Исследование работы системы оптимального управления проветриванием на испытательном стенде

© Б.П. Казаков, A.B. Шалимов, A.B. Зайцев, 2013

УДК 622.4

Б.П. Казаков, А.В. Шалимов, А.В. Зайцев

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОВЕТРИВАНИЕМ НА ИСПЫТАТЕЛЬНОМ СТЕНДЕ *

Представлены результаты разработки аэродинамического испытательного стенда, моделирующего шахтную вентиляционную сеть, и результаты его применения для исследований работы систем оптимального управления проветриванием. Ключевые слова: вентиляционная сеть, алгоритм оптимального управления, моделирование, датчики, рециркуляция.

Вентиляционные сети подземных рудников в процессе их эксплуатации увеличиваются в размерах, становятся более сложными и разветвленными. Фронт очистных работ постепенно удаляется от шахтных стволов, что усложняет доставку свежего воздуха в рабочие зоны. На удаленных участках шахтных полей, зачастую, проявляется дефицит свежего воздуха, при этом горные работы продолжают развиваться, к шахтному полю прирезаются новые участки, и, как следствие, ситуация с недостаточным проветриванием усугубляется. Увеличение производительности главных вентиляторных установок (ГВУ) не даёт необходимого эффекта, т.к. при этом возрастают внешние и внутрирудничные утечки воздуха, энергетические затраты на проветривание рудников резко возрастают, появляется перекос в воздухорас-пределении между участками: на одни участки воздуха поступает больше требуемых значений, на дру-

гие — меньше. Резерв увеличения производительности главных вентиляционных установок на многих рудниках отсутствует, т. к. работают они на предельных режимах. В настоящее время на калийных и ка-менно-соляных рудниках ведутся активные работы по внедрению систем рециркуляционного проветривания, способствующих доставке свежего воздуха в трудно-проветриваемые зоны шахтных полей. Рециркуляционное проветривание особенно эффективно при его использовании в составе систем автоматического управления проветриванием, которые позволяют снизить энергетические затраты на проветривание при одновременной сбалансированной доставке воздуха в рабочие зоны в необходимом количестве [1, 2].

Существуют различные алгоритмы оптимального управления расходами воздуха в вентиляционной сети рудника средствами положительного и отрицательного регулирования, отличающиеся уровнями сложности,

*Работа выполнена при финансовой поддержке Уральского отделения Российской академии наук проект № 13-5-026-АЭРО «Разработка аэродинамического испытательного стенда-модели вентиляционной сети для экспериментального обоснования способов управления проветриванием и кондиционирования воздуха на горных предприятиях».

Схема испытательного аэродинамического стенда:

I — вентилятор главного проветривания, 2 — воздухоподающий ствол, 3 — вентиляционный ствол, 4 —рециркуляционный контур «горизонта» I, 5 — задвижка для имитации внешних утечек через надшахтное здание вентиляционного ствола, 6 — клапан для внесения возмущающих воздействий на сопротивление рециркуляционного контура горизонта I, 7 — обратный клапан рециркуляционной системы горизонта I, 8 — рециркуляционный вентилятор горизонта I, 9 — датчик скорости воздушного потока в рециркуляционном контуре горизонта I, 10 — датчик скорости воздушного потока на горизонте I,

II — рециркуляционный контур горизонта II, 12 — клапан для внесения возмущающих воздействий на сопротивление рециркуляционного контура горизонта II, 13 — автоматическая вентиляционная дверь для регулирования количества воздуха на горизонте I, 14 — клапан для внесения возмущающих воздействий на сопротивление горизонта I, 15 — клапан для внесения возмущающих воздействий на сопротивление горизонта II, 16 — автоматическая вентиляционная дверь для регулирования количества воздуха на горизонте II, 17 — щит управления стендом, 18 — датчик скорости воздушного потока на горизонте II, 19 — обратный клапан рециркуляционной системы горизонта II, 20 — рециркуляционный вентилятор горизонта II, 21 — датчик скорости воздушного потока в рециркуляционном контуре горизонта II

точностью и скоростью достижения нормального воздухораспреде-ления с минимальным потреблением энергии [3]. Использование высокоточных алгоритмов оптимизации для

современных рудничных сетей оказывается проблематичным ввиду крайне низкой скорости их работы. Поэтому управление воздухорас-пределением в реальном времени

возможно лишь на основе упрощённых алгоритмов, использующих дополнительные упрощения и допущения [4], корректность которых необходимо подтверждать экспериментально. Для этих целей был разработан и построен аэродинамический испытательный стенд (рисунок).

Стенд представляет собой уменьшенную модель рудника, оборудованного двумя стволами: воздухопо-дающим 2 и вентиляционным 3. Рудник проветривается всасывающим способом, на вентиляционном стволе располагается центробежный вентилятор 1 типа ВР 86-77-6,3 мощностью 2,2 кВт, имитирующий работу главной вентиляционной установки (ГВУ). Вентилятор 1 оснащен преобразователем частоты, расположенным в щите управления 17.

Модель рудника имеет 2 «горизонта» — верхний и нижний. Верхний горизонт имеет в своем составе рециркуляционный контур 4 и оборудован рециркуляционным осевым вентилятором 8 типа СК 315 мощностью 190 Вт. Рециркуляционный вентилятор 8 верхнего «горизонта» оборудован обратным клапаном 7, который закрывается при выключении рециркуляционного вентилятора во избежание закорачивания воздушной струи от воздухоподающих штреков горизонта к вентиляционным. Рециркуляционная «выработка» верхнего «горизонта» оснащена датчиком скорости воздушного потока EE65-VBx фирмы Е+Е Elektronik GmbH для контроля расхода воздуха, поступающего на частичное повторное использование. В рециркуляционном контуре верхнего «горизонта» имеется клапан 6 с электромеханическим приводом. Данный клапан может в случае необходимо-

сти частично или полностью перекрывать сечение вентиляционного канала, имитируя при этом увеличение или уменьшение аэродинамического сопротивления рециркуляционного контура. Клапан приводится в движение с помощью электропривода с дистанционным управлением либо со щита управления, либо с операторской станции. Расход воздуха на верхнем «горизонте» контролируется с помощью датчика скорости воздуха 10. «Горизонт» оснащен вентиляционным клапаном 14, позволяющим увеличивать сопротивление «горизонта». Привод клапана — ручной. Также «горизонт» оснащен средством отрицательного регулирования, а именно уменьшенной копией автоматической вентиляционной двери (АВД) 13 с жалюзийными регуляторами, предназначенной для регулирования расхода воздуха на горизонте в автоматическом режиме. Устройство нижнего «горизонта» полностью аналогично устройству верхнего. Для имитации внешних утечек через надшахтное задние ГВУ используется ручная задвижка 5, расположенная между вентиляционным коробами 2 и 3. Управление стендом осуществляется либо со щита управления стендом 17, либо с операторской станции (персонального компьютера).

На стенде было проведено тестирование упрощённого алгоритма оптимального управления [3]. Алгоритм управления регуляторами АВД на стенде имеет следующий вид.

1. Вычисление скоростей вращения регуляторов АВД:

< '=д

2. Вычисление длительности импульсов управления АВД:

т =-

а

.рт

атах

где т— длительность цикла (с).

3. Если длительность импульса больше «мертвой зоны», то на автоматические двери выдаются импульсы.

Управление вентиляторами строено по аналогичной схеме. 1. Вычисление импульса:

по-

а

V ш=ш0 У

2. Вычисление абсолютной величины импульсного воздействия:

/ = Р I

3. Если частота управляющих импульсов больше «мертвой зоны», то вычисляется расчетный период следования импульсов:

т = 1000

/

4. Ожидается, когда время, прошедшее с тех пор, как последний раз сообщался импульс, превысит расчетный период, увеличивается частота вращения на абсолютную величину импульса.

Кроме того, в управляющем алгоритме с целью погашения турбулентных колебаний расхода производится осреднение скоростей.

Алгоритм исследован для следующих условий:

Оба рециркуляционных вентилятора выключены, а каналы, в которых они установлены, полностью перекрыты; в обоих контурах декларируются расходы по 10 м3/мин. Результат - реальный расход, наблюдаемый в обоих контурах, совпадает с декларируемым. При этом

одна из дверей прикрыта, а другая открыта полностью. Минимальные расходы, а, значит, и минимальная потребляемая мощность вентилятором достигнуты.

Рециркуляции нет, значения декларируемых расходов не одинаковы. Минимальные расходы также достигаются, правда, в осциллирующем режиме движения дверей вблизи оптимальных положений, вызванном инерционностью системы. Амплитуда колебаний невелика и не приводит к возникновению колебательной неустойчивости процедуры управления.

Тест управляемой рециркуляции также показал возникновение устойчивых колебаний расхода воздуха вблизи оптимальных значений.

Исследование процессов автоматического управления воздухорас-пределением на изготовленном испытательном аэродинамическом стенде позволило сделать следующие основные выводы и достичь следующих результатов:

- работоспособность алгоритма оптимального управления, а именно его способность выводить систему в оптимальный режим за конечное время, была доказана многочисленными экспериментами, в т. ч. с внесением искусственных возмущающих воздействий в сопротивление рециркуляционных контуров, сопротивление горизонтов, размеры внешних утечек. В любой из ситуаций, смоделированных на стенде, алгоритм оптимального управления, зашитый в управляющий контроллер стенда, выводил систему в точку оптимума;

- установлено, что в реальных условиях измерений показания датчиков скорости воздуха подвержены непрерывным колебаниям, что по-

рождает необходимость осреднения данных осцилляций и учета их алгоритмом управления;

- точность управления коэффициентом рециркуляции ниже, чем точность управления расходами воз-

духа, т. к. она зависит от большего числа факторов (погрешности нескольких датчиков), что приводит к большим колебаниям мгновенного значения коэффициента рециркуляции.

1. Казаков Б.П. Совершенствование ресурсосберегающих систем вентиляции рудников Верхнекамского месторождения калийных солей / Б.П. Казаков, Ю.В. Круг-лов, А.В. Шалимов, Л.Ю. Левин, А.Г. Исае-вич, В.А. Стукалов // Горный журнал. — 2008. — № 10. - с. 81-83.

2. Казаков Б.П. Исследование и разработка рециркуляционных систем проветривания рудников / Б.П. Казаков, Л.Ю. Левин / Горный журнал. — 2006. — № 12. — с. 71-73.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Казаков Б.П. Разработка энергосберегающей системы автоматического управления проветриванием рудников / Б.П. Казаков, А.В. Шалимов // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. — 2012. — № 3. — с. 57-63.

4. Круглов Ю.В. Теоретические и технологические основы построения систем оптимального управления проветривания подземных рудников: дисс...д-ра техн. наук. — 2012. —341 с.ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Казаков Борис Петрович - зав. отделом Аэрологии и теплофизики, доктор технических наук, профессор; aero_kaz@mail.ru

Шалимов Андрей Владимирович — кандидат технических наук, ст. научный сотрудник, e-mail: shalimovav@mail.ru,

Зайцев Артем Вячеславович - аспирант отдела Аэрологии и теплофизики; artzait@rambler.ru Горный институт Уральского отделения РАН.

А

ГОРНАЯ КНИГА

ГОРНЫЙ

Горный информационно-аналитический бюллетень. Отдельный выпуск № 3. Нефть и газ

2013 272 с.

ISBN: 0236-1493 UDK: 622.276+553.981

В сборник вошли материалы Второй Международной конференции «Нефть и газ АТР 2013: ресурсы, транспорт, экология» проходившей на базе Дальневосточного федерального университета. Тематика статей представлена вопросами сохранения попутного нефтяного газа, моделирования процессов транспорта углеводородов, рекуперации паров нефти, процессов кавитации в нефти, повышения надежности магистральных газопроводов и экологической безопасности.

Сборник будет полезен научно-техническим работникам нефтегазового комплекса, а также студентам и аспирантам.

НЕФТЬ И ГАЗ