В настоящее время очень остро стоит проблема закрытия угольных шахт — как экономически неэффективных, так и тех, что отработали все запасы угля. Однако не всегда ликвидацию шахты можно начинать сразу с ее физического закрытия. Подземные воды с ликвидированной шахты после ее затопления могут мигрировать в соседние шахты (если они связаны с ликвидированными горными работами), либо выходить на поверхность. Существующие на соседних действующих шахтах водоотливные комплексы, как правило, не способны принять повышенный приток воды. Чтобы не затопить действующие шахты, нужна реконструкция их водоотливных комплексов или строительство новых водоотливов.
Эксплуатация водоотливных комплексов закрывающихся шахт, имеет свои особенности и различия, которые необходимо учитывать при автоматизации данного технологического процесса.
1. Актуальность темы
Принципиальное отличие водоотливных комплексов закрывающихся шахт от работающих в том, что они имеют небольшой (по сравнению с величиной притока) объем водосборника. Это приводит к необходимости организации работы водоотливной установки с регулируемой подачей для стабилизации уровня воды в водосборнике — работа «на приток». Из известных способов регулирования подачи центробежных насосов — дросселированием напорного трубопровода и изменением оборотов приводного двигателя наиболее экономичным оказывается второй способ, который реализуется с помощью тиристорных преобразователей частоты.
Еще одной особенностью данного объекта является применение погружных насосов с необходимостью контроля подпора насосов и исключения их работы «на сухую».
Необходимость разработки системы автоматического управления погружными насосами водоотлива связана, во-первых, с необходимостью организации работы водоотлива «на приток», во-вторых, с необходимостью управления водоотливной установкой в переходных режимах для исключения гидроударов и бросков давления, в-третьих, с неспособностью существующих САУ водоотливной комплекс обеспечить все необходимые функции по контролю и управлению водоотливной комплекс в условиях шахт, которые закрываются.
2. Цель и задачи исследования
Цель разработки — повышение эффективности водоотливного комплекса за счет разработки системы автоматического управления, что позволит продлить срок службы технологического оборудования, повысить надежность и безопасность, а также уменьшить эксплуатационные расходы на процесс водоотлива.
Достижение поставленной цели возможно за счет глубокого исследования данного объекта управления, разработки и реализации необходимых алгоритмов управления с использованием современной элементной базы — программируемых логических контроллеров и специализированных телекоммуникационных сетей для взаимодействия элементов САУ.
Особенности управления проектами в области разработки программного обеспечения
... проект, а как процессная деятельность. Поддержка заключается в разработке новой функциональности, переработке уже существующей функциональности, в ... для выживания почти каждого коммерческого предприятия. Подход к управлению проектами уже доказал свою эффективность на практике ... улучшением продукта, а также устранение некритических замечаний к ПО, выявленных при его эксплуатации (Рисунок 1). Жизненный ...
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- Разработать математическую модель водоотливной установки при работе «на прилив».
- Выполнить исследования динамических процессов в объекте управления и на основании этого сформулировать требования к алгоритму управления.
- Выполнить синтез алгоритмов управления водоотливной установкой.
- Осуществить техническое проектирование системы автоматического управления.
- Выполнить оценку качества системы.
3. Водоотливная установка шахты №9 «Капитальная» как объект автоматизации
Колишня шахта № 9 «Капитальная» розташована на території Пролетарського району міста Донецька в зоні промислово-житлової забудови сформованої за період функціонування шахти.
У цей час шахта ліквідована. Найближчими промисловими об’єктами являються шахти колишнього шахтоуправління «Червона Зірка».
3.1 Гидравлическая характеристика и гидрогеологические связи ликвидированных шахт Буденновского и Пролетарского районов г. Донецка
В каменноугольных отложениях подземные воды относятся в основном к трещиноватых песчаников и известняков, а в зоне выветривания иногда и до песчаных сланцев. По условиям накопления и циркуляции подземные воды пластово-трещиноватого типа, преимущественно напорные. Питание происходит в основном за счет инфильтрации атмосферных осадков на участках выхода водовмещающих пород на поверхность. В связи с неравномерным развитием трещиноватости многоводие пород разное. Наибольшую многоводие имеют водоносные горизонты, залегающие на небольших глубинах и в зоне выветривания. С глубиной многоводие пород карбона уменьшается в связи с затуханием открытой трещиноватости в песчаниках и известняках.
Обводнение горных выработок происходит за счет дренирования водоносных горизонтов h10Sl1, H6Sh10, h8Sh6, h7SH50, h6Sh75 h5Sh6, h41Sh5, H3Sh4, h2Sh3. Наибольшие притоки за последние 6 лет отмечены в горные выработки отдельных пластов шахты № 9 «Капитальная» 228 м 3 /ч (пласты h6 — h10) №6 «Красная Звезда» — 76-102 м3 /ч (пласты h6 — h10) и им. 60-летия Советской Украины — 159 м3 /ч (пласт h6).
Среднегодовой приток воды за 12 лет по данным отчета ВО «Укруглегеология» по эколого-гидрогеологическому изучению и обследованию шахт Буденновского и Пролетарского районов г. Донецка, составленного в 2009 году, составил по шахте № 9 «Капитальная» — 340 м 3 /ч, № 6 «Красная Звезда» — 260 м3 /ч и им. 60-летия Советской Украины — 280 м3 /час.
Шахты № 6 «Красная Звезда», № 9 «Капитальная», № 12 «Наклонная», «Ливенская-Заперевальная» и им. 60-летия Советской Украины связаны между собой системой горных выработок, при их затоплении образуют единый водный бассейн.
Таким образом, при затоплении горных выработок одной из упомянутых шахт фактически будут затапливаться и другие шахты. При ограниченной пропускной способности гидросвязей между шахтами им. 60-летия Советской Украины и № 9 «Капитальная» возможно накопление шахтных вод в южных выработках шахты им. 60-летия Советской Украины выше уровня перетекания (поз. + 10 м) с последующим нерегулируемому по величине и времени перетоком воды в бассейн шахт № 6 «Красная Звезда» и № 9 «Капитальная» и объеме 650 тыс. м 3 . При этом ожидается временное поднятие уровня затопления горных выработок указанных шахт до отметки 35 м, то есть на 5 м выше допустимого. Поэтому уровень затопления необходимо поддерживать на отметке +10 м, чтобы создать компенсационный объем приема воды из шахты им. 60-летия Советской Украины.
Угольная промышленность Украины
... годы независимости Украины почти втрое) и очень трудные условия работы горняков привело к росту социальной напряженности в традиционно шахтёрском регионе. Для эффективного развития угольной промышленности необходим комплекс ... Золочева, Жолквы (Львовская область), Коломыи (Ивано-Франковская область) и в Закарпатье. Наивысшего уровня угледобыча здесь достигла в 1955 г. – 981 тыс. тонн (в том числе ...
3.2 Общая характеристика водоотливного комплекса шахты № 9 «Капитальная»
Здания и сооружения, входящие в комплекс водоотливной установки с погружными насосными агрегатами располагаются на основной промышленной площадке бывшей шахты № 9 «Капитальная».
Ожидаемый приток по шахте № 9 «Капитальная» — 340 м 3 /час. Комплекс водоотлива шахты № 9 «Капитальная» рассчитан на возможность откачки как собственного максимального прилива, так и максимального притока из шахты № 6 «Красная Звезда» с учетом поступления воды из шахты им. 60-летия Советской Украины (140 м3 /ч) — 290 м3 /ч: 340 + 290 = 630 м3 /час. Геодезическая высота нагнетания 197,2 м.
Производительность водоотливного комплекса позволяет гарантированно снизить сложившийся уровень затопления до отметки +10 м до введения водоотливного комплекса шахты № 6 «Красная Звезда», так как объем поступающих в горные выработки шахтной воды составляет 630 м 3 /ч, а рассчитаный расход шахтных вод при работе двух насосных агрегатов составляет 750 м3 /час.
После пуска водоотлива на шахте № 6 «Красная Звезда» объем собственного притока в шахту № 9 «Капитальная» (340 м 3 /ч) может откачиваться одним насосным агрегатом с усредненным суточным расходом 8160 м3 при сохранении годового объема откачиваемой воды поступает в шахту. Откачка указанного притока осуществляется погружными насосными агрегатами, смонтированными в скиповом стволе. Технологическая схема водоотливного комплекса шахты № 9 «Капитальная» приведена на рис.1.
Отметка верхнего рабочего уровня +10 м, нижнего рабочего уровня +9 м, отметка критического уровня +30 м. В соответствии с требованиями «Правила безопасности в угольных шахтах» [ 1 ] для откачки вышеуказанного притока в скиповому стволе установлены три насосных агрегата типа АНПШ 375-250: два агрегата — рабочие, один — резервный, откачка осуществляется по 3-м напорным трубопроводам диаметром 273х11,4 которые подвешены в стволе (рис.1).
Насосные агрегаты АПНШ 375-250 опускаются в ствол на водоподъемных трубах диаметром 273×11,4. Соединение труб осуществляется с помощью специального замкового соединения. Верхнее замковое соединение свинчивается с оголовком и опирается на элеватор ЕН-273-120, который устанавливаемый на опорной конструкции монтажно-эксплуатационной площадки. Для обеспечения нормальных условий работы электродвигателя насосный агрегат эксплуатируется с охлаждающим кожухом.
Пуск и остановка насоса осуществляется согласно инструкции на эксплуатацию насосного агрегата завода-изготовителя [ 4 ].
Разработка шахтного поля в условиях шахты «Кальинская» ...
... данном методе отработки блока принимаются следующие схемы механизации основных производственных процессов: Буровые работы - шпуровое бурение ручными перфораторами типа ПР-30К с диаметром шпуров 40 ... откатки горной массы, доставки материалов. Обеспечиваются условия для более производительной и безопасной работы. Схема способа подготовки блока такова: каждый блок готовится одним полевым откаточным ...
В рабочем положении насосный агрегат полностью погружен в воду. Для защиты насосного агрегата от кавитации при недопустимом снижении уровня воды, датчик нижнего уровня устанавливается не менее чем на 5 м выше верхнего фланца насоса. Таким образом исключается работа насоса вне водной среды.
3.3 Параметры и режимы работы водоотливных установок
На режим работы водоотливной установки влияют ряд параметров, которые определяют ее текущее состояние [ 2 ,3 ]: Q – подача водоотливной установки; H – напор водоотливной установки; H Г – геодезическая высота нагнетания; N – мощность водоотлива; η – коэффициент полезного действия водоотлива; QП – часовой приток шахты; ρ – плотность жидкости; d – диаметр нагнетательного трубопровода; L – длина нагнетательного трубопровода; α – гидравлическое сопротивление трубопровода.
Анализ этих параметров на режим работы водоотлива показывает его неоднозначность. Каждый параметр определенным образом влияет на рабочий режим водоотлива, однако, можно выделить три группы параметров: условно-постоянные, возмущающие, управляемые.
Условно-постоянные параметры или остаются неизменными, либо незначительно и медленно изменяются в процессе эксплуатации. К данной группе параметров относятся технические характеристики водоотлива, которые определяют собственные динамические свойства объекта управления и применяются при определении постоянных времени и коэффициентов передачи элементов водоотлива.
Управляемые параметры — это такие переменные, влияние на которые позволяет получать необходимые режимы работы объекта управления. Для водоотливной установки это следующие переменные. Водоотливные установки угольных шахт, как правило, оснащаются центробежными секционными насосами [ 2 ,3 ]. В этом случае управляемые параметры Q, H, взаимосвязаны. Это приводит к тому, что при воздействии на один из управляемых параметров будут меняться и другие управляемые параметры. Поэтому необходимо учитывать эту особенность при разработке принципов управления водоотливом.
Робочий режим водовідливної установки графічно визначається точкою перетинання робочих характеристик насоса й нагнітального трубопроводу (рис.2) [ 2 ,3 ]. Приведены на рис.2 рабочие параметры насосной установки Q р и Hр являются основными параметрами и принадлежат к управляемым. Однако режим работы водоотливной установки определяется всеми рассматриваемыми параметрами.
Точка А на рис.2 обозначает расчетный режим работы насоса с характеристикой H Н =f(Q) на напорный трубопровод с характеристикой HТ =f(Q).
Однако в процессе эксплуатации происходит изменение рабочего режима и его параметров через влияние рассмотренных возмущений и под действием внешних условий.
Изменение параметров рабочей точки в процессе эксплуатации под воздействием внешних возмущений необходимо учитывать при разработке системы автоматического управления.
3.4. Анализ водоотливной установки шахты № 9 Капитальная
Рассмотрев технологическую схему водоотливного комплекса шахты № 9 «Капитальная» (рис.1) можно отметить следующие особенности, которые необходимо учитывать при разработке системы автоматического управления.
Моделирование работы системы управления вентильным двигателем ...
... перспективна. Целью данного курсового проекта является моделирование работы системы управления вентильным двигателем приводом несущего винта ЛА типа "квадрокоптер". В процессе выполнения работы был произведен обзор вентильных двигателей и ...
Согласно инструкции на эксплуатацию насосного агрегата завода-изготовителя[ 4 ] оптимальным режимом работы агрегата является длительный режим без остановок, при эксплуатации в рабочем диапазоне подач агрегата.
Наиболее целесообразной является работа водоотлива в режиме непрерывной откачки воды — «работа на приток» с соответствующим регулированием подачи насосных агрегатов. Для условий водоотлива шахты № 9 «Капитальная» необходимость данного режима работы также обосновывается небольшим объемом воды, который может поместиться между отметками верхнего и нижнего уровня. Объем воды между отметками верхнего и нижнего уровней составляет всего 8% от часового притока. Такое соотношение между объемом водосборника и величине притока при управлении водоотливом в функции уровня воды в водосборнике приведет к частым пускам и остановкам насосного агрегата, негативно отразится на работе водоотливной установки (более 70% отказов возникают в момент пуска насосов).
По рекомендации завода-изготовителя насосов [ 4 ] при организации водоотлива по схеме периодической работы агрегатов необходимо увеличивать продолжительность цикла непрерывной работы агрегата, эксплуатируя его при меньших значениях расхода в пределах рабочего диапазона. При этом необходимо учесть, что число включений агрегата не должно составлять более 3-х в сутки с интервалом не менее 60 мин.
По рекомендации завода-изготовителя для предотвращения гидравлического удара, повреждения агрегата и трубопровода управляющие сигналы от датчиков уровня и другой аппаратуры автоматического управления водоотливной установкой должны включать аппаратуры оповещения об аварийной ситуации, не прерывая работы агрегатов. Работу агрегатов всегда необходимо завершать в штатном режиме (на закрытую задвижку на напорном трубопроводе).
При пуске агрегата задвижка должна быть закрыта. После успешного запуска агрегата (после того как показания манометра увеличатся до значения номинального напора агрегата), задвижка плавно открывается, причем во время открытия задвижки не должно наблюдаться бросков давления. Таким образом, пуск и остановку насосных агрегатов необходимо осуществлять на закрытую задвижку.
Таким образом, система автоматического управления комплексом водоотлива шахты № 9 «Капитальная» должна выполнять следующие функции:
- регулирование подачи насосных установок для работы водоотлива в режиме непрерывной откачки воды — работа
на приток
; - плавный пуск и остановку насоса на закрытую задвижку;
- управления задвижкой (для исключения гидроударов и бросков давления) при запуске и остановке насосного агрегата;
- автоматическое включение в работу вспомогательного рабочего агрегата при достижении водой верхнего уровня и непрерывную его работу до нижнего уровня;
- автоматическое включение в работу резервного насосного агрегата, если отказал основной насос или он не справляется с притоком и вода достигла аварийного уровня;
- аварийная остановка насоса при снижении или потере напора;
- автоматический контроль основных технологических параметров водоотливной установки — подачи, напора, уровней воды в водосборнике;
4. Анализ существующих САУ водоотливными установками
Все существующие системы автоматического управления водоотливом имеют общий недостаток — они не учитывают динамических свойств составных частей водоотливной установки и динамических процессов, происходящих в них.
Совершенствование технологии использования продувочных газов ...
... была сдана в эксплуатацию первая небольшая опытная установка для синтеза аммиака. Когда после некоторых усовершенствований процесса практический выход ... данной работы является увеличении доли переработки сырья и разработка технологии получения новых продуктов процесса синтеза аммиака. Поставленная ... сырье, так и вода, и биогаз. Для сравнения расход электроэнергии на 1 тонну аммиака не превышает 4МВт ...
Все серийные системы автоматизации водоотлива строятся по дискретным схемам и осуществляют управление водоотливной установкой в функции уровня воды в водосборнике [ 5 ,6 ]. Анализ существующих систем автоматизации водоотлива угольных шахт показал, что они не обеспечивают эффективное управление водоотливом в динамических режимах работы, кроме того, не обеспечивается возможность регулирования производительности насосной установки.
Аппаратура ВАО-1м является наиболее современной, с наибольшим набором выполняемых функций [ 5 ,6 ]. Унифицированная взрывобезопасная аппаратура автоматизации водоотливных установок ВАО-1м предназначена для автоматического, дистанционного и местного управления главными водоотливными установками горных предприятий. В аппаратуре ВАО-1м предусмотрено:
- автоматическое, дистанционное и местное управление работой насосов, их автоматическая заливка перед пуском;
- автоматический переход на следующий насос при неисправности рабочего;
- цикличность работы насосов, последовательность их запуска и остановки при параллельной работе;
- запрет пуска неисправного насоса;
- учет машинного времени работы насосов;
- автоматическое управление приводом задвижки;
- возможность автоматического или ручного запрета пуска насосов на время максимума энергопотребления;
- индикация информации об уровне воды в водосборнике, о работе насосов и их неисправности с расшифровкой вида неисправности, о машинном времени работы каждого насоса.
Анализ функциональных возможностей системы автоматизации ВАО-1м показывает отсутствие функций управления водоотливной установкой в динамических режимах. Неуправляемое течение переходных процессов приводит к резкому повышению давления, скачкам и пульсациям давления, а иногда — и к гидравлическим ударам. Совместное воздействие перечисленных явлений на проточную часть водоотливной установки вызывает интенсивный износ оборудования водоотлива, что снижает долговечность, надежность, безопасность данного технологического процесса. Кроме того, система ВАО — 1м не осуществляет регулирования подачи насосного агрегата для работы «на приток», что имеет немаловажное значение для рассматриваемого объекта управления (водоотливная установка шахты № 9 «Капитальная»).
Для управления погружными насосами нефтедобывающих и угольных предприятий ОАО «УКРЭЛЕКТРОАППАРАТ» разработало устройство серии КУПНА-700 [ 7 ].
Устройство КУПНА-700Ш (В) предназначено для управления и защиты насосных установок мощностью до 700 кВт, которые применяются для откачки воды из стволов ликвидированных или закрытых шахт.
КУПНА обеспечивает работу электронасосной установки в режимах «ручной» и «автоматический» с управлением из диспетчерского пункта. Устройство осуществляет весь необходимый набор защит электродвигателя, учет электроэнергии, управление в функции уровня воды в водосборнике, световую сигнализацию, автоматическое защитное отключение.
Контрольная работа: Содержание обследования моторных функций и речи
... Методы обследования моторных функций Рассмотрим методы обследования психомоторных функций, представленные в методических рекомендациях разных авторов. Обследование состояния ... процессу. Это касается как общей, так и «тонкой» моторики. Так, легче овладеть речью ... моторным программам под непрерывным контролем ЦНС. Управление произвольными движениями осуществляется благодаря сенсорной коррекции, ...
Анализ функциональных возможностей устройства КУПНА показал, что основные функции по защите и управлению относятся к приводному электродвигателю насоса (контроль активной мощности электродвигателя, контроль тока электродвигателя, значение коэффициента мощности установки, защиту и контроль параметров работы электродвигателя, контроль сопротивления изоляции системы «кабель-двигатель» ).
К самому насосному агрегату относится функция пуска и остановки насоса в зависимости от уровня воды в водосборнике.
Устройство КУПНА не выполняет следующие функции управления и контроля насосного агрегата:
- не производится регулирование подачи насосного агрегата для работы «на приток»;
- отсутствие функции управления водоотливной установкой в динамических режимах — плавный запуск и остановка на закрытую задвижку;
- отсутствует функция плавного открытия и закрытия задвижки для исключения гидроударов и бросков напора;
- отсутствие функций контроля основных технологических параметров — подачи и напора насосной установки;
- не производится контроль концентрации метана.
Выводы
Рассмотренные системы автоматического управления водоотливными установками ВАО-1м и КУПНА-700Ш (В) не выполняют все необходимые функции по управлению и контролю водоотливной установкой шахты № 9 «Капитальная». Поэтому разработка системы автоматического управления водоотливной установкой шахты № 9 «Капитальная» является актуальной.
Таким образом, целью разработки является повышение эффективности функционирования водоотливного комплекса шахты № 9 «Капитальная» за счет разработки системы автоматического управления, что позволит продлить срок службы технологического оборудования, повысить надежность и безопасность, а также уменьшить эксплуатационные расходы на процесс водоотлива.
При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: июнь 2017 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.
Список источников
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/shahtnyiy-vodootliv/
- Правила безпеки у вугільних шахтах. Київ: ТОВ «ЛІГА ЗАКОН», 2010.- 185 с.
- Гейер В.Г., Тимошенко Г.М. Шахтные вентиляторные и водоотливные установки. М.: Недра, 1987.- 270 с.
- Попов В.М. Рудничные водоотливные установки. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Недра, 1983. – 304 с.
- Указания по монтажу и применению в проектах систем шахтного водоотлива агрегатов насосных погружных шахтных АНПШ. Инструкция по эксплуатации АЭТА.062313.005.375.250ТО. ОАО Завод «Молот», 2010.- 40 с.
- Автоматизация процессов подземных горных работ. // Под общей ред. Иванова А.А. — Киев; Донецк: Вища шк., 1987. — 327 с.
- Толпежников Л.И. Автоматическое управление процессами шахт и рудников: Учебное пособие для вузов. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Недра, 1985. — 352 с.
- Устройство комплектное серии КУПНА-700. Руководство по эксплуатации 3ВП.079.003 РЭ., 2010. – 17 с.
- Правила технічної експлуатації вугільних шахт. Київ: Мінвуглепром України, 2006. – 340 с.
- Гаврилов П.Д., Гимельштейн Л.Я., Медведев А.Е. Автоматизация производственных процессов. Учебник для вузов. М.: Недра, 1985. — 215 с.
- Тимошенко Г.М. Научные основы проектирования и эксплуатации насосных установок в переходных режимах. Киев; Донецк: Вища шк. Головное изд-во, 1986.- 127 с.
