Маер АА Диагностика водоотливной установки Автореферат
ДонНТУ > Портал магистров ДонНТУ > Главная страница                                                                     ENG
Библиотека | Ссылки | Отчет о поиске | Расширяем кругозор
Магистр ДонНТУ Маер Анна Александровна

Автореферат по теме:

"Исследование системы автоматической диагностики главной водоотливной установки"

Составила: Маер А.А.

Факультет:Энергомеханики и автоматизации

Специальность: Автоматизированное управление технологическими процессами и производством

ВВЕДЕНИЕ

     Шахтные водоотливные установки выполняют весьма ответственную задачу — предотвращают заполнение горных выработок подземными водами, что предъявляет очень высокие требования к надежности этих установок. Кроме того, водоотлив — одна из самых энергоемких установок шахты, и поэтому здесь важна экономия в использованиии оборудования с минимальными затратами электроэнергии.

     Вода выводится из горных выработок шахты безнапорными потоками - самотечным водоотливом, и напорным - по трубопроводам насосными установками. Самотечный водоотлив осуществляется по канавкам, проведенным по грунту выработок, геометрический наклон которых равняется необходимому гидравлическому. Напорный водоотлив осуществляется водоотливными установками, в состав которых входят насос, привод-электродвигатель, подводящий (всасывающий) и напорный (нагнетательный) трубопроводы с напорной арматурой. Водоотливные установки делятся на участковые и главные. Участковые установки перекачивают воду от забоев к водосборнику главной водоотливной установки и включаются по мере необходимости откачки воды. Основной является главная, которая откачивает воду на поверхность шахты. На рисунке1 представлена гидравлическая схема работы насосного агрегата при откачке воды из водосборного колодца.


Рисунок 1 – Гидравлическая схема работы насосного агрегата при откачке воды из водосборного колодца

     Опыт эксплуатации главной водоотливной установки шахты показал, что насосная установка работает недостаточно эффективно - существует перерасход электроэнергии, выход из строя элементов насосов, подтопление выработок. Экономическая и надежная работа водоотливной установки большей частью определяется фактическим режимом работы насоса, который в процессе эксплуатации постоянно изменяется в результате повышенного износа оборудования при перекачке вод с включением твердого, кислых вод, "зарастании" элементов трубопроводной сети. Поэтому необходим постоянный автоматический контроль рабочих параметров и режимов работы насосных агрегатов.

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ

     Работа главной водоотливной установки характеризуется шестью механическими характеристиками, четыре из которых являются индивидуальными характеристиками насоса (кривые давления, КПД, мощности и кавитации) и две - характеристики подводящего и нагнетательного трубопроводов. Любая из перечисленных характеристик может изменятся в зависимости от технологических и эксплуатационных условий на водоотливе. Исследованиями эксплуатации насосов главной водоотливной установки установлено, что при автоматизации последних, кроме обеспечения их работы в зоне промышленного использования, необходимо осуществлять контроль и диагностику рабочих режимов водоотливной установки вцелом [2,4,5]. При разработке устройства контроля рабочих режимов водоотливной установки необходимо учитывать наибольшее число параметров, часть из которых изменяется неоднозначно, а прямое инструментальное измерение которых или затруднено, или невозможно. В этих случаях приходится использовать косвенные методы контроля таких параметров.

     Характеристика насоса в процессе эксплуатации может изменяться по разным причинам: подсасывание воздуха в подводящем трубопроводе, износ уплотнений на рабочих колесах, забивке всасывающего сечения рабочего колеса инородыми телами, увеличения сопротивления подводящего трубопровода и т.п. Однако какой бы не была причина изменения характеристики насоса, эффект во всех случаях обнаруживается одинаковый - напор насоса в зоне промышленного использования. Отклонение напорной характеристики сети от расчетной также может быть вызвано разными причинами. В одних случаях это ведет к росту сопротивления сети (не целиком открытая задвижка на нагнетании, уменьшилось проходное сечение трубопровода вследствие коррозии, заиления, неполное открытие обратного клапана на нагнетании), в других - к снижению сопротивления (не целиком закрытая коммутационная задвижка на напорном коллекторе, нарушение герметичности нагнетательного трубопровода, не целиком закрытая задвижка на всасывающем трубопроводе). При этом изменяется подача насоса, напор, расход воды в выходном сечении нагнетательного трубопровода, потребляемая мощность, возникает явление кавитации в подводящем трубопроводе и в самом насосе.

     Кавитацию сопровождает ряд нежелательных явлений:

     - эрозия материала стенок – образовавшиеся пузырьки пара, попадая в область повышенных давлений, мгновенно конденсируются, при смыкании окружающие пузырек частицы жидкости движутся ускоренно к центру пузырька, и при полном исчезновении пузырька эти частицы сталкиваются, создавая мгновенное местное повышение давления, которое может достигать больших значений. Такие давления на рабочих поверхностях каналов колеса приводят к сильным ударам, выщерблению, разъеданию материалов стенок.

     - повышение вибрации, которая приводит к быстрому изнашиванию подшипников;

     - быстрая коррозия рабочих органов насоса при выделении паров химически активной жидкости;

     - сужение проходного сечения подводящих каналов и полный срыв работы насосов при активном холодном кипении, что связано с выделением растворенных газов, в том числе и воздуха, из жидкости при прохождении ею области вакуума [1].

     Основным средством предупреждения кавитации, обеспечивающим нормальную работу насосных агрегатов в шахтных условиях, является правильный выбор высоты всасывания (Hвс) [2] и регулирование подачи насоса.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

     Применяемая в данное время на шахте аппаратура автоматизации типа ВАВ.1М не обеспечивает в полной мере контроль всех параметров водоотливной установки, поэтому необходимым являтся разработка и применение дополнительных блоков защиты от кавитации подводящего трубопровода и самого насоса. Данные блоки защиты будут обеспечивать измерение, контроль и сравнение с уставками рабочих параметров насоса и сети для поддержания оптимального режима работы водоотливной установки. Соблюдение установленных режимов позволит улучшить показатели надежности и экономичности насосных агрегатов.

     В результате проведения инженерных исследований, было установлено, что для расчета уставок управления в гидравлике не существует определенных зависимостей. В данной работе я предлагаю использовать метод наименьших квадратов для нахождения эмпирических зависимостей, которые и могут быть в дальнейшем использованы для расчета утсавок управления.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ

     В ходе проведения научно-исследовательской работы планируется создать автоматизированную систему диагностики главной водоотливной установки, которая позволит эффективно выполнять сбор и анализ информации, а также контролировать и регулировать рабочие режимы насосных агрегатов и электродвигателей с короткозамкнутым ротором. Разработка новой системы диагностики позволит получить экономический эффект за счет использования новой элементной базы и микроконтроллеров для обработки информации и выдачи ее на дисплей диспетчеру.

ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

     Для автоматизации водоотливных установок в настоящее время в производстве принята только аппаратура типа ВАВ.1М. Аппаратура ВАВ.1М предназначена для автоматического дистанционного и местного управления главными высоковольтными, низковольтными водоотливными установками, а также автоматического и местного управления одиночными водоотливными установками шахт, опасных по газу и пыли. Аппаратура взрывобезопасная.

     В зависимости от условий применения и комплектности аппаратура изготовляется в трех модификациях: ВАВ.1М, ВАВ.2.1М, ВАВ.3.1М. Аппаратура ВАВ.1.1М применяется для автоматизации низкоковольтного водоотлива. Аппаратура ВАВ.2.1М применяется для автоматизации высоковольтного водоотлива с одной управляемой задвижкой. Аппаратура ВАВ.3.1М применяется для автоматизации высоковольтного водоотлива с двумя управляемыми задвижками.

     Аппаратура ВАВ.1М обеспечивает:

     - автоматическое управление работой насосных агрегатов в функции уровня воды;

     - дистанционное и местное ручное управление работой насосных агрегатов;

     - в случае отказа рабочего насоса автоматическое включение резервного;

     - очередность работы насосов;

     - последовательность запуска и остановки насосов при их параллельной работе;

     - запрет включения в работу сломанного насоса;

     - коррекцию графика работы насоса с целью создания естественных условий его невключение в период максимальной нагрузки энергосистемы;

     - учет времени работы насосных агрегатов;

     - отображение сигналов на табло диспетчера об уровне воды в водосборнике, работе насосов, отказа и видов неисправности в работе установки, времени периодов максимальной нагрузки энергосистемы.

     Размещение датчиков и оборудования на водоотливной установке можно посмотреть более подробно в "Библиотеке".

     Аварийный режим характеризуется определением отклонений от нормального режима работы водоотливной установки с целью избежания отрицательных явлений и возвращением технологического процесса водоотлива к рабочему режиму. К аварийному режиму могут привести ряд обстоятельств: перегрев подшипников насоса или приводного электродвигателя, снижение производительности насоса, снижение давления в трубопроводе, кавитационных режимов, достижение водой аварийного уровня в водосборнике. В этих случаях, кроме последнего, насосный агрегат отключается и к работе вступает резервный.

     Аварийный режим может возникнуть и в процессе пуска. Если после включения приводного электродвигателя в сеть насос не развивает номинального давления или номинальной подачи, то задвижка закрывается и электродвигатель отключается от сети, после чего производится запуск второго насосного агрегата.

     Если процесс откачивания воды идет нормально, то уровень воды снижается к контролируемому нижнему уровню. При его достижении надо закрыть задвижку и отключить насосный агрегат.

     Оптимальный режим работы насосов шахтного водоотлива характеризуется определенными значениями давления на входе и выходе, подачи и т.д. Соблюдение установленных режимов разрешает улучшить показатели надежности и экономичности насосных агрегатов. Измерение и контроль их параметров могут быть обеспечены только специальными автоматическими устройствами.

     Автоматизированная водоотливная установка функционирует без постоянного присутствия обслуживающего персонала. Схемой предусмотрено два вида управления, автоматическое и ручное. Схема также обеспечивает автоматическое включение насосных агрегатов при достижении водой установленного верхнего или аварийного уровня. Отключение насосных агрегатов осуществляется автоматически после откачки воды до нижнего уровня.

     Функциональная схема аппаратуры ВАВ.1М изображена на рисунке 2, на схеме передача сигналов включения насоса показана сплошными линиями, выключения – штриховыми, а передача сигналов диспетчеру – штрихпунктирными.

Функциональная схема ВАВ.1М
Рисунок 2 – Функциональная схема ВАВ.1М

НЕРЕШЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ

     Данные, полученные в результате длительных наблюдений за работой водоотливных установок на основании вахтенных журналов и их статистичнской обработке, а также анализ проведенных ревизий, позволили определить наиболее характерные недостатки в работе установок и наметить пути их устранения.

     Отмечено большое число отключений и сбросов нагрузки при работе насосных агрегатов с положительной высатой всасывания, что объясняется подсосами воздуха, засорением обратных всасывающих клапанов и малой надежностью в работе разгрузочных устройств насосов, особенно при откачке загрязненных шахтных вод.

     Для цепей управления и защит необходимо применять стабилизаторы напряжения, чтобы не допустить пробои изоляции в аппаратуре при повышении напряжения в подземных электрических сетях.

     Невысокую наработку на отказ показали в эксплуатации управляемые задвижки из-за перегорания обмоток двигателей и недостаточно надежной работы конечных выключателей [5].

     Отмеченные выше недостатки требуют дальнейшего совершенсвования схем, переход на новую элементную базу с использованием микропроцессорной техники.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

     Целью данных инженерных исследований является нахождение эмпирической зависимости Hвс.

     Подводящий трубопровод описывается уравнением (1):

Уравнение подводящего трубопровода

     Уравнение кавитационной характеристики имеет вид (2):

Уравнение кавитационной характеристики

     Регулирование работы насоса и уход от кавитации осуществляется путем изменения подачи насоса и высоты всасывания. Однако известно, что диапазон изменения подачи строго индивидуален для каждого насоса. В данной работе мы будем основываться на характеристике насоса типа ЦНС-300-120/600, который широко применяется на водоотливных установках шахт. Подачу данного насоса можно изменять в пределах 200-400 м3/ч. Глубину шахты примем равной 560 м, а диаметр подводящего трубопровода – 0,31 м.

     Путем совместного решения уравнений (1) и (2) относительно Hвс и подставляя значения, известные в гидравлике, получим (3):

Уравнение высоты всасывания

     где k – коэффициент кавитационного запаса, k=1,25;

     – коэффициент Дарси , рассчитанный по формуле Шевелева (4) при скорости потока в подводящем трубопроводе V1,2 м/с:

Формула Шевелева

     При V<1,2 м/с значение получается путем умножения формулы (4) на поправочный коэффициент k1, представленный эмпирической формулой (5):

Поправочный коэффициент k1

     Среднеквадратическая погрешность вычисления k1 по формуле (5) в диапазоне изменения скорости потока V=0,2-1,2 м/с составляет

     – критический кавитационный запас, рассчитываемый по формуле Руднева (6):

Формула Руднева

     где n – частота вращения рабочего колеса насоса ЦНС-300-120/600, n=1475 мин-1;

     c – кавитационный запас быстроходности насоса (7):

Кавитационный запас быстроходности насоса

     Удельная быстроходность насоса рассчитывается по формуле (8):

Удельная быстроходность

     Qн=300 м3/ч и Hн=60 м – соответственно подача и напор, развиваемые первой ступенью насоса в номинальном режиме;

     Подставив значения в формулы (7) и (8) получим c=753,6 мин-1.

     Изменяя значения подачи от 0 до 400 м3/ч, получаем зависимость Hвс=f(Q), приведенную на рис.3.

     После обработки графика Hвс=f(Q) методом наименьших квадратов получаем эмпирическую зависимость вида (9):

Эмпирическая зависимость

     Среднеквадратическая погрешность вычисления Hвс.р. по формуле (9) в диапазоне изменения подачи насоса Q=0-400 м3/ч составляет 5,65%. Так как нас интересует рабочий диапазон изменения подачи насоса ЦНС-300-120/600 в пределах 200-400 м3/ч, где среднеквадратическая погрешность составляет 5,02%, считаем, что данная погрешность допустима.

     Расчеты по вышеуказанным формулам представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Нахождение эмпирической зависимости методом наименьших квадратов.
Таблица нахождение эмпирической зависимости методом наименьших квадратов

     В данной таблице коэффициенты А, a и b рассчитываются соответственно по формулам (10), (11) и (12):

Расчет коэффициента A

Расчет коэффициента a

Расчет коэффициента b

     Зависимость Hвс.р=f(Q) представлена на рисунке 3.

График зависимостей расчетной высоты всасывания и эксплуатационной
Рисунок 3 – График зависимостей расчетной высоты всасывания по формуле (9) Hвс.р=f(Q) и эксплуатационной по формуле (3) Hвс=f(Q).

     Таким образом, полученная эмпирическая зависимость (9) может быть в дальнейшем использована для расчета уставок управления при создании блока защиты от кавитации подводящего трубопровода водоотливной установки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

     Применяемая в настоящее время аппаратура управления главным водоотливом ВАВ.1М не достаточно надежно контролирует рабочие режимы насосов, что приводит к сниженню эффективности работы водоотлива. Установлено, что на изменение механических характеристик насосной установки в процессе эксплуатации влияет много факторов, однако не все они одинаково значимые. Ни один параметр не может быть принят в качестве единственного информационного сигнала, достаточного для реализации защиты без дополнительного учета других параметров. При реализации той или другой защиты следует принимать во внимание не менее двух наиболее значимых для конкретных условий параметров, а другие, менее значимые, следует исключить из рассмотрения.

     Таким образом, при дальнейшей работе над данной темой будет получена система автоматической диагностики, которая будет обеспечивать требуемую защиту и контроль рабочих параметров главной водоотливной установки.

     Обобщая опыт эксплуатации, необходимо отметить, что постоянная готовность к работе автоматизированных водоотливных установок может быть обеспечена при тщательном уходе, соблюдении сроков проведения ремонтов, ревизий насосного оборудования и своевременного технического обслуживания. Основой надежной работы аппаратуры является ее квалифицированное обслуживание.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

     1. Алексеев В.В., Рудничные насосные, вентиляторные и пневматические установки: Учебн. пособие.-М.: Недра, 1983 - 381с.

     2. Гейер В.Г., Тимошенко Г.М. Шахтные вентиляторные и водоотливные установки: Учеб. для вузов – М.: Недра, 1987 – 270 с.

     3. Толпежников Л.И., Автоматическое управление процессами шахт и рудников. М.: Недра, 1985 – 352 с.

     4. Шевчук С.П., Повышение эффективности водоотливных установок - К.: Техника, 1991. - 53 с.

     5. Попов В.М., Рудничные водоотливные установки. - 2-е. изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1983 - 304 с.


Библиотека | Ссылки | Отчет о поиске | Расширяем кругозор
ДонНТУ > Портал магистров ДонНТУ > Главная страница