СИСТЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ ГЛАВНОЙ ВЕНТИЛЯТОРНОЙ УСТАНОВКИ
SYSTEM OF AUTOMATION OF THE MAIN FAN INSTALLATION

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано на подземных горнодобывающих предприятиях в нормальном режиме энергосберегающего проветривания и при возникновении нештатной ситуации, например при возникновении пожара в подземных горных выработках.
Для энергосберегающего режима проветривания достаточно давно предлагается применять частичное повторное использование воздуха, исходящего из подземного горнодобывающего предприятия (ПГДП) - рециркуляцию воздуха [1, 2, 3 и др.]. В данных статьях предлагаются формулы для расчета допустимого объема рециркуляционного воздуха в зависимости от газового состава исходящего воздуха. Отсутствие высокоточных датчиков и средств автоматизации не позволяли выполнять рециркуляцию в заданном режиме [4].
Кроме того, неизвестна в уровне техники система автоматизации, предназначенная для регулирования системы рециркуляции при аварийном режиме проветривания (например, при пожаре в подземных горных выработках), при реверсии струи. В этом случае исходящие дымовые газы, пока не произошел реверс струи воздуха, начнут попадать на свежую струю. Проблемой при реверсии является наличие в ПГДП выработанных пространств, которые начинают при данном процессе играть роль источников тяги [5]. В этом случае смены направления потока воздуха - основной задачи реверсии - не происходит долгое время.
Известна система управления проветриванием подземных рудников [6], включающая блоки управления главной вентиляторной установкой, рециркуляционной установкой, средствами отрицательного регулирования (СОР), выполненными в виде автоматических вентиляционных дверей (АВД).
Недостатки известной системы следующие:
1. Расчеты, основные формулы, определяющие работу системы автоматизации и исследования на экспериментальной установке проводились без учета влияния выработанных пространств на процесс проветривания. В этом случае, при возникновении пожара в подземных выработках, когда необходимо осуществлять реверс ГВУ, невозможно управлять процессом проветривания и не предусмотрены способы борьбы с подачей дымовых газов на свежую струю рециркуляционной установкой.
2. Для регулирования потоками воздуха используется СОР в виде АВД, расположенных в главных вентиляционных выработках, т.е. практически на входе ГВУ. В этом случае закрытие АВД будет увеличивать аэродинамическое сопротивление сети, на которую работает ГВУ. В нормальном режиме проветривания наличие АВД будет вызывать перерасход электроэнергии на работу ГВУ, а расположение их в главных вентиляционных выработках делает процесс реверсии при возникновении пожара опасным.
3. При разработке системы управления ГВУ не учитывается влияние естественной тяги (тепловой депрессии), которая оказывает существенное влияние на процесс проветривания.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является система автоматизации главной вентиляторной установки [7]. Система включает микроконтроллерный блок (МКБ), связанный с датчиками контроля параметров воздуха, участвующего в процессе проветривания, калориферные установки с возможностью изменения их теплопроизводительности, а также задающее устройство электропривода ГВУ. Датчиками контроля параметров воздуха служат датчики температуры и давления либо плотномеры, а также датчики расхода воздуха, причем указанные датчики установлены в околоствольных дворах воздухоподающих стволов шахты, месте пересечения главных вентиляционных выработок с вентиляционным стволом, канале ГВУ, калориферных каналах шахты и связаны с МКБ интерфейсами связи. МКБ включает первый модуль ввода, связанный с датчиками температуры и давления, первый модуль вывода, соединенный с задающим устройством электропривода ГВУ, а также второй модуль ввода, связанный с датчиками расхода воздуха, второй модуль вывода, соединенный с механизмами изменения теплопроизводительности калориферных установок. МКБ выполнен с возможностью опроса датчиков, расчета средней плотности столбов воздуха в воздухоподающих и вентиляционном стволах шахты, абсолютного значения тепловых депрессий, действующих между стволами шахты и общешахтной естественной тяги, а также подачи управляющих команд на задающее устройство электропривода ГВУ и механизмы изменения теплопроизводительности калориферных установок. Данная система принята за прототип.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - микроконтроллерный блок, связанный с датчиками расхода воздуха, давления и температуры, установленными в главных вентиляционных выработках, калориферном канале, околоствольном дворе воздухоподающего ствола и канале главной вентиляторной установки; устройство управления главной вентиляторной установкой и устройство управления шахтной калориферной установкой соединены с микроконтроллерным блоком; микроконтроллерный блок выполнен с возможностью обработки информации, поступающей с датчиков расхода воздуха, давления, температуры и выдачи управляющих сигналов на устройство управления главной вентиляторной установкой и устройство управления шахтной калориферной установкой в зависимости от абсолютного значения тепловых депрессий, действующих между стволами шахты и общешахтной естественной тяги.
Недостатки известной системы, принятой за прототип, следующие:
1. Система автоматизации позволяет осуществлять энергосбережение при проветривании только за счет естественной тяги (тепловой депрессии).
2. Система автоматизации предполагает регулирование режимами работы ГВУ только в холодное время года.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая система, заключается в повышении эффективности проветривания подземного горнодобывающего предприятия в холодное и теплое времена года и обеспечении условий безопасности в случае возникновения нештатной ситуации, при которой возможно определить необходимость реверса струи воздуха и в случае реверсирования воздушной струи управлять системой с учетом влияния выработанных пространств на процесс проветривания.
Указанный технический результат достигается тем, что в известной системе автоматизации главной вентиляторной установки подземного горнодобывающего предприятия, включающей микроконтроллерный блок, связанный с датчиками расхода воздуха, давления и температуры, установленными в главных вентиляционных выработках, калориферном канале, околоствольном дворе воздухоподающего ствола и канале главной вентиляторной установки, устройство управления главной вентиляторной установкой и устройство управления шахтной калориферной установкой, соединенные с микроконтроллерным блоком, выполненным с возможностью обработки информации, поступающей с датчиков расхода воздуха, давления, температуры, и выдачи управляющих сигналов на устройство управления главной вентиляторной установкой и устройство управления шахтной калориферной установкой в зависимости от абсолютного значения тепловых депрессий, действующих между стволами шахты и общешахтной естественной тяги, согласно изобретению на подземном горнодобывающем предприятии установлена рециркуляционная установка с возможностью изменения ее производительности, а также включения и полного отключения, оборудованная устройством управления, в выработках главных направлений размещены установки для перекрытия выработки с возможностью частичного и полного перекрытия пути для воздушного потока, но с возможностью прохода через нее людей, оборудованные устройствами управления, в выработках главных направлений и на выходе рециркуляционной установки установлены датчики расхода и состава воздуха, в главных вентиляционных выработках установлены датчики состава воздуха, при этом указанные датчики, устройство управления рециркуляционной установкой и устройства управления установками для перекрытия выработки соединены с микроконтроллерным блоком, выполненным с возможностью обработки информации, поступающей с датчиков расхода и состава воздуха, давления и температуры, выдачи управляющих сигналов на устройство управления рециркуляционной установкой, устройство управления главной вентиляторной установкой в зависимости от показаний указанных датчиков, а также на устройство управления шахтной калориферной установкой в зависимости от температуры наружного воздуха и выдачи сигнала в случае превышения предельно допустимой концентрации газов в воздухе, а в случае возникновения нештатной ситуации микроконтроллерный блок выполнен с возможностью определения необходимости реверса воздушной струи в зависимости от категории и места возникновения аварии и выдачи сигнала аварийной сигнализации, при этом в случае реверса воздушной струи микроконтроллерный блок выполнен с возможностью выдачи управляющих сигналов на устройство управления главной вентиляторной установкой, устройства управления установками для перекрытия выработки и устройство управления рециркуляционной установкой в зависимости показаний датчиков расхода и состава воздуха.
Кроме того, микроконтроллерный блок выполнен с возможностью выдачи управляющего сигнала на устройство управления шахтной калориферной установкой для ее перевода в реверсивный режим в случае реверса воздушной струи.
Кроме того, на подземном горнодобывающем предприятии установлена подземная вспомогательная вентиляторная установка, оборудованная устройством управления, соединенным с микроконтроллерным блоком, работающая вместо или совместно с главной вентиляторной установкой как в нормальном, так и в реверсивном режимах.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа - установка рециркуляционной установки с возможностью изменения ее производительности, а также включения и полного отключения, оборудованная устройством управления; в выработках главных направлений размещены установки для перекрытия выработки с возможностью частичного и полного перекрытия пути для воздушного потока, но с возможностью прохода через нее людей, оборудованные устройствами управления; в выработках главных направлений и на выходе рециркуляционной установки установлены датчики расхода и состава воздуха; в главных вентиляционных выработках установлены датчики состава воздуха; указанные датчики расхода и состава связаны с микроконтроллерным блоком; устройство управления рециркуляционной установкой и устройства управления установками для перекрытия выработки соединены с микроконтроллерным блоком; микроконтроллерный блок выполнен с возможностью обработки информации, поступающей с датчиков расхода и состава воздуха, давления и температуры, выдачи управляющих сигналов на устройство управления рециркуляционной установкой, устройство управления главной вентиляторной установкой в зависимости от показаний указанных датчиков, а также на устройство управления шахтной калориферной установкой в зависимости от температуры наружного воздуха и выдачи сигнала в случае превышения предельно допустимой концентрации газов в воздухе; в случае возникновения нештатной ситуации микроконтроллерный блок выполнен с возможностью определения необходимости реверса воздушной струи в зависимости от категории и места возникновения аварии и выдачи сигнала аварийной сигнализации; в случае реверса воздушной струи микроконтроллерный блок выполнен с возможностью выдачи управляющих сигналов на устройство управления главной вентиляторной установкой, устройства управления установками для перекрытия выработки и устройство управления рециркуляционной установкой в зависимости от показаний датчиков расхода и состава воздуха; микроконтроллерный блок выполнен с возможностью выдачи управляющего сигнала на устройство управления шахтной калориферной установкой для ее перевода в реверсивный режим в случае реверса воздушной струи; на подземном горнодобывающем предприятии установлена подземная вспомогательная вентиляторная установка, оборудованная устройством управления, соединенным с микроконтроллерным блоком, работающая вместо или совместно с главной вентиляторной установкой как в нормальном, так и в реверсивном режимах.
Наличие рециркуляционной установки с возможностью изменения ее производительности позволяет снижать производительность главной вентиляторной установки и учитывать действие естественной тяги т.е. осуществлять проветривание в энергосберегающем режиме как в холодное, так и теплое времена года.
Наличие установок для перекрытия выработки, размещенных в выработках главных направлений с возможностью частичного и полного перекрытия пути для воздушного потока, но с возможностью прохода через нее людей, позволяет обеспечить снижение времени на смену направления струи воздуха при возникновении нештатной ситуации за счет снижения влияния выработанных пространств.
Наличие датчиков состава воздуха, установленных в главных вентиляционных выработках и датчиков расхода и состава воздуха, установленных в выработках главных направлений и на выходе рециркуляционной установки, позволяет контролировать объем рециркуляционного воздуха и его физико-химический состав.
Микроконтроллерный блок, выполненный с возможностью обработки информации, поступающей с датчиков расхода и состава воздуха, давления и температуры, и выдачи управляющих сигналов на устройства управления рециркуляционной установкой, главной вентиляторной установкой и в холодное время года шахтной калориферной установки, позволяет регулировать режимы работы главной вентиляторной установкой, рециркуляционной установки и шахтной калориферной установки в зависимости от показаний указанных датчиков, поддерживая параметры объема и состава воздуха в допустимых рамках, что повышает энергоэффективность проветривания системы.
Микроконтроллерный блок, выполненный с возможностью определения необходимости реверса воздушной струи в зависимости от категории и места возникновения аварии и выдачи сигнала аварийной сигнализации, позволяет предотвратить распространение дымовых газов, например, при возникновении пожара в главных вентиляционных выработках или вентиляционном стволе.
В случае реверса воздушной струи микроконтроллерный блок имеет возможность выдавать управляющие сигналы на устройства управления главной вентиляторной установкой, установками для перекрытия выработки и рециркуляционной установкой для изменения режимов их работы. В результате обеспечивается снижение времени на смену направления струи воздуха при возникновении нештатной ситуации за счет снижения влияния выработанных пространств.
Микроконтроллерный блок, выполненный с возможностью выдачи управляющей команды на устройство управления шахтной калориферной установкой для ее перевода в реверсивный режим в случае реверса воздушной струи, способствует снижению времени для смены направления движения воздуха в воздухоподающих стволах.
Отличительные признаки в совокупности с известными позволят повысить эффективность проветривания подземного горнодобывающего предприятия в холодное и теплое времена года и обеспечить условия безопасности в случае возникновения нештатной ситуации, при которой возможно определить необходимость реверса струи воздуха и в случае реверсирования воздушной струи управлять системой с учетом влияния выработанных пространств на процесс проветривания.
Сущность изобретения поясняется чертежами, представленными на фиг. 1-4.
На фиг. 1 представлена упрощенная схема проветривания подземного горнодобывающего предприятия.
На фиг. 2 - воздухоподающий ствол.
На фиг. 3 - вентиляционный ствол.
На фиг. 4 - структурная схема автоматизации.
Система автоматизации главной вентиляторной установки подземного горнодобывающего предприятия включает главную вентиляторную установку (ГВУ) 1, расположенную на вентиляционном стволе 2, оборудованную устройством управления 3. ГВУ 1 выполнена с возможностью реверсирования потока воздуха, для этого в поверхностном комплексе 4 ГВУ 1 расположены регулирующие устройства, например ляд (на чертеже не показаны). На поверхности установлена для подогрева, поступающего в подземное горнодобывающее предприятие воздуха шахтная калориферная установка 5, состоящая из нагнетательного вентилятора 6 и теплообменника 7. Шахтная калориферная установка 5 оборудована устройством управления 8. На подземном горнодобывающем предприятии установлена рециркуляционная установка 9 с возможностью изменения ее производительности, а также включения и полного отключения, оборудованная устройством управления 10. В выработках главных направлений 11 размещены установки для перекрытия выработки 12 с возможностью частичного и полного перекрытия пути для воздушного потока, но с возможностью прохода через нее людей, оборудованные устройствами управления 13.
Устройство управления 3 ГВУ 1, устройство управления 8 шахтной калориферной установкой 5, устройство управления 10 рециркуляционной установкой 9 и устройства управления 13 установками для перекрытия выработки 12 соединены с микроконтроллерным блоком 14.
В главных вентиляционных выработках 15 установлены датчики расхода воздуха 16, состава воздуха 17, давления и температуры 18. В выработках главных направлений 11 установлены датчики расхода воздуха 19, состава воздуха 20. На выходе рециркуляционной установки 9 установлены датчики расхода воздуха 21, состава воздуха 22. В калориферном канале 23 установлены датчики расхода воздуха 24, давления и температуры 25. В околоствольном дворе 26 воздухоподающего ствола 27 установлены датчики расхода воздуха 28, давления и температуры 29. В канале 30 ГВУ1 установлены датчики расхода воздуха 31, давления 32 и температуры 33. В поверхностном комплексе 4 ГВУ 1 установлен датчик давления 34.
Микроконтроллерный блок 14 связан с датчиками 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 24, 25, 28, 29, 31, 32, 33, 34.
Микроконтроллерный блок 14 выполнен с возможностью обработки информации, поступающей с датчиков расхода 16, 19, 21, 24, 28, 31 и состава воздуха 17, 20, 22, давления и температуры 18, 25, 29, 32, 33, 34, и выдачи управляющих сигналов на устройство управления 10 рециркуляционной установкой 9, устройство управления 3 ГВУ 1 и устройство управления 8 шахтной калориферной установки 5 в зависимости от показаний указанных датчиков, температуры наружного воздуха и абсолютного значения тепловых депрессий, действующих между стволами ПГДП и общешахтной естественной тяги.
При превышении предельно допустимой концентрации (ПДК) газов в воздухе микроконтроллерный блок 14 имеет возможность подавать сигнал о превышении газов в воздухе.
В случае возникновения нештатной ситуации микроконтроллерный блок 14 выполнен с возможностью определения необходимости реверса воздушной струи в зависимости от категории и места возникновения аварии и выдачи сигнала аварийной сигнализации.
В случае реверса воздушной струи микроконтроллерный блок 14 выполнен с возможностью выдачи управляющих сигналов на устройство управления 3 ГВУ 1, устройства управления 13 установками для перекрытия выработки 12 и устройство управления 10 рециркуляционной установкой 9 для изменения режимов их работы и показаний датчиков расхода 16, 19, 21, 24, 28, 31 и состава воздуха 17, 20, 22.
Микроконтроллерный блок 14 может быть выполнен с возможностью выдачи управляющих команд на устройство управления 8 теплопроизводительностью шахтной калориферной установке 5 для ее перевода в реверсивный режим в случае реверса воздушной струи.
На подземном горнодобывающем предприятии может быть установлена подземная вспомогательная вентиляторная установка (на чертеже не показана), оборудованная устройством управления, соединенным с микроконтроллерным блоком 14, работающая вместо или совместно с ГВУ 1, как в нормальном, так и в реверсивном режимах.
На чертежах позицией 35 обозначен наружный воздух; 36 - воздух, выдаваемый по вентиляционному стволу 2; 37 - добычной участок; 38 - рециркулируемая часть воздуха 36.
Система автоматизации работает следующим образом.
2
4
2
2
В нормальном режиме проветривания наружный воздух 35 подается в подземное горнодобывающее предприятие (ПГДП) по одному или нескольким воздухоподающим стволам 27 за счет разрежения создаваемого главной вентиляторной установкой (ГВУ) 1, расположенной на вентиляционном стволе 2, предназначенном для выдачи воздуха 36 из ПГДП. Наружный воздух 35 по выработкам главных направлений 11 поступает в добычные участки 37, в которых ведутся горные работы. Часть 38 выдаваемого из ПГДП воздуха 36 рециркуляционной установкой 9 подается к поступающей из воздухоподающих стволов 27 струе воздуха 35. При этом в автоматизированном режиме контролируется объем рециркуляционного воздуха 38 и его физико-химический состав. С этой целью в главных вентиляционных выработках 15 устанавливают датчики расхода воздуха 16 и датчики состава воздуха 17, определяющие концентрацию СО, СО, СН, Н, HS и др. газов для заблаговременной выдачи сигнала при превышении ПДК газов в воздухе. Состав контролируемых в исходящем воздухе 36 и 38 газов выбирается конкретно для каждого ПГДП индивидуально. Также в главных вентиляционных выработках 15 устанавливают датчики давления, температуры (или плотномеры) 18. Датчики расхода 21 и состава 22 воздуха устанавливают на выходе рециркуляционной установки 9. Информация с датчиков 21 и 22 поступает на микроконтроллерный блок 14, в котором осуществляется обработка информации и выдача сигнала на устройство управления 10 рециркуляционной установкой 9. Управляющий сигнал с микроконтроллерного блока 14 подается на устройство управления 3 ГВУ 1 для поддержания подачи требуемого объема воздуха 35 в ПГДП. В холодное время года с микроконтроллерного блока 14 управляющий сигнал подается на устройство управления 8 ШКУ 5, состоящей из нагнетательного вентилятора 6 и теплообменника 7. В зависимости от температуры наружного воздуха в микроконтроллерном блоке 14 определяется производительность нагнетательных вентиляторов 6 и теплопроизводительность теплообменников 7. Производительность нагнетательных вентиляторов 6 и параметры воздуха определяются датчиками расхода 24, 28, температуры и давления (или плотномерами) 25, 29, расположенными в калориферном канале 23 и околоствольном дворе 26 воздухоподающего ствола 27. При изменении температуры и давления воздуха 35, поступающего по воздухоподающим стволам 27, изменяется естественная тяга (тепловая депрессия), действующая между воздухоподающими 27 и вентиляционным 2 стволами. С целью поддержания требуемой производительности ГВУ 1 в канале 30 расположен датчик расхода воздуха 31. Поддержание требуемого давления ГВУ 1 контролируется датчиками давления 32 и 34. Температура исходящего воздуха 36 контролируется датчиком температуры 33.
При возникновении нештатной ситуации, например при пожаре на ПГДП, в микроконтроллерном блоке 14 определяется необходимость реверса струи воздуха 36. В зависимости от категории аварии, информация о видах которой определяется после исследований соответствующими компетентными органами (в основном главным инженером ПГДП и командиром горноспасательной части) в период проведения плана ликвидации аварий, в памяти микроконтроллерного блока 14 записывается команда о ситуациях, при которых необходим перевод в реверсивный режим.
Реверс струи 36 производится при помощи регулирующих устройств, например ляд (не показаны), расположенных в поверхностном комплексе 4 ГВУ 1. При реверсе струи 36 (на фиг. 1 требуемое направление движения воздуха показано пунктирными линиями), для обеспечения смены направления струи воздуха 35, в воздухоподающих стволах 27 необходимо избавиться от влияния выработанных пространств на режим проветривания. Для этого в выработках главных направлений 11 размещены установки для перекрытия выработки (например, вентиляционные двери) 12, управляемые при помощи устройства управления 13, информация на которое приходит с микроконтроллерного блока 14. Установка 12 выполнена с возможностью частичного и полного перекрытия пути для воздушного потока, но с возможностью прохода через нее людей. При закрытии установки 12 проход воздуха через нее контролируется датчиком расхода воздуха 19 и его состава (по опасным газам) 20. Для уменьшения времени для смены направления движения воздуха 35 в воздухоподающих стволах 27 с микроконтроллерного блока 14 может быть подан сигнал на устройство управления 8 для включения (перевода) нагнетательных вентиляторов 6 ШКУ 5 в реверсивный режим. Микроконтроллерный блок 14 регулирует режим работы ГВУ 1 и рециркуляционной установки 9 устройствами управления 3 и 10. При смене направления движения воздуха 35 в воздухоподающих стволах 27 с микроконтроллерного блока 14 подается сигнал на устройство управления 13 для постепенного открытия установок 12. Контроль за обеспечением требуемого направления воздуха (показано пунктирными линиями) осуществляется датчиками расхода воздуха 19, а концентрация в нем опасных газов - датчиком 20. Установки 12 полностью открываются при полной смене направления воздуха в ПГДП. При этом рециркуляционная установка 9 отключается.
При наличии на ПГДП подземных вспомогательных вентиляторных установок (ПВВУ) их работа также должна регулироваться микроконтроллерным блоком 14 за счет устройств управления (на чертеже не показаны). Режим работы ПВВУ согласуется при составлении плана ликвидации аварий.
Преимущество изобретения состоит в том, что оно позволяет повысить эффективность проветривания подземного горнодобывающего предприятия в холодное и теплое времена года за счет рециркуляции воздуха и обеспечить условия безопасности в случае возникновения нештатной ситуации, при которой возможно определить необходимость реверса струи воздуха и в случае реверсирования воздушной струи управлять системой с учетом влияния выработанных пространств на процесс проветривания.
Источники информации
1. Мохирев Н.Н. Использование рециркуляции воздуха при проветривании калийных рудников // Известия вузов. Горный журнал, 1987. №9. С. 47-51.
2. Файнбург Г.З. Фоминых В.И. О расчете проветривания вентиляционных сетей добычного участка в режиме рециркуляции // Разработка соляных месторождений. Пермь, 1980. С. 60-64.
3. Красноштейн А.Е., Файнбург Г.З. Расчет газовой динамики при рециркуляционном проветривании добычного участка // Вентиляция шахт и рудников. Л., 1978. Вып. 5. С. 26-32.
4. Aldred R., Sproston J.H., Pearce R.J. Air-conditioning and recirculation of mine air in North Nottinghamshire // Mining Engineer. 1984. Vol. 143. N273. P. 601-607.
5. Постникова М.Ю. Влияние выработанных пространств на аэрогазодинамические процессы при аварийных режимах вентиляции рудников: дисс. … канд. техн. наук. Тула, 2010. 191 с.
6. Круглов Ю.В. Теоретические и технологические основы построения систем оптимального управления проветриванием подземных рудников: дисс. … докт. техн. наук. Пермь, 2012. 340 с.
7. Николаев А.В., Алыменко Н.И., Седунин A.M. Система автоматизации главной вентиляторной установки: патент №131083 от 10.08.2013, Бюл. №22.