Спосіб забезпечення енергоефективності шахтної вентиляторної установки головного провітрювання з радіальними вентиляторними агрегатами

Реферат: Спосіб забезпечення енергоефективності шахтної вентиляторної установки головного провітрювання з радіальними вентиляторними агрегатами включає використання їх у шахтній вентиляційній мережі. При зміні параметрів кількості повітря і депресії вентиляційної мережі шахти в процесі її роботи, спеціальною системою керування здійснюють автоматичну оцінку її параметрів і забезпечують реалізацію оптимального режиму роботи вентиляторної установки за допомогою регульованого електропривода й осьового напрямного апарата (апаратів). UA 84249 U (12) UA 84249 U UA 84249 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Корисна модель належить до шахтних вентиляторних установок головного провітрювання з радіальними вентиляторними агрегатами, які виготовляють по індивідуальним замовленням шахт, рудників, і можуть бути використані для інших галузей промисловості. Вентиляторні установки вугільних шахт у складі двох радіальних вентиляторних агрегатів виготовляються ПАО "Донецькгірмаш" (м. Донецьк, Україна) з діаметрами робочих коліс від 3,2 м включно до 4,75 м. Регулювання робочих режимів цих вентиляторів при роботі на шахтну вентиляційну мережу, як правило, досягається за допомогою осьових напрямних апаратів (ВОНА) при повороті їх лопаток від 0° до 80°, а також за допомогою регульованого електроприводу для зміни частоти обертання електродвигуна і відповідно ротора вентилятора. Вибраний як найближчий аналог радіальний вентилятор головного провітрювання вугільних шахт ВЦД - 47У виробництва ПАО "Донецькгірмаш" має для регулювання робочих режимів осьові напрямні апарати. На прохання замовника вентиляторний агрегат може поставлятися з регульованим електроприводом, [1]. Робота вентиляторів головного провітрювання шахт забезпечує переміщення повітря, а також реверсивний режим повітря в шахтні виробки за вимогами "Правил безпеки у вугільних шахтах" [2]. Провітрювання шахт вентиляторами головного провітрювання є найбільш енергоємним технологічним процесом. Для шахт гірничовидобувних галузей споживання електроенергії вентиляторами головного провітрювання досягає величини до 30 % від загальношахтного споживання при тому, що середня встановлена потужність електроприводів вентиляторів становить 1000-1600 кВт, а для найбільш потужних вентиляторних установок досягає 4000 кВт. У цей час істотно зменшився фактичний видобуток вугілля значного числа вугільних шахт за рахунок зниження числа діючих очисних вибоїв. При цьому суттєво змінилися (знижені) вентиляційні режими шахт, із чим зв'язана робота вентиляторів у режимах з низькими показниками коефіцієнтів корисної дії і, як наслідок цього, з підвищеними витратами електроенергії. Для досягнення значної економії електроенергії при експлуатації радіальних вентиляторів існують рекомендації зі зниження частоти обертання електродвигунів, наприклад -1 -1 із частоти обертання 500 хв до 375 хв , шляхом заміни електродвигунів таких вентиляторів як ВЦД - 47У. При цьому досягнуто підвищення статичного к.к.д. вентиляторів приблизно в 2 рази й відповідно зниження енергоспоживання. Така економія електроенергії може бути виправдана тільки за умови забезпечення безпеки загальної системи провітрювання шахти, тому що при зниженні частоти обертання електродвигуна відповідно зменшується кількість повітря, що подається в шахтні виробки, знаходиться у прямої залежності від відношення частот меншої до більшої, а величина депресії, має квадратичну залежність від відношення частот обертання меншої до більшої. У зв'язку з тенденцією зниження видобутку вугілля на більшості шахт і зниженням аеродинамічних параметрів шахтної вентиляційної мережі статичні значення к.к.д. вентиляторів досягають величин 0,40-0,50, коли при вимозі існуючого стандарту [3] мінімальна величина його в робочій області повинна становити величину 0,6, виникає проблема оптимізації узгодження аеродинамічних параметрів шахтної вентиляційної мережі та характеристик вентиляторів, які провітрюють шахту в умовах, що створилися. При значному зниженні потрібної кількості шахтного повітря в шахтних виробках необхідно регулювати режими роботи вентиляторів, перекриваючи вхідний переріз перед колесом лопатками осьових напрямних апаратів у межах 60-70°. Враховуючи, що режим провітрювання шахти суттєво змінюється в процесі ведення гірничих робіт, забезпечити його оптимізацію можливо тільки шляхом реалізації системи автоматичного регулювання параметрів вентилятора, а це може бути здійснено при можливості плавного регулювання частоти обертання ротора привідного електродвигуна [4]. Шахтна вентиляційна мережа являє собою розгалужені гірські виробки, рух повітря по яких забезпечується вентилятором головного провітрювання [1]. Кількість повітря Q у шахті залежить від аеродинамічного опору R вентиляційної мережі, P R , де P - різниця різниці тисків на вході і виході з мережі й виражається співвідношенням тисків, R - коефіцієнт аеродинамічного опору всіх шахтних виробок. Головною особливістю шахтної вентиляційної мережі є зміна її аеродинамічного опору в період експлуатації шахти, яка залежить від загальної довжини й поперечного перерізу шахтних виробок, шорсткості їх стінок, сполучень каналів, нахилення каналів шахтних виробок та ряду інших параметрів. При експлуатації шахти змінюється кількість повітря, показники шкідливих газів, величини витоків повітря в гірничих виробках і інші параметри. Q 55 1 UA 84249 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Аеродинамічний опір вентиляційної мережі шахти змінюється в широких межах. При центральній системі вентиляції опір відносно первісного змінюється в 4-10 раз, а при діагональній системі - в 1,5-2, 5 рази. Потрібна кількість повітря в шахті змінюється в 1,4-4 рази й статичний тиск в 2-6 разів [1]. Для регулювання робочих режимів шахтних радіальних вентиляторів у більшості вентиляторних установок передбачені осьові напрямні апарати. Регульованим електроприводом можуть комплектуватися вентиляторні установки й монтуватися на замовлення шахт і рудників. В 2007 році була впроваджена перша в Україні система регулювання із застосуванням електроприводу змінного струму на базі перетворювача, розробленого науково-виробничою компанією "Елетекс" (м. Харків), [5]. Для вугільних шахт, які підлягають ліквідації, режими роботи вентиляторів знижуються й виходять за межі економічної робочої області, рекомендованої стандартом [3], у якому мінімальне значення статичного к.к.д. радіального вентилятора становить 0,6, тоді як номінальні величини к.к.д. досягають величини 0,85-0,86. При такому зниженні параметрів подачі й статичного тиску вентилятора необхідно встановлювати кути лопаток осьових напрямних апаратів на 60°-70°, при яких статичний к.к.д. становить 0,4-0,5 при роботі вентиляторів на мінімальні параметри шахтної мережі (кількості повітря й депресії). Найбільшим недоліком розповсюдженого способу регулювання режимів роботи вентиляторів за допомогою вхідного осьового напрямного апарата (ВОНА) є проблема підвищення їх економічності. Вирішення цієї проблеми частково презентовано в роботі [4], де показаний ефект підвищення енергоефективності роботи радіального вентилятора шляхом регулювання режимів за допомогою ВОНА й регульованого електроприводу. Якщо врахувати, що режим провітрювання шахти суттєво змінюється в процесі її експлуатації, його оптимізацію можливо забезпечити шляхом реалізації системи автоматичного регулювання параметрів вентилятора при плавному частотному регулюванні обертання ротора вентилятора приводним електродвигуном, одночасно використовуючи перевагу осьового напрямного апарата. Крім згаданих робіт із проблеми підвищення енергоефективності шахтних радіальних вентиляторів, у статті [6] наведений великий обсяг технічних проектних рішень по головних вентиляторних установках, що стосуються, витрати електроенергії при регулюванні частоти обертання ротора вентилятора й симетричній установці напрямних апаратів. Однак, ці позитивні технічні розв'язки не ув'язані із системою провітрювання конкретної шахти, що є основним для підвищення енергоефективності загальної системи провітрювання. У аналогу [7] докладно розглянуті засоби, що знижують втрати тиску шахтних вентиляторних установок головного провітрювання: скорочення витоків повітря безпосередньо в вентиляторних установках, витоків у підземних виробках через вентиляційні пристрої, заміною застарілих типів вентиляторів, конструктивні розв'язки по зміні елементів проточної частини й аеродинамічної схеми вентилятора. Багато із цих технічних розв'язків суперечать "Правилам безпеки у вугільних шахтах" [2] і умовам Інструкцій для експлуатації вентиляторів, виготовлених машинобудівними заводами. Наприклад, у цій статті зокрема рекомендується відключити одну зі сторін робочого колеса двостороннього відцентрового вентилятора, що приведе до економії електроенергії в розмірі 14-20 %. Таке технічне рішення за законами аеродинаміки знизить конструктивну міцність ротора, загальну надійність і безпеку роботи вентиляторів, що при значному технічному зношуванні ротора, має вирішальне значення. Задачею корисної моделі є забезпечення й підвищення енергоефективності шахтної вентиляторної установки головного провітрювання з радіальними вентиляторними агрегатами при регулюванні робочих режимів осьовими напрямними апаратами й регульованим електроприводом. Поставлена задача вирішується тим, що при зміні параметрів (подачі повітря і депресії) вентиляційної системи шахти в процесі її експлуатації спеціальна система керування здійснює автоматичну оцінку параметрів вищевказаної системи й забезпечує оптимізацію режиму роботи вентилятора з використанням регульованого електропривода й осьових напрямних апаратів. При цьому забезпечується контроль режиму роботи вентилятора з наданням спеціальною системою необхідних даних на диспетчерський пульт шахти й моніторизація процесу провітрювання гірничих виробок. Загальна система керування за участю регульованого електроприводу й осьових напрямних апаратів забезпечує одночасне виконання функцій контролю енергоефективності загальної системи провітрювання шахти й прийняття обґрунтованих технічних рішень. Пропонований спосіб забезпечення енергоефективності шахтної вентиляторної установки головного провітрювання з радіальними вентиляторними агрегатами при роботі із шахтною 2 UA 84249 U 5 10 15 20 25 30 35 вентиляційною мережею, параметри якої змінюються в широких межах за час експлуатації шахти, при наявності спеціальної системи контролю параметрів вентиляційної мережі з використанням регулювання осьовими напрямними апаратами й сучасними системами регульованого електроприводу з постійною моніторизацією змінних режимів провітрювання шахти створює можливість настроювання подальшої експлуатації вентилятора в найбільш економічній робочій зоні. Ще одна перевага перед відомими технічними засобами регулювання радіальних вентиляторних агрегатів у складі вентиляторних установок (два агрегати в установці) є підвищення енергоефективності й безпеки праці шахтарів, що має першорядне значення при експлуатації таких комплексів шахти, як вентиляційні, що забезпечують життєдіяльність робітників при видобутку вугілля в особливо небезпечних умовах, [2, 8]. Тому енергоефективність шахтної вентиляторної установки з радіальними вентиляторними агрегатами по пропонованому варіанту корисної моделі на шахті - підприємстві підвищеної небезпеки, одночасно забезпечує контроль і прийняття обґрунтованих технічних розв'язків, спрямованих на підвищення безпеки ведення гірських робіт у шахті. Пропонована корисна модель шахтної вентиляторної установки та забезпечення способу її енергоефективності в сучасних умовах експлуатації передбачає зміну частоти обертання ротора, що позитивно впливає на надійність функціонування вентиляторів у складі вентиляторної установки спільним регулюванням "ВОНА" й виводить комплексну систему регулювання вентиляційної системи шахти на новий якісний рівень. На фіг. 1 (а) показана аеродинамічна характеристика радіального вентилятора Psv (Q) при різних аеродинамічних характеристиках шахтних вентиляційних мереж: робочий режим (у точках "в") перетинання характеристики при регулюванні вентилятора за допомогою осьових (осьового) напрямних апаратів (величина подачі Q2, статичного тиску Р2). На фіг. 1 (б) наведені аеродинамічні характеристики радіального вентилятора з "ВОНА" й регульованим електроприводом: точки перетинання в1 характеристики вентилятора з "ВОНА" (подача Q1", й статичний тиск Р1"); точка в2 (подача Q2 і статичний тиск Р2). Для точки перетинання характеристик мережі й вентилятора з ВОНА (подача Q1 статичний тиск Р1, при регулюванні електроприводом подача Q2" й тиск P2"). У наведеній таблиці показані аеродинамічні параметри (подачі й максимальні значення, статичних к.к.д. вентиляторів s ) і показники середньозважених статичних к.к.д. у нормальних областях вентиляторних агрегатів з регульованими приводами різних конструкцій, застосовуваних з вентиляторами головного провітрювання, [9]. На основі досліджень професора Г.А. Бабака виконані розрахунки цих значень для наведених параметрів вентиляторів радіального типу й побудована крива, що відбиває усереднені показники середньозважених статичних к.к.д. вентиляторних агрегатів згідно з методикою, викладеною в стандарті [3]. Таблиця Показники Номінальні величини подач 3 -1 вентиляторів, м • с Максимальний статичний к.к.д. ηsv Середньозважений статичний к.к.д. у нормальній області вентиляторного агрегату з регульованим електроприводом 40 45 ОЦ-25 Вентилятори ОЦ-31,5 ВЦД-31,5 ВЦД-40 ВЦД-47В ВЦД-47 "Північ" 65 100 200 320 400 490 0,86 0,84 0,85 0,86 0,85 0,84 0,70 0,69 0,69 0,69 0,72 0,72 Крива 1, фіг. 2, відповідає максимальним статичним к.к.д. шахтних вентиляторів, наведених у таблиці при різних номінальних величинах подач. На фіг. 2 представлені усереднені величини показників статичних середньозважених к.к.д. шахтних радіальних вентиляторних агрегатів крива 3, зміна режимів роботи яких здійснювалася за допомогою регульованого електроприводу й осьових напрямних апаратів, крива 2, фіг. 2, які відповідають сучасному технічному рівню й повинні бути розроблені в перспективних проектах. Крива 3 побудована за розрахунковим даними середньозважених величин статичних к.к.д. вентиляторних агрегатів відповідно до даних, викладених у роботі [3]. 3 UA 84249 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Функціональне з'єднання вентиляторного агрегату із сучасним регульованим електроприводом і одночасним регульованим осьовим напрямним апаратом (апаратами) із системою автоматичного моніторингу й настроюванням аеродинамічних режимів вентилятора на шахтну вентиляційну мережу, яка змінюється в процесі видобутку вугілля, підвищує енергоефективність вентиляторного агрегату й усього вентиляційного комплексу шахти. На основі пропонованого способу найбільш енергоефективною вентиляторною установкою з радіальними вентиляторними агрегатами з регульованим електроприводом і "ВОНА" є область s a  0,75 0,8 статичних середньозважених к.к.д. вентиляторних агрегатів, у якій . s срв а Підвищення до величини 0,8 дозволить одержати економічний ефект від запропонованого способу забезпечення енергоефективності шахтної вентиляторної установки в межах 50…500 тис. грн. у рік при експлуатації одного вентиляторного агрегату залежно від діаметрів робочих коліс 1,6. …4,7 м. Джерела інформації: 1. Шахтные вентиляторные установки главного проветривания: справочник// Г.А. Бабак, К.П. Бочаров, А.Т. Волохов и др. - М.: Недра, 1982.-296 с. 2. Правила безопасности в угольных шахтах. НПАО 10.0-1.01-10. - Харьков: "Форт", 2010.256 с. 3. Вентиляторы шахтные главного проветривания. Технические условия: ГОСТ -11004-84 с дополнениями 01.01.1992. 4. Бугаев А.В. Исследование и разработка эффективного способа регулирования аэродинамических параметров подачи, статического давления и снижения энергопотребления шахтного радиального вентилятора главного проветривания /А.В.Бугаев// Проблеми експлуатації обладнання шахтних стаціонарних установок: Збірник наукових праць. - Донецьк: ВАТ "НДІГМ імені М.М.Федорова". - В. 102-103. - С. 190-199. 5. Кохан П.С. Енергозбереження на вугільних шахтах: досягнення і перспективи / П.С.Кохан // Уголь Украины.-2008. - № 8. - С. 17. 6. Энергосберегающий привод с компьютерной системой управления для главных вентиляторных установок шахт / В.В.Радченко, В.И.Шелепов, С.В. Малюк, И.И. Ныколышин // Уголь Украины.-2011. - № 8. - С. 27-33. 7. Вентиляторы главного проветривания и общешахтная вентиляция: контроль и управление / Ю.П. Жуков, В.Ф. Боронин, В.И. Бабырь, В.Н. Миронов // Уголь Украины.-2011. - № 12. - С. 23-27. 8. Грядущий Б.А., Антонов Э.И., Стешенко В.А. Современное состояние и пути дальнейшего развития главных водоотливных и вентиляторных установок шахт. Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Гірничо-електромеханічна. - Донецьк, 2011. Випуск 22 (195).- С. 60-65. 9. Бабак Г.А. Аэродинамические характеристики вентиляторного агрегата. - Уголь Украины, 1985. - № 4. - С. 29-30. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Спосіб забезпечення енергоефективності шахтної вентиляторної установки головного провітрювання з радіальними вентиляторними агрегатами, які працюють на шахтну вентиляційну мережу і містять ротор з робочим колесом на головному валу та підшипники, зубчасту муфту, встановлену на кінці вала, що з'єднує ротор з електродвигуном, що приводить в обертання ротор у спіральному корпусі, на вході якого змонтований осьовий напрямний апарат, а до колеса повітря підводиться за допомогою вхідного патрубка, який відрізняється тим, що при зміні параметрів кількості повітря і депресії вентиляційної мережі шахти в процесі її роботи, спеціальною системою керування здійснюють автоматичну оцінку її параметрів і забезпечують реалізацію оптимального режиму роботи вентиляторної установки за допомогою регульованого електроприводу й осьового напрямного апарата (апаратів). 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що забезпечують необхідний і оптимальний режим роботи з виведенням за допомогою спеціальної системи необхідних даних на диспетчерський пульт шахти й моніторизацію процесу провітрювання шахтної вентиляційної мережі. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що за допомогою системи керування регульованого електроприводу й осьових напрямних апаратів одночасно виконують функції контролю енергоефективності провітрювання шахти й прийняття обґрунтованих технічних рішень. 4. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що забезпечення енергоефективності вентиляторної установки з радіальними вентиляторними агрегатами досягають забезпеченням вибору 4 UA 84249 U 5 необхідних робочих параметрів і оптимального режиму її роботи шляхом застосування системи автоматичного керування комбінованої електромеханічної системи з застосуванням сучасного регульованого електроприводу та регульованого осьового напрямного апарата (або апаратів для двосторонніх радіальних вентиляторів), які забезпечують величини статичних середньозважених к.к.д. вентиляторних агрегатів у межах s max  0,75  0,8 . 5 UA 84249 U Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6