Спосіб керування головною водовідливною установкою вугільної шахти

Реферат: Винахід належить до технологічного процесу відкачування води з підземних гірничих виробок, зокрема до керування режимами роботи головної водовідливної установки вугільної шахти. Спосіб керування головною водовідливною установкою вугільної шахти включає визначення поточного значення опору трубопровідної мережі, робочих параметрів насосів у поточному режимі, при цьому попередньо визначають режими роботи головного водовідливу в періоди мінімальних і середніх електричних навантажень в енергосистемі та відповідну питому витрату енергії для поточного режиму, останню порівнюють із заданим діапазоном мінімальних значень питомої витрати, і за результатом порівняння вибирають режим роботи головної водовідливної UA 108708 C2 (12) UA 108708 C2 установки. Технічний результат: досягається можливість керування режимами електроспоживання незалежно від зміни технічного стану та умов експлуатації обладнання, збереження споживаної електроенергії і підвищення ефективності при зниженні витрат на електроспоживання. UA 108708 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до технологічного процесу відкачування води з підземних гірничих виробок, зокрема до керування режимами електроспоживання головної водовідливної установки вугільної шахти. Відомий спосіб керування головною водовідливною установкою шахти, що полягає у задаванні мінімального, максимального та аварійного рівнів води у водозбірнику та керуванні режимами роботи насосів головного водовідливу залежно від досягнення водою цих рівнів: мінімального - вимикання усіх насосних агрегатів, максимального - вмикання робочих та аварійного - вмикання резервних насосів. [Электрификация стационарных установок шахт: Справочное пособ. / С.А. Волотковский, Д.К. Крюков, Ю.Т. Разумный и др. Под общей ред. Г.Г. Пивняка. - М.: Недра, 1990. - С. 183-184.] Недоліком відомого способу є його обмеження щодо функцій регулювання режимів електроспоживання головної водовідливної установки, що призводить до надлишкових витрат коштів на оплату спожитої водовідливом електроенергії. Найближчим технічним рішенням є спосіб керування головною водовідливною установкою шахти, який забезпечує вибір одночасно працюючих насосів на відповідний період доби при застосуванні диференційованого тарифу з використанням робочих параметрів насосів. Це призводить до зниження обсягу споживаної насосами електроенергії в періоди пікових навантажень в енергосистемі та, відповідно, грошових витрат на її оплату. [Патент на корисну модель № 86645 Україна, МПК F 15 В 1/00, МПК F 04 D 27/00. Спосіб керування головною водовідливною установкою вугільної шахти / Разумний Ю.Т., Рухлов А.В., Рухлова Н.Ю.; заявник і патентовласник Державний вищий навчальний заклад "Національний гірничий університет". - № u 2013 07312; заявл. 10.06.13; опубл. 10.01.14, Бюл. № 1.] Недоліком відомого способу є те, що при виборі одночасно працюючих насосів для відповідної зони доби (пікової, напівпікової або нічної) протягом добового інтервалу, не враховується технічний стан обладнання головного водовідливу при регулюванні режимів його роботи та електроспоживанні. В основу винаходу поставлена задача удосконалення способу керування головним водовідливом, в якому шляхом введення інших технологічних параметрів забезпечується можливість керування режимами електроспоживання незалежно від зміни технічного стану та умов експлуатації обладнання, вибір одночасно працюючих насосів на відповідний період доби при застосуванні диференційованого тарифу з використанням робочих параметрів насосів і відповідної схеми трубопровідної мережі, та можливість корегування цих параметрів, моделювання режиму роботи водовідливу з мінімальною питомою витратою електроенергії та мінімальною величиною оплати за споживану електроенергію і, за рахунок цього, отримати найбільш енергоекономічний режим функціонування головної водовідливної установки при зменшенні плати за споживану електричну енергію. Задача вирішується тим, що у відомому способі керування головною водовідливною установкою вугільної шахти, що включає задавання умов відкачування води та рівня заповнення водозбірника, згідно з винаходом попередньо встановлюють періоди відкачування води при мінімальних і середніх електричних навантаженнях в енергосистемі та інтервал зміни режиму роботи насосів, з урахуванням чого визначають кількість одночасно працюючих насосних агрегатів та трубопроводів, а також встановлюють періоди максимальних навантажень в енергосистемі без використання насосів. Крім цього враховують технічний стан трубопроводів, який змінюється в процесі експлуатації мережі внаслідок заростання трубопроводу, що зменшує його внутрішній діаметр. Також враховується технічний стан насосних агрегатів, що відображається на величині коефіцієнта корисної дії (ККД) насоса і, відповідно, впливає на робочі параметри насоса. На фіг. 1 наведена структурна схема керування головною водовідливною установкою (ГВУ) вугільної шахти. На фіг. 2 наведена залежність питомої витрати електроенергії від ступеня зменшення внутрішнього діаметра трубопроводу. На фіг. 3 наведена залежність питомої витрати електроенергії від ступеня погіршення технічного стану насосних установок. Спосіб реалізується таким чином. Керування режимами роботи ГВУ вугільної шахти можливо здійснювати згідно зі структурною схемою (фіг. 1), що забезпечує отримання найбільш енергоекономічного режиму функціонування водовідливу з урахуванням дійсних параметрів його обладнання. Задаються вихідний дані і початкові умови. 1. Визначають нормальний приплив води; кількість і ємкість кожної гілки водозбірника; горизонт водовідливу (повна висота підйому води); кількість робочих, резервних напірних 1 UA 108708 C2 5 10 15 20 25 трубопровідних ставів, їх діаметр, а також коефіцієнт фактичного діаметра трубопроводу; діаметр всмоктуючих трубопроводів; кількість робочих, резервних насосів водовідливу, коефіцієнт корисної дії (ККД) їх двигунів і коефіцієнт фактичного ККД насосів. Враховують ККД електричної мережі, який приймається рівним 0,97. 2. Вибирають періоди максимальних, мінімальних і середніх електричних навантаженнях в енергосистемі: початок і кінець ранкового періоду пікових навантажень відносно добового інтервалу часу; початок і кінець вечірнього періоду пікових навантажень відносно добового інтервалу; початок і кінець ранкового періоду напівпікових навантажень відносно добового інтервалу; початок і кінець денного періоду напівпікових навантажень відносно добового інтервалу; початок і кінець вечірнього періоду напівпікових навантажень відносно добового інтервалу; тарифні коефіцієнти для кожного періоду добових навантажень і тариф на електроенергію. Відповідно до вимог Національної комісії регулювання електроенергетики при використанні диференційованого по періодах доби тарифу на електроенергію в періоди мінімальних (нічний провал), середніх (напівпік) і максимальних (пік) навантажень плата за спожиту електроенергію здійснюється із тарифним коефіцієнтом - 0,35, 1,02 і 1,68 відповідно. Тобто для зниження плати за спожиту електроенергію необхідно максимально використовувати роботу насосів в період мінімальних навантажень і виключити їх застосування в періоди максимальних навантажень в енергосистемі. 3. Визначають режим роботи ГВУ в періоди мінімальних і середніх електричних навантаженнях в енергосистемі. Виконується формування та відтворення режимів роботи ГВУ з урахуванням технологічних умов для конкретного об'єкта, а також з урахуванням насосів та трубопроводів, що працюють, кількість яких може змінюватися в кожному поточному режимі. 4. Задають діапазон мінімальних значень питомої витрати електроенергії, тому що даний підхід розширює можливість вибору підходящого режиму для конкретних умов. 5. Для кожного поточного режиму визначають еквівалентний опір трубопровідної мережі з можливістю урахування заростання (замулювання) трубопроводу: Rек  30 8 36002 2gK dD4 тр 2 5 , год. /м ; g - прискорення вільного падіння, м/с2; де  - коефіцієнт гідравлічного опору зовнішньої мережі установки; K d - коефіцієнт фактичного діаметра трубопроводу; D тр - діаметр напірного трубопроводу, мм. 35 Введений коефіцієнт фактичного діаметра трубопроводу ( K d ), що характеризує його дійсний внутрішній діаметр, який змінюється в процесі експлуатації трубопровідної мережі, дозволяє визначити вплив ступеню заростання трубопроводу на величину питомої витрати електроенергії (фіг. 2): - при K d  1 - ступінь заростання приймається рівним нулю; - при K d  1 (тобто K d  0,99..i ) - фактичний (дійсний) діаметр трубопроводу, з урахуванням будь-якого ступеня заростання, може задаватися індивідуально для будь-яких умов (0-99 %): 40 45 50 55 Dф.тр  K dDтр . Зміна (зменшення) діаметра трубопроводів ( K d  1 ) призводить до збільшення опору трубопровідної мережі і, як наслідок, відбувається зміщення робочої точки і зміна робочих параметрів насосів. Подібні зміни відображаються на техніко-економічних показниках роботи ГВУ, що доведено експериментально отриманими результатами, тобто при збільшенні ступеня заростання трубопроводу також збільшується питома витрата електроенергії (див. фіг. 2). Згідно з Правилами безпеки у вугільних шахтах, необхідна мінімальна кількість напірних трубопроводів дорівнює двом, а на шахтах з великим припливом води та багатоагрегатним водовідливом кількість трубопроводів збільшується. У більшості випадків найбільш енергоекономічний режим роботи насосного агрегату відповідає його роботі на один трубопровід, два насоси працюють на два трубопроводи і т. д. Однак на багато-агрегатних ГВУ подібні умови не реалізуються, оскільки, наприклад, при наявності п'яти робочих та п'яти резервних насосів встановлюються три або чотири трубопроводи. Це призводить до зниження продуктивності насосів при їх паралельній роботі на один трубопровід і, відповідно, до збільшення питомої витрати електроенергії. 2 UA 108708 C2 5 10 Виходячи із отриманих експериментальних даних, встановлено (див. фіг. 2), що при зменшенні внутрішнього діаметра трубопроводів внаслідок їх заростання наведені показники погіршуються і навіть досягають критичних значень, тобто пропускна здатність трубопроводів не дозволяє повністю використовувати можливості насосів для відкачування води. Це призводить до необхідності вмикання максимальної кількості насосів і, як наслідок, збільшення питомої витрати електроенергії. Вирішити цю проблему можливо шляхом контролю стану і своєчасного чищення трубопроводів від вапняних відкладень або встановленням додаткових трубопровідних ставів, якщо це дозволяють технологічні умови. 6. Далі, у поточному режимі, визначають робочі параметри насосних установок (продуктивність ( Qp ), напор ( Hp ), коефіцієнт корисної дії (ККД) ( н ), коефіцієнт використання ( Kв.н )), тобто при певній комбінації спільної роботи насосів і трубопровідних ставів.   N2 Z к A  Z к A 2  4 R ек н  Z к B Z к H0к  H w  2   Nт   Qp Nн , Nт   2   N 2 R ек н  Z к B    N2 т   ;    Hp Nн , Nт   Zк H0к  AQp Nн , Nт   B Qp Nн , Nт  2    ;  н Nн , Nт   aQp Nн , Nт   b Qp Nн , Nт  2  c Qp Nн , Nт  3 K в.н Nн, Nт   15 Qp Nн, Nт  Qном ; , де Nн та Nт - кількості працюючих насосів та трубопроводів; Z к - кількість секцій (коліс) насоса; A , B - постійні коефіцієнти рівняння напірної характеристики насосного агрегату; H0к - напір насоса при нульовій подачі на одне колесо, м; 20 25 Hw - горизонт водовідливу (повна висота підйому води), м; a , b , c - постійні коефіцієнти рівняння кривої ККД насоса. Основним показником якісної роботи насосної установки є його ККД, який залежить від рівня технічного стану обладнання, та від величини якого залежать значення робочих параметрів насоса. В процесі тривалої експлуатації насоса відбувається погіршення його технічного стану, а відповідно і зниження його ККД, тобто треба виконувати перерахунок робочих параметрів насосів з урахуванням їх технічного стану.       н Nн , Nт   aQp Nн , Nт   b Qp Nн , Nт  2  c Qp Nн , Nт  3 K  н.ф  K н Nн, Nт  , (2) ; (1) де K  - коефіцієнт фактичного ККД насосів. 30 Введена величина K  , що визначає ступінь зниження ККД насоса відносно робочого значення, дозволяє визначити вплив погіршення технічного стану насосів на величину питомої витрати електроенергії (фіг. 3): - при K   1 - ступінь погіршення технічного стану насосів приймається рівним нулю, тобто їх ККД відповідає робочим значенням; 35 40 - при K   1 (тобто K   0,99..i ) - фактичний (дійсний) ККД насосів (2), з урахуванням будьякого ступеня погіршення його технічного стану, може задаватися індивідуально для будь-яких умов (0-99 %). При цьому підході уточнюється фактичне для яких-небудь конкретних умов значення ККД насосів, але для коректного визначення величини питомої витрати електроенергії необхідно вирішити обернену задачу, тобто перерахувати робочі параметри насосів, котрі мають знижений (корегований) ККД. Представимо (1)-(2) у вигляді кубічного рівняння, яке вирішується методом Вієта-Кардано: d  ax  bx2  cx3 ; cx 3  bx2  ax  0 ; де x  Qp Nн, Nт  - корні кубічного рівняння; 3 UA 108708 C2 d  н Nн, Nт  - дійсний ККД насосів. 5 10 15 20 25 30 Вирішення кубічного рівняння дозволяє відкоригувати робочі параметри насосних установок при погіршенні їх технічного стану, і відповідно більш точно розрахувати питому витрату електроенергії, значення якої залежить також від даних умов (див. фіг. 3). 7. Визначають для кожного поточного режиму величину питомої витрати електроенергії, загальну витрату електроенергії за добу, оплату за споживану електроенергію протягом доби, загальний об'єм води, що була відкачана протягом доби та ін. і порівнюють із заданим мінімальним значенням. 8. За результатом порівняння вибирають режим роботи водовідливної установки, що відповідає двом основним критеріям: мінімальна питома витрата електроенергії та мінімальна величина оплати за спожиту електроенергію. Для цього режиму визначається плата за спожиту електроенергію за добу; загальна витрата електроенергії за добу; питома витрата електроенергії за графіком і середньозважена витрата електроенергії по характеристиках насосів. Ця інформація прямує до відповідального персоналу, який реалізує вибраний режим роботи вручну, або даний режим реалізується автоматично, при наявності відповідної системи керування. Крім того, при контролі за чисельним значенням питомої витрати електроенергії та порівнянні його з попереднім, виникає можливість зробити висновки щодо причин зміни цього параметра, наприклад: - збільшення питомої витрати електроенергії на 9,44 %, 22,83 % або 40,21 % і т.д. (фіг. 2, пунктирна лінія) може свідчити про заростання трубопроводів внаслідок замулення на 10 %, 20 % або 30 % відповідно, тобто фактичний внутрішній діаметр трубопроводу для відповідних значень коефіцієнта K d складатиме 0,9D тр , 0,8D тр р або 0,7D тр відповідно; - несвоєчасне обслуговування насосних агрегатів також призводить до збільшення питомої витрати електроенергії на 1,69 %, 4,99 % або 12,01 % і т.д. (фіг. 3, пунктирна лінія) при погіршенні технічного стану насосів на 10 %, 20 % або 30 % відповідно, тобто фактичний ККД насосів для відповідних значень коефіцієнта K  складатиме 0,9н , 0,8н або 0,7н відповідно. Висновки та рішення щодо подальших дій приймає обслуговуючий технічний персонал. Запропонований спосіб керування ГВУ дозволяє вибирати найбільш енергоекономічний режим роботи водовідливу на заданому інтервалі часу за критерієм мінімальної питомої витрати електроенергії та мінімальної плати за споживану протягом доби електричну енергію. Це дозволить зменшити на 15-20 % грошові затрати підприємства на оплату споживаної ГВУ електроенергії та відповідно знизити її витрату, а також контролювати і своєчасно виявляти погіршення технічного стану основного обладнання водовідливної установки. 35 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 40 Спосіб керування головною водовідливною установкою вугільної шахти, що включає визначення поточного значення опору трубопровідної мережі, робочих параметрів насосів у поточному режимі, який відрізняється тим, що попередньо визначають режими роботи головного водовідливу в періоди мінімальних і середніх електричних навантажень в енергосистемі та відповідну питому витрату енергії для поточного режиму, останню порівнюють із заданим діапазоном мінімальних значень питомої витрати, і за результатом порівняння вибирають режим роботи головної водовідливної установки. 4 UA 108708 C2 5 UA 108708 C2 Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6