Введение к работе
Актуальность темы диссертации.
Эффективное решение задач вентиляции современных подземных горнодобывающих предприятий немыслимо без широкого использования средств промышленной автоматизации, вычислительной техники и методов математического имитационного моделирования аэрогазодинамических процессов, происходящих в подземных рудниках. Увеличение объемов добычи руды и вызванное им увеличение потребности рабочих зон в свежем воздухе, разрастание вентиляционных сетей и использование систем управляемой рециркуляции, повышение требований к сбалансированному распределению воздушных масс между сегментами вентиляционных сетей и другие факторы делают управление воздушными потоками в вентиляционных сетях крупных рудников исключительно сложной задачей, эффективное и экономически целесообразное решение которой в рамках жестких требований к безопасности ведения горных работ представляется трудноосуществимым без использования средств автоматического управления проветриванием.
Случаи использования средств автоматического и автоматизированного управления проветриванием подземных рудников в настоящее время весьма редки. Основная
функция подобных систем, действующих на горнодобывающих предприятиях,— контроль параметров проветривания и в лучшем случае ручное дистанционное управление вентиляционными устройствами (вентиляторными установками и средствами отрицательного регулирования). Однако современный уровень развития горного производства предъявляет гораздо более высокие требования к системам управления вентиляцией рудников. Главнейшими требованиями являются:
-
обеспечение безопасности ведения горных работ;
-
экономическая эффективность;
-
отказоустойчивость и надежность.
Обеспечение безопасности ведения горных работ включает в себя быструю реакцию системы управления на изменение параметров проветривания (повышение концентрации токсичных и горючих газов, снижение количества свежего воздуха на участках вентиляционной сети и пр.) и автоматический перевод ее в режим, позволяющий привести параметры системы вентиляции в допустимые рамки.
Экономическая эффективность системы обеспечивает работу вентиляционных устройств (вентиляторные установки, регуляторы расходов воздуха и пр.) в режиме, позволяющем свести энергетические затраты на проветривание рудника к минимально возможным значениям.
Отказоустойчивость и надежность автоматической системы проветривания обеспечивает непрерывное, логически последовательное и удовлетворяющее предыдущим требованиям проветривание рудника как в случае выхода из строя отдельных компонентов системы, так и в аварийных ситуациях (например, при подземных пожарах).
Поскольку вентиляционные сети рудников являются в каждом случае индивидуальными, разработка конкретной оптимальной системы автоматического управления проветриванием требует решения комплекса задач, связанных с оптимальным выбором мест установки и типов регуляторов расходов воздуха, заданием способа регулирования производительности вентиляторных установок, определением динамических характеристик вентиляционной сети рудника, расчетом параметров рециркуляционных установок, оценкой экономической эффективности и целесообразности внедрения системы, расчетом ее надежностных характеристик, моделированием поведения системы в аварийных ситуациях и множеством других вопросов.
Все вышеперечисленные обстоятельства указывают на необходимость разработки совокупности математических алгоритмов, программных средств и практических методов построения оптимальных систем автоматического управления проветриванием подземных рудников, позволяющих эффективно и в полном объеме решать поставленные выше задачи управления вентиляцией рудников.
Цель работы — разработка научно-технологических основ построения оптимальных систем автоматического управления проветриванием подземных рудников и шахт, обеспечивающих безопасное ведение горных работ и энергоэффективность процесса рудничной вентиляции.
Основная идея работы заключается в использовании математической имитационной модели нестационарного воздухораспределения в вентиляционной сети и динамических моделей средств отрицательного и положительного регулирования для разработки оптимальных систем автоматического управления проветриванием подземных рудников.
Основные задачи работы:
— исследование границ применимости модели стационарного воздухораспределения к моделированию работы САУП, разработка эффективных и скоростных
методов расчета стационарного воздухораспределения в вентиляционных сетях и анализ параметров их сходимости;
исследование процессов неустановившегося движения воздуха в шахтах, разработка метода расчета нестационарного воздухораспределения в вентиляционных сетях шахт для анализа переходных аэродинамических процессов, возникающих за счет реактивных свойств воздушных потоков;
классификация условий применения и разработка способов оптимального управления вентиляционными устройствами, установленными в подземном руднике, работающими с использованием критерия минимизации суммарной мощности, потребляемой вентиляторными установками рудника, с одновременным сохранением соответствия фактических расходов воздуха их требуемым значениям;
разработка программно-вычислительного комплекса для имитационного моделирования работы ОСАУП, работающего на базе модели нестационарного воздухораспределения в вентиляционной сети;
проверка работы разработанного алгоритма оптимального управления на испытательном аэродинамическом стенде, представляющем собой физическую модель подземного рудника с вентиляционными устройствами; сравнение результатов физического моделирования ОСАУП, полученных на стенде, с результатами, полученными на имитационной компьютерной модели ОСАУП в разработанном программно-вычислительном комплексе;
определение степени устойчивости разработанного АОУ к внутренним и внешним возмущающим воздействиям, а также к техническим ограничениям автоматических средств регулирования и измерений;
разработка технологии применения автоматических средств отрицательного и положительного регулирования, входящих в состав ОСАУП и являющихся ее базовыми элементами;
создание методики построения и проектирования ОСАУП, унифицирующей методы выбора мест установки, параметров и характеристик технических средств ОСАУП, а также процесс разработки управляющих алгоритмов для программного обеспечения верхнего уровня ОСАУП, обеспечивающих вывод системы управления в оптимальный режим.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
методы расчета стационарного воздухораспределения, основанные на использовании скоростных матричных численных схем, позволяющие оптимизировать технические параметры и места размещения основных исполнительных механизмов систем автоматического управления проветриванием;
метод расчета нестационарного воздухораспределения в рудничной вентиляционной сети, использующий решение уравнений балансов импульса и массы в одномерной сетевой постановке, обеспечивающий учет свойств сжимаемости и инерционности рудничного воздуха;
научные основы и технологические принципы оптимального управления исполнительными механизмами системы автоматического проветривания подземного рудника с применением управляемой рециркуляции и автоматического отрицательного регулирования, гарантирующего доставку свежего воздуха всем потребителям рудника в требуемом количестве в автоматическом режиме;
способ оптимального управления произвольным количеством вентиляторных установок рудника, минимизирующий суммарную мощность, потребляемую данными установками и производящий расчет управляющих воздействий с применением специального механизма учета влияния активных источников тяги на воздухораспределение в заданных сегментах сети;
теоретические положения методики моделирования в специализированном программно-вычислительном комплексе, базирующиеся на технологии имитационного моделирования и предназначенные для построения оптимальных систем автоматического управления проветриванием подземного рудника.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается соответствием фундаментальным физическим законам, сопоставимостью результатов аналитического решения, численных (компьютерных), физических (лабораторных) и натурных экспериментов, соответствием приведенных результатов данным, полученным другими авторами, значительным объемом наблюдений, выполненных в натурных условиях при проведении промышленных испытаний, измерениями на испытательном стенде, положительными результатами реализации предложенных технических решений в рудниках Старобинского и Верхнекамского месторождений.
Научная новизна:
скоростные матричные численные схемы, примененные в модернизированных методах расчета стационарного воздухораспределения в вентиляционных сетях шахт и подземных рудников;
численная схема метода расчета нестационарного воздухораспределения в вентиляционной сети, позволяющая производить анализ переходных аэродинамических процессов за счет учета сжимаемости и инерционности воздушных потоков;
классификация условий применения оптимальных систем автоматического управления проветриванием в подземных рудниках;
алгоритм вывода вентилятора главного проветривания, оборудованного механизмом поворота лопаток рабочего колеса и преобразователем частоты, в режим работы с максимальным КПД;
способ оптимального управления автоматическими вентиляционными устройствами в руднике и несколькими вентиляторными установками с регулируемой производительностью согласно критерию минимизации суммарной мощности, затрачиваемой на вентиляцию, использующий специальную матрицу влияния источников тяги на расходы воздуха в заданных сегментах вентиляционной сети;
управляющие уравнения для системы оптимального управления автоматическими вентиляционными устройствами в руднике и ГВУ с регулируемой производительностью ;
методика построения оптимальных систем автоматического управления проветриванием, в основе которой лежит имитационное компьютерное моделирование в разработанном программно-вычислительном комплексе «АэроСеть», реализующем модель нестационарного воздухораспределения в сети.
Практическое значение и реализация результатов работы.
Результаты, полученные в работе, позволяют использовать принципиально новую методологию при разработке и проектировании систем автоматического управления
проветриванием, применение которой приводит к эффективному проветриванию рабочих зон рудников и значительной экономии электроэнергии.
В настоящее время многие результаты работы внедрены в промышленную эксплуатацию на горнодобывающих предприятиях, часть находится в процессе внедрения. Шахтные вентиляторные установки ШВУ-12А, предназначенные для рециркуляционного проветривания, в настоящее время находятся в промышленной эксплуатации в рудниках 1 РУ, 2 РУ, З РУ и 4 РУ ОАО «Беларуськалий» (Республика Беларусь), а также в руднике СКПРУ-3 ОАО «Уралкалий» (г. Соликамск). Всего в промышленной эксплуатации находятся 15 таких установок. Разработана конструкторская документация и изготовлены промышленные образцы автоматической вентиляционной двери АВД, предназначенной для отрицательного регулирования воздушных потоков, в настоящее время проходят промышленные испытания двери в рудниках ОАО «Беларуськалий»; далее запланировано оснащение такими дверями всех калийных рудников России и Белоруссии. Разработаны конструкторская документация и технология применения блока частотного регулирования БЧРв-30, предназначенного для управления производительностью вентиляторов местного проветривания. Изготовлены промышленные образцы БЧРв-30, получены сертификаты и разрешение Ростехнадзора на проведение промышленных испытаний блока в условиях шахт и рудников. Разработана конструкторская документация и изготовлена система автоматического управления вентиляторной установкой главного проветривания для подземной ВУГП Березовского участка рудника 4 РУ ОАО «Беларуськалий» (производитель вентилятора — Howden Ventilatoren GmbH, Германия). Разработаны исходные данные для проектов систем автоматического управления проветриванием в рудниках БКПРУ-2 и БКПРУ-4 ОАО «Уралкалий».
Изготовлен испытательный аэродинамический стенд ИАС-1, позволяющий исследовать работу алгоритмов оптимального управления проветриванием в условиях натурного эксперимента.
Разработан мощный программно-вычислительный комплекс «АэроСеть», предназначенный для имитационного моделирования работы систем автоматического управления проветриванием, которое дает возможность избежать многочисленных ошибок при их проектировании и учесть специфику различных рудников еще на предпроект-ных стадиях. ПВК «АэроСеть» и его многочисленные программные модули в настоящее время активно применяются на горнодобывающих предприятиях России и Белоруссии, включаются в технологические регламенты по проветриванию, используются в учебном процессе ряда вузов.
Апробация работы.
Содержание отдельных разделов и материалов диссертационной работы докладывалось и обсуждалось на научных сессиях ГИ УрО РАН (Пермь, 2003 — 2011 гг.), на Уральском горнопромышленном форуме «Горное дело. Оборудование. Технологии» (Екатеринбург, 2006 г.), на Первом всероссийском научном форуме «Демидовские чтения на Урале» (Екатеринбург, 2006 г.), на международном научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, МГГУ, 2006, 2008, 2010 гг.), на научно-практической конференции «Медведевские чтения» (Кунгур, 2004 г.), на Второй международной конференции «Горное дело» (Алма-Ата, 2006 г.), на международной конференции «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды» (Новосибирск, 2006 г.), на II Международной научно-практической конференции «Инновационные направления в проектировании горнодобывающих предприятий» (Санкт-Петербург, 2011 г.), на всероссийской научной конференции с международным участием «Компьютерные технологии при проектировании и планировании горных работ» (Апатиты, 2008 г.), на респуб-
ликанской научно-технической конференции «ISTIQLOL» (Навои, Узбекистан, 2007 г.), на всероссийской научно-технической конференции «Нефтегазовое и горное дело» (Пермь, 2010 г.), на конференции «Геология и полезные ископаемые Западного Урала» (Пермь, 2008 г.), на Третьей харбинской международной выставке (Харбин, Китай, 2011 г.), на технических советах в ОАО «Сильвинит», ОАО «Уралкалий», ОАО «Бела-руськалий», ОАО «КнауфГипсНовомосковск», ОАО «АК "АЛРОСА"» и пр.
Публикации.
По теме диссертации опубликованы 40 печатных работ, в т. ч. 12 — в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, утвержденных ВАК Минобрнауки РФ, получено 2 свидетельства Роспатента об официальной регистрации программ для ЭВМ.
Объем работы.
Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения. Работа изложена на 340 страницах машинописного текста, содержит 118 рисунков и 14 таблиц. Список использованных источников состоит из 213 наименований.
