Комбинированный энергосберегающий способ регулирования режима работы шахтной водоотливной установки

© Д.А. Боченков, В.В. Волков, Ю.П. Сташинов, 2009

Д.А. Боченков, В.В. Волков, Ю.П. Сташинов

КОМБИНИРОВАННЫЙ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕЖИМА РАБОТЫ ШАХТНОЙ ВОДООТЛИВНОЙ УСТАНОВКИ

Предложен способ регулирования режима работы шахтной водоотливной установки подводом воздуха на вход основного насосного агрегата с одновременной стабилизацией разрежения в точке подвода изменением частоты вращения рабочего колеса подкачивающего насоса. Способ обеспечивает широкий диапазон регулирования подачи, что подтверждено результатами экспериментальной проверки.

Ключевые слова: установка, шахтная, водоотливная, насос, подкачивающий, управление, напор, подача.

Главные водоотливные установки относятся к наиболее энергоемким объектам шахт и рудников. Поэтому разработка энергосберегающих методов регулирование режима их работы является актуальной научно-технической задачей.

Важной технологической особенностью таких установок является то, что насосный агрегат (или рабочая группа из нескольких агрегатов) должны в течение суток выдать на поверхность суточный приток воды, выполнив при этом определенный объем полезной работы независимо от режима работы. Поэтому снизить расход электроэнергии на откачку воды можно только при работе насосной установки с максимальным значением ее общего КПД (с минимальным удельным расходом энергии).

Как показывают расчеты, такой режим работы насосной установки в большинстве случаев соответствует подаче, на 8-18% меньшей номинальной подачи насоса и может быть обеспечен регулированием частоты вращения рабочих колес в узком диапазоне (0,9 -1 номинальной частоты вращения) с изменением напора в пределах доли напора, развиваемого одним рабочим колесом [1]. Однако применять для этой цели асинхронный частотнорегулируемый привод насосного агрегата проблематично из-за дороговизны высоковольтных преобразователей частоты большой мощности. В связи с этим было предложено осуществлять энергосберегающее регулирование режима работы водоотливной уста-

новки изменением частоты вращения рабочего колеса подкачивающего насоса при оборудовании его низковольтным асинхронным частотно-регулируе-мым приводом [1].

Учитывая, что диапазон регулирования при этом ограничен допустимым по условиям нормальной работы основного насосного агрегата разряжением на его входе и в ряде случаев может оказаться недостаточным, для расширения диапазона регулирования подачи предлагается комбинированный способ регулирования - дополнительным подводом воздуха на вход основного насосного агрегата с одновременной стабилизацией разрежения в точке подвода воздуха изменением частоты вращения рабочего колеса подкачивающего насоса.

Известен способ регулирования подачи насосного агрегата подводом воздуха на его вход через всасывающий трубопровод, расположенный ниже уровня откачиваемой воды, для обеспечения работы насосной установки на приток [2]. Воздух поступает в насос за счет разности давлений АР на поверхности воды и во всасывающем трубопроводе насоса в точке подвода. При уменьшении уровня воды в водосборнике вследствие снижения притока перепад давлений АР возрастает, что приводит к увеличению количества подаваемого в насос воздуха и, как следствие, к соответствующему снижению его подачи. Способ прост в технической реализации, однако не получил широкого применения на практике из-за сложности настройки на величину подачи, равную текущему притоку. Кроме того, он не позволяет обеспечить работу насосной установки с постоянным значением подачи, соответствующим работе насосной установки с максимальным КПД.

Предлагаемый комбинированный метод регулирования обеспечивает такую возможность за счет стабилизации разряжения в точке подвода воздуха, а, следовательно, и количества подаваемого в насос воздуха, путем соответствующего изменения частоты вращения привода подкачивающего насоса. При этом расширяется диапазон регулирования подачи насосной установки с сохранением устойчивого режима ее работы благодаря принудительному поступлению воды от подкачивающего насоса в приемный патрубок основного насосного агрегата.

С целью проверки предложенного способа регулирования были проведены предварительные экспериментальные исследо-

Рис. 1. Схема экспериментальной установки

вания с использованием установки, принципиальная схема которой приведена на рис. 1.

Установка состоит из основного насоса 1 типа БЦ 1,1-18 и подкачивающего насоса 2 типа НЭ, помещенного в емкость 3, заполненную трансформаторным маслом.

На выходе подкачивающего насоса установлен счетчик 4 расхода жидкости типа СГВ 15 и регулируемый дроссель 5, а на выходе основного насоса - регулируемый дроссель 6 и аналогичный счетчик расхода жидкости 7. Давление, создаваемое подкачивающим насосом, измерялось манометром 8 типа МТИ-1 класса 0,4. Разряжение на всасе основного насоса измерялось вакуумметром 9

типа МТИ-1 класса 1,0. На входе насоса БЦ 1,1-18 был установлен вентиль игольчатого типа 11, через

который подавался воздух в насос при наличии разряжения на его всасе, а количество подаваемого воздуха определялось по реометру

12 типа ЭТМ НИИГТ. Мощность, потребляемая электродвигателем

13 насоса 1, измерялась ваттметром 14 типа Д5065 класса 0,5. Масло с выхода основного насоса возвращалось в емкость 3. Испытание насосной установки проводилось при различных сопротивлениях внешней сети, задаваемых регулируемым дросселем 6. При этом с помощью дросселя 5 на входе основного насоса устанавли-

валось разрежение - 0,5 м водяного столба, а затем при помощи открытия вентиля игольчатого типа 11 подавалось различное количество воздуха, контролируемое реометром 12. При этом регистрировалось количество жидкости на всасе основного насоса, давление и количество смеси на его выходе, а также величина мощности, потребляемая электродвигателем насоса из сети.

По результатам обработки данных наблюдений были построены зависимости, представленные на рис. 2.

Кривой Н в координатах H—Q соответствует напорная характеристика насоса БЦ 1,1-18 (при отсутствии подсоса воздуха). Кривым 5%; 10%; 15%; 20% соответствуют напорные характеристики насоса при подаче на его вход относительного количества воздуха соответственно 5; 10; 15 и 20%. Кривая мощности, потребляемой электродвигателем из сети, обозначена буквой N. Буквам А, В, С, D соответствуют кривые для групп опытов при постоянном сопротивлении сети. В координатах Н^ (где q - количество подаваемого на всас насоса воздуха, м3/ч) для этих групп опытов показаны зависимости, отражающие снижение напора от q, а в координатах Q-q даны зависимости, отражающие снижение подачи от q. Рядом с соответствующей зависимостью приведена шкала для определения относительного (в процентах) количества воздуха, подаваемого на вход насоса. Группе точек, обозначенных буквой F, соответствует ряд опытов при подаче на вход насоса большого количества воздуха (от 40% до 130%). Линия Р отделяет область устойчивой работы системы (располагается выше кривой) от области, в которой наблюдается неустойчивость в работе. Кривой, обозначенной R, соответствует характеристика внешней сети при наличии геодезической высоты подачи.

Анализ полученных зависимостей позволяет сделать следующие выводы.

1. Снижение подачи и напора насоса при подводе воздуха на его вход практически линейно зависят от количества воздуха.

2. Подача воздуха на вход основного насоса при использовании подкачивающего насоса позволяет расширить область регулирования подачи “вниз” от номинальной до 70% с сохранением устойчивой работы установки.

3. Мощность, потребляемая электродвигателем насоса из сети, снижается с увеличением объема подаваемого на его вход воздуха.

1. Сташинов Ю.П. Технические и энергетические аспекты применения регулируемого электропривода на главных водоотливных установках шахт / Ю.П. Сташинов, Д.А. Боченков, В.В. Волков // Горное оборудование и электромеханика, 2008, № 11. - С. 22-25.

2. Гейер В.Г. Шахтные вентиляторные и водоотливные установки: учебник для вузов / В. Г. Гейер, Г. М. Тимошенко. - М.: Недра, 1987. - С. 207-211. іі5н=і

D.A. Bochenkov, V. V. Volkov, J.P. Stashinov

THE COMBINED ENERGY-EFFICIENT WAY OF MAIN SPILLWAY MINE INSTALLA TION OPERA TION MODE REGULA TION

The control method of mining water-removal plant operating conditions by means of air delivery to the main pump unit and booster pump speed control is suggested. As shown by experiments the method provides the wide-range pumping control.

Key words: plant, mining, water-removal, pump, booster, control, head, capacity.

Коротко об авторах _________________________________________

Волков В.В. — кандидат технических наук, доцент,

Сташинов Ю.П. - кандидат технических наук, доцент, профессор, Шахтинский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института), кафедра “Электрификация и автоматизация производст-ва”^іш^и@^іпрі.ш.

Боченков Д.А. - аспирант Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).