Автоматизация водоотливных установок шахт

Тема 10

Рекомендуемая литература

1. Гейер В.Г., Тимошенко Г.М. Шахтные вентиляторные и водоотливные установки - М.: Недра, 1987.-229с.

2. Шевчук С.П. Повышение эффективности водоотливных установок - К.: Техника, 1990. - 104с.

3. Автоматизация электропотребления водоотливных установок/     Г.И. Данильчук, С.П. Шевчук, П.К. Василенко. – К.: Техника, 1981.–102с.

4. Батицкий В.А. Автоматизация производствен­ных процессов и АСУ ТП в горной промышленности: учебник / [Батицкий В.А., Куроедов В.И., Рыжков А.А.] – М.: Недра, 1991. – 303с.

5. www.kemz.konotop.net

 

1 Водоотливные установки шахты как объект автоматизации  

 

При подземной разработке шахт различают главный водоотлив, предназначенный для откачки общешахтного притока воды, и участковый водоотлив — для перекачки воды из отдельных участков шахты к водосборникам главного водоотлива (реже непосредственно на поверхность земли). В некоторых случаях применяется центральный водоотлив, когда несколько шахт имеют общую водоотливную установку, и региональный, обеспечивающий водоотлив всего района в целом. Водоотлив по схеме откачки воды на поверхность шахты разделяется на прямой, когда откачка воды из главного водосборника производится сразу на поверхность, и ступенчатый, когда из нижних горизонтов вода перекачивается в промежуточные водосборники вышележащих горизонтов и затем на поверхность шахты. Проектирование и эксплуатация водоотливных установок осуществляется в соответствии с требованиями Правилам безопасности в угольных шахтах (ПБ).   Водоотливные установки имеют водосборник. Вместимость водосборников главного водоотлива должна быть рассчитана не менее чем на 4-часовой максимальный приток без учета заиления, а участковых - на 2-часовой приток. Водосборники должны поддерживаться в рабочем состоянии - их заиление не должно превышать 30 % объема.   Рисунок 1 – Комплекс водоотлива шахты

   Главная водоотливная установка имеет как минимум два трубопровода- рабочий и резервный. Подключение насосного агрегата к трубопроводу осуществляется с помощью управляемой задвижки.

Гидравлическая схема главной водоотливной установки приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Гидравлическая схема главной водоотливной установки   

В качестве перекачивающих насосов применяются секционные центробежные насосы типов ЦНС, ЦНСК, ЦНСШ, НШС и др. Главные и участковые водоотливные установки должны состоять из рабочего и резервного насосных агрегатов. При этом главные водоотливные установки и установки с притоком воды более 50 м3/ч должны быть оборудованы не менее чем тремя насосными агрегатами (см. рисунок 2). Подача каждого насосного агрегата или группы рабочих агрегатов, не считая резервных, должна обеспечивать откачку максимального суточного притока воды не более чем за 20 ч.

Связь между основными параметрами насоса, выраженную графически, называют характеристикой насоса. Рабочими характеристиками насосов являются зависимости напора, мощности и КПД от подачи при постоянной частоте вращения и температуре рабочей жидкости (см. на рисунке 2 соответственно кривые ,  и ). Всасывающая способность лопастных насосов оценивается кавитациноной характеристикой, которая представляет собой зависимость основных параметров Н и N от кавитационного запаса g   при постоянных значениях частоты вращения n = const и подачи Q = const. Вибрационные качества насосов характеризуются виброшумовыми характеристиками, которые представляют собой зависимости уровня воздушного звука от частоты (в октавах) в диапазоне частот от 63 до 8000 Гц и вибрации характерных точек опорных узлов или корпуса насоса от частоты (в 1/3 октавах).

 

 Рисунок 2  – Рабочие характеристики центробежного насоса

 

На напорной характеристике выделяют режимы: оптимальный (режим работы насоса при наибольшем значении КПД); номинальный режим, обеспечивающий заданные технические параметры насоса. 

Рабочая часть характеристики — зона характеристики насоса, в пределах которой допускается длительная его эксплуатация. Рабочий режим насоса графически определяется точкой на пересечении рабочих характеристик насоса и трубопроводной сети (см. точка А на рисунке 2).     

  Технологический процесс перекачивания воды водоотливной установкой шахты характеризуется такими режимами работы:

- пуск;

- рабочий режим;

- остановка.

    Режим пуска начинается при достижении водой в водосборнике верхнего допустимого уровня. При этом необходимо подготовить водоотливную установку к работе. Для этого надо перед включением насосного агрегата необходимо осуществить заливку водой всасывающего трубопровода и насоса. Окончание процесса заливки насоса необходимо контролировать. После заливки включается насосный агрегат.

Для уменьшения пусковых моментов на приводном электродвигателе запуск в работу центробежных насосов целесообразно производить при закрытой задвижке на напорном трубопроводе. Задвижка открывается после набора насосом номинальных оборотов. Если пуск проходит нормально, то насос создает требуемое давление воды в нагнетательном трубопроводе, развивает необходимую подачу и режим пуска завершается. Если после включения приводного электродвигателя насос не развивает номинального давления и подачи, то задвижка закрывается и электродвигатель отключается от сети, после чего проводится пуск второго насосного агрегата.

В рабочем режиме  управление осуществляется по уровню воды в водосборнике или в зависимости от притока воды в водосборник. Во втором случае необходимо в зависимости от притока воды регулировать подачу насоса. Так как регулирование реализовать сложно, то практически этот способ управления не применяется.

В рабочем режиме необходимо контролировать: уровень воды в водосборнике; подачу насоса; расход электроэнергии приводным электродвигателем; коэффициент полезного действия водоотливной установки. Если процесс откачивания идет нормально, то уровень воды постепенно снижается до нижнего уровня. При его достижении нижнего уровня воды в водосборнике, необходимо отключить насосный агрегат и закрыть задвижку на нагнетательном трубопроводе.

В случае, когда уровень воды повышается и достигает аварийного уровня, то это означает, что приток воды к водосборнику превысил нормальный и подачи одного насоса недостаточно. Тогда необходимо включить параллельно в работу резервный насосный агрегат.

К аварийным режимам работы относят такие режимы, при которых дальнейшее функционирование водоотлива невозможно (разрыв напорного трубопровода, гидравлический удар, разгерметизация всасывающего трубопровода и т.п.). К анормальным режимам работы относят такие режимы, при которых снижается эффективность функционирования водоотливной установки (увеличение расхода воды на разгрузку, выход рабочей точки водоотливной установки за зону промышленного использования и т.п.)..

Одной из особенностей функционирования водоотливной установки является непостоянство ее рабочих параметров (подачи, напора, коэффициента полезного действия) в процессе эксплуатации. Объясняется это сложными условиями эксплуатации, особенно перекачиванием кислых и загрязненных вод. Несмотря на то, что в водосборнике, где скорость движения воды небольшая, предполагается осветление воды от твердых взвешенных частиц, но на практике почти 40% твердой суспензии удаляется насосами, которая приводит к их интенсивному износу. Ресурс машинного времени насосов составляет в среднем 500...700 часов, а в соответствии с паспортными данными на чистой воде они могут работать до 6000 часов. В процессе эксплуатации постепенно снижается и пропускная способность трубопровода. В результате совместного влияния этих факторов изменяются рабочие параметры насоса: подача, напор и коэффициент полезного действия, что в свою очередь приводит к неэкономичным режимам работы водоотливной установки, а в ряде случаев к аварийным режимам. 

 

 

Рисунок 2 — Изменение характеристик водоотливной установки в процессе эксплуатации

 

Опытом эксплуатации водоотливных установок установлено, что на надежность и экономичность функционирования водоотлива существенно влияют неисправности ряда элементов трубопроводной сети. Это, в первую очередь, относится к работе всасывающего трубопровода, а именно приемного устройства (приемная сетка и приемный клапан). В результате увеличиваются сопротивление и вакуум в подводящем трубопроводе, что приводит не только к снижению экономичности насоса, но и зачастую к полной потере его работоспособности из-за возникновения кавитационных режимов и разрушений рабочего колеса. Кавитацией в насосах называют комплекс явлений, связанных с образованием, дальнейшим развитием и замыканием парогазовых полостей (каверн) в проточной части, что приводит к изменению и даже срыву параметров насоса. Нестационарность явлений при кавитации вызывает пульсации давления, которые служат причиной вибрации элементов насоса.   Для надежного определения и эффективного управления явлением кавитации достаточно контролировать три параметра: напора Н, подачи Q и вакуума во всасывающем трубопроводе НВ. Начало кавитации определяется по следующим состояниям этих параметров: напор Н снижается, подача Q незначительно возрастает и вакуум во всасывающем трубопроводе НВ — растет.

На общую эффективность функционирования водоотливной установки влияет работа разгрузочного устройства. Увеличение утечек воды на разгрузку приводит к снижению объемного КПД насоса. Расход воды на разгрузку не должен превышать (2–3)% от производительности насоса. Поэтому на устройство разгрузки необходимо устанавливать чувствительный расходомер.

В случае разрыва трубопровода общее сопротивление сети уменьшается, подача насоса до места утечки возрастает от номинальной и, следовательно, расход до места разрыва возрастает на величину утечки. За местом разрыва расход снижается. Кроме того, будет наблюдаться снижение давления в выходном патрубке и рост потребляемой мощности. При разрыве нагнетательного трубопровода величина изменения параметров Q и H зависит

от места возникновения разрыва. Нагнетательный трубопровод современных водоотливных установок глубоких шахт достигает большой длины. Разрыв в нижней части трубопровода значительно уменьшает сопротивление трубопровода и изменяет Q и H. Чем дальше от насоса разрыв, тем меньше его влияние на рабочую точку водоотливной установки. Кроме этого, влияние на изменение параметров Q и H оказывает и величина утечки. Чем больше утечка, тем сильнее ее влияние на характеристики рабочей точки водоотлива. Различают следующие способы контроля утечек: максимальный по расходу — фиксирует увеличение расхода во входном сечении нагнетательного трубопровода; минимальный способ контроля по расходу — фиксирует снижение расхода в выходном сечении; минимальный способ контроля по напору — фиксирует снижение напора; дифференциальный способ контроля —фиксирует разность расходов в выходном и входном сечениях нагнетательного

трубопровода. Так как напорная характеристика и кривая мощности насоса при разрыве трубопровода изменяются мало, то изменение подачи насоса будет более резким чем изменение напора и мощности. Это свидетельствует о преимуществе максимального способа контроля по расходу в сравнении с минимальным способом контроля по давлению и максимальным по мощности.

Максимальный способ контроля утечек по расходу неприемлем для шахтных

водоотливных установок, для которых характерно НГ = (0,8 – 0,95)*НН. В этом случае, данный способ контроля позволяет защитить только до 1/3 части трубопровода. Поэтому, для контроля разрыва нагнетательного трубопровода необходимо применять минимальный контроль по расходу или дифференциальный контроль по расходу

  Главная водоотливная установка является крупным электропотребителем (мощность приводного электродвигателя может достигать 1600кВт, а суммарная мощность насосных установок водоотлива по шахте составляет в среднем 20% от установленной мощности шахты. Так как водоотливные установки имеют независимый от технологии добычи график работы в течение суток, то насосные установки водоотлива могут выступать в качестве потребителей регуляторов в системе электроснабжения предприятия, включением – отключением которых возможно снизить величину заявленной мощности предприятия, а также неравномерность графика нагрузки энергосистемы.  

 

    2 Требования к аппаратуре автоматизации водоотливных установок

 

 Аппаратура автоматизации водоотливной установки должна обеспечивать:

- автоматическое управление насосами по уровню воды в водосборнике;

- автоматическую заливку и контроль заливки  насосов;

- автоматическое включение параллельно работающему насосу резервного при достижении аварийного уровня воды в водосборнике;

- автоматическое включение резервного насоса при отключении работающего из-за неисправности;

-  управление насосной установкой с учетом «пиковых» нагрузок в системе электроснабжения предприятия;

-   учет времени работы насосов;

- работу насоса с управляемыми задвижками и без них;

- следующие виды защит: от кавитации; от перегрева подшипников; гидравлическую защиту по расходу воды; заклинивания задвижки; невозможность повторного пуска неисправного насосного агрегата без вмешательства обслуживающего персонала; от повышенной вибрации;

- подачу звуковой и световой сигнализации о параметрах и режимах работы насосной установки  (о текущем уровне воды в водосборнике, расходе электроэнергии, учет времени работы насосов, неисправности и видах неисправности  установки, работу в режиме «пиковых» нагрузок в системе электроснабжения предприятия);

 - при работе насосной установки в системе ступенчатого водоотлива дополнительно к указанным функциям осуществлять работу насоса с учетом уровня воды в водосборнике насосной установки куда перекачивается вода;

-  возможность, при необходимости,   автоматического регулирования рабочего режима насоса.

 

Структурная  схема автоматизированной  водоотливной установки шахты приведена на рисунке 4.