СИСТЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ ГЛАВНОЙ ВЕНТИЛЯТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Полезная модель относится к горно-шахтной промышленности, в частности к системам автоматизации вентиляторных установок и может быть использована для обеспечения безопасного, энерго- и ресурсосберегающего проветривания шахт, нефтешахт и рудников.
Известна система автоматизации главной шахтной вентиляторной установки на базе аппаратуры УКАВ-М (Батицкий В.А., Автоматизация производственных процессов и АСУТП в горной промышленности, М.,Недра,1991,с.151-158), содержащая микропроцессорные управляющие устройства, посты управления вентиляторной установкой, датчики температуры, датчики контроля состояния общих механизмов и вспомогательных механизмов, датчики контроля параметров воздуха.
Недостатками известной системы является низкая надежность, обусловленная применением релейно-контактных систем, сложность и трудоемкость монтажа, наладки и последующей эксплуатации, а также невозможность включения вентиляторной установки в систему диспетчеризации шахты.
Наиболее близкой к заявляемой является система автоматизации главной вентиляторной установки (ГВУ), состоящая из рабочей станции диспетчера шахты и рабочей станции оператора ГВУ, соединенных между собой и с общим контроллером, связанным с контроллером вентиляционных агрегатов, к которым подключены посты местного управления, высоковольтные ячейки двигателей вентиляторов, пускатели вспомогательных механизмов, датчики температуры, датчики контроля состояния вспомогательных механизмов и счетчики электроэнергии, а также соединенным с постом местного управления общими механизмами, пускателем общих механизмов, датчиками параметров воздуха и датчиками контроля состояния общих механизмов (RU 59779 U1, 27.12.2006).
Однако, известная система не позволяет учитывать общешахтную естественную тягу и не исключает вероятность возникновения «воздушных пробок» в воздухоподающих стволах шахты, что снижает ее к.п.д., энергоэффективность и не обеспечивает требуемые правилами безопасности условия проветривания.
Технический результат, который достигается заявляемой системой, заключается в повышении к.п.д. и энергоэффективности путем регулирования общешахтной естественной тяги и исключения возможности возникновения «воздушных пробок» в воздухоподающих стволах за счет управления режимами работы ГВУ и калориферных установок.
Технический результат достигается в том случае, если система автоматизации ГВУ, включающая микроконтроллерный блок (МКБ), связанный с датчиками контроля параметров воздуха, участвующего в процессе проветривания, согласно п.1 формулы изобретения, дополнительно включает калориферные установки с возможностью изменения их теплопроизводительности, а также задающее устройство электропривода ГВУ. Датчиками контроля параметров воздуха служат датчики температуры (Т) и давления (Р) либо плотномеры (Т, Р), а также датчики расхода воздуха (Q). Указанные датчики установлены в околоствольных дворах воздухоподающих стволов шахты, в месте пересечения вентиляционных выработок с вентиляционным стволом, в канале ГВУ, в 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.
Кроме того, задающее устройство электропривода ГВУ может быть выполнено с возможностью регулирования скорости вращения вала вентилятора ГВУ или/и изменения угла установки лопаток осевого направляющего аппарата, а МКБ связан с автоматизированным рабочим местом (АРМ) с возможностью контроля работы системы и процесса проветривания, на которое в случае возникновения нештатной ситуации поступает сигнал аварийной сигнализации, согласно которому диспетчер АРМа предпринимает меры для безостановочной работы ГВУ и калориферных установок.
Использование заявляемой системы в зависимости от температуры подаваемого в воздухоподающие стволы воздуха, позволяет регулировать режим работы калориферных установок таким образом, чтобы между стволами отсутствовали либо были минимальными тепловые депрессии, которые могли бы вызвать образование «воздушной пробки» в них. В зависимости от величины общешахтной естественной тяги появляется возможность регулировать режим работы ГВУ, т.е. при подаче большего объема воздуха в шахту за счет положительной естественной тяги появляется возможность снижать производительность ГВУ, а при подаче меньшего объема воздуха за счет отрицательной естественной тяги - увеличивать производительность ГВУ, тем самым существенно повышать к.п.д. и энергоэффективность заявляемой системы.
Известно (Бурчаков А.С., Мустель П.И., Ушаков К.З. Рудничная аэрология, М., Недра, 1971, с.152 - 155), что между стволами шахты действует общешахтная естественная тяга, составляющая порядка 20 - 25% от давления, развиваемого ГВУ. Расчетное значение общешахтной естественной тяги получают для среднемесячных климатических параметров региона. Изменение величины и направленности общешахтной естественной тяги может наблюдаться даже в течение суток.
В связи с этим регулирование режимов работы ГВУ предлагается осуществлять с учетом постоянно изменяющихся климатических параметров, что позволяет избежать подачу в шахту воздуха в объеме меньшем требуемого значения при действии отрицательной общешахтной естественной тяги и уменьшить затраты электроэнергии за счет снижения производительности ГВУ при действии положительной общешахтной естественной тяги, которая поддерживается теплопроизводительностью регулируемых калориферных установок.
Регулирование теплопроизводительности калориферных установок приводит к изменению абсолютного значения тепловых депрессий, действующих между стволами, и величины общешахтной естественной тяги. Заявляемая система автоматизации корректирует их величины так, чтобы между стволами отсутствовали либо были минимальными отрицательные тепловые депрессии, а также изменяет режим работы и производительность ГВУ таким образом, чтобы в шахту подавался требуемый объем воздуха.
Для изменения режима работы ГВУ система регулирует скорость вращения вала вентилятора ГВУ и/или изменения угла установки лопаток осевого направляющего аппарата. Задающее устройство электропривода вала вентилятора ГВУ управляется микропроцессором таким образом, чтобы вентилятор работал с максимальным к.п.д.
Заявляемая система иллюстрируется следующим образом.
На фиг.1 схематично представлена заявляемая система автоматизации, на фиг.2, 3 показано расположение калориферных и вентиляционного каналов шахты, размещенных в них датчиков контроля и передвижение потоков воздуха по ним.
Система включает в себя ГВУ 1, работой которой управляет микроконтроллерный блок (МКБ) 2. Калориферные установки 3 служат для подогрева поступающего в шахту воздуха и установлены на поверхности. Задающее устройство 4 связано с электроприводом 5 ГВУ 1.
МКБ 2 связан с датчиками контроля параметров воздуха, которыми служат датчики температуры и давления или плотномеры 6, а также датчики расхода воздуха 7, которые установлены в околоствольных дворах 8 воздухоподающих стволов 9 шахты и в месте 10 пересечения главных вентиляционных выработок 11 и 12 с вентиляционным стволом 13, в канале 14 ГВУ 1, в калориферных каналах 15 шахты и связаны с МКБ 2 интерфейсами связи.
МКБ 2 включает первый модуль ввода 16, связанный с датчиками температуры и давления (плотномерами) 6, первый модуль вывода 17, соединенный с задающим устройством 4 электропривода 5 ГВУ 1, а также второй модуль ввода 18, связанный с датчиками расхода воздуха 7, второй модуль вывода 19, соединенный с механизмом 20 изменения теплопроизводительности калориферных установок 3.
МКБ 2 выполнен с возможностью опроса датчиков 6, 7, расчета средней плотности столбов воздуха в воздухоподающих 9 и вентиляционном 13 стволах шахты, абсолютного значения тепловых депрессий, действующих между стволами шахты и общешахтной естественной тяги, а также подачи управляющих команд на задающее устройство 4 электропривода 5 ГВУ 1 и механизмы 20 изменения теплопроизводительности калориферных установок 3.
Задающее устройство 4 электропривода 5 ГВУ 1 выполнено с возможностью регулирования скорости вращения вала вентилятора ГВУ 1 или/и изменения угла установки лопаток осевого направляющего аппарата (не показаны).
МКБ 2 связан с автоматизированным рабочим местом (АРМ) 21 с возможностью контроля работы системы и процесса проветривания, на которое в случае возникновения нештатной ситуации поступает сигнал аварийной сигнализации, согласно которому диспетчер АРМа предпринимает меры для безостановочной работы ГВУ и калориферных установок.
Позициями 22, 23 отмечены надшахтные здания, расположенные над стволами 9 и 13, соответственно.
Принцип работы системы следующий.
н.зд
1
ш
B
ym
B
ym
ш
В холодное время года в воздухоподающие стволы 9 шахты поступает холодный наружный воздух, который необходимо подогревать до температуры не ниже+2°С в калориферных установках 3 (Единые правила безопасности (ЕПБ) при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений полезных ископаемых подземным способом (ПБ 03-553-03). Серия 03. Вып.33 / ГУП «НТЦ по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», М, 2003). Нагретый воздух по калориферным каналам 15 подается в воздухоподающие стволы 9. За счет общешахтной депрессии, создаваемой ГВУ 1, в воздухоподающие стволы 9 частично засасывается наружный воздух (Q) через надшахтное здание 22, который, смешиваясь с нагретым воздухом, поступающим по калориферным каналам 15, в объеме Q поступает по стволам 9 в шахту. Отработанный шахтный воздух Q поступает в главные вентиляционные выработки 11, 12, после чего выбрасывается через вентиляционный ствол 13 по каналу 14 ГВУ 1 в атмосферу. За счет разрежения, создаваемого ГВУ 1 (h), через надшахтное здание 23 вентиляционного ствола 13 в канал 14 ГВУ 1 засасывается наружный воздух - поверхностные утечки воздуха (Q). Производительность ГВУ 1 (Q) определяется как сумма Q и Q.
ш
ym
B
ei
e
По правилам ЕПБ для каждой шахты (нефтешахты, рудника) устанавливается требуемый объем наружного воздуха, который необходимо в нее подавать (Q). В зависимости от утечек воздуха (Q) определяется производительность ГВУ 1 (Q). Кроме поверхностных утечек воздуха производительность ГВУ 1 будет зависеть от величины тепловых депрессий, действующих между стволами 9, 13 (h) и общешахтной естественной тяги h.
е(КУ)
ei
е(КУ)
Величина тепловых депрессий, действующих между стволами, зависит также от величины тепловых депрессий, возникающих при работе калориферных установок 3 (h). Неравномерный прогрев воздуха, подаваемого по воздухоподающим стволам 9 в шахту, в калориферных установках 3 приводит к изменению тепловых депрессий h и h, которые могут вызвать образование «воздушной пробки» в одном из них. Данное явление может возникнуть также при равномерном прогреве воздуха в калориферных установках 3, но при разности высотных отметок устьев стволов т.к. тепловая депрессия зависит от средней плотности всего столба воздуха каждого из сообщающихся стволов.
сmолб
ei
e
Параметры воздуха, поступающего по калориферным каналам 15 в воздухоподающие стволы 9 измеряют датчиками температуры, давления (плотномеры) и расхода 6 и 7, соответственно. Те же параметры измеряются в околоствольных дворах воздухоподающих стволов 9 такими же датчиками 6, 7. Информация с датчиков 6, опрос которых производится через определенный интервал времени (например, каждые 10 минут), поступает в первый модуль ввода 16, а информация с датчиков 7, которые опрашиваются непрерывно, поступает во второй модуль ввода 18. МКБ 2 с учетом поступающей информации производит расчеты по заданному алгоритму, а именно расчеты средней плотности столбов воздуха в воздухоподающих 9 и вентиляционном 13 стволах шахты, (ρ), абсолютного значения тепловых депрессий, действующих между стволами шахты (h) и общешахтной естественной тяги (h).
B
КУ
Управляющий сигнал МКБ 2 в зависимости от результатов расчетов с первого модуля вывода 17 поступает на задающее устройство 4 электропривода 5 ГВУ 1, которое устанавливает требуемую производительность Q. Co второго модуля вывода 19 управляющий сигнал поступает на механизм 20 изменения теплопроводности калориферных установок 3. Если используются водяные калориферные установки, то механизм 20 контролирует расход и температуру воды, поступающей и исходящей из калориферной установки. Если используются газовые установки, то контролируется расход газа, если электрические, то соответственно, электрическая мощность установки 3. После изменения параметров электропривода 5 ГВУ 1 и/или калориферных установок 3 по обратным связям на входы модулей 17, 19 МКБ 2 поступают сигналы о переводе механизма 20 изменения теплопроводности калориферных установок 3 и задающего устройства 4 на требуемые параметры. Во всех случаях контролируется производительность (Q) калориферных установок 3. Информация с МКБ 2 также поступает на автоматизированное рабочее место (АРМ) 21 персонала, следящего за процессом. Может быть размещено несколько АРМов 21. На АРМе 21 предусмотрена возможность управления процессом непосредственно с компьютера и аварийная сигнализация (звуковая, световая и т.д.).
Приведенная система автоматизации является рабочей для шахт, нефтешахт и рудников, работающих по всасывающему способу проветривания с одним вентиляционным стволом. При этом количество воздухоподающих стволов может быть более двух.