Введение к работе
Актуальность проблемы. Угольная промышленность является базовой, образует цепочку последующих зависимых отраслей: энергетика, металлургия, станкостроение и т.д. Поэтому проблемы в угольной промышленности, в той или иной мере, перекладываются на экономику всей страны. Наиболее острыми являются проблемы обновления основных фондов. Анализ всех типов карьерных, шагающих и роторных экскаваторов, задействованных в производстве, показывает, что средневзвешенный возраст среднестатистического экскаватора составляет более 17 лет. Нормативный срок службы экскаваторов составляет 15 – 18 лет. Как следствие – повышенная аварийность, уменьшение межремонтных циклов, увеличение затрат на техническое обслуживание (ТО). Усугубляют проблему усложнение горно-геологических условий, увеличение удельного энергопотребления, экологических и социальных издержек производства, условий безопасности производства, отсутствие должного финансирования, изменение производственных отношений.
Эффективность эксплуатации электрооборудования горных предприятий предполагает минимизацию затрат на его содержание и ремонт при максимальной производительности и соблюдении безопасных условий труда обслуживающего персонала. Повышение эффективности эксплуатации электрооборудования связано с решением комплекса проблем, обусловленных определением фактического электропотребления с учетом особенностей технологических процессов на предприятии, определением фактических режимных параметров с последующим установлением рациональных режимов работы электроустановок, определением и текущим контролем фактических потерь в распределительных сетях, контролем текущего состояния электроустановок технологических комплексов и обеспечением их безопасной эксплуатации, создания систем мониторинга и функциональной диагностики технического состояния с целью оперативного принятия решений по проведению ремонтных мероприятий, либо мероприятий по восстановлению работоспособности элементов и узлов электрооборудования. В связи с этим, возникает необходимость перехода на более прогрессивную систему ТО, которая уже внедряется на предприятиях ряда отраслей промышленности – обслуживания по фактическому состоянию (ОФС). Идея ОФС состоит в минимизации (устранении) отказов путем отслеживания и распознавания технического состояния оборудования методами неразрушающего контроля по совокупности его эксплуатационных характеристик.
Одним из элементов электрооборудования горных предприятий являются распределительные сети. Результаты исследований свидетельствуют о необходимости решения нескольких проблем, связанных с канализацией активной мощности и генерацией и перераспределением реактивной мощности. Фактические нагрузки карьерных экскаваторов значительно отличаются от номинальных (всегда в меньшую сторону), а общая генерируемая синхронными двигателями реактивная мощность превышает потребности в ней остальных электроприемников разреза, что приводит к нерациональным потерям активной мощности, как в распределительных сетях, так и в самих синхронных двигателях. В этой связи необходима разработка научно-методических положений по оптимизации режимов электрического оборудования, уменьшению потерь в линиях, их аналитического расчета и регистрации приборами контроля.
На современных экскаваторах и перерабатывающих комплексах установленная мощность электрооборудования достигает 20 МВт, что по мощности сравнимо с крупными промышленными предприятиями. Но, в отличие от промышленных предприятий, электрооборудование на горных комплексах сконцентрировано на небольшой площади, что создает благоприятные предпосылки для их оборудования комплексной защитой. Выход из строя любого из множества электродвигателей вспомогательных приводов приводит к остановке всего комплекса.
Основным видом технического обслуживания машин и механизмов, применяемым в промышленности в настоящее время, является планово-предупредительное техническое обслуживание по назначенному ресурсу, а не по результатам диагностирования. Время назначенного ресурса Тр зависит от времени жизни наиболее подверженных износу компонентов, таких, например, как подшипниковые узлы. Процедура ППР существенно уменьшает вероятность аварии, но не предохраняет механизм от неожиданных повреждений в межремонтный период, а переборки только ускоряют износ узлов. Кроме того, необоснованные переборки вносят новые непредвиденные дефекты: перекосы осей, повышенные или заниженные зазоры, загрязнения и прочие технологические дефекты, сокращающие срок жизни машины, что требует проведения дополнительных ремонтных работ и, соответственно, дополнительных затрат. Затраты на содержание и ремонт оборудования предприятий увеличиваются по мере его эксплуатации и могут составлять величину, на порядок выше стоимости нового оборудования.
Стоимость ремонта экскаватора за период эксплуатации превышает затраты на его изготовление примерно в 10 раз. Однако, как показывает практика, фактические нагрузки могут значительно отличаться от расчетных либо регламентируемых. Более того, разборки оборудования, осуществляемые по регламенту планово-предупредительных ремонтов (ППР), сокращают реальный межремонтный период в среднем на 15 – 30%. Это обусловлено тем, что в реальных условиях не существует сильной взаимосвязи между сроком эксплуатации и техническим состоянием (ТС) оборудования, если не присутствуют эрозийные формы износа и разрушения деталей, линейно связанные со сроком службы.
Решение комплекса вопросов по развитию теоретических основ и методов повышения эффективности функционирования электрооборудования горных предприятий является научной проблемой, имеющей важное хозяйственное значение, внедрение которой может внести значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса.
Объект исследования – электрооборудование угольных разрезов как многоаспектная научно-производственная система.
Цель работы – повышение эффективности эксплуатации электрооборудования угольных разрезов путем комплексного обоснования рациональных параметров, технических средств и режимов работы с учетом его фактического технического состояния.
Идея работы заключается в использовании результатов системного анализа фактических параметров и условий эксплуатации электрооборудования угольных разрезов для разработки методов и технических средств, позволяющих повысить эффективность его функционирования.
Методы исследований. Выполнение работы осуществлялось на основе использования сравнительно широкого комплекса методов исследований, объединяемых системным подходом и включающего
анализ и обобщение результатов ранее выполненных исследований в области определения удельных нагрузок, режимных параметров электрооборудования, защитных устройств, теоретических методов расчета потерь электроэнергии, методов неразрушающего контроля технического состоянии горного оборудования;
логические оценки и заключения (практически на всех стадиях выполнения работы и формирования ее разделов и подразделов);
теоретические исследования (при разработке методики исследований, способа определения удельных потерь, схемы многоканального защитного устройства, определении режимов возбуждения синхронных двигателей преобразовательных агрегатов);
экспериментальные исследования (при установлении удельных нагрузок, фактических значений режимных параметров);
аппараты теории вероятностей и математической статистики, теории планирования эксперимента, теоретических основ электротехники.
Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту
-
Измерения и регистрацию комплекса режимных параметров высоковольтного горного электрооборудования следует производить на основе многопараметрической системы с использованием разработанных автором методических основ и принципов, позволяющих получать достоверные данные в условиях ограниченной информации.
-
Новые параметрические модели электропотребления карьерных экскаваторов, учитывающие особенности горно-геологических условий и технологию ведения горных работ.
-
Повышение эффективности функционирования карьерных экскаваторов обеспечивается установкой рациональных параметров сетевых двигателей преобразовательных агрегатов с учетом их фактической активной нагрузки и потребной для индуктивной нагрузки фидерных линий генерируемой реактивной мощности.
-
Методика выбора параметров высоковольтных гибких кабелей с учетом их фактических срока службы, токовых нагрузок, сезонной температуры окружающей среды региона и технико-экономических показателей производства.
-
Способ определения и регистрации нагрузочных потерь электроэнергии в распределительных сетях карьеров по удельным потерям активной мощности на головном участке сети и эквивалентному значению коэффициента потерь распределительной сети.
-
Способ безопасной эксплуатации технологического комплекса, основанный на применении многоканального многопараметрического защитного и диагностического устройства.
-
Методические принципы организационно-технологической системы технического обслуживания, построенной на основе оценки фактических режимных параметров, современных методов неразрушающего контроля, вибромониторинга и виброналадки вращающегося оборудования.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается результатами анализа необходимого для получения достоверной информации объема статистического материала, на основе которого получены зависимости и показатели, используемые в расчетных методах; использованием современных методов математической статистики и планирования экспериментов; сопоставлением результатов расчетов с фактическими данными; применением аналитического и графоаналитического методов; положительными результатами практической реализации разработок, приведенных в диссертации.
Научная новизна и значимость работы
-
Разработана методика проведения многопараметрических экспериментальных исследований на основе системы регистрации режимных параметров электрооборудования горных предприятий в условиях ограниченной информации.
-
Установлены закономерности формирования удельных электрических нагрузок карьерных одноковшовых экскаваторов и их энергетические характеристики как корреляционные зависимости между электропотреблением и определяющим его технологическими факторами.
-
Разработана методика графо-аналитического построения U-образных и рабочих характеристик синхронных двигателей преобразовательных агрегатов карьерных одноковшовых экскаваторов и теоретически обоснованы режимы возбуждения этих двигателей в соответствии с их фактическими нагрузками и экономичного распределения реактивной мощности между электроприемниками фидерных линий по условию минимума потерь электроэнергии.
-
Установлены аналитические зависимости, позволяющие осуществлять выбор параметров высоковольтных гибких кабелей: длин в зависимости от технико-экономических показателей предприятия и сечений токоведущих жил в зависимости от фактических токовых нагрузок, срока службы и сезонной температуры окружающей среды региона.
-
Теоретически обоснован способ определения удельных потерь электроэнергии в распределительных сетях горных предприятий по канализируемой головным участком активной мощности и эквивалентному значению коэффициента потерь распределительной сети.
-
Разработан способ обеспечения безопасной эксплуатации технологического комплекса с помощью многоканального многопараметрического защитного устройства.
-
Обоснованы методические основы проведения мониторинга технического состояния, функциональной диагностики вращающегося оборудования горнодобывающих комплексов, предложена поэтапная система мероприятий перехода на новую технологию обслуживания электрооборудования угольных разрезов по его фактическому техническому состоянию.
Практическое значение работы
-
Разработанные методика и многоканальная система измерения и регистрации режимных параметров позволяют осуществлять комплексные экспериментальные исследования по одновременной регистрации нескольких режимных параметров электрооборудования горных предприятий в различных условиях эксплуатации.
-
Методика определения рациональных режимов возбуждения синхронных двигателей карьерных экскаваторов в зависимости от их фактической нагрузки позволяет уменьшить потери активной мощности в распределительных сетях за счет рационального перераспределения реактивной нагрузки, а также за счет уменьшения затрат активной мощности на генерацию реактивной.
-
Методика выбора оптимальных параметров высоковольтных гибких кабелей позволяет повысить эффективность их использования за счет увеличения токовых нагрузок и снизить затраты на сооружение внутрикарьерных кабельных линий.
-
Предложенный способ определения относительных потерь электроэнергии в распределительных сетях обеспечивает мониторинг фактических потерь электроэнергии в зависимости от существующей топологии сети и канализируемой головным участком активной мощности.
-
Одно многоканальное защитное устройство от анормальных режимов работы трехфазных электроустановок позволяет осуществлять несколько видов защит, а также диагностику компактно расположенных электроприемников технологического комплекса.
-
Инженерная методика акустического неразрушающего контроля технического состояния и виброналадки вращающегося горного электрооборудования позволяет увеличить межремонтные интервалы и осуществлять постепенный переход на новую технологию технического обслуживания по фактическому состоянию горного электрооборудования.
Реализация результатов работы. При непосредственном участии автора все основные результаты выполненных исследований и разработок получили поэтапную практическую реализацию, начиная с конца 80-х годов минувшего столетия.
Начало использования многоканальной системы регистрации режимных параметров относится к 1987-88 годам на Читинском машиностроительном заводе при анализе влияющих факторов на электропотребление завода (в данной работе результаты исследований не приводятся).
На последующих этапах производились экспериментальные исследования в объединении ОАО «Приморскуголь» на угольном разрезе «Павловский-2», где были внедрены технические мероприятия по оптимизации режимов возбуждения синхронных двигателей карьерных экскаваторов. Далее эксперименты по определению удельных нагрузок и энергетических характеристик одноковшовых экскаваторов проводились в условиях Лучегорского угольного разреза с последующим внедрением результатов. Затем на этом же разрезе производились исследования режимных параметров карьерных экскаваторов и реализация мероприятий по рациональному перераспределению реактивной мощности в распределительных сетях.
Опытные образцы многоканального защитного устройства были внедрены на котельной Павловского угольного разреза и на дробильном комплексе Лучегорского угольного разреза, техническая документация передавалась в объединение «Дальвостуголь» (ныне ООО «Амурский уголь»).
Начиная с 2004 года возобновились работы на Лучегорском угольном разрезе по определению фактического технического состояния экскаваторного парка и разработке методов поэтапного перехода на новую систему технического обслуживания горного электрооборудования с применением современных технических средств неразрушающего контроля технического состояния вращающегося горного электрооборудования. В результате установлены единичные и комплексные показатели качества и эмпирические модели технического состояния карьерных экскаваторов, созданы и внедрены рабочие методики акустического неразрушающего контроля технического состояния и виброналадки вращающегося горного электрооборудования (многоплоскостной балансировки роторов электрических машин в собственных опорах), организована служба технической диагностики в составе отдела главного механика, осуществляющая мониторинг технического состояния горного электрооборудования и его виброналадку.
Расчетный годовой экономический эффект от рационализации режимов работы синхронных двигателей только одного типа экскаватора составляет в ценах 2002 года около 80000 рублей. Реализация мероприятий по организации мониторинга технического состояния и функциональной диагностики позволяет при 1% капитальных затратах и 2% эксплуатационных от стоимости основных фондов получать рентабельность 500%.
Все защищаемые научные положения и результаты экспериментальных исследований нашли отражение в учебных пособиях, монографиях и внедрены в учебный процесс горного института ДВГТУ.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы в целом и ее отдельные положения докладывались, обсуждались и получили положительные оценки на ежегодных научно-практических конференциях и расширенных заседаниях кафедры горной электромеханики, на курсах повышения квалификации руководящего состава горных предприятий при горном институте ДВГТУ, на технических совещаниях при главном инженере Лучегорского угольного разреза, на Международных научных симпозиумах “Неделя горняка-2000, 2002”, на V11 международной конференции «Современные технологии обучения «СТО-2001» Санкт-Петербург, на международной конференции стран АТР «Совершенствование технологии добычи, обогащения и переработки угля», Владивосток, 2002, на региональных научно-технических конференциях «Молодежь и научно-технический прогресс», ДВГТУ, 1988 - 2004, на 11 международной конференции стран АТР «Совершенствование технологии добычи, обогащения и переработки угля», Владивосток, 2004, на пятой Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов» Благовещенск, 2008, на «Вологдинских чтениях», Владивосток, 1998 - 2008, на 1, 2, 3, 4 международных научных конференциях «Проблемы освоения георесурсов Российского Дальнего Востока и стран АТР», Владивосток, 2001 – 2008, на международных научных чтениях «Приморские зори – 2009», расширенном заседании кафедры электроснабжения Читинского государственного университета , 2009.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 51 печатных работах, в том числе в двух монографиях, трех учебных пособиях (в соавторстве); в изданиях, рекомендованных ВАК - 8 и 4 патентах на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, изложенных на 306 страницах машинописного текста, содержит 70 рисунков, 32 таблицы, библиографический список использованной литературы из 239 наименований и 3 приложения.
