Компрессорная установка шахты как объект автоматизации

В условиях шахт энергия сжатого воздуха используется для приводов: пневмосверл, буровых станков, насосов, бетономешалок, лебедок, отбойных и бурильных молотков. Источником пневматической энергии на шахтах являются компрессорные установки, которые устанавливаются на компрессорных станциях. Основной объем сжатого воздуха производят стационарные компрессорные станции, расположенные на поверхности шахты. От надежности работы компрессорных установок зависят производительность и безопасность эксплуатации технологического оборудования, качество продукции.

На рисунке 1 приведена структурная схема процесса пневмоснабжения горного предприятия, который осуществляется компрессорной станцией. На рисунке 1 обозначено: 1 - компрессорная станция; 2 – потребители; 3 – регулирующие органы; 4 – узлы трубопроводов; 5 – участковая магистраль трубопроводной пневмосети; 6 – главная магистраль трубопроводной пневмосети.

Рисунок 1 – Структурная схема процесса пневмоснабжения шахты

Для примера, на рисунке 2 приведена технологическая схема компрессорной станции шахты «Щегловская-Глубокая».

Рисунок 2 - Технологическая схема компрессорной станции шахты «Щегловская-Глубокая».

На рисунке 1.2 обозначено: ТК – турбокомпрессор, ПАПДК – пусковая аппаратура приводного электродвигателя компрессора, СД – синхронный двигатель, ЗС – задвижка, ПЗ – привод задвижки, ПК – поршневой компрессор. На компрессорной станции шахты «Щегловская-Глубокая» для обеспечения пневматической энергией потребителей шахты используются четыре компрессора: два центробежных - турбокомпрессоры (К-250-61-1-1 и ЦТК-275/9) и два поршневых (4М10-100/8 и 2М10-50/8) компрессора. Для обеспечения конечного давления в пневматической сети шахты 8-9 кгс/см2 используются один или два турбокомпрессора. Поршневые компрессора является резервными. При снижении давления в пневмосети шахты до 4 кгс/см2 на параллельную работу с турбокомпрессорами включают один или два поршневых компрессора, с целью возобновления рабочего давления пневматической сети.

На шахте им. А.Ф. Засядька компрессорная станция оборудована четырьмя турбокомпрессорами типа К-250-61-1-1.

Как показал анализ компрессорного оборудования и на остальных шахтах, основным типом компрессоров являются центробежные компрессора - турбокомпрессоры. Поэтому в дальнейшем будем рассматривать вопросы автоматизации турбокомпрессоров.

1. Конструкция турбокомпрессора. В турбокомпрессорных машинах передача энергии к газу происходит непрерывно во вращающемся рабочем колесе, снабженном лопатками. При обтекании потоком газа ре­шетки из профилей лопаток вращающегося колеса возникает подъемная сила, вызывающая ускорение потока, увеличение его скорости и давления. В дальнейшем в неподвижных элементах происходит добавочное увеличение давления за счет преобразо­вания кинетической энергии газа.

На рисунке 2 представлена технологическая схема турбокомпрессорного агрегата.

После каждой ступени воздух поступает в воздухоохладители, охлаждаемые водой, и затем в следующую ступень или воздухосборник. Сам турбокомпрессор охлаждению не подвергается. Нагретая вода охлаждается в гра­дирне и насосом снова подается в водопровод охлаждения. Ох­лаждается водой также и воздух, поступающий на охлаждение электродвигателя.

Шестеренчатый рабочий маслонасос, расположенный на валу ре­дуктора, засасывает через фильтры масло из маслобака и нагнетает его в маслосистему под давлением 500 кПа (5 кгс/см²). Масло проходит через охлаждаемые водой маслоохладители, после которых часть его, поступающая на смазку подшипников, пропускается через редукционный клапан, снижающий давление до 50-90 кПа (0,5-0,9 кг/см²). Масло под высоким давлением используется для работы реле осевого сдвига опорно-упорного подшипника и регуляторов производительности и противопомпажного, если они гидравлические.

Рисунок 2 - Технологическая схема турбокомпрессорного агрегата

Кроме того, на рисунке 2 указанны места установки датчиков теплотехнического контроля режима работы турбокомпрессорного агрегата, которые осуществляют контроль за техническим состоянием основных узлов компрессора для обеспечения бесперебойной подачи потребителям сжатого воздуха заданного давления и поддерживающих нормальный режим эксплуатации турбокомпрессорного агрегата. На рисунке 2 обозначено: 1 – датчик контроля температуры; 2 – датчик контроля давления; 3 – датчик осевого сдвига; 4 – датчик перепада давления; 5 – датчик контроля потока; 6 – датчик уровня масла; 7 – датчик производительности; 8 – датчик производительности и давления протипомпажного регулятора; 9 – датчик регулятора давления; ДЗВ1, ДЗВ2, ДЗН, ДДЗ, ДПК – соответственно электродвигатели задвижек водяного охлаждения, нагнетания, дроссельной заслонки и, протипомпажного клапану; РПД – регулятор прямого действия; ВП1 – ВП3 – вентили продува; --- ---- - водопровод; -- ---- - маслопровод; --0---0-- - воздухопровод.

Производительность компрессора контролируется датчика­ми расхода воздуха, установленными на всасывающем и нагне­тательном воздухопроводах. Они представляют собой дифферен­циальные манометры с электрическими сигналами на выходе вто­ричного прибора, измеряющие перепад давления на диафрагмах, смонтированных в воздухопроводах. Датчик расхода всасывающего воздухопровода измеряет полную производительность, и поэто­му его показания используются для работы противопомпажного регулятора. Датчик расхода нагнетательного воздухопровода измеряет количество сжатого воздуха, поступающего в воздухо­сборник и далее в пневмосеть, которое может отличаться от пол­ной производительности, например, при работе противопомпажной защиты, когда часть сжатого воздуха выбрасывается в атмосферу.

Давление воздуха, воды и масла измеряется датчиками, представляющими собой манометры различных типов, обычно без ш­кальные с аналоговыми или

дискретными сигналами на выходе, которые используются для целей автоматического контроля, за­щиты, управления.

Температура воздуха, охлаждающей воды, масла, подшипни­ков, обмоток электродвигателя измеряется термометрами сопротивления, в качестве вторичных приборов для которых используются логометры и автоматические мосты.

Для распределения охлаждающей воды по объектам охлажде­ния предусмотрены регулировочные вентили. Такие же вентили и в системе маслоснабжения. В водопроводной сети устанавливаются датчики контроля потока воды. В нагнетательном тру­бопроводе устанавливаются управляемые задвижки с электро­приводом. Одна задвижка при необходимости отделяет компрессор от пневмосети, вторая управляется регулятором противопомпажной защиты и соединяет компрессор с атмосферой.

2. Электропривод турбокомпрессоров. В качестве приводных электродвигателей насоса используются синхронные электродвигатели различной мощности, например электродвигатели серии СТД мощностью 1600 кВт. Эти электродвигатели двухполюсные трёхфазного тока частотой 50 и 60 Гц. Возбуждение двигателей серии СТД осуществляется от тиристорных возбудителей серии ВТЕ 10-315. Способ пуска двигателей – прямой, от полного напряжения сети, или реакторный в зависимости от величины моментов инерции приводимых турбокомпрессоров. Как видно, турбокомпрессорный агрегат является мощным потребителем электроэнергии. Исследованиями установлено, что затраты электроэнергии на пневмоснабжение объектов горного предприятия достигают 60% от всей энергии, потребляемой шахтой. Поэтому при автоматизации турбокомпрессорного агрегата требуется предусматривать технические средства для контроля расхода электроэнергии и обеспечения энергосберегающих режимов эксплуатации.

3. Режимы работы турбокомпрессоров. При работе турбокомпрессора на сеть его параметры изменяются в зависимости от условий работы. Для того чтобы знать, каким образом турбокомпрессор будет вести себя в эксплуатации, должны быть известны не только свойства самого турбокомпрессора, но и свойства потребителей сжатого воздуха, т.е. пневмосети. Вид характеристики сети зависит от её конструкции и режима работы потребителей сжатого воздуха. На рисунке 3 изображены рабочие характеристики турбокомпрессора при его работы на внешнюю сеть. Рабочая точка компрессора определяется точкой пересече­ния А характеристики турбокомпрессора 1 и характеристики сети 2. Точка К соответствует критической производитель­ности Q_к турбокомпрессора, при которой он развивает максимальное давление Р_к. Если расход воздуха в пневмосети станет меньше Q_к, то давление, развиваемое турбокомпрессором, окажется меньше Р_к и, следовательно, меньше, чем в пневмосети, из которой воздух устремится к турбокомпрессору и захлопнет обратный клапан в возду­хопроводе. Рабочий режим турбокомпрессора а переместится в точку Б, соответствующую холостому ходу. По мере расходования воздуха, из пневмосети его давление снизится до величины, соответствую­щей точке А, обратный клапан откроется и компрессор начнет подавать в пневмосеть воздух в количестве, определяемом точ­кой В. Если расход воздуха останется меньше Q_к, все повторя­ется в том же порядке. Это явление известно под названием помпажа и происходит при эксплуатации турбокомпрессора на участке ра­бочей характеристики, расположенной левее критической точки К.

Рисунок 3- Рабочие характеристики турбокомпрессора

Работа турбокомпрессора при возникновении помпажа недопустимая, потому что при этом имеют место сильная вибрация всей установки, большие перегрузки узлов установки, резкие колебания нагрузки на двигатель компрессора. Помпаж сопровождается сильный шумом и гидравлическими ударами. Это часто приводит не только к снижению производительности установки, но и к выходу из строя турбокомпрессоров, трубопроводов, опор. Помпаж имеет переходный режим - зону «предпомпажних колебаний». В том случае, когда процессы, которые влекут появление «предпомпажних колебаний» не предотвращают, происходит глобальная потеря устойчивости работы турбокомпрессора и начинается автоколебательный процесс - помпаж. При этом для автоколебательного процесса внешним источником энергии является сам турбокомпрессор. Поэтому при автоматизации турбокомпрессорного агрегата требуется предусматривать технические средства автоматизации для защиты для предотвращения помпажа в турбокомпрессоре.

В процессе работы потребителей сжатого воздуха рабочая точка может изменяться, что обусловлено включением – выключением потребителей. При этом изменяется давление и расход воздуха в сети и соответственно у потребителей, что может снизить эффективность работы потребителей или привести к аварийным ситуациям, например, порыв воздухопровода. Поэтому возникает необходимость одновременно с изменением с изменением характеристики сети изменять характеристику турбокомпрессора. Как правило, в условиях эксплуатации необходимо подавать сжатый воздух в широком диапазоне производительности, от нулевой до номинальной, а в ряде случаев и до максимальной. Чаще всего требуется регулирование турбокомпрессора для обеспечения постоянного давления или постоянной производительности. Например, для пневматических инструментов (отбойный молоток) требуется постоянное давление воздуха не зависимо от количества их в работе. Для турбокомпрессоров, нагнетающих воздух в доменную печь, необходимо подавать в домну постоянное количество воздуха при переменном сопротивление доменной печи, которое меняется в процессе эксплуатации при изменении состава шихты и режима работы печи.

Дата добавления: 2014-12-23