнивания структуры воздушного потока по длине подводящих каналов:

К„, = 1ДЗ-//'5 ^0~ехр(-0,7В-/,/Г>г) +1, (17)

где 1к - длина канала ; Ог - гидравлический диаметр канала.

Теоретический анализ зависимостей технологических параметров шахтных ВГП от неравномерности входного потока, выполненный на основе изучения механизма взаимодействия решетки лопастей вентилятора с неравномерно притекающим потоком и использования уравнения площадей, показал, что зависимости РЗУ ; ; Т|5У = Г(К,П) носят гиперболический характер при первоначальной более высокой степени снижения этих параметров. Установлено также, что потери статического давления в проточной части вентиляторов, обусловленные неравномерностью воздушного потока, численно равны динамическому давлению величины остаточной скорости закручивания за спрямляющим аппаратом, являющейся следствием этой неравномерности.

Экспериментальные исследования данных зависимостей (в лабораторных условиях и на действующих ГВУ) подтвердили первоначальные теоретические выводы. Так, например, для осевых двуступенчатых машин получены следующие эмпирические уравнения связи коэффициентов подачи ( ф'), давления ( Ц/' ) и к.п.д. (Т|') вентиляторов с коэффициентом неравномерности входного воздушного потока , имеющие гиперболический характер :

ср> =<р.к::-, Ч" = Щ-КИТ; 7' =?7<Г > (18)

где ф , \|/ , Т) - коэффициенты подачи, давления и к.п.д. вентилятора, соответствующие равномерному входному потоку.

Экспериментальные исследования аэродинамических характеристик шахтных осевых ( схема РК + СА ) и центробежных ( схема ВНИИГМ -ВЦО - 1,0 ) вентиляторов показали, что при увеличении Кнз от 1,03 до 4,34 статическое давление осевого вентилятора снизилось на 28%, подача - на 17% и к.п.д. - на 23%. Для центробежной машины при увеличении Кнз от 1,04 до 6,86 эти показатели составили соответственно 16, 6 и 10%.

Общий анализ результатов экспериментальных исследований показал, что неравномерность структуры входных воздушных потоков оказывает значимое влияние на ухудшение аэродинамики ВГП, начиная со значения Кнз =1,1, которое принято в работе как максимально допустимое при проектировании и эксплуатации поверхностных подкомплексов ГВУ.

5. ОПТИМИЗАЦИЯ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВСАСЫВАЮЩИХ ЛИНИЙ ВГП

Идея метода оптимизации геометрической длины всасывающей линии ВГП ( длины воздухоподводящих каналов ) основана в работе на зависимости к.п.д. вентиляторов от неравномерности структуры входного потока, являющейся в свою очередь функцией длины этой линии (выражения 17 и 18). На основе ее реализации получено уравнение для определения оптимальной, с точки зрения минимизации суммы приведенных годовых расходов по поверхностному подкомплексу ГВУ геометрической длины всасывающей линии ВГП( 1к опт )> например, для установок с осевыми двухступенчатыми машинами

(А+ЕЩ0574+32,15^+ --(a+bT>'<<

Х Г Г- „с 1 I0.905

ехр

где А , Ен - коэффициенты аммортизации и эффективности капитальных вложений; Кин - коэффициент инфляции ; Ь - ставка за 1 кВг.ч. затраченной энергии; С^тср, Р^ср, т^ср - среднегодовые значения технологических параметров ВГП; Т - число часов работы ГВУ в году; А - средняя высота шероховатостей стенок каналов; а - основная ставка за 1 кВт заявленного максимума нагрузки.

Выполненные в соответствии с этим выражением расчеты по восьми ГВУ рудников цветной металлургии показали, что допущен значительный перерасход капитальных затрат на сооружение подводящих каналов этих установок. Следует отметить, что по компоновочным соображениям не всегда представляется возможным принять в проекте 1К=!К 0ПТ. Тем не менее практически всегда целесообразно определение данной величины с технико-экономической точки зрения.

На основе того, что оптимальное поперечное сечение подводящих вентиляционных каналов соответствует минимальному значению приведенных годовых расходов, в диссертации получены зависимости оптимальных сечений каналов (Ркопт) в функции значимо влияющих факторов. Для условий поверхностных подкомплексов центробежных и осевых ГВУ:

---^f b.p.KQ\ T (2,5+1/1п((3,7л/г )/Д) -

-10^{жЬпР'ртТ <A+EH)lKKm(lMFmnT + 32,l5)=0.

Isrcr < ПГ !х " копт

Вычисленные по (20) значения Font необходимо проверять с учетом требований ПБ в части допускаемых скоростей в каналах вентиляторных установок ( Упб).

Зависимость оптимальных скоростей ( VonT) в каналах для осевых и центробежных установок

р-ь-акгт

'П БУСР 'П ЛР V ЭС

{1,3 2 • 10'1 ^[1п((3,7 Ог / А) ]' +1 о" IЦ К

КОПТ

-Ъ2,\5{Ал-Ен)-1кдусрКинУтпт~1,ЩА + Ен)-1кО!УС!,Кт=Ъ .

решение которой наиболее приемлемо методом хорд или способом касательных Ньютона.

Апробация (21) на примере ГВУ рудников цветной металлургии показала, что фактические значения скоростей в каналах зачастую значительно занижены по отношению к оптимальным. Определен допущенный по этой причине значительный перерасход капитальных затрат. В связи с тем, что для крупных ГВУ значения Уопт, как правило, превышают Упб, в диссертации рекомендовано увеличение последней до 20м/с для установок с подачей свыше 100 м3/с при условии обеспечения соответствующих дополнительных мер безопасности, связанных, главным образом, с производством воздушнодепрессионных съемок и периодическим осмотром каналов. Полученные зависимости легли в основу предложенной в работе методики оптимизации входных элементов поверхностных подкомплексов ГВУ при реконструкции или строительстве установок.

6. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА КОМПОНОВОЧНЫХ СХЕМ ПОВЕРХНОСТНЫХ ПОДКОМПЛЕКСОВ УСТАНОВОК

Выполнены экспериментальные исследования и предложены способы улучшения аэродинамики сопряжений подводящих каналов с вентиляционными стволами, имеющими надканальные участки. Поставленные эксперименты позволили комплексно оценить степень влияния подсосов воздуха через устье вентиляционного ствола на уровень потерь давления в таких сопряжениях. Предложены наиболее рациональные способы и средства исключения надканального участка ствола из аэродинамической схемы поверхностного подкомплекса ГВУ. Предложен метод определения объемных потерь в радиальных зазорах рабочих колес шахтных осевых ВГП и разработаны принципиально новые устройства для снижения этих потерь. Установлено, что применение одного из этих устройств обеспечивает снижение объемных потерь в зазорах в 1,5-1,6 раза, показывающее целесообразность его реализации в конструкциях выпускаемых и действующих осевых ВГП.

Для существующих компоновочных схем поверхностных подкомплексов центробежных ГВУ характерны повышенные потери воздуха (в среднем в три раза больше, чем с осевыми реверсивными вентиляторами), большие габариты и стоимость строительства, низкий уровень надежности

реверсирования, особенно в зимнее время и связанный с ним уровень безопасности горных работ. Все это приводит к необходимости поиска новых схем компоновок центробежных ГВУ. Одним из путей решения данной проблемы является создание принципиально новой компоновочной схемы центробежной ГВУ, обеспечивающей реверсию шахтной вентиляционной струи не при помощи обводного канала и системы ляд, а обратным вращением рабочего колеса вентилятора. При этом в нормальном (всасывающем) режиме работы аэродинамическая схема вентилятора идентична существующим схемам, а в реверсивном ( нагнетательном ) режиме она преобразуется в схему диаметрального вентилятора. В этом случае воздух из диффузора проходит через рабочее колесо вентилятора и подается в шахту. Такая компоновочная схема в принципе не отличается от схем с осевыми реверсивными машинами и обладает всеми достоинствами последних.

Для установок с центробежными вентиляторами одностороннего всасывания разработаны принципиально новые устройства для реверсирования вентиляционной струи, обеспечивающие уменьшение габаритов поверхностного подкомплекса, равномерную' структуру потока на входе в вентилятор и снижение аэродинамического сопротивления его всасывающей линии.

Разработан и 'предложен ряд компоновочных схем центробежных и осевых ГВУ, из которых исключен воздухоподводящий канал. Характерным для них является минимальное аэродинамическое сопротивление всасывающей линии ВГП, минимальные габариты и затраты на сооружение, а также равномерная структура входного воздушного потока. Предложена компоновочная схема для осевых ГВУ, из которой исключен двойной изгиб канала перед коллектором вентилятора (" гусиная шея"), что обеспечивает снижение потерь давления, повышение к.п.д. ВГП за счет более равномерной структуры входного потока и сокращение длины подводящего канала.

Реализация данных предложений в компоновочной схеме поверхностного комплекса ГВУ с осевой машиной ВОД-16 (ш.Южная, Березовский рудник) обеспечила уменьшение габаритов подкомплекса на 30% , а длины подводящего канала на 73%. При этом себестоимость воздуха снизилась на 28%, удельные капитальные вложения на 26%.

7. СПОСОБЫ И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ПРОВЕТРИВАНИЯ И ВЕНТИЛЯТОРНЫХ УСТАНОВОК

С учетом системности подхода разработаны принципы построения автоматизированного контроля параметров и процессов проветривания, информационно обеспечивающих в том числе и программную реализацию расчетов аварийных режимов проветривания, планов ликвидации аварий,

мероприятий по ликвидации аварий, заданий подразделениям ВГСЧ и др., т.е. непосредственных задач безопасности ведения горных работ. Основой функционирования таких систем являются датчики скорости воздуха и температуры в горных выработках, а также математическая модель вентиляционной системы шахты, обеспечивающая системную увязку основных параметров системы: параметров ВГП и параметров ШВС (аэродинамического сопротивления выработок и их депрессий, скорости и количества воздуха, проходящего по выработкам). При этом в задачу системы входят: автоматический сбор и обработка информации, поступающей с датчиков; отображение текущей информации на дисплее диспетчера шахты; анализ текущего состояния проветривания; расчет нормальных и аварийных режимов проветривания, потребного количества воздуха; выбор аварийных вентиляционных режимов; выдача оперативных заданий подразделениям ВГСЧ и др.

Техническая реализация системы наиболее целесообразна на ПЭВМ, так как пользователю достаточно разовых измерений по требованию.

Разработаны основные принципу контроля параметров ГВУ, функционирующих в системах автоматизированного контроля и управления проветриванием (САУЛ). Определен минимально необходимый объем подлежащих контролю параметров подсистем установок с обоснованием вида контроля каждого из них.

Ввиду того, что практическая реализация любых систем контроля возможна только на основе достаточно совершенных средств контроля (особенно первичных), в диссертации значительное место уделено решению этого вопроса. Разработаны и внедрены первичные средства контроля основных технологических параметров ГВУ , средства контроля обобщенных показателей ВГП, ШВС и системы ГВУ в целом, вошедшие составной частью в АСУТП подземного рудника Гайского ГОКа и шахты 13-13бис АО "Севуралбокситруда".

На основе результатов настоящей работы и с учетом многолетнегс опыта служб депрессионных съемок ВГСЧ разработана методике периодического контроля параметров, характеризующих работу ГВУ ка» целостных систем. Все показатели впервые в практике СДС сгруппировань по признакам однородности и функционального назначения: технические расходов воздуха, давлений (депрессий), аэродинамики, энергетические надежности и безопасности. При этом показатели надежности, безопасноста и обобщенные показатели энергетической эффективности подсистем I системы ГВУ в целом введены впервые. Показатель общей эффективное^ установок учитывает факторы обеспеченности горных работ воздухом экономичности и надежности работы установок, а также безопасносп функционирования подземного горного предприятия. Все это делае-предложенную методику надежной основой для выработки всесторонне

обоснованных решений по выбору рациональных режимов эксплуатации главных вентиляторных установок..

8. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ КОМПЛЕКСАМИ ГВУ

В общем случае проблема обеспечения рациональных режимов функционирования комплексов ГВУ сводится к решению задач оптимального управления ими на основе соответствующего критерия эффективности, в качестве которого в настоящее время обычно принимается величина к.п.д. ВГП. С позиций системности следует , что оптимизировать следует не ВГП (или ШВС), а единый по своему функциональному назначению комплекс ВГП+ сеть, которому соответствуют свои критерии эффективности, а , следовательно, другие принципы построения систем автоматизированного управления , формулирования целевой функции управления и др. Решение этой задачи, показано в диссертации на примере создания системы автоматизированного управления (САУ) главными вентиляторными установками шахты № 13-13бис АО "Севуралбокситруда".

В качестве глобального критерия эффективности САУ выбран основной показатель электропотребления ГВУ - мощность на зажимах сетевого двигателя привода ВГП, отвечающий требованиям системности и простоты реализации (приборной или программной). При этом целевая функция управления

Nc--f{Qr;,e;,a>;,Qn;,a0K;AQcm)=™in (22)

при следующих ограничениях и условиях:

Qv шах s Qvi £ Qvh ; 0, € В; СО; < Ю„;

Qnij ~~ QnoTpj» AQcyMi — AQcyMHi ССокце Г ,

где Qny - текущее значение воздуха, полезно расходуемое на j-ом участке горных работ; Qnorp j- потребное количество воздуха для проветривания j-го участка горных работ ; AQCyM,-; AQcyMH- текущее и нормативное (допускаемое) значения суммарных потерь воздуха в системе; 8; - текущее значение угла установки лопаток рабочих колес, направляющих аппаратов (или других лопаточных органов регулирования вентиляторов); В -множество углов установки данных лопаток; ©¡; 0),, - текущее и номинальное значения частоты вращения рабочего колеса ВГП; аоку -текущее значение угла раскрытия регулятора расхода воздуха (РРВ) на j-м участке горных работ; Г- множество углов раскрытия регулятора.

Очевидно, что реализация (22) в САУ ' должна обеспечить минимальный уровень электропотребления ГВУ при доставке на участки горных работ достаточного количества воздуха, минимальных потерях воздуха в системе, полном использовании регулировочных свойств ВГП и регуляторов расхода воздуха в сети и соответствии фактических режимов работы установок своим рабочим областям.

В диссертации разработано недостающее для данной реализации математическое обеспечение, заключающееся в установлении зависимостей Нс = Да01С) и вида связи Ыс с ДС)сум.

Например, для регуляторов расхода воздуха жалюзийного типа

где R, - постоянная i-ой последовательно соединенной горной выработки (в том числе воздухоподводящего канала ); Rj - постоянная j-ой параллельно соединенной горной выработки; а - коэффициент, зависящий от степени раскрытия РРВ и площади поперечного сечения выработки, в которой он установлен.

Полученное выражение устанавливает пря1»гую связь между электропотреблением ГВУ и положениями рабочих органов РРВ, определяющими внутришахтное воздухораспределение , т.е. значениями Qnij. Также оно устанавливает связь электропотребления с положениями регулирующих органов ВГП ( через значения Qv). Использование (23) совместно с расходными характеристиками регуляторов Qppb = f ( а ок) и ВГП Qv = f( СО ;0 ) в программном обеспечении САУ ГВУ создает основу для автоматизированных расчетов оптимальных режимов проветривания с выработкой команд на соответствующее регулирование объектов главных вентиляторных установок (ВГП и РРВ). Практическая реализация этого возможна при наличии математической модели вентиляционной системы, где каждой выработке ( в том числе с ВГП и РРВ) соответствует своя ветвь на расчетной схеме.

Для установления вида связи Nc = f (AQcyM) вентиляционная сеть была представлена в виде емкости с объемным расходом на входе Q v и на выходе Qn и с суммарным уровнем потерь в системе AQcyM:= Qv-Qn-Получено математическое описание потока, проходящего через ГВУ:

p+l-cos(2aOK/sr)

a-cos\2aOK/n-)

> (23)

ЛРс^][К№-Рс>Р-д -Кп](Рс-Р:>р-Ч ДО ; (24)

р

■я-Г

Р-Ус

Ь [Д0«,], (25)

где ДРС - изменение давления воздуха в сети; Рс - абсолютное давление воздуха в сети; Т° - температура воздуха в сети (средняя); Ус - общий объем горных выработок вентиляционного направления; Кв, Кп - величины, постоянные для конкретного состояния вентиляционной системы (определяются тарировочным путем ) ; Рн - давление в нагнетательном канале; Ра - атмосферное давление; К- газовая постоянная; К) , К2 -коэффициенты, учитывающие изменение подачи ВГП и количества воздуха , поступающего на объекты горных работ (К 1 =(ёРУ/д1)/(дРс/с11); К2К^СУск)/(с1Рс/ск)) при изменениях Рс.

С целью формирования наиболее эффективных графиков электрической нагрузки шахт и рудников в диссертации на примере объекта реализации САУ ГВУ разработана методика составления и представлен конкретный график регулирования подачи воздуха в шахту и электрических нагрузок ГВУ (рис. 4).

Л ^ • (входной

кВт 1000- иУс 500

800- 400

600' 300

адо' 200

200- 100

0.

—

ЕИс

)

2(3У

|

!

2 4 6 8 10 12 14- 16 18 20 П Ъ 18 20 22 ^ч

Рис. 4. Суточные графики подачи воздуха и электрических нагрузок регулируемых ГВУ ш. №13-13 бис

Соответствующая увязка графика электрических нагрузок ГВУ с графиком электрической нагрузки рудника способствует его уплотнению, улучшению практически всех показателей и повышению уровня внепикового электропотребления подземного горного предприятия.

На рассмотренном примере показано, что снижение общей мощности приводов вентиляторных агрегатов в междусменные перерывы составило 854 кВт, а в выходные дни - 1005кВт. При этом снижение годового расхода электроэнергии составило 3,009 млн кВт.ч, что свидетельствует о значительном эффекте реализации графиков регулирования ГВУ и целесообразности дальнейших работ в этом направлении.

С учетом основных задач САУ ГВУ в диссертации разработаны функциональная и техническая структуры системы, осуществлена ее апробация на объекте исследования и передача в опытную эксплуатацию с целью практического обеспечения наиболее рациональных режимов эксплуатации установок.

9. ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ КОМПЛЕКСОВ ГВУ И ОБЕСПЕЧИВАЕМОЙ ИМИ БЕЗОПАСНОСТИ

Рассмотрен подход к оценке надежности комплексов ГВУ как сложных систем, на основании которого в соответствии с теорией вероятности совмещения событий надежность установок определена как произведение вероятностей безотказной работы их подсистем (электрическая сеть, электропривод, ВГП, вентиляционные каналы и ШВС). Под отказом ГВУ в диссертационной работе принято снижение поступления воздуха на горные работы до уровня ниже потребного количества или превышение скорости воздушного потока в выработках сверх допускаемой по ПБ. Установлено, что вероятность безотказной работы ГВУ как системы может быть описана экспоненциальным законом надежности. Приведен пример определения надежности ГВУ как целостной системы.

Разработан метод оценки надежности подсистем и системы ГВУ в целом с учетом контроля их параметров (непрерывного и периодического).

С целью учета влияния надежности устройств непрерывного контроля подсистем ГВУ использован коэффициент оперативной готовности КОГ(1)=КГР(0, где Кг - коэффициент готовности подсистемы; Р^) -вероятность ее безотказной работы за время

С учетом того, что работа подсистемы не прерывается периодическими проверками, вероятность безотказной ее работы за время I есть Р((;)~ехр(-АЛ:). Отсюда следует, что надежность устройства контроля влияет только нг величину Кг. Это влияние и необходимо учитывать.

На примере подсистемы ВГП рассмотрено четыре возможных е« состояния: 00 (ВГП и устройство непрерывного контроля исправны); 1(

(ВГП отказал, устройство контроля исправно); 01 (ВГП исправен, устройство контроля отказало); 11 (ВГП и устройство контроля в состоянии отказа). Введены соответствующие им вероятности состояний РооОО; Рю(0> Ро^); Рц(0, и на этой основе составлены следующие системы дифференциальных уравнений для введенных вероятностей:

где А, , Ц , Я.] - параметры экспоненциального закона длительности безотказной работы и времени восстановления ВГП и устройства непрерывного контроля его параметров.

Начальными условиями для данной системы являются:

р,ь(Г) = Сзехр{НДЛ+Я ехр(И5(2+2 , (27)

где С3 = 0,5 - (М.г ц) {4 [{Х+Х^)2 (0,5)2 - А.,ц]°>5 }"' ; С4 = 0,5+(А.+Хг ц) {4 [(Х+Х,+ц)2 (0,5)2 - А,!р.]0'5}"'; К=[(А.+А,,+ц)2 (0,5)2 - А,1ц]0,5.

Определение введенных вероятностей состояний, выполненное на примере осевых автоматизированных установок Кузбасского угольного бассейна, показало, что при Д£=24 часа Роо=0,9830; Рю- 0,0007; Р01=0,0164 и Ри=0,0001, а при А£=720 часов Р00=0,6062; Р10=0,0004; Ро1~0,3236; Рц=0,0695. Данные результаты свидетельствуют о значительном влиянии длительности между периодическими проверками средств непрерывного контроля параметров ВГП на вероятность его нахождения в каждом из возможных состояний.

Для рассмотренного примера значение Кг при Д1=24 ч составило 0,9972, при Д1=720 ч - 0,9692, что свидетельствует о влиянии ненадежности непрерывного контроля и длительности между его периодическими проверками Дг на уровень надежности ВГП.

(26)

с1Рт!сИ РМ) ;

с!Рп/Ж = Л Л, (0 .

На основе теории вероятности совмещения событий, независимых в совокупности, и с учетом изложенного в диссертации получена математическая модель надежности ГВУ как системы

Копт (0 = Кп ■ Р, (0 Кп Рг (0 ••• Кгп Рп (0 = П Кп Р, (0 - (28)

(«I

где Кп - коэффициент готовности ¡-ой подсистемы, учитывающей ненадежность непрерывного контроля и длительности времени между его проверками; Р^С) - вероятность безотказной работы 1 -ой подсистемы.

С учетом системности подхода для повышения надежности реверсирования осевых вентиляторов главного проветривания в диссертации предложено принципиально новое конструктивное решение промежуточных направляющих аппаратов, обеспечивающее при жестком (неповоротном' закреплении лопаток значения коэффициента реверсивности не менее 0,7С при улучшении аэродинамики проточной части вентиляторов, снижение шума и повышении технологичности изготовления машин Экспериментально установлено, что подача и статический к.п.д. ат нормального режима работы вентиляторов с предложенным направляющи?, аппаратом увеличились соответственно в 1,4 и 1,35 раз, а уровень шумг снизился в среднем по октавным полосам на 5%. Конструкция аппарате! отмечена медалью ВДНХ СССР. Она прошла техническую экспертизу I институте «Унипромедь», НПО «Уралгормаш» и принята Артемовскш машзаводом для реализации в конструкциях серийно выпускаемых машин.

Для обеспечения более достоверных расчетов аварийны) вентиляционных режимов общешахтного • проветривания разработа! сводный каталог действительных реверсивных характеристик шахтны: осевых ВГП, принятый в качестве официального документа да региональных автоматизированных систем обработки данных вентиляции I планов ликвидации аварий (РАСОД - Горноспасатель). Для удобств; пользователя характеристики представлены в табулированном, графически и математическом видах. Разработана методика использования каталога пр] автоматизированных расчетах действительных реверсивных режимов ГВУ программном обеспечении РАСОД- Горноспасатель.

В связи с практическим прекращением обновления вентиляторное парка шахт и рудников наметилась опасная тенденция существенног снижения надежности шахтных вентиляторов главного проветривания (ВГП и возникновения тяжелых аварий, представляющих опасность для жизн людей и приносящих большой материальный ущерб. Предупреждение (ил снижение вероятности) таких аварий возможно в том числе и посредство: создания и реализации методики обоснования сроков дальнейше безопасной эксплуатации вентиляторов, у которых превышен установленны срок службы до списания.

В основу такой методики положен ранжированный по степени тяжести аварий ряд основных узлов ВГП, составленный на основании анализа более 70 аварийных ситуаций. Установлено, что на первом месте этого ряда находятся подшипниковые узлы, далее располагаются роторы в сборе, направляющие (спрямляющие) аппараты и др. С учетом этого определение допустимых пределов увеличения нормативных сроков эксплуатации вентиляторов реализуется в методике посредством расчета остаточного ресурса эксплуатации подшипниковых узлов с последующей его коррекцией, учитывающей надежность остальных узлов ранжированного ряда.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на основе разработки новых научных положений, базирующихся на системном учете явлений, влияющих на уровень экономичности, надежности и безопасности комплексов главных вентиляторных установок решена проблема повышения результативности режимов эксплуатации данных энергоемких потребителей шахт и рудников, являющихся главным звеном систем жизнеобеспечения подземных горных предприятий. Основные результаты сводятся к следующему.

1. На основе анализа адекватности комплексов ГВУ основным признакам сложных систем установлено, что они могут рассматриваться как системы определенной степени сложности. Это дает основание использовать при исследованиях ГВУ системный подход как самостоятельное направление методологии научного познания и теорию сложных систем как общую теоретическую базу настоящей работы. '

Комплекс ГВУ описан в работе системой дифференциальных уравнений, интегрирование которых при заданных начальных условиях дает возможность определить вероятности состояний ГВУ как функции времени.

2. На основе системного анализа потерь в комплексах ГВУ установлено, что традиционный подход в обосновании режимов эксплуатации установок не учитывает потерь энергии в вентиляционной сети, представляющих собой наиболее значительную часть от общих потерь в системе ВГП + сеть. Показано, что обоснование рациональных режимов эксплуатации ГВУ следует осуществлять с учетом суммарных потерь энергии в системе ВГП + сеть. При этом введены понятия " полезная гидравлическая мощность установки" и " теоретический режим работы установки". Показано, что теоретический режим работы ГВУ является наивыгоднейшим с энергетической точки зрения.

3. Разработаны критерии эффективности вентиляционных каналов, шахтных вентиляционных сетей, поверхностных подкомплексов установок и комплексов ГВУ в целом. Критериальные выражения представляют собой зависимости к.п.д. в функции всех значимо влияющих факторов, в том числе

и степени неравномерности структуры вентиляционных воздушных потоков. При этом к.п.д. вентиляторной установки и ее удельная мощность позволяют характеризовать ГВУ как целостную систему. Апробация полученных критериев выполнена на примере ГВУ рудников цветной металлургии.

4. Обоснованы наиболее рациональные режимы эксплуатации ГВУ, совокупность которых в поле регулировочных графиков ВГП представляют собой рабочие области установок. Обоснованы подходы к определению граничных значений подачи ( минимальной и максимальной) вентиляторных установок. При этом определение границы по максимальному значению подачи производится исходя из свойств вентиляционной сети и обеспечения управляемости общешахтным проветриванием, а граничным значением минимальной подачи установки принята номинальная подача ВГП. Установлено, что наиболее рациональные режимы эксплуатации ГВУ расположены ниже рабочих областей ВГП.

5. Теоретически и экспериментально доказано, что зависимости подачи, статического давления и к.п.д. шахтных осевых и центробежных вентиляторов от степени неравномерности структуры входных воздушных потоков носят гиперболический характер. Получена усредненная математическая модель процесса выравнивания структуры воздушных потоков по длине подводящих каналов. Экспериментально установлено , чтс эпюры полей скоростей в каналах имеют одновершинный характер с вершиной, смещенной в сторону внешней кромки их сопряжений с вентиляционными стволами. С учетом данных результатов в диссертации рекомендовано при проектировании и эксплуатации ГВУ не допускать нг входе в вентиляторы главного проветривания воздушных потоков с коэффициентом неравномерности полей скоростей свыше 1,05.

6. Разработана методика оптимизации входных элементе! (всасывающей линии ВГП) поверхностных подкомплексов ГВУ. При этои получены новые, вошедшие в методику расчетов закономерност! оптимальной длины и площади поперечного сечения вентиляционны: каналов, а также оптимальной скорости воздуха в функции влияющих на ни: факторов. На основе этого разработано алгоритмическое и программно обеспечение расчетов и выбора оптимальных параметров входных элементе ППК вентиляторных установок.

7. Экспериментально установлена степень влияния надканальны участков шахтных вентиляционных стволов на уровень аэродинамики и сопряжений с воздухоподводящими каналами поверхностны подкомплексов ГВУ. Предложены и реализованы различные способы средства улучшения аэродинамики сопряжений, имеющих надканальны участки вентиляционных стволов. Предложены и защищены авторским свидетельствами устройства, снижающие уровень объемных потерь в осевы ВГП.

8. Разработаны и защищены авторскими свидетельствами новые компоновочные решения ППК ПЗУ с осевыми и центробежными вентиляторами, обеспечивающие в сочетании с типовыми техническими средствами равномерную структуру воздушных потоков на входе в ВГП, минимальный уровень объемных и гидравлических потерь во входных элементах комплексов, а также повышение надежности и снижение капитальных затрат на их сооружение.

9. Разработана методика периодической оценки режимов эксплуатации комплексов ГВУ по техническим, энергетическим и экономическим показателям, а также по показателям надежности установок и обеспечиваемой ими безопасности. При этом введены новые обобщенные показатели режимов работы подсистем и системы ГВУ в целом.

10. Технически обоснованы и разработаны средства и системы автоматического контроля основных технологических параметров и обобщенных показателей главных вентиляторных установок, обеспечивающие представление необходимой информации на главном пульте управлении в удобном для пользователя виде.

11. Разработаны принципы построения и математическое обеспечение систем автоматизированного контроля и управления ГВУ. При этом формулирование целевой функции управления осуществлено с учетом минимизации суммарных потерь в системе ВГП+ сеть. Получены зависимости электропотребления установок от внутришахтного зоздухораспределения. Разработана методика составления графиков регулирования подачи воздуха на объекты горных работ. Она позволяет формировать наиболее эффективные режимы электропотребления подземных горных предприятий за счет регулирующих возможностей главных вентиляторных установок.

12. Установлено, что вероятность безотказной работы ГВУ как целостной системы может быть описана экспоненциальным законом. Предложена методика оценки надежности подсистем ГВУ и системы в целом с учетом контроля их параметров. Получена математическая модель надежности ГВУ как целостной системы. Разработана и защищена авторским свидетельством и реализована конструкция промежуточных направляющих аппаратов осевых ВГП, обеспечивающая повышение надежности реверсирования вентиляторов, экономичности прямого режима их работы и технологичности изготовления машин.

13. Разработан сводный каталог действительных реверсивных характеристик осевых вентиляторов главного проветривания, обеспечивающий более достоверный расчет ( или прогнозирование) аварийных вентиляционных режимов. Показано, что наличие каталога в программно-информационном обеспечении создает необходимые предпосылки для предупреждения и более быстрой ликвидации аварийной ситуации. Предложена методика обоснования остаточного ресурса шахтных

ВГП, обеспечивающая повышение надежности машин с превышенными сроками своей службы до списания и безопасности на этой основе подземных горных предприятий.

Подтвержденный актами экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы составляет 6, 53 млрд.руб ( в ценах 1 кв. 1997 года).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Тимухин С.А. Обоснование рабочих областей главных вентиляторных установок // Изв.вузов. Горный журнал, 1996, №7,с Л10-115.

2. Тимухин С.А. О снижении объемных потерь в радиальных зазорах рабочих колес шахтных осевых вентиляторов // Изв.вузов. Горный журнал, 1995, №7, с. 125-127.

3. Тимухин С.А. Потери давления на главных вентиляторных установках // Изв. вузов. Горный журнал, 1987,№10,с.115-117 ( перепечатана в Soviet mining Journal, Volume 4, number 1,1989).

4. Тимухин С.А. К вопросу контроля производительности и давления шахтных вентиляторных установок главного проветривания // Комплексная механизация, электрификация и автоматизация горного производства. Свердловск, 1972 ,с.59-63.

5. Тимухин С.А. К вопросу контроля к.п.д. шахтных осевых вентиляторов тепловым способом // Комплексная механизация, электрификация и автоматизация горного производства. Свердловск, 1972,с.54-58.

6. Тимухин С.А. Сравнительная оценка теплового способа контроля к.п.д. главных шахтных вентиляторов // Изв.вузов. Горный журнал, 1973, №1, с. 8790.

7. Тимухин С.А. О глубине изменений параметров проветривания на шахтах СУБРа // Изв. вузов. Горный журнал, 1973, №6, с.72-74.

8. Тимухин С.А. Прогнозирование режимов работы шахтных вентиляторных установок // Электромеханические системы и оборудование. Пермь, ППИ, 1974,№151, с.177-181.

9. Тимухин С.А., Рише А.О., Барон А.И. Исследование средств контроля подачи и давления вентиляторных установок главного проветривания // Изв.вузов. Горный журнал, 1973, №2, с. 87-89.

10. Носырев Б.А., Тимухин С.А. Влияние подсосов воздуха на точность измерения разности температур в шахтных вентиляторах // Изв. вузов Горный журнал, 1975, №4, с.80-81.

11. Тимухин С.А. Метод уточненного расчета оптимальной площадг поперечного сечения вентиляционных каналов // Техника безопасности охрана труда и горноспасательное дело: Науч.- техн. реф. сб./ ЦНИЭИУголь 1977,№4.с.13-14.

12. Тимухин С.А., Носырев Б.А., Белов C.B., Евсеев A.B. Номограммы для определения оптимальной площади поперечного сечения каналов главных вентиляторных установок//Изв. вузов. Горный журнал, 1978,№7,с.104-10б.

13. Тимухин С.А., Косарев Н.П., Евсеев A.B. О регулировании режимов работы рудничных вентиляторных установок // Изв. вузов. Горный журнал, 1977,№6,с .101-103.

14. Тимухин С.А., Косарев Н.П. Контроль вентиляторных установок главного проветривания в САУЛ горных предприятий // Изв. вузов. Горный журнал, 1978,№1, с. 123-126.

15. Косарев Н.П., Тимухин С.А. Регулирование шахтных вентиляторов главного проветривания // Изв. вузов. Горный журнал, 1978,№4, с.96-97.

16. Тимухин С.А., Белов C.B., Евсеев A.B. Учет структуры воздушного потока перед коллектором вентилятора в компоновочных решениях главных вентиляторных установок // Изв. вузов. Горный журнал, 1978,№6, с.116-118.

17. Тимухин С. А., Белов C.B. Структура воздушных потоков в вентиляционных каналах // Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело: Науч.-техн.реф.сб. /ЦНИЭИуголь, 1980,№5,с.7-8.

18. Тимухин С.А., Белов C.B. Определение оптимальной скорости воздуха в каналах главных вентиляторных установок // Изв. вузов. Горный журнал. 1980,№8. с.89-91.

19. Тимухин С.А.,Белов C.B., Евсеев A.B. Вентиляторные устанокви минимального сопротивления//Шахтное строительство, 1978,№5,с.15-16.

20. Белов C.B., Тимухин С.А., Воложанин В.А. Новая компоновочная схема главной вентиляторной установки // Шахтное строительство, 1980, №6, с.10-11.

21. Тимухин С.А., Евсеев A.B. Совершенствование аэродинамических схем главных вентиляторных установок // Вентиляция и газодинамические явления в шахтах / ИГД СО АН СССР. Новосибирск, 1981,с.41-47.

22. Косарев Н.П., Носырев Б.А., Тимухин С.А. Алгоритм и средства автоматического контроля и регулирования рудничных вентиляторов главного проветривания // Вентиляция и газодинамические явления в шахтах / ИГД СО АН СССР. Новосибирск, 1979, с.85-88.

23. Тимухин С.А., Белов C.B. Критерий аэродинамического совершенства воздухоподводящих каналов главных вентиляторных установок // Изв. вузов. Горный журнал, 1981,№2,с.71-73.

24. Тимухин С.А. Показатели эффективности эксплуатации главных вентиляторных установок // Изв. вузов. Горный журнал, 1982, №11, с. 99102.

25. Тимухин С. А. Вероятности состояний главных вентиляторных установок // Изв. вузов. Горный журнал, 1982, №7, с.88-89.

26. Тимухин СЛ., Белов C.B., Подвысоцкий К.С., Шидловский A.A., Грошин М.В. Промежуточный направляющий аппарат шахтных реверсивных осевых вентиляторов// Изв. вузов. Горный журнал, 1982,№7,с.90-92.

27. Коноплев Е.С., Шарф В.Г., Тимухин С.А. Компоновочная схема полупрямоточной вентиляторной установки // Шахтное строительство, 1983, №4, с. 16-17.

28. Тимухин С.А., Белов C.B., Подвысоцкий К.С., Евсеев A.B. Методика расчета оптимальных параметров входных элементов главных вентиляторных установок // Изв. вузов. Горный журнал, 1983,№4,с.90-93.

29. Тимухин С.А. Оценка экономичности работы главных вентиляторных установок по удельному расходу мощности // Изв. вузов. Горный журнал, 1984, №4, с.79-82.

30. Тимухин С.А. Математическое описание воздушного потока, проходящего через главную вентиляторную установку // Изв. вузов. Горный журнал, 1984, №11, с.66-69.

31. Тимухин С.А. Оценка экономичности главной вентиляторной установки // Изв. вузов. Горный журнал, 1986, №4, с.81-83.

32. Тимухин С.А., Евсеев A.B., Эткина Н.И., Чечетин С.Г. Анализ динамики параметров вентиляторов главного проветривания рудников Минцветмета // Изв. вузов. Горный журнал, 1986, №11, с.77-79.

33. Тимухин С.А., Эткина Н.И. Оценка надежности главных вентиляторных установок с учетом контроля их элементов // Изв. вузов. Горный журнал, 1988, №4, с.83-86.

34. Тимухин С.А. Принципы и особенности построения систем автоматизированного управления проветриванием в нормальных и аварийных условиях // Материалы совместного совещания работников служб депрессионных съемок и профилактической службы ВГСЧ Минцветметг СССР, Свердловск, 1988, с. 15-17.

35. Горев Е.С., Евсеев A.B., Тимухин С.А. Зарипов Ю.Ф. Автоматизации управления проветриванием рудников // Безопасность труда i промышленности, 1988, №6, с.45.

36. Косарев Н.П., Тимухин С.А. Измеритель шахтного эквивалентногс отверстия // Изв. вузов. Горный журнал, 1978, №8, с.110-112.

37. Тимухин С.А., Белов C.B. Оптимальная длина воздухоподводящго каналов вентиляторных установок // Изв. вузов. Горный журнал, 1982, №1 с.95-97.

38. Подвысоцкий К.С., Тимухин С.А., Евсеев A.B., Чечетин С.Г. Принципы i особенности системы автоматизированного проветривания рудной шахты / Тезисы докладов научно-технической конференции "Системы и средств; контроля состояния шахтной атмосферы". Екатеринбург, 1995, с.13-14.

39. Тимухин С.А., Евсеев A.B., Белов C.B. Методика определения основны; показателей, характеризующих работу главных вентиляторных установок ! Изв.вузов. Горный журнал, 1995, №2, с.123-125.

40. Тимухин С.А. Копачев В.Ф. О создании поверхностных комплекте: центробежных главных вентиляторных установок без обводных каналов i переключающих ляд II Изв.вузов. Горный журнал, 1997, №7-8, с.93-95.

41. Тимухин С .А. Определение рабочих характеристик турбомашин // Механика в горном производстве: Тез. докл. научно-технич.конф..Екатеринбург, 1997.

42. A.c.757735 (СССР). Устройство для изменения направления воздушной струи вентиляционных установок/ Евсеев A.B., Тимухин С.А., Белов C.B., Носырев Б.А., Подвысоцкий К.С., Кива И.А. Заявлено 25.10.1978, №2690524/22-03; 0публ.23.08.80, Б.И., 1980, №31.

43. А.с.928028 (СССР). Устройство для изменения направления воздушной струи вентиляционных установок / Евсеев A.B., Тимухин С.А., Белов C.B., Носырев Б.А.„ Подвысоцкий К.С., Кива И.А. Заявлено 05.09.1980, №2977545/22-03; Опубл. 15.05.82, Б.И., 1982, №18.

44. А.с.802640 (СССР). Промежуточный направляющий аппарат осевого реверсивного вентилятора ! Шидловский A.A.,Тимухин С.А., Подвысоцкий К.С., Белов C.B. Заявлено 18.07.78, №2645090/25-06; Опубл. 07.02.81, Б.И., 1981, №5.

45. А.с.1502882 (СССР). Осевой вентилятор / Тимухин С.А., Шаманаев В.И.,Евсеев A.B. Заявлено 22.06.1987, №4266873/25-06; Опубл. 23.08.89, Б.И., 1989, №31.

46. А.с.1312252 (СССР). Центробежный вентилятор / Тимухин С.А., Подвысоцкий К.С., Евсеев A.B.,Евсеев Ал.В. и Мосякова В.В. Заявлено

18.04.85, №3775712; Опубл. 23.05.87, Б.И., 1987, №19.

47. А.с.687260 (СССР). Осевой вентилятор / Тимухин С.А., Евсеев A.A., Белов C.B., Носырев Б.А., Евсеев A.A., Подвысоцкий К.С., Косарев Н.П Заявлено 23.02.77, № 24555721/25-06; Опубл. 25.09.79, Б.И., 1979, № 35.

48. A.c. 1252550 (СССР). Радиально - осевой вентилятор / Кубрин Ю.Д., Тимухин С .А., Евсеев A.B. Заявлено 07.03.85, № 388633 6/25-06; Опубл.

23.08.86, Б.И., 1986, №31.

49. А.с.918549 (СССР). Осевой вентилятор / Косарев Н.П., Белов C.B., Носырев Б.А., Тимухин С.А., Кашин К.А. Заявлено 06.07.79, №2794249/2506; Опубл. 07.04.82, Б.И., 1982, №13.

50. A.c.892027 (СССР). Вентилятор / Тимухин С.А., Косарев Н.П.,Носырев Б.А., Евсеев A.B., Белов C.B. Заявлено 11.04.77, №2471132/25-06; Опубл. 28.12.81, Б.И., 1981, №47.

Личный вклад заключается в разработке принципов и средств контроля параметров главных вентиляторных установок [9,10,14,22,36]; в создании математической модели надежности главных вентиляторных установок с учетом контроля их. параметров [33]; в разработке средств снижения потерь энергии и повышения надежности установок [26,42-50]; в разработке принципов управления главными вентиляторными установками [35,38]; в разработке принципов оптимизации параметров входных элементов вентиляторных установок [12,18,28,37]; в разработке принципов, положенных в основу методики периодического определения основных

показателей, характеризующих работу главных вентиляторных установок [39]; в анализе изменений во времени параметров вентиляторов главного проветривания рудников цветной металлургии [32]; в обосновании и разработке более совершенных компоновочных схем главных вентиляторных установок [16,17,19,20,21,23,27,40]; в оценке практического использования средств регулирования вентиляторов главного проветривания [13,15].

Подписано в печать 14.04.98г. Формат бумаги 60x84 1/16

Печ.л. 2,0_Тираж 100 экз._Заказ 68_

620129 г.Екатеринбург, ул.Куйбышева,30

Издательский центр Уральской государственной горно-геологическо! академии

/

Уральская государственная горно-геологическая академия

На правах рукописи

ТИМУХИН Сергей Андреевич

ОБОСНОВАНИЕ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ЭКСПЛУАТАЦИИ

ШАХТНЫХ ГЛАВНЫХ ВЕНТИЛЯТОРНЫХ УСТАНОВОК

Специальность 05.05.06 «Горные машины»

Диссертация

на соискание ученой степени доктора технических наук

Екатеринбург - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

№ стр.

ПРЕДИСЛОВИЕ...................................................................................... 5

1. Обоснование системности подхода и анализ потерь энергии в комплексах главных вентиляторных установок 9

1.1. Нерешенные компоненты проблемы и задачи исследований............................................................................. 9

1.2. Обоснование главных вентиляторных установок как систем определенной степени сложности..............................................20

1.3. Системный анализ передачи и потерь энергии в комплексах ГВУ........................................................................ 26

1.4. Выводы по разделу.................................................................. 36

2. Системные критерии энергетической эффективности главных вентиляторных установок..................................................39

2.1. Критерий энергетической эффективности вентиляционных каналов.... 39

2.2. Критерий энергетической эффективности шахтной вентиляционной сети.............................................................. 43

2.3. Критерии энергетической эффективности главной вентиляторной установки как целостной системы..........45

2.4. Оценка энергетической эффективности ГВУ по ее удельной мощности............48

2.5. Анализ критериев энергетической эффективности ГВУ... 53

2.6. Выводы по разделу................................................................... 59

3. Обоснование рабочих областей главных

вентиляторных установок............................................................................................................................60

3.1. Формирование требований к рабочим областям ГВУ.................60

3.2. Обоснование граничных значений подач рабочих областей ГВУ.................................................................................................................................................61

3.3. Вопросы практической реализации предложенного подхода к рабочим областям ГВУ.................................................................................65

3.4. Выводы по разделу......................................................................................................................................70

4. Влияние структуры воздушных потоков во всасывающей линии ВГП на режимы эксплуатации ГВУ................................. 71

4.1. Анализ и выбор критериев неравномерности структуры воздушных потоков................................................................. 72

4.2. Исследование процессов изменения структуры воздушного потока в подводящих каналах........................................................74

4.3. Теоретические исследования зависимостей технологических параметров шахтных ВГП от неравномерности потока на входе........................................ 84

4.4. Экспериментальные исследования зависимостей технологических параметров ВГП и их характеристик от степени неравномерности входного потока......................... 90

4.5. Выводы по разделу................................................................... 98

5. Оптимизация основных параметров всасывающих линий вентиляторов главного проветривания....................................... 99

5.1. Оптимизация геометрической длины подводящих

каналов...................................................................................... 99

5.2. Оптимизация площади поперечного сечения вентиляционных каналов......................................................... 103

5.3. Оптимизация скорости воздуха в вентиляционных каналах...................................................................................... 104

5.4. Методика оптимизации входных элементов поверхностных подкомплексов ГВУ....................................... 108

5.5. Выводы по разделу................................................................... 109

6. Совершенствование и разработка компоновочных схем

поверхностных подкомплексов ГВУ............................................ 112

6.1. Улучшение аэродинамики сопряжений подводящих каналов с вентиляционными стволами, имеющими надканалъный участок............................................................ 112

6.2. Разработка средств снижения объемных потерь

в вентиляторах главного проветривания.............................. 123

6.3. Разработка компоновочных схем поверхностных подкомплексов ГВУ с центробежными машинами............... 130

6.4. Разработка компоновочных схем ППК осевых ГВ У............ 147

6.5. Выводы по разделу................................................................... 152

7. Способы и средства контроля параметров проветривания и

вентиляторных установок............................................................. 153

7.1. Разработка принципов построения систем автоматизированного контроля параметров и процессов проветривания 153

7.2. Разработка принципов контроля параметров

главных вентиляторных установок....................................... 155

7.3. Методика периодического контроля параметров, характеризующих работу ГВ У.............................................. 160

7.4. Разработка средств непрерывного контроля обобщенных показателей подсистем и системы ГВУ в целом................. 165

7.5. Выводы по разделу.................................................................. 173

8. Системы автоматизированного управления

комплексами ГВУ............................................................................ 174

8.1. Основные принципы построения систем автоматизированного управления ГВ У................................. 174

8.2. Разработка математического обеспечения систем автоматизированного управления ГВ У................................. 176

8.3. Графики регулирования подачи и электропотребления ГВУ............................................................................................ 182

8.4. Разработка структуры САУ и ее апробация на объекте внедрения.................................................................................. 189

8.5. Выводы по разделу................................................................... 196

9. Повышение надежности комплексов ГВУ и обеспечиваемой

ими безопасности........................................................................................................................................................198

9.1. Подход к оценке надежности ГВУ как сложных систем.... 198

9.2. Оценка надежности системы ГВУ с учетом контроля параметров подсистем......................................................................................................................199

9.3. Повышение надежности реверсирования осевых ГВУ.................203

9.4. Разработка сводного каталога действительных

реверсивных аэродинамических характеристик шахтных

осевых вентиляторов главного проветривания........................................210

9.5. Методика обоснования остаточного ресурса вентиляторов главного проветривания..........................................................215

9.6. Выводы по разделу......................................................................................................................................220

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................................................................................................221

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..........................................................................................................................................225

ПРИЛОЖЕНИЕ

244

ПРЕДИСЛОВИЕ

Как известно, без нормально функционирующей горнодобывающей отрасли промышленности невозможен прогресс металлургии и связанных с ней обрабатывающих отраслей. Отсюда особую значимость приобретают работы, направленные на повышение результативности горного производства, а, следовательно, и на обеспечение рациональных режимов эксплуатации комплексов главных вентиляторных установок.

Являясь основным звеном систем жизнеобеспечения подземных горных предприятий, главные вентиляторные установки (ГВУ), ввиду своей значительной энергоемкости и регулировочных возможностей, играют также роль потребителей - регуляторов нагрузки подземных горных предприятий. Последнее является одним из основных средств формирования наиболее рациональных режимов нагрузки предприятий, обеспечивающих минимальный уровень платы за потребление электрической энергии, что в условиях резкого удорожания энергоносителей (1 кВт электрической нагрузки только по дополнительной ставке обходится горным предприятиям в 2,28 млн. рублей в год) является жизненно важным для устойчивой работы шахт и рудников.

Задача обеспечения рациональных режимов эксплуатации комплексов ГВУ практически постоянно стояла в центре внимания ученых и специалистов в области горной механики, весомый вклад в решение которой внесли Г.А.Бабак, И.В.Брусиловский, Г.М.Водяник, А.И.Веселов, А.Я.Гимелыпейн, А.А.Дзидзигури, В.И.Ковалевская, Н.П.Косарев, Е.М.Левин, Б.А.Носырев, В.С.Пак, В.В.Пак, Н.Н.Петров, И.А.Раскин, Т.С.Соломахова, К.А.Ушаков и другие. Выполненные ими фундаментальные исследования легли в основу современной науки о главных вентиляторных установках и явились теоретической базой настоящей работы.Среди зарубежных ученых в области аэродинамики и вентиляторных установок следует отметить К.Пфлейдерера, Б.Экка, О.Бака (Германия), А.И.Степанова (США) и других.

За последние десятилетия в ведущих научно-исследовательских и проектных организациях, машиностроительных заводах, вузах горного профиля и военизированных горноспасательных частях (ВГСЧ) выполнен весьма значительный объем НИР и ОКР в области главных вентиляторных установок, что позволило успешно решить ряд задач в области аэродинамики, прочности и акустики вентиляторов главного проветривания (ВГП), улучшения их шумовых и массогабаритных

показателей, разработки научных основ построения рационального типоряда вентиляторов, повышения надежности, улучшения регулировочных и реверсивных свойств вентиляторных установок и другие.

Были разработаны, серийно освоены и модернизированы осевые вентиляторы типоряда ВОД, центробежные вентиляторы типов ВЦ, ВЦД с одновременным совершенствованием вспомогательного оборудования, компоновочных схем, привода, средств контроля и управления вентиляторных установок.

Достигнуто снижение потерь воздуха и давления в шахтных вентиляционных сетях (ШВС) и поверхностных подкомплексах (ППК) вентиляторных установок, повышена экономичность общешахтного проветривания и безопасность ведения горных работ, обеспечиваемая ГВУ.

Тем не менее значительного повышения результативности эксплуатации шахтных ГВУ достигнуть пока не удалось и установки зачастую эксплуатируются с недопустимо низким уровнем экономичности, надежности и безопасности, не удовлетворяющим требованиям правил безопасности (ПБ) и правил технической эксплуатации (ПТЭ).

Основной причиной такой ситуации является то, что традиционный подход в исследованиях ГВУ практически исчерпал свои возможности и уже не может являться реальной основой действенного решения проблем повышения их экономичности, надежности и безопасности. В соответствии с этим подходом единый по своему функциональному назначению комплекс ГВУ разделен на

поверхностную и подземную части (подкомплексы), рассматриваемые в разных разделах горной науки. Так как поверхностный и подземный подкомплексы ГВУ имеют с одной стороны свои критерии эффективности, а с другой - они объединены общим критерием -обеспечением объектов горных работ достаточным количеством воздуха при минимальном уровне затрат, разрозненное внедрение отдельных разработок не дает ощутимых технико-экономических результатов. Кроме того, вследствие несистемности принятого подхода, улучшение одних свойств (элементов) установок часто сопровождалось ухудшением других. Так, например, повышение уровня реверсивности осевых ГВУ с вентиляторами типоряда ВОД приводило к ухудшению аэродинамики прямого режима работы вентиляторов и снижению их надежности; внедрение новых компоновочных схем ГВУ, разработанных без учета необходимости формирования равномерной

структуры воздушного потока на входе в ВГП, приводило к снижению к.п.д. последних и т.д. Всё это означает игнорирование целостного системного подхода, который только и может дать полное представление о комплексах ГВУ в целом и о каждом их элементе (свойстве) в отдельности.

Для традиционного подхода является также характерным недостаточная увязка вопросов экономичности и безопасности. На их тесную взаимосвязь и взаимодействие не обращалось должного внимания.

Опыт ВГСЧ показывает, что ГВУ задействованы примерно в 90 % случаев ликвидации аварий всех видов, а при загораниях - практически в 100 % случаев. Отсюда, в современных условиях с увеличением частоты и сложности аварий, роль ГВУ в плане обеспечения ими безопасности ведения горных работ значительно возрастает.

В условиях рыночных отношений фактор безопасности все в большей степени становится также и экономическим, так как материальные затраты, связанные с ликвидацией аварий, все ощутимее сказывается на экономическом состоянии предприятий. Отсюда создание научных основ, разработка и реализация комплекса мероприятий по предупреждению и более быстрой ликвидации аварий на основе использования главных вентиляторных установок становится все более актуальной научно-практической задачей.

Многолетний опыт, накопленный в области горной механики и рудничной вентиляции свидетельствует, что проблема обеспечения рациональных режимов эксплуатации ГВУ подземных горных предприятий является, прежде всего, комплексной. Обусловлено это в первую очередь большой совокупной сложностью подкомплексов общего комплекса ГВУ. По этой причине результативное решение указанной проблемы возможно только на основе реализации системного подхода. О необходимости этого неоднократно указывали Г.А.Бабак, Н.Н.Петров и другие. Следует сказать, что элементы системного подхода в исследованиях ГВУ использовались и ранее. Например, группой авторов в составе В.И.Ковалевской, С.В.Иванова, К.Ф.Пастернака, И.А.Раскина, К.П.Бочарова, В.В.Пака, Г.А.Бабака, И.В.Брусиловского, В.П.Герасимова, В.А.Сидоренко, И.М.Давлюда и Н.В.Сидоровича выполнен комплекс исследований по созданию, освоению производства и внедрению ряда мощных вентиляторов для высокопроизводительных трудно проветриваемых горных предприятий, удостоенный государственной премии СССР в области горной науки и техники. В институте горного дела СО РАН под руководством

Н.Н.Петрова выполнен комплекс исследований по определению основных путей повышения надежности, адаптивности и управляемости шахтных ГВУ. Однако, системный подход как самостоятельное направление методологии научного познания, в основе которого лежит рассмотрение объектов как систем, в целом еще не был востребован.

Целью работы является установление закономерностей влияния параметров вентиляционных сетей и структуры вентиляционных воздушных потоков на уровень суммарных потерь энергии в комплексах главных вентиляторных установок для научного обоснования и практического обеспечения рациональных режимов эксплуатации установок при условии снижения электропотребления, повышения их надежности и безопасности жизнедеятельности подземных горных предприятий.

Идея работы заключается в использовании эффекта снижения суммарных потерь энергии в комплексах ГВУ при улучшении аэродинамики вентиляционных сетей и структуры вентиляционных воздушных потоков для уменьшения электропотребления, повышения надежности вентиляторных установок и обеспечиваемой ими безопасности подземных горных предприятий.

Задачи исследований.

1. Развитие теории взаимодействия вентиляторов главного проветривания и вентиляционных сетей, обеспечивающей установление взаимосвязей факторов, влияющих на режимы эксплуатации ГВУ, на основе системного анализа передачи и потерь энергии в системе ВГП+сеть.

2. Разработка и анализ критериев эффективности главных вентиляторных установок как целостных систем; научное обоснование рациональных режимов их эксплуатации.

3. Установление закономерностей влияния структуры вентиляционных воздушных потоков на режимы эксплуатации главных вентиляторных установок.

4. Решение задач оптимизации параметров, совершенствования и создания принципиально новых компоновочных схем главных вентиляторных установок.

5. Обеспечение рациональных режимов эксплуатации ГВУ посредством разработки информационно-математического обеспечения и создания систем автоматического контроля и регулирования установок, мероприятий по повышению их надежности и безопасности, на основе использования установок/жизнедеятельности подземных горных предприятий.

1. ОБОСНОВАНИЕ СИСТЕМНОСТИ ПОДХОДА И АНАЛИЗ ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИ В КОМПЛЕКСАХ ГЛАВНЫХ ВЕНТИЛЯТОРНЫХ УСТАНОВОК

1.1. Нерешенные компоненты проблемы и задачи исследований

Анализ основополагающих источников информации по проблеме повышения экономичности, надежности и безопасности комплексов главных вентиляторных установок [1-43 и др.] и результатов наших исследований фактического состояния ГВУ рудников цветной металлургии России [44-49] показывает, что вентиляторные установки зачастую имеют недопустимо низкий уровень экономичности, а многие показатели надежности и безопасности не удовлетворяют требованиям правил безопасности (ПБ) и Правил технической эксплуатации (ПТЭ) [40,41,42, 43].

Согласно принятому подходу ГВУ представляет собой ВГП с присоединенными к нему входными и выходными элементами, подводящим (нагнетательным) каналом, диффузором, выходной частью и вспомогательными устройствами для переключения и реверсирования воздушной струи (КСРП). В состав ГВУ включается также электропривод с системой управления, аппаратура контроля и диста�