автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование параметров и режимов работы рудничных стационарных установок

43144

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ РУДНИЧНЫХ СТАЦИОНАРНЫХ УСТАНОВОК

Специальность 05.05.06 - «Горные машины»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 / £¡-¡3 2311

Екатеринбург- 2011

4843144

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».

Научный руководитель-

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор доктор технических наук, доцент

Миняев Юрий Николаевич

Закиров Данир Галимзянович Дмитриев Владимир Трофимович

Ведущая организация - ГОУ ВПО «Московский государственный горный университет».

Защита диссертации состоится 17 февраля 2011 г. в 14 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.280.03 при ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» в зале заседаний ученого совета по адресу: 620144, ГСП, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» Автореферат разослан 24 декабря 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

Хазин М. Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Горные предприятия России имеют относительно низкую эффективность по сравнению с аналогичными предприятиями в других странах, так как тратят в несколько раз больше энергетических ресурсов для производства своей продукции. Такая ситуация с учетом роста тарифов на энергоресурсы обуславливает значительный рост интереса к проблеме повышения эффективности производства в горной промышленности за счет снижения энергопотребления основными технологическими объектами — рудничными стационарными установками (РСУ). Однако предприятия серьезно недооценивают все возможности и выгоды повышения энергоэффективности.

В настоящее время из всех объектов горного производства РСУ, как с технической, так и с технологической точек зрения, в наибольшей степени подготовлены для организации на них эффективно действующего мониторинга. Обусловлено это, в первую очередь, многолетними предыдущими наработками в области контроля параметров и управления данными объектами (дистанционного, автоматического и т.п.), создавшими к настоящему времени для мониторинга необходимую техническую базу.

Таким образом, решение проблемы обоснования и обеспечения эффективной эксплуатации РСУ на основе мониторинга их технического состояния и эффективности представляет собой актуальную научно-практическую задачу, решение которой может обеспечить существенное повышение конкурентоспособности горных предприятий России.

Объект исследования. Рудничные стационарные установки-вентиляторные, водоотливные и компрессорные агрегаты и их внешние сети (проводники пневматической и гидравлической энергий).

Предмет исследований. Рабочий процесс стационарных вентиляторных, водоотливных и компрессорных систем шахт.

Цель работы. Повышение эффективности работы РСУ за счет снижения их энергопотребления.

Идея работы. Повышение эффективности работы РСУ достигается снижением их энергопотребления на основе мониторинга режимов работы и технического состояния.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Оптимизация технологических и эксплуатационных параметров и режимов РСУ на основе предложенной математической модели их функционирования.

2. Обоснование рациональных параметров и режимов эксплуатации РСУ на основе разработанных целевых функций управления.

3. Минимизация энергопотребления при эксплуатации РСУ достигается предложенной методикой мониторинга эффективности их работы.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Установлены обобщенные критерии эффективности работы комплексов РСУ, в соответствии с которыми предложены новые подходы к снижению затрат на их эксплуатацию.

2. Разработаны математические модели, рассматривающие функционирование главных вентиляторных и водоотливных установок и соответствующие сети как единую систему.

3. Предложен способ распределения сжатого воздуха, позволяющий учитывать пространственное расположение компрессора и пневмоприемника.

4. Исследована стратегия диагностирования и выведены целевые функции энергосберегающего управления комплексами РСУ.

Личный вклад автора состоит в проведении экспериментальных исследований, анализе их результатов, разработке обобщенных критериев эффективности функционирования комплексов РСУ на основе мониторинга их технического состояния.

Практическое значение диссертации состоит в разработке и внедрении на объектах ОАО «Севуралбокситруда» (СУБР) систем:

- контроля качества работы поверхностных дренажных водоотливных узлов;

- учета параметров работы подземных водоотливных станций;

- учета параметров выработки и потребления сжатого воздуха.

Достоверность и обоснованность основных научных положений и

выводов работы обоснована корректностью использования методов математического и физического моделирования, термодинамики и гидравлики, математической статистики, достаточной сходимостью теоретических и экспериментальных результатов, использованием самых современных методов и средств контроля параметров и режимов эксплуатации РСУ. Относительное расхождение теоретических и экспериментальных данных не превышает 10-15 %.

Реализация результатов. Результаты работы использованы при:

- создании и внедрении систем контроля качества работы (АСККР) Сосьвинского, Северо-Восточного и Южного дренажных узлов ОАО «СУБР»;

- создании и внедрении системы учета параметров выработки и потребления сжатого воздуха (АСУРВ) шахт ОАО «СУБР». Данная система позволяет вычислять, архивировать и отображать расходы, давления, температуры сжатого воздуха по пяти основным действующим компрессорным станциям: Кальинская 13 (узлы 1, 2); Красная шапочка 14, 15; Черемуховская 9, 10;

- создании и внедрении системы учета параметров сбрасываемых вод шахтных водоотливов и очистных сооружений ОАО «СУБР». Данные системы внедрены и эксплуатируются на шахтах 16-16 бис, Кальинская, Ново-Кальинская;

- реализации на ОАО «СУБР» двухэтапной программы децентрализации снабжения сжатым воздухом шахтных пневмоприемников с использованием винтовых компрессоров 6ВВ-25/9, 6ВВ-32/7 и УКВШ- 15/7.

Результаты работы используются в процессе обучения студентов направления 150400 - «Технологические машины и оборудование», специальности 150402 - «Горные машины и оборудование» и специальности 140604 - «Электрификация и автоматизация промышленных установок и технических комплексов» Уральского государственного горного университета.

Апробация работы. Результаты работы, ее основные положения докладывались на ежегодных международных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, 2005, 2006, 2010), всероссийских совещаниях по энергосбережению (Екатеринбург, 2005, 2006, 2007), 7-й Международной Карпатской конференции по автоматизации (Чехия, Острава, 2006), ежегодных научно-технических конференциях СГИ-УГГГА-УГГУ (Екатеринбург, 2005, 2006, 2007, 2008), Международных научно-технических ' конференциях «Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности» (Екатеринбург, 2007, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ в журналах, сборниках научных трудов, материалах международных конференций, в том числе 3 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 114 наименований и трех приложений. Содержит 112 страниц машинописного текста, 20 рисунков и 27 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, выбран объект исследования, сформулированы ее цели, идеи и научные положения, кратко охарактеризовано значение работы.

В первой главе приведены и проанализированы результаты обследований главных вентиляторных установок и главных водоотливных установок (на примере шахт ОАО «СУБР») с целью установления причин их низкой эффективности, а также анализ состояния научных исследований в области рудничных компрессорных установок. Произведен подробный анализ существующих критериев эффективности работы комплексов РСУ.

Значительный вклад в решение проблемы обоснования и обеспечения рациональных режимов и параметров функционирования РСУ с целью снижения затрат внесли многие российские и зарубежные ученые: А. П. Батаногов, А. И. Борохович, А. Н. Бредихин, А. И. Веселов, В.Г. Гейер,

A. В. Докукин, В. Т. Дмитриев, Г. М. Еланчин, В. В. Мазуренко, Ю. Н. Миняев,

B. А. Мурзин, Г. М. Нечушкин, Б. А. Носырев, В. С. Пак, В. М. Попов,

М. Г. Рипп, С. А. Тимухин, Ю. А. Цейтлин и др. Выполненные ими исследования и разработки являются научной основой настоящей работы.

В соответствии с поставленной в работе целью были сформулированы следующие основные задачи исследований:

1. Разработать системные критерии эффективности работы РСУ.

2. Проанализировать потери энергии в комплексах РСУ и установить их зависимости от технического состояния установок.

3. Разработать основные принципы и подходы к организации и построению систем мониторинга технического состояния и эффективности работы РСУ во взаимосвязи с горнотехническими условиями.

4. Реализовать результаты выполненных исследований РСУ на шахтах ОАО «Севуралбокситруда».

Вторая глава посвящена обоснованию критериев (индикаторов) эффективности работы комплексов стационарных установок как сложных систем.

Согласно теории сложных систем при выборе критерия их эффективности следует исходить из следующих требований и условий:

- критерий эффективности должен характеризовать не какую-то часть системы (или ее свойство), а именно систему как единое целое;

- критерий эффективности и его зависимость от установленных факторов должны обеспечить возможность получения количественной оценки с требуемой достоверностью;

- область изменения критерия эффективности должна иметь четко очерченные границы.

В соответствии с этими требованиями и условиями, а также системным анализом баланса энергии РСУ выполнено обоснование критериальных зависимостей по каждому виду стационарных установок с учетом специфики и особенностей их работы.

Баланс энергии в поверхностном комплексе главной вентиляторной установки (ГВУ) и шахтной вентиляционной сети (ШВС) следует рассматривать в рамках одной целостной системы с позиции соответствующих общесистемных критериев эффективности. Последнее в полной мере согласуется с определением турбоустановки как совокупности турбомашины и внешней сети.

Общий КПД ГВУ определяется как

% = ЛдвОЬЧвс)По . (1)

где г|дв, г|в, т]вс, т]0 - КПД соответственно двигателя с трансмиссией, вентилятора и вентиляторной сети (вентиляционные каналы в поверхностном комплексе включены в состав ШВС), объемный.

Скорость движения воздуха, а также сопротивление шахтной сети определяют режим работы данного вентилятора на данную сеть. В связи с этим нецелесообразно отдельно считать КПД вентилятора и КПД вентиляторной сети. Обозначим: Т)ос=г|вТ|И;- КПД системы вентилятор - сеть.

При расчете значения т|ос полезная мощность равна

ЛГ„ = еш Р, (2)

где í~>ш - количество выдаваемого из шахты воздуха, полезно расходуемого на проветривание, м3/с; Р - полная депрессия на стороне всасывания, Па.

Объемный КПД вентиляционной системы

Чо =00/0,, (3)

где £>„- подача вентилятора, м3/с.

Таким образом, с учетом объемных потерь в сети, КПД системы вентилятор - сеть последовательно соединенных между собой горных выработок можно определить из уравнения

Лос - 2п^двЛдв/', (4)

где Л^в - фактическая мгновенная мощность двигателя, Вт.

По формуле (4) выполнены расчеты фактических значений КПД системы вентилятор - сеть шахт ОАО «СУБР» (табл. 1). Расчеты показывают целесообразность и эффективность мероприятий по снижению сопротивления и герметизации вентиляционных сетей для уменьшения энергозатрат на общешахтное проветривание.

Таблица 1

Оценка эффективности шахтных вентиляционных сетей_

№ Предприятие, вентиляционный ствол, тип ВГП ßn, м3/с вш, м3/с Н, Па кВт Лос

1 ОАО «Севуралбокситруда», шахта «Черемуховская», СВС, ВЦЦ -31,5 158 144 2203 753 0,487

2 ЦВУ, ВЦ-32 168 157,5 2852 724 0,705

3 ЮВС, ВЦ - 32 147 127,1 3557 753 0,748

4 ОАО «Севуралбокситруда», шахта «Ново-Кальинская», ЮВС, ВЦ -25 154 142 3523 804 0,725

5 ОАО «Севуралбокситруда», шахта «Кальинская», СВС, ВЦЦ -47 224,3 208,5 1961 1102,3 0,412

6 ЮВС, ВЦЦ -31,5 205 170 4053 1285,3 0,69

7 ОАО «Севуралбокситруда», шахта «Красная шапочка», СВС, ВЦЦ -31,5 193 175,4 4148 1130 0,745

8 ЦВС, ВЦ-25 (два вентилятора) 133,1 125,6 1999 492 0,565

9 ЮВС, ВЦ - 32 145 132,5 2125 579 0,567

Следует отметить, что относительно низкие значения КПД (см. пункты 1, 5, 8, 9 табл.1) системы вентилятор - шахтная вентиляционная сеть на отдельных шахтах обусловлены их спецификой - несоответствием депрессии выработок и расхода воздуха аэродинамической характеристике вентилятора.

С необходимой для инженерных расчетов точностью общий коэффициент полезного действия системы вентилятор - шахтная вентиляционная сеть можно определить из уравнения

Цос = 1,05а, (2 >., У,2/(2 />*)) (Л^-'д,)"1, (5)

где Л^- полезная мощность двигателя, соответствующая определенному статическому давлению и расходу воздуха (определяется по характеристике вентилятора).

Уравнение (5), полученное в результате рассмотрения общего баланса энергии в системе вентилятор-сеть, позволяет давать однозначную оценку эффективности комплекса главной вентиляторной установки. На рис. 1. приведена зависимость расчетного КПД системы вентилятор ВЦ-25 - шахтная сеть для ГВУ шахты «Красная шапочка» ОАО «Севуралбокситруда» при различных расходах воздуха.

0,7:

0,6*

0,5 ...... -

«=£0,4- - I

К о,з ;

* 0,2 ! ■

0,1 ; : ; ■ ;

° 0 20 40 60 80 100 120 Расход воздуха, мэ/с Рис. 1. Зависимость КПД системы вентилятор ВЦ-25- шахтная сеть

Анализ данных табл. 1 и рис. 1 показывает, что параметры рабочего режима вентилятора ВЦ-25 не соответствуют аэродинамической характеристике шахтной сети «Красная шапочка» ОАО «СУБР».

Критерий эффективности работы комплексов главных водоотливных установок должен устанавливаться аналогичным предыдущему образом с учетом общей теории турбоустановок и специфики шахтного водоотлива.

Как известно, полезная гидравлическая мощность (Л^,, Вт), необходимая для перемещения насосом потока воды, определяется в общем случае по формуле

мп = Р8днм, (6)

где р - плотность шахтной воды, кг/м3; g - ускорение свободного падения, м/с2, Q - подача насоса, м3/с; Нм - манометрический напор насоса, м;.

Полезная гидравлическая мощность потока воды в трубопроводе разделяется на следующие составляющие, Вт

К = ^под+Мпер + Ысоп, (7)

где Мпод, Мпср, Мсоп - мощности, необходимые соответственно для подъема

воды, перемещения воды, преодоления сопротивления трубопровода при перемещении по нему воды.

Были проанализированы зависимости Ып, Ытд, Л^, Кст в функции

скорости перемещения воды по трубопроводу и зависимость КПД трубопровода от скорости движения воды

Мощность, необходимая для перемещения воды по трубопроводу, определяется по формуле

Хнер =Р$ОНд = 0.125Л{х1 \,р г},„р , (9)

где Нд - динамический напор, м; с!^ - внутренний диаметр трубопровода, м; \;тр - скорость движения воды, м/с.

Мощность, необходимая на преодоление сопротивлений трубопровода, определяется по следующей формуле

Мсо„=р80АНтр , (Ю)

где Д//тр - потери напора в трубопроводе, определяемые по формуле

Штр = (ЯЬтр !(]тр + (11)

где Я - коэффициент гидравлического трения воды о стенки трубопровода;^^ - сумма местных сопротивлений трубопровода.

Подставив значения уравнений (9, 10, 11) в выражение (8), после соответствующих преобразований приведем его к виду

ПтР = 0,5у2„р)[£1т/)+ 0,5у'гар+ 0,5у?тД>Хт.;а + Ее,,,)]"1. (12)

Относительно низкая эффективность стационарных компрессорных установок обусловлена в значительной степени большими потерями энергии в пневматических сетях, имеющих, как правило, сложную конфигурацию и значительную протяженность.

Общий КПД компрессорной установки с учетом утечек воздуха может быть определен из уравнения

Лс =ПдТ1вПосПуЛп, (13)

где г), - КПД двигателя и трансмиссии; г)в - КПД компрессора; т|ос - КПД пневматической трубопроводной сети; т)у - объемный КПД; т|п - КПД пневмоприемников;.

Повышение КПД электрической сети, привода, компрессора и приемников - потребителей пневматической энергии технически сложно осуществимо.

КПД участка трубопровода, с достаточной степенью точности, можно определить согласно закону сохранения энергии из формулы

Л, = (Р, - АР,)/ Р, , (14)

где Я, - давление воздуха в начале трубопровода, Па; АР, - потери давления в трубопроводе, Па.

Следует отметить, что обычно при расчете потерь давления не учитывают разности отметок компрессора и потребителя. Это допустимо при относительно небольших глубинах шахт. При давлении у потребителя, равном 0,6 МПа, плотность воздуха может достигать в зависимости от его температуры 8-9 кг/м3. Следовательно, увеличение давления в трубопроводе на глубине 1200-1500 м составит 100...130 кПа. Величина увеличения давления соизмерима с потерями на трение. В частности, для трубопровода с условным диаметром 250 мм системы снабжения сжатым воздухом шахты 14-14 бис ОАО «СУБР» потери давления на трение составляют 171 кПа на 1,05 км длины воздухопровода (расход воздуха 534,4 м3/мин). Расчетное статическое давление сжатого воздуха на этой же глубине - 95... 100 кПа в зависимости от рабочего давления (без учета снижения температуры воздуха). В связи с этим нами было предложено определять потери давления в трубопроводе по формуле

АР, = X, Ьпу У;/(2 Оу) - ygHю + АР, , (15)

где А, - коэффициент гидравлических сопротивлений; /,,3 - эквивалентная длина трубопровода, м; у - плотность воздуха при соответствующем давлении, кг/м3; V, - скорость сжатого воздуха, м/с; Ву - условный диаметр трубы, м; Нт -разность отметок установки компрессора и потребителя, м; АР, - потери давления за счет уменьшения температуры воздуха, Па.

При движении от компрессорной станции к потребителям сжатый воздух теряет часть тепловой энергии, приобретенную им при сжатии его в компрессоре. По данным наших исследований на шахте № 15 ОАО «СУБР» сжатый воздух в устье ствола имеет температуру на 15... 17 К большую, чем у потребителя. Таким образом, потери давления за счет уменьшения температуры воздуха можно определить, используя уравнение Менделеева-Клапейрона

ДЛ=Я,[1-(ГП/Г11)',]> (16)

где Т„ - температура воздуха у потребителя, К; Г„ - температура в начале воздухопровода, К.

Показатель степени определяется из уравнения

и = 10[29,3(7;-Гп)Г1, (17)

где и - длина воздухопровода при прохождении которого сжатый воздух охлаждается от Т„ до Тп, м.

Величина этих потерь зависит от коэффициента теплоотдачи воздухопровода, скорости движения воздуха и расстояния от компрессора до потребителя. Максимальные потери давления при охлаждении воздуха будут тогда, когда температура сжатого воздуха станет равной температуре окружающей среды. Используя закон Ньютона и сохранения энергии, можно определить длину воздухопровода (¿0), при которой потери давления будут максимальными

10= 0,25/?уСр у У/а, (18)

где Ср - теплоемкость сжатого воздуха, Дж/К; а - коэффициент теплоотдачи воздухопровода окружающей среде.

С использованием уравнений (14) и (15) была определена зависимость КПД от диаметра воздухопровода, длины и скорости движения воздуха, т.е. фактически от производительности (см. рис. 2).

На рис. 2 приведены графики зависимости КПД вертикальных воздухопроводов различного диаметра длиной 1500 м от скорости движения воздуха и с учетом его охлаждения от 293 К до 283 К.

1 -. -^-Ряд1

§0,8-- —Ряд 2

§0,6 -. Ряд 3

о 0,4-_-*-Ряд4

ш

^0,2-

0 -0 5 10 15 20 25

Скорость воздуха, м/с

Рис. 2. Зависимость КПД воздухопровода от скорости воздуха: 1 - = 100 мм; 2 - Г)у= 200 мм; 3 - Оу = 300 мм - горизонтальные воздухопроводы;

4 - Эу= 100 мм - вертикальный воздухопровод

Из рис. 2 можно сделать вывод, что при расчете потерь давления в сети необходимо учитывать его уменьшение за счет охлаждения воздуха и увеличение давления за счет разности высот компрессора и потребителя, если компрессор расположен на поверхности шахты.

Третья глава посвящена обоснованию стратегии мониторинга и целевых функций диагностирования и управления комплексами РСУ.

В процессе эксплуатации РСУ их узлы и агрегаты подвергаются постоянному воздействию различных факторов, влияющих на их техническое состояние и, следовательно, на уровень их эффективности. Так, например, абразивный износ рабочих колес насосов и вентиляторов, поломка части пластин клапанов поршневых компрессоров значительно ухудшает энергетические показатели установок в целом на фоне снижения их основных показателей назначения (подачи, давления).

Многообразие и стохастический характер воздействия эксплуатационных факторов на подсистемы РСУ приводит к тому, что при одной и той же продолжительности эксплуатации объекты имеют различное техническое состояние. Следовательно, наработка или календарный срок службы не может характеризовать однозначно как техническое состояние, так и уровень эффективности объектов РСУ в процессе эксплуатации.

Из теории надежности известно, что неработоспособное состояние объекта означает несоответствие требованиям, установленным нормативно-технической документацией его параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции. Множество состояний РСУ может быть разбито на два подмножества 5": объект работоспособен и объект

неработоспособен (). При этом априори принимается, что объект исправен

(£и) (с точки зрения надежности).

Следовательно, возможны следующие соотношения:

^с^^с^. (19)

Под работоспособным состоянием РСУ в настоящей работе будем понимать их соответствие системным критериям эффективности (см. раздел 2), а под неработоспособным — их несоответствие. Основной задачей систем отслеживания показателей РСУ и должно быть установление этих соответствий (или несоответствий).

На рис. 3 приведена принципиальная схема управления процессами технической эксплуатации и состоянием РСУ.

Рис. 3. Принципиальная схема управления процессом технической

эксплуатации и состоянием РСУ: БУП - блок управления программой; БП - блок программы управления; УУ -устройство управления; ПТЭ - процесс технической эксплуатации.

Схема реализует принцип управления по отклонению отслеживаемой величины (выходного параметра y(t) ). которая сравнивается с задающим воздействием у(?). В зависимости от необходимого отклонения S(t) формируется соответствзтощее управляющее воздействие £у{т)на процесс технической эксплуатации, а через него и регулирующее//,.(Она РСУ.которое уменьшает это отклонение. В качестве регулируемой величины могут попользоваться энергепмескне показатели, например удельный расход электроэнергии При этом устанавливается взаимосвязь процессов электропогреблешм и изменения режимов эксплуатации РСУ с их техническим состоянием.

Наиболее тесное взаимодействие между ними обеспечивает стратегия управления и технического обслуживания по состоянию с непрерывным контролем параметров установок, определяющих их техническое состояние у(1). Она соответствует замкнутой схеме управления. По заданной программе управления функционирует первый контур схемы, отмеченный на рис. 2 пунктирной линией. Для корректировки программы используется второй контур, включающий блок управления программой (БУП), который по измеряемым значениям выходных параметров объекта _у(7) или входных параметров л:(/) и показателей процесса эксплуатации формирует

оператор У(г,у) или У(г,х), обеспечивающий изменение алгоритмов управления.

Ъ (20)

К,=-

J J /V

k*i

Так как Kj — функция вероятностей Pik, то она является характеристикой процесса технической эксплуатации и поэтому может служить его целевой функцией. Это означает, что максимум Kj может быть принят в качестве

одного из критериев оптимальности процесса технической эксплуатации, в соответствии с которым должен вестись поиск оптимальных стратегий технического обслуживания, в нашем случае комплексов РСУ, обеспечивающих минимизацию энергетических затрат при безусловном выполнении ими заданных технологических требований.

С учетом этого целевая функция управления главными вентиляторными установками при соответствующих технических и технологических ограничениях и условиях может быть записана следующим образом:

Чу = /(Qvi-^vi'^yi^i'^i) = min (21)

при следующих ограничениях и условиях:

Qvi = <2зад(*У>РЩ 0¿PsvmaxWyi * ЧудопА 6 ^ .

где Qyad(t)' заданное в функции времени количество воздуха, необходимое

для нормального проветривания горных выработок, м3/с; Psvmax - максимально

допускаемое статическое давление вентилятора главного проветривания (ВГП), Па; rjyà0„- минимально допускаемое значение КПД главной

вентиляторной установки, определяемое согласно уравнения (1) на основе допускаемых значений параметров, входящих в состав этого уравнения; В -множество углов установки лопаточных органов регулирования подачн ВГП; СОн - номинальная частота вращения ротора вентилятора, мин"1.

Анализ функции (21) показывает, что она реализует идею оптимальной стратегии управления ГВУ, поскольку наряду с техническими и технологическими условиями и ограничениями она учитывает также реальное техническое состояние комплексов установок, обеспечивая минимальное во времени электропотребление всего процесса общешахтного проветривания.

Установлено, что зависимости общего КПД шахтных водоотливных установок имеют сходство с зависимостями КПД насосных агрегатов, в том числе и практическое совпадение экстремумов кривых Пу ~ /(б) и цт = {(О).

Отсюда целевая функция управления главной водоотливной (насосной) установки горного предприятия т]у = /'(£>и/; #„,-; взад ,; й)ш ) = шах при

следующих ограничениях и условиях £>и/ > ;взШ е А;ан, < сон н,

где (У^ - минимально допустимое по правилам безопасности значение подачи насоса, м3/ч; А - множество положений рабочего органа (задвижки), регулирующего подачу насоса (в принятом диапазоне и при используемом способе регулирования); С0НН - номинальная частота вращения ротора насоса, мин"1.

Таким образом, может быть составлена математическая модель функционирования комплекса главной водоотливной установки.

Параметры состояния рассматриваемого комплекса изменяются не только при переходе одного подкомплекса к другому, но еще зависят от времени, поэтому для построения математической модели оптимизации необходимо использовать пространственно - временные модели.

В качестве целевой функции может быть принят минимум суточных энергозатрат на эксплуатацию комплекса, т.е.

24

э= рУДОЛ-^тт, (22)

о

где АГЭ (0 - энергетические затраты в единицу времени, кВт-ч.

При решении задачи оптимизации развития рудничных компрессорных установок (РКУ), являющейся комбинаторной экстремальной задачей на графике, в заранее неизвестные интервалы времени g происходит переход от одной структуры РКУ к другой, т.е. траектория движения имеет характер кусочно-постоянных функций, которые находят из следующего условия:

Л#)=аг8 тт{Н0(Я:8+1 )/А,(к)М)} , где - прогнозируемые совокупные потери при выборе к-й

альтернативы; /(§)- информация, полученная к моменту времени g.

Информация должна включать в себя:

- прогноз производительности шахты по горным машинам (ГМ);

- прогноз производительности РКУ по сжатому воздуху;

-"прогноз изменения тарифов на энергоносители;

- удельные расходы энергоресурсов для конкретных типов компрессоров;

- предполагаемый график работы РКУ, определяющий распределение времени работы компрессоров с полной и неполной нагрузкой;

- интенсивности потоков отказов и восстановления компрессоров для конкретных структур РКУ.

Оптимальная задача разбивается на четыре составляющие ее подзадачи:

- выбор критериев Н,;

- генерации полного множества вариантов развития конкретного РКУ;

- оценка вариантов по всем критериям;

- многокритериальный выбор наилучшего варианта.

Графики изменения потерь при управляемом развитии РКУ представлены

Точка 1 = 2 соответствует вводу в эксплуатацию (в составе. централизованной РКУ, оснащенной поршневыми компрессорами) турбокомпрессора ТКА-130/9, имеющего меньший удельный расход электроэнергии по сравнению с удельным расходом электроэнергии для поршневого компрессора 4 ВМ10-100/9.

Точка 1 = 3 соответствует вводу в эксплуатацию передвижного винтового компрессора маслозаполненного типа, установленного в близи шахтных пневматических приемников. При этом практически отсутствуют гидравлические и объемные потери, возникающие в процессе транспортирования сжатого воздуха и составляющие до 40 % при централизованной схеме. Это обеспечивает соответствующее снижение удельных энергетических затрат.

Точка I = 4,5 соответствует вводу в эксплуатацию гидропневматического аккумулятора объемом 5 тыс. м3, обеспечивающим уменьшение потерь производительности по горной массе.

Важно подчеркнуть, что указанный выбор должен осуществляться в тесной взаимосвязи с вопросами влияния тех или иных структурных и

параметрических изменений на достижимое качество управления развития РКУ.

В четвертой главе рассмотрена практическая реализация выполненных исследований. Мониторинг эффективности, осуществляемый при помощи измеряемых величин на программно-прикладном уровне, является основой для решения следующих вопросов рациональной эксплуатации водоотливных установок:

- вводить или выводить из работы те или иные насосные агрегаты и скважины;

- производить откачку воды в соответствии с суточными тарифными графиками за счет возможности контроля уровня и учета количества откачиваемых вод;

- производить подсчет количества отработанных часов каждым из насосов;

- определять общий и удельный расход электроэнергии как по каждому насосному агрегату, так и в целом по дренажному участку (подземной насосной станции).

В соответствии с данными требованиями и условиями в рамках настоящей работы на примере Южного дренажного узла (ЮДУ1, ЮДУ2, НЮДУ1, НЮДУ2) ОАО «СУБР» разработана система контроля качества их работы (рис. 5).

Рис. 5. Структура построения информационного канала системы: ТТ - измерительный трансформатор тока; ТН - измерительный трансформатор напряжения; ПМ - преобразователь активной и реактивной мощности (Е849 или Омь 6,08); Кн - контроллер (ADAM 5000 с модулями ADAM 5017); ЛПД - линии передачи данных; Серв - сервер сбора и обработки данных; Кл - клиентское место инженерно-руководящего персонала

Традиционная схема обеспечения сжатым воздухом всех шахтных пневмоприемников предполагает устройство централизованной компрессорной станции, расположенной на дневной поверхности, как правило, не слишком далеко от ствола шахты.

Пневматические сети являются местом наибольших потерь энергии при эксплуатации шахтных пневмоустановок. Устранение этих потерь может быть осуществлено децентрализацией при снабжении пневматической энергией шахтных потребителей сжатого воздуха.

Для реализации этого предложения были приняты винтовые компрессоры маслозаполненного типа, которые в настоящее время являются наиболее надежными и экономичными при производстве сжатого воздуха.

В настоящее время на шахтах ОАО «СУБР» внедрены и находятся в эксплуатации десять винтовых компрессоров 6ВВ-25/9, 6ВВ-32/7 и восемь УКВШ-15/7.

Комплекс для контроля параметров выработки и потребления сжатого воздуха, состоящий из расходомера TMP 700 и встроенного термопреобразователя РТМ-1, предназначен для измерения, обработки и передачи текущих измеренных значений объемного расхода, избыточного давления и температуры сжатого воздуха. Использование современных средств измерений и приборной базы позволяют измерять и вычислять активную и реактивную мощности, общий и удельный расход электроэнергии и приводить к нормальным условиям, вести журналы архивов (минутные, часовые, суточные), передавать текущие и накопленные данные в виде таблиц и графиков на ПК технического персонала и администрации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей диссертационной работе, в которой автором представлены теоретические и практические положения, содержится решение актуальной задачи повышения эффективности РСУ.

Основные научные и практические результаты заключаются в следующем:

1. Разработаны системные критерии эффективности главных вентиляторных установок.

2. Обоснован критерий эффективности - главных водоотливных установок.

3. Разработана математическая модель функционирования пневмосетей РКУ, которая описывает взаимосвязь потерь энергии при транспортировании сжатого воздуха, формирующих процесс пневмопотребления.

4. Разработан метод динамической оптимизации структуры РКУ, уменьшающий удельные затраты энергетических ресурсов на производство сжатого воздуха.

5. Обоснован эффективный способ распределения сжатого воздуха -децентрализация пневмоснабжения, учитывающий пространственное расположение (высотные отметки) компрессора и пневмоприемника.

6. Разработаны и внедрены на ОАО «Севуралбокситруда» следующие

системы:

- контроля качества работы дренажных водоотливных узлов;

- учета параметров выработки и потребления сжатого воздуха;

- учета параметров сбрасываемых вод шахтных водоотливов и очистных сооружений.

Годовой экономический эффект от внедрения вышеперечисленных научных разработок в ОАО «СУБР» составляет 2016 тыс. руб.

Основные научные результаты диссертации опубликованы в следующих изданиях:

В ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК России

1. Зарипов А.Х. О вопросах повышения энергетической эффективности конструктивных решений шахтных осевых вентиляторов // Изв. вузов. Горный журнал. 2007. № 6. С. 55-57.

2. Миняев Ю.Н., Зарипов А.Х., Угольников A.B. Оптимизация развития рудничных компрессорных установок // Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: Изд. «Горная книга», 2009. № 2. С. 393-396.

3. Зарипов А.Х. Оценка энергетической эффективности работы водоотливных установок и систем подачи сжатого воздуха // Изв. вузов. Горный журнал. 2010. № 4. С. 74-77.

Статьи в других изданиях

4. Косарев Н.П., Носырев М.Б., Зарипов А.Х., Карякин A.JI. Automatically Controlled System of Pump Stations Complex of City Water Supply (Автоматизированная система управления комплексом насосных станций городского водоснабжения). Proceedings of 7th International Carpathian Control Conference ICCC'2006.0strava, Czech Republic, 2006.

5. Миняев Ю.Н., Угольников A.B., Зарипов А.Х. Минимизация потерь энергии при транспортировании сжатого воздуха И Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: материалы V Международной научно-технической конференции. Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2007. С. 157-163.

6. Тимухин С.А., Зарипов А.Х. Критерии энергетической эффективности комплексов главных вентиляторных и водоотливных установок // Известия Уральского государственного горного университета. Екатеринбург: Изд-во УТТУ, 2007. № 22. С. 112-115.

7. Носырев М.Б., Миняев Ю.Н., Зарипов А.Х., Молодцов В.В. Энергосберегающие технологии при производстве сжатого воздуха // Журнал «Энергосбережение и проблемы энергетики Западного Урала». Пермь: 2008. № 1-2. С. 46-46.

8. Миняев Ю.Н., Зарипов А.Х., Тимухин С.А. Повышение энергетической эффективности рудничных стационарных установок // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: материалы VIII Международной научно-технической конференции. Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2010. С. 103-106.

Подписано в печать 22.12.2010 г. Формат 60 х 84 1/16. Бумага писчая. Печать на ризографе. Гарнитура Times New Roman. Печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ №2.J 9

Издательство УГГУ 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30 Уральский государственный горный университет Отпечатано с оригинал-макета в лаборатории множительной техники УГГУ