Повышение энергоэффективности вентиляторных установок



В производственных предприятиях и в народном хозяйстве повышение производительности и уменьшение затрат на электроэнергию на сегодняшний день считается основной проблемой. Нужно выбрать оптимальный вариант правильного управления и запуска электрооборудования при ведении технологического процесса. По потреблению электроэнергии вентиляторные установки считаются самыми энергоёмкими. Существуют проблемы, связанные с выбором расчетных параметров и правильного режима работы, повышающего энергоэффективность вентиляторных устройств.

В шахтах вентиляторные установки служат для вентиляции подземных горных установок. Количество свежего воздуха, выдаваемое вентиляторными установками в подземные горные выработки должно быть достаточно для того, чтобы рабочие дышали чистым воздухом, во время организации рабочего процесса и для уменьшения количества взрывоопасных и токсичных газов согласно требованиям безопасности. Воздух, затрачиваемый для вентиляции больших шахтных полей и глубоких скважин в 4–5 раз больше чем добываемого полезного ископаемого. Для доставки такого большого количества воздуха в подземные горные выработки, используются современные вентиляторы, с производительностью до 400–500 м³/сек, ёмкостью до 3–4 тыс. кВт.

Количество воздуха, необходимые для нормальной вентиляции месторождений определяется следующими способами [1,2]:

1. По количеству одновременно работающих под землёй людей:

, м³/мин (1)

где: 6 — количество воздуха необходимое для одного человека, м³/мин;

n — количество людей, работающих одновременно под землёй;

k_ʕ — коэффициент запасов 1,3–1,6.

2. По выделению взрывоопасных газов:

, м³/мин(2)

где: А_ш — суточная производительность месторождения, м³;

Q_Н- объем воздуха, необходимый для извлечения одного кубического метра горной породы, его значение берётся из справочника категорий выделения газов из горных выработок.

3. По количеству одновременно взрываемых взрывчатых веществ:

, м³/мин (3)

где; B — количество одновременно взрываемых веществ, кг;

T- количество одновременно взрываемых веществ, мин;

I_в — загазованность взрывчатого вещества, м³/мин, его значение определяется исходя из типа взрывчатого вещества по справочнику;

С_д — максимальное допустимое количество газа в потоке воздуха, %

4. По объему воздуха необходимого для проветривания отработанных газов и приведения их к допустимым безвредным концентрациям:

, м³/мин (4)

где: b — объем воздуха затрачиваемый для каждой лошадиной силы энергии двигателя внутреннего сгорания, м³/мин, его значения берется в промежутке 5–6 м³/мин;

N- общая мощность двигателей внутреннего сгорания, лошадиная сила.

Для выбора типа вентилятора сначала необходимо определить необходимую производительность устройства:

, м³/мин (5)

где: K — коэффициент потери воздуха на месте установки вентиляторов и вентиляционных каналов, его значение определяется из справочников в зависимости от места установки;

Q_ш- количество воздуха, необходимое для нормальной вентиляции шахт, его значение должно быть больше, чем количество выделяемых из шахты газов (метан, оксид углерода, сероводород, оксиды азота).

Подставляя на поле рабочих режимов значения необходимой производительности вентиляторов-Q_в, минимальных-Н_min и максимальных-Н_maks депрессий, для вентиляционных устройств выбирается тип вентилятора.

Если необходимый режим работы обеспечивают нескольких типов вентиляторов, то выбираются компактные вентиляторы с большим К. П. Д. Эквивалент отверстия внешней сети вентиляторных установок и ее характеристика, а также значения эквивалентного отверстия определяется по ранее нам известной формуле, т. е.

(6)

Находим уравнение характеристики внешней сети вентиляторных установок используя следующее выражение, то есть

— при значении А_maks эквивалентного отверстия

(7)

— при значении Аmin эквивалентного отверстия

(8)

Для построения графика характеристики внешней сети вентиляторных установок воспользуемся уравнениями 9 и 10. Подставляя несколько значений для Q_в (задаем значения от 0 до 15Q_в) в данных уравнениях, вычисляем соответствующее значение напряжений Н^I и H^II. Полученные результаты записываются в таблицу.

Для нахождения рабочего режима работы вентиляторных установок необходимо построить график (в масштабе) индивидуальной характеристики выбранного вентилятора. На оси данного чертежа дочерчивается характеристики и внешней сети установки, используя значения из таблицы и не изменяя масштабы производительности и напряжения. На оси абсцисса где обозначена производительность проводится вспомогательная вертикальная линия, от крайней точки разреза, равная производительности Q_В вентилятора. Точки, пересечения вспомогательной линии с характеристиками внешней сети вентиляторных установок определяет рабочие режимы вентиляторных установок. Исходя из режимов работы находятся следующие параметры [1,2]:

При А_min и А_maks: производительность — Q₁, Q₂, м³/сек; нагрузка — Н₁, Н₂, кг/м²; К. П. Д.- η₁, η₂; угол установки лопаста вентилятора — 0_1, 0_2,⁰; скорость вращения рабочего колеса — n (об/мин).

Выравнивание режимов работы вентиляторных установок осуществляется следующими способами: изменением угла установки лопастей на рабочем колесе; изменением угла установки лопастей воздухонаправляющих аппаратов; изменением скорости вращения рабочих колес. В процессе проектирования, в зависимости от типа выбираемого вентилятора, выбирается способ плавного режима работы. Принятый способ в короткие сроки с малыми затратами должен обеспечить стабильную работу вентиляторных установок, достаточную степень производительности и плавный режим работы.

По способу потребления электрической энергии вентиляторные установки считаются самими энергоёмкими устройствами. Поэтому правильный расчет и выбор вентиляторных устройств являются одним из ключевых факторов в повышении экономической эффективности.

Потребляемая мощность, необходимая для вращения рабочего колеса вентилятора определяется по следующей формуле [2]:

— когда, эквивалентное отверстие равно А_min:

, кВт(9)

— когда, эквивалентное отверстие равно А_maks

, кВт(10)

где: Q_в, Н₁, η₁, Н₂, η₂ — параметры рабочих режимов вентиляторных установок при эквивалентом отверстии А_min и А_maks. При выборе типа электропривода необходимо учитывать срок службы вентиляторов и затраты на электроэнергию.

Если , тогда для всего срока службы вентилятора устанавливается электроприводы с одинаковой мощностью.

В противном случае для всего срока службы вентилятора предусматривается установка не менее двух электроприводов, мощности которых выражаются:

— мощность первого:

, кВт (11)

— мощность второго:

, кВт(12).

где: К_d — коэффициент запаса мощности, его значении К_d1,15.

На основе вычисленной мощности и скорости вращения рабочих колес вентилятора подбирается тип электропривода. Если вычисленная мощность составляет до 200 кВт, то рекомендуется принять асинхронный электродвигатель с коротко замкнутым ротором. А при больших мощностях (N200 кВт) подбирается синхронный электродвигатель.

Задача данных вентиляторов заключается в выведении в атмосферу газов, образовавшихся в результате проведения взрывных работ в шахте. Эти вентиляторы запускаются от асинхронного двигателя с коротко замкнутым ротором [3]. В производственном процессе, изменение скорости двигателей вентиляторов осуществляется в автоматическом режиме, в зависимости от показаний газоанализаторов указывающих на содержание газов. Если в шахте большое содержание газов, то двигатель должен вращаться с большой скорость, если же содержание газов в шахте не велико, то двигатель должен автоматически вращаться с малой скоростью.

В этой статье, с учётом развития нынешней техники и технологии, предлагается современное устройство управления частотой вращения двигателя на основе числового программного управления. Ныне числовое программное управление нашло широкое применение в машиностроительных заводах. Кроме того, благодаря приспосабливаемости к промышленным процессам и к электродвигателям шахтных вентиляторов, оно сыграло важную роль в современном производстве.

Замена обычных универсальных технологических оборудований числовым программным управлением, дает возможность в многократном сокращении требований труда и экономии электроэнергии, не влияя на качество производимого продукта.

Применение числового программного управления в шахтных вентиляторах привело к необходимости использования цифровых моделей технологических процессов, что в свою очередь развило использование математических способов и цифровую вычислительную технику.

Запуск электродвигателей от числового программного управления, основанного на нескольких предметах (технология машиностроения, математика, кибернетика, информатика, физика), на сегодняшний день получил независимый статус [3].

Использование числового программного управления требует не только соответствие технологического процесса, но и наличие программного управления обеспечивающего его бесперебойную работу.

Программная обработка на установке числового программного управления являясь сложным и трудоемким процессом, требует от технолога не только знания технических наук, но и глубоких познаний в основах программирования.

Одним из главных условий использования установки числового программного управления, является обеспечение использования минимального времени и минимального труда при производстве высокоэффективного технологического процесса и составления программ управления. Программирование технологического процесса числовым программным управлением электродвигателей в производстве является новым уровнем качества, так как большой объем работ, выполняемый в нем, осуществляются непосредственно в пределах технологического процесса производства.

Итак, в обеспечении рабочих режимов шахтных вентиляторов работа квалифицированных рабочих заключается в следующем: введение полной информации о рабочей деятельности, характере и последовательности работы исполнительных механизмов устройств числового программного управления; создание программ зависимости значений номинальных параметров электродвигателя и количественных значений выходящих газов, в модуле программирования С++; сохранение составленных программ в памяти микропроцессора.

Здесь при запуске устройства числового программного управления используется микропроцессор. Функция микропроцессора заключается в обеспечении бесперебойной работы, управлении и контроле, а также выполнении логических и арифметических действий. Составленная программа управления записывается на диск памяти микропроцессора.

Вывод заключается в том, что при обеспечении режимов работы электродвигателей вентиляторов проветривания, программа составляется на основе зависимости показаний датчиков, измеряющих количество выделяемого газа, и скорости вращения электродвигателей вентиляторов. То есть если содержание газа в шахте большое, то на основе значения датчика измеряющего объем газа скорость вращения электродвигателя вентилятора увеличивается, и наоборот если содержание газов не велико, то двигатель должен работает с малой скоростью. При этом методе, ток необходимый для запуска электродвигателя снижается на 33 %. Перевод скорости электродвигателя из одной скорости в другую осуществляется автоматически [4]. В результате повышается энергоэффективность вентиляторной установки.

Литература:

1. В. Г. Гейер, Г. М. Тимошенко “Шахтные вентиляторные и водоотливные становки”, Москва, Недра, 1987 г.
2. А. С. Садиков, Б. Н. Баратов “Стационарные машины”, Ташкент, “Навруз”, 2015 г.
3. И. П. Копылов, Электрические машины, Москва, 2000 г.
4. А. А. Хамзаев, Внедрение современной техники и технологии для регулирования скорости высокомощного двух скоростного электромотора в автоматическом режиме, Международный научный журнал «Молодой учёный». № 28 (132)