Введение к работе
Актуальность работы. В условиях высоких цен на энергоносители, значительного сокращения воспроизводства основных фондов, увеличения' частоты и тяжести аварий на подземных горных предприятиях особую значимость приобретают работы, направленные на обоснования и обеспечение наиболее рациональных режимов эксплуатации горных машин и комплексов. В полной мере это относится к комплексам главных вентиляторных установок (ГВУ) как основному звену систем жизнеобеспечения шахт и рудников. Ввиду своей значительной энергоемкости и регулировочных возможностей комплексы ГВУ играют также роль потребителей - регуляторов нагрузки подземных горных предприятий, обеспечивающих минимальный уровень оплаты за пользование электрической энергией.
Задачи научного обоснования и обеспечения рациональных режимов их эксплуатации практически постоянно стояли в центре внимания ученых и специалистов в области горной механики, весомый вклад в решение которых внесли Г.А.Бабак, И.В.Брусиловский, А.И. Веселое, Г.М.Водяник, Л.Я. Гимельшейн, А.А.Дзидзигури, И.О.Керстен, В.И.Ковалевская, Косарев Н.П., Е.М.Левин, Б.А.Носырев, В.С.Пак, В.В.Пак, Н.Н.Петров, И.А.Раскин, Т.С.Соломахова, К.А.Ушаков, И.С. Фрейдлих и другие. Выполненные ими фундаментальные исследования легли в основу современной науки о главных вентиляторных установках и явились теоретической базой настоящей работы.
Среди зарубежных ученых в области аэродинамики и вентиляторных установок следует отметить К.Пфлейдерера, Б.Экка, О.Бака (Германия), А.И. Степанова (США) и других.
За последние десятилетия в ведущих научно-исследовательских и проектных организациях, машиностроительных заводах, вузах горного профиля и военизированных горноспасательных частях (ВГСЧ) выполнен весьма значительный объем НИР и ОКР в области главных вентиляторных установок. Тем не менее значительного прогресса в повышении результативности режимов эксплуатации ГВУ достигнуть пока не удалось и установки зачастую эксплуатируются с повышенным электропотреблением, низким уровнем надежности и безопасности, не удовлетворяющим требования правил безопасности (ПБ) и правил технической эксплуатации (ПТЭ).
Основной причиной такой ситуации является то, что традиционный подход' в исследованиях ГВУ с точки зрения решения задач существенного повышения результативности режимов эксплуатации установок практически исчерпал свои возможности. Характерным для такого подхода является также недостаточная увязка вопросов экономичности и безопасности. На их тесную взаимосвязь и взаимодействие не обращалось должного внимания, несмотря на то, что в условиях рыночных отношений фактор безопасности все в большей степени становится также и экономическим, так как
материальные затраты, связанные с ликвидацией аварий, все ощутимее : влияют на состояние экономики предприятий.
Многолетний научно-практический опыт, накопленный в области горной механики, показывает, что проблема научного обоснования и обеспечения рациональных режимов эксплуатации главных вентиляторных установок является прежде всего комплексной, и поэтому успешное ее решение возможно только на основе системного подхода.
Часть диссертационной работы выполнялась в рамках отраслевой программы МП-2 " Разработать и внедрить эффективные способы и средства обеспечения безопасных условий труда в цветной металлургии", утвержденной заместителем министра цветной металлургии СССР 24.12.1985г. (этап ДЗ) и в соответствии с планами важнейших НИР УГТГА (шифр 76073046, 80035265,78006159,76029812 и др.).
Целью работы является установление закономерностей влияния параметров вентиляционных сетей и структуры вентиляционных воздушных потоков на уровень суммарных потерь энергии в комплексах главных вентиляторных установок для научного обоснования и практического обеспечения рациональных режимов эксплуатации установок при условии снижения электропотребления, повышения их надежности и безопасности жизнедеятельности подземных горных предприятий.
Идея работы заключается в использовании эффекта снижения суммарных потерь энергии в комплексах ГВУ при улучшении аэродинамики вентиляционных сетей и структуры вентиляционных воздушных потоков для уменьшения электропотребления, повышения надежности вентиляторных установок и обеспечиваемой ими безопасности подземных горных предприятий.
Задачи исследований.
-
Развитие теории взаимодействия вентиляторов главного проветривания и вентиляционных сетей, обеспечивающей установление взаимосвязей факторов, влияющих на режимы эксплуатации ГВУ, на основе системного анализа передачи и потерь энергии в системе ВГП+сеть.
-
Разработка и анализ критериев эффективности главных вентиляторных установок как целостных систем; научное обоснование рациональных режимов эксплуатации (рабочих областей) вентиляторных установок.
-
Установление закономерностей влияния структуры вентиляционных воздушных потоков на режимы эксплуатации главных вентиляторных установок.
-
Решение задач оптимизации параметров, совершенствования и создания принципиально новых компоновочных схем главных вентиляторных установок.
-
Обеспечение рациональных режимов эксплуатации ГВУ посредством разработки информационно - математического обеспечения и создания систем автоматического контроля и регулирования установок, мероприятий
по повышению их надежности и безопасности на основе использования установок жизнедеятельности подземных горных предприятий.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использованы системный анализ, теория сложных систем, численные методы прикладной математики, математический анализ, теория надежности, теория рудничных турбомашин, теория аэродинамики и экономико-статистические методы.
Основные результаты исследований получены на экспериментальных стендах , на ЭВМ и на действующих комплексах ГВУ предприятий цветной металлургии.
Научные положения, выносимые на защиту. Существующий подход к оценке режимов эксплуатации шахтных главных вентиляторных установок, базирующийся на раздельном рассмотрении ВГП и ШВС, не учитывает специфики рудничных турбоустановок, представляющих собой целостную совокупность турбомашин и сетей.
Обоснование режимов эксплуатации главных вентиляторных установок должно осуществляться с обязательным учетом потерь энергии в вентиляционной сети, представляющих собой наиболее значительную часть потерь в системе ГВУ.
Увеличение неравномерности структуры полей скоростей воздушных потоков в горных выработках и вентиляционных каналах приводит к росту в них потерь давления и снижению к.п.д. ШВС и каналов, а также к ухудшению технико-экономических показателей ВГП. Оптимизацию параметров , совершенствование и разработку новых компоновочных схем ГВУ следует осуществлять с учетом того, что коэффициент неравномерности структуры вентиляционных воздушных потоков (определяемый как коэффициент кинетической энергии потока) не должен превышать значения 1,1.
Обеспечение рациональных режимов эксплуатации ГВУ посредством создания систем автоматического контроля и регулирования ВГП и регуляторов расхода воздуха (РРВ) в ШВС должно осуществляться на основе оптимизации функционирования целостного комплекса ВГП +сеть
Оценка надежности ГВУ как целостной системы должна производиться с учетом надежности функционирования ШВС и отражать степень влияния непрерывного и периодического контроля основных параметров установок на показатели их надежности.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертации обоснована сходимостью экспериментальных результатов, полученных на лабораторных стендах (установках) и действующих ГВУ; определением (при статистических исследованиях) доверительных интервалов оценок параметров при доверительной вероятности 0.95; адекватностью математических моделей и физических явлений, подтвержденной расчетами на ЭВМ и результатами экспериментов на
лабораторных стендах и действующих ПЗУ; длительным опытом успешного внедрения основных результатов разработок на горнодобывающих предприятиях цветной металлургии.
Научная новизна диссертации заключается в том, что в ней на основе дальнейшего развития теории взаимодействия вентиляторов главного проветривания и вентиляционной сети разработаны принципиально новые подходы к обоснованию и обеспечению рациональных режимов эксплуатации комплексов главных вентиляторных установок.
Выполнен системный анализ потерь энергии в главных вентиляторных установках. Показано, что в известных работах в этой области потери в вентиляционных сетях не учитываются в общей сумме энергопотерь в вентиляционных установках. В связи с этим введены новые понятия "полезная гидравлическая мощность главной вентиляторной установки» и "теоретический режим работы установки".
Разработан опытно-теоретический метод определения суммарных потерь давления в проточных частях вентиляторов главного проветривания. Метод позволяет учитывать все виды потерь, оказывающих влияние на действительную рабочую характеристику вентиляторов.
Разработаны критерии эффективности вентиляционных каналов, шахтной вентиляционной сети и главной вентиляторной установки. При этом установлена степень влияния неравномерности вентиляционных воздушных потоков на к.п.д. каналов и сети. Критерии позволяют оценивать главные вентиляторные установки как целостные системы с единых технико-экономических позиций.
Сформулированы научно обоснованные подходы к определению наиболее рациональных режимов эксплуатации главных вентиляторных установок, дано новое понятие их рабочих областей. Показано, что при выборе вентиляторов главного проветривания необходимо исходить из принципа минимума мощности на зажимах сетевого двигателя привода вентиляторной установки.
Получены зависимости подачи, статистического давления и к.п.д. шахтных осевых и центробежных вентиляторов от неравномерности структуры полей скоростей воздушных потоков на их входе. Обоснованы допускаемый уровень этой неравномерности и необходимость ее учета при оптимизации параметров, совершенствовании и разработке компоновочных схем поверхностных подкомплексов главных вентиляторных установок.
Сформулированы принципы обеспечения рациональных режимов эксплуатации ГВУ, позволяющие учитывать зависимости энергопотребления установок от общешахтного и внутришахтного воздухораспределения. Показано, что графики подачи и электропотребления вентиляторных установок необходимо увязывать с графиками электрических нагрузок подземных горных предприятий для повышения их эффективности.
Решена задача учета непрерывного и периодического контроля параметров ГВУ при оценке надежности их работы.
Личный вклад заключается в дальнейшем развитии научного направления, связанного с исследованием, обоснованием и обеспечением рациональных режимов эксплуатации шахтных главных вентиляторных установок.
В рамках- отдельных разделов диссертации личный вклад автора состоит в выводе закономерностей, положенных в основу научного обоснования рабочих областей вентиляторных установок; в установлении степени влияния неравномерности вентиляционных воздушных потоков на режимы эксплуатации и к.п.д. установок; в получении зависимостей, положенных в основу методики оптимизации параметров входных элементов поверхностных подкомплексов установок; в разработке методики периодической оценки технико-экономического уровня главных вентиляторных установок как целостных систем; в разработке принципа управления вентиляторными установками, позволяющего осуществлять минимизацию мощности на зажимах сетевого двигателя привода с учетом потерь энергии в вентиляционной сети; в разработке предложений, направленных на повышение надежности главных вентиляторных установок и обеспечиваемой на основе их использования безопасности жизнедеятельности подземных горных предприятий.
Практическая ценность диссертации состоит в том, что совокупность разработанных в ней методов, предложений и средств позволяет обоснованно подходить к выбору и обеспечению наиболее рациональных режимов эксплуатации комплексов главных вентиляторных установок.
Практическую ценность представляет разработка и реализация мероприятий по улучшению аэродинамики поверхностных подкомплексов установок и создание их новых компоновочных схем. Практическая значимость работы подтверждается разработанными и реализованными методиками оптимизации параметров и периодического обследования вентиляторных установок, а также реализацией ее результатов посредством создания систем автоматического контроля и управления, обеспечивающих поддержание выбранных режимов эксплуатации установок.
Реализация результатов работы заключается в том, что они внедрены в институте «Унипромедь», АО «Севуралбокситруда», Гайском ГОКе, Дегтярском РУ, Березовском руднике, ЮУБРе, Кировоградском мелькомбинате, ВГСЧ предприятий цветной металлургии страны, Артемовском машиностроительном заводе и НИИГШ «ТУРМАНІ».
Разработана и принята для практического использования при проектировании и реконструкции ГВУ на предприятиях цветной металлургии методика расчета и выбора оптимальных параметров входных элементов установок. Разработаны и внедрены на ГВУ Уральских рудников цветной металлургии рекомендации по улучшению аэродинамики
поверхностных подкомплексов установок, промежуточные направляющие аппараты для находящихся в эксплуатации осевых реверсивных вентиляторов типа ВОКР. Техническая документация на направляющие аппараты принята на Артемовском машиностроительном заводе для реализации в конструкциях выпускаемых осевых вентиляторов .
Разработаны и внедрены в практику ВГСЧ предприятий металлургической отрасли промышленности сводный каталог действительных реверсивных характеристик шахтных осевых вентиляторов главного проветривания и методика периодического обследования главных вентиляторных установок. Созданы, апробированы и переданы в эксплуатацию на подземном руднике Гайского ГОКа и на ш.№13 АО «Севуралбокситруда» комплексы средств автоматического контроля и программно-математического обеспечения систем автоматизированного контроля и управления главными вентиляторными установками.
Разработана и принята в проекте института «Унипромедь» компоновочная схема установки с вентилятором ВОД-16, строительство которой осуществлено на ш. «Южная» Березовского рудника.
Разработана и согласована с заводом изготовителем методика обоснования сроков дальнейшей безопасной эксплуатации шахтных вентиляторов главного проветривания производства Артемовского машзавода.
Результаты работы использованы в учебном процессе студентов направления 551800 «Технологические машины и оборудование» Уральской государственной горно-геологической академии.
Подтвержденный актами экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы составляет 6,53 млрд.руб. (в ценах 1кв. 1997 года).
Апробация работы. Диссертационная работа и основные ее разделы докладывались на ежегодных научно-практических конференциях УПТА в период с 1975 по 1987гг.; на научно-технических советах АО "Севуралбокситруда" в 1976-1978 и 1987-1989гг.; Гайского ГОКа в 1978-79гг.; АО "Уралзолото" в 1976-77гт.; Дегтярского рудоуправления в 1980-81гг.; штаба ВГСЧ Урала в 1981, 1982, 1988, 1989гг.; на отраслевом совещании в институте ЦНИПП (г. Березовский, 1986г.); на Всесоюзном совещании служб депрессионных съемок ВГСЧ металлургических предприятий (Мончегорск, 1983г., Ленинабад-Свердловск, 1988г.); на Всесоюзном совещании в Институте горного дела СО АН РАН по проблеме "Вентиляция и газодинамические явления в шахтах" (Новосибирск, 1978-1984гг.); на научно-технической конференции с международным участием ученых и инженеров "Проблемы и перспективы развития горной механики" (Екатеринбург, 1995г.); на научно-технических конференциях:"Системы и средства контроля состояния шахтной атмосферы" (Екатеринбург, 1995г.); «Механика в горном производстве» (Екатеринбург, 1997г.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 50 работах, включая 9 авторских свидетельств на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из предисловия, девяти глав и заключения, изложенных на 246 страницах; она содержит 68 рисунков, 14 таблиц, список использованной литературы из 194 наименований и приложение.