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

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к системам автоматизации вентиляторных установок, и может быть использовано для обеспечения безопасного, энерго- и ресурсосберегающего проветривания подземных горнодобывающих предприятий глубиной до 500 м.
Известна 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 кпд, энергоэффективность и не обеспечивает требуемые правилами безопасности условия проветривания.
Наиболее близкой к заявляемой является система автоматизации главной вентиляторной установки (RU 131083 U1, опубл. 10.08.2013), включающая микроконтроллерный блок (МКБ), связанный с датчиками контроля параметров воздуха, участвующего в процессе проветривания, а также калориферные установки с возможностью изменения их теплопроизводительности и 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 рудника, в месте пересечения главных вентиляционных выработок с вентиляционным стволом, в канале ГВУ, в калориферных каналах рудника и связаны с МКБ интерфейсами связи, при этом МКБ включает модуль ввода, связанный с датчиками температуры и давления, модуль вывода, соединенный с задающим устройством электропривода ГВУ, а также модуль ввода, связанный с датчиками расхода воздуха, 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 рудника, абсолютного значения тепловых депрессий, действующих между стволами рудника и общешахтной естественной тяги, а также подачи управляющих команд на задающее устройство электропривода ГВУ и механизмы изменения теплопроизводительности калориферных установок.
Однако известная система предполагает автоматизировать процесс управления ГВУ только в холодное время года, т.е. при работе шахтных калориферных установок.
Технический результат - расширение функциональных возможностей за счет высокоэффективной работы системы в теплое время года с учетом параметров наружного воздуха.
Технический результат достигается за счет того, что в системе автоматизации главной вентиляторной установки (ГВУ), включающей микроконтроллерный блок (МКБ), связанный с датчиками контроля параметров воздуха, участвующего в процессе проветривания, задающее устройство электропривода ГВУ, а также датчики расхода воздуха, установленные в околоствольных дворах воздухоподающих стволов рудника, согласно формуле воздухоподающий ствол, расположенный дальше от вентиляционного ствола, снабжен поверхностным устройством кондиционирования воздуха (УКВ), а воздухоподающий ствол, ближний к вентиляционному стволу, снабжен подземным УКВ, оба УКВ связаны с устройством задания их хладопроизводительности, причем испаритель подземной УКВ расположен в околоствольном дворе воздухоподающего ствола, ближнего к вентиляционному стволу, а конденсатор - в одной из главных вентиляционных выработок, подходящих к вентиляционному стволу, при этом МКБ выполнен с возможностью подачи управляющих команд на устройство задания хладопроизводительности поверхностной и подземной УКВ в зависимости от параметров наружного воздуха.
ш
ут
ш
В зависимости от параметров наружного воздуха (температуры, атмосферного давления, относительной влажности и т.д.), определяемых датчиками, а также от объема воздуха, необходимого для проветривания рудника (Q) и поверхностных утечек (Q), МКБ имеет возможность управлять режимами работы поверхностной и подземной УКВ, т.е. их хладопроизводительностью, которая регулируется устройством задания хладопроизводительности поверхностной и подземной УКВ. За счет охлаждения воздуха в испарителях обоих УКВ, а также изменения температуры исходящей струи воздуха, в которую поступает нагретый воздух, будет увеличиваться значение общерудничной естественной тяги и объем воздуха, поступающего в рудник. Заявляемая система автоматизации, изменяя режим работы ГВУ при помощи МКБ и задающего устройства электропривода ГВУ, снижает объем воздуха, подаваемого в рудник (Q) до требуемого, тем самым обеспечивая высокую эффективность работы системы в теплое время года с учетом параметров наружного воздуха.
Система иллюстрируется следующим образом.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема автоматизации ГВУ, на фиг. 2 показана схема проветривания неглубокого рудника. На фиг. 3, 4 представлена схема расположения датчиков в воздухоподающих стволах, а на фиг. 5 - расположение датчиков в вентиляционном стволе. Фиг. 6 представляет собой схему расположения элементов обоих УКВ в заявляемой системе.
1 - воздухоподающий ствол, расположенный дальше от вентиляционного ствола;
2 - воздухоподающий ствол, расположенный ближе к вентиляционному стволу;
3 - вентиляционный ствол;
4 - трубопровод с хладоносителем;
5 - подземная часть рудника;
6 - главная вентиляторная установка (ГВУ);
7 - 1-я главная вентиляционная выработка, подходящая к вентиляционному стволу 3;
8 - 2-я главная вентиляционная выработка, подходящая к вентиляционному стволу 3;
9 - охлаждаемый воздух;
10 - охлажденный воздух;
11 - исходящая струя воздуха;
12 - надшахтное здание воздухоподающего ствола 1;
13 - надшахтное здание воздухоподающего ствола 2;
14 - испаритель поверхностной УКВ;
15 - испаритель подземной УКВ;
16 - конденсатор поверхностной УКВ;
17 - конденсатор подземной УКВ;
18 - надшахтное здание вентиляционного ствола 3;
19 - наружный воздух, подсасываемый через надшахтное здание;
20 - калориферный канал;
21 - воздух, охлажденный в поверхностной УКВ;
22 - воздух, нагретый в конденсаторе 16;
23 - воздух, нагретый в конденсаторе 17;
24 - датчики температуры и давления (или плотномеры);
25 - датчик расхода воздуха;
26 - околоствольный двор воздухоподающего ствола 1;
27 - здание калориферной установки;
28 - околоствольный двор воздухоподающего ствола 2;
29 - канал ГВУ;
30 - МКБ;
31 - устройство задания хладопроизводительности поверхностной и подземной УКВ;
32 - задающее устройство электропривода;
33 - электропривод ГВУ;
34 - регулирующий вентиль;
35 - нагнетательный вентилятор;
36 - теплообменники испарителя 15;
37 - теплообменники конденсатора 17;
38 - охлаждающий вентилятор;
39 - компрессор конденсатора 17;
40 - 1-й модуль ввода МКБ;
41 - 1-й модуль вывода МКБ;
42 - 2-й модуль ввода МКБ;
43 - 2-й модуль вывода МКБ;
44 - автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора;
45 - датчики параметров наружного воздуха (температура, давление, относительная влажность и т.д.)
В рудник по воздухоподающим стволам 1 и 2 за счет разрежения, создаваемого ГВУ 6, поступает наружный воздух, далее - в подземную часть рудника 5 и после проветривания всех рабочих зон подземной части рудника 5 выдается через вентиляционный ствол 3 и канал ГВУ 29 на поверхность. В теплое время года в неглубоких рудниках (500 м и менее) происходит конденсация влаги на стенках горного массива. В результате чего, например, в соленых рудниках образуются растворы солей (электролиты), которые выводят из строя электрооборудование, разрушают покрытие дорог, ведут к затоплению выработок и уменьшают несущую способность целиков. Оборудование неглубоких рудников установками кондиционирования позволит избежать таких негативных последствий.
Основная часть воздуха в воздухоподающие стволы 1 и 2 подается через калориферный канал 20, а часть подсасывается через надшахтные здания 12 и 13 за счет общешахтной депрессии, создаваемой ГВУ 6. На воздухоподающем стволе 1 располагается испаритель поверхностной УКВ 14. Охлаждаемый воздух 9 за счет общешахтной депрессии, создаваемой ГВУ 6, а также за счет работы нагнетательных вентиляторов 35 поступает в теплообменники испарителя 36, где он охлаждается, и через калориферный канал 20 после смешения с воздухом 19, подсасываемым через надшахтное здание 12, поступает в воздухоподающий ствол 1.
Хладопроизводительность испарителя должна быть такой, чтобы температура и влагосодержание воздуха 10, поступающего в воздухоподающий ствол 1, после смешения потоков воздуха 21 и 19 поддерживались на уровне, при котором влага в руднике выпадать не будет либо будет выпадать в значительно меньшем объеме. Охлажденный воздух 10 поступает в околоствольный двор 26 воздухоподающего ствола 1, где он за счет барометрического давления, создаваемого столбом воздуха в стволе, нагревается. Следуя по горным выработкам подземной части рудника 5, воздух вновь охлаждается до температуры горных пород. В связи с тем, что воздух охлаждается в испарителе 14 поверхностной УКВ до температуры, при которой происходит его осушение, влага в руднике выпадать не будет либо будет выпадать в значительно меньшем объеме.
В воздухоподающий ствол 2 охлаждаемый воздух поступает через здание калориферной установки 27, теплообменники которой в теплое время года отключены, по калориферному каналу 20 и через надшахтное здание 13. Далее охлаждаемый воздух 9 поступает в испаритель 15 подземной УКВ, который располагается в околоствольном дворе 28 воздухоподающего ствола 2. В испарителе 15 подземной УКВ воздух 10 охлаждается и поступает в подземную часть рудника 5.
ш
ут
В
ei
e
Согласно ЕПБ (Единые правила безопасности 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) для каждого горнодобывающего предприятия устанавливается требуемый объем наружного воздуха, который необходимо в него подавать (Q). В зависимости от утечек воздуха (Q) определяют производительность ГВУ 6 (Q). Кроме поверхностных утечек воздуха производительность ГВУ 6 будет зависеть от величины тепловых депрессий, действующих между стволами 1, 2 и 3 (h), и общешахтной естественной тяги h.
ei
ei
e
Величина и направление тепловых депрессий (h), действующих между стволами 1, 2 и 3, зависит от средних значений температуры и давления (средних плотностей) воздуха в стволах. Система, в которой охлаждение воздуха производится на поверхности воздухоподающего ствола 1 и в околоствольном дворе 28 воздухоподающего ствола 2, способствует возникновению положительных тепловых депрессий (h) и общерудничной естественной тяги (h).
С помощью нагнетательных вентиляторов 35 охлаждаемый воздух 9 подают в теплообменники 36. Система из нагнетательного вентилятора 35 и теплообменников 36 представляет собой испаритель 14 поверхностной УКВ. В теплообменниках 36 воздух 9 охлаждается за счет теплообмена с хладоносителем, циркулирующим в трубопроводе 4. В качестве хладоносителя может использоваться, например, фреон или аммиак.
В испарителе 14 хладоноситель кипит за счет тепла, отнимаемого от охлаждаемого воздуха 9. Далее по трубопроводу 4 хладоноситель в газообразном состоянии поступает в компрессор 39 конденсатора 16 поверхностной УКВ, где он сжимается. Сжатие сопровождается соответствующим повышением температуры. В теплообменниках 37 конденсатора 16 хладоноситель охлаждается до температуры насыщения и, конденсируясь, переходит в жидкое состояние. Тепло нагрева и конденсации отводится охлаждающей средой за счет охлаждающих вентиляторов 38. Для регулирования давления хладоносителя в трубопроводе 4 предназначен регулирующий вентиль 34.
При изменении положения регулирующего вентиля 34 меняется величина давления хладоносителя в трубопроводе 4, тем самым регулируется хладопроизводительность поверхностной УКВ. Аналогичным образом работает испаритель 15 и конденсатор 17 подземной УКВ. Также давление хладоносителя в трубопроводе 4 можно регулировать за счет работы компрессора 39.
Теплый воздух 23, нагретый в конденсаторе 17 подземной УКВ, выбрасывается в исходящую по вентиляционному стволу 3 струю воздуха 11, повышая ее температуру. За счет повышения температуры воздуха 11, выбрасываемого по вентиляционному стволу 3, увеличивается значение положительной общерудничной естественной тяги.
В случае небольшой глубины рудника (до 500 м) в одной из главных вентиляционных выработок, например 8, подходящих к вентиляционному стволу 3, может быть размещен конденсатор 16 поверхностной УКВ, который будет выбрасывать в вентиляционный ствол 3 нагретый в процессе работы конденсатора 16 поверхностной УКВ поток воздуха 22. В этом случае будет наблюдаться дополнительный положительный эффект, заключающийся в повышении величины общерудничной естественной тяги.
Работу всех устройств контролирует МКБ 30, который включает 1-й модуль ввода 40, связанный с датчиками температуры и давления (плотномерами) 24 и с датчиками параметров наружного воздуха 45, 1-й модуль вывода 41, соединенный с задающим устройством 32 электропривода 33 ГВУ 6, а также 2-й модуль ввода 42, связанный с датчиками расхода воздуха 25 и 2-й модуль вывода 43, соединенный с устройством задания хладопроизводительности УКВ 31.
МКБ 30 имеет возможность опроса датчиков 24, 25,45, расчета средней плотности столбов воздуха в стволах 1, 2 и 3, абсолютного значения тепловых депрессий, действующих между стволами рудника и общерудничной естественной тяги, а также подачи управляющих команд на задающее устройство 32 электропривода 33 ГВУ 6 и устройства управления хладопроизводительностью УКВ 31.
Задающее устройство 32 электропривода 33 ГВУ 6 выполнено с возможностью регулирования скорости вращения вала вентилятора ГВУ 6 или/и изменения угла установки лопаток осевого направляющего аппарата (не показаны).
МКБ 30 связан с автоматизированным рабочим местом (АРМ) 44 с возможностью контроля работы системы и процесса проветривания. На АРМ 44 в случае возникновения нештатной ситуации поступает сигнал аварийной сигнализации, согласно которому диспетчер АРМа предпринимает меры для безостановочной работы ГВУ и УКВ.
Хладопроизводительность УКВ регулируется устройством 31 за счет изменения положения регулирующих вентилей 34, работы компрессоров 39 и нагнетательных вентиляторов 35 и 38 (поверхностной и подземной УКВ).
Система работает следующим образом.
ш
ут
В зависимости от параметров наружного воздуха (температуры, атмосферного давления, относительной влажности и т.д.), определяемых датчиками 45, а также от объема воздуха, необходимого для проветривания рудника (Q) и поверхностных утечек (Q), МКБ 30 задает режим работы поверхностной и подземной УКВ, т.е. их хладопроизводительности, которые регулируются устройством 31. За счет охлаждения воздуха в испарителях 14 и 15 УКВ, а также изменения температуры исходящей струи воздуха 11, в которую поступает нагретый воздух 22, увеличивается значение общерудничной естественной тяги и, следовательно, объем воздуха, поступающего в рудник.
ei
Регулирование хладопроизводительности поверхностной и подземной УКВ с учетом действия тепловых депрессий, действующих между стволами (h), позволит избежать возникновения в стволах «воздушных пробок».
в
e
ш
Система автоматизации, изменив режим работы ГВУ 6 за счет задающего устройства 32, изменяет производительность ГВУ 6 (Q) до требуемой. При этом за счет действия положительной общерудничной естественной тяги (h) в рудник будет поступать требуемый объем воздуха (Q), что повысит энергоэффективность проветривания и воздухоподготовки и обеспечит расширение функциональных возможностей за счет высокоэффективной работы системы в теплое время года с учетом параметров наружного воздуха.