Оптимизация режимов работы рудничных пневматических сетей при транспортировании сжатого воздуха

На правах рукописи УГОЛЬНИКОВ Александр Владимирович ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ РУДНИЧНЫХ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ СЕТЕЙ ПРИ ТРАНСПОРТИРОВАНИИ СЖАТОГО ВОЗДУХА Специальность 05.05.06 – «Горные машины» Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Екатеринбург – 2008 Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Миняев Юрий Николаевич Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Моисеев Лев Львович; кандидат технических наук, доцент Фролов Александр Петрович Ведущая организация – ОАО Институт "УРАЛГИПРОШАХТ" (г. Екатеринбург) Защита состоится «23» декабря 2008 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д.212.280.03 при ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» в зале заседаний ученого совета по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30 С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» Автореферат разослан «21» ноября 2008 г. Ученый секретарь диссертационного совета, Хазин М. Л. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Во многих отраслях промышленности наряду с электрической энергией широко используется пневматическая энергия или энергия сжатого воздуха. Сжатый воздух является одним из основных видов энергии на шахтах и рудниках для приведения в действие бурильных, буросбоечных, добычных, проходческих и погрузочных машин, вентиляторов местного проветривания, насосов, а также в эрлифтных установках при откачке воды и пульпы. Кроме того, сжатый воздух находит применение для пневмозакладки горных выработок, для приведения в действие толкателей, стопоров, затворов и других устройств технологического комплекса предприятия. Такое широкое применение пневматической энергии обусловлено высокой степенью безопасности пневматического оборудования, что особенно важно для шахт, опасных по газу или пыли, где применение электрической энергии при подземной разработке ископаемых является опасным при внезапных выбросах угля и газа. Но вместе с тем пневматическая энергия имеет ряд серьезных недостатков. И, прежде всего, это высокая стоимость по сравнению с электрической энергией, что объясняется большим потреблением электрической энергии компрессорами при производстве сжатого воздуха. Транспортирование сжатого воздуха от компрессорной станции до пневмоприемников осуществляется по длинным и разветвленным трубопроводам. При этом происходят значительные энергетические потери за счет гидравлических сопротивлений, температурных изменений, колебаний давления в питающих сетях и за счет утечек сжатого воздуха. Для осуществления конкретных мер, направленных на сокращение прямых энергозатрат и снижение материально-технических ресурсов при использовании пневматической энергии, в том числе при распределении сжатого воздуха, необходимо иметь ясное представление о процессах, происходящих при транспортировании сжатого воздуха, и о факторах, определяющих эффективность работы отдельных элементов и пневмоустановок в целом. Поэтому несомненна актуальность вопросов энергосбережения, реализация которых осуществляется применением новых энергосберегающих технологий при эксплуатации компрессорных установок, в том числе и при транспортировании сжатого воздуха. Объект исследований: рудничные компрессорные установки, в том числе пневматические сети с позиции оптимизации режимов их работы по критерию минимума потерь энергии на транспортирование сжатого воздуха. Предмет исследований: тепловые, гидравлические и объемные потери энергии при транспортировке сжатого воздуха. Цель работы: повышение энергетической эффективности работы пневматических сетей рудничных компрессорных установок, с учетом внутренних и внешних эксплуатационных факторов. Идея работы: обоснование рациональных энергосберегающих режимов работы пневматических сетей целесообразно на основе разработки математической модели функционирования комплексов рудничных компрессорных установкок. Основные задачи исследований: 1. Выявление факторов, влияющих на эффективность работы пневматической сети, в конкретных условиях эксплуатации рудничных компрессорных установок. 2. Построение математической модели рудничной компрессорной установки, описывающей взаимосвязь технологических и эксплуатационных факторов, формирующих процесс пневмопотребления, и показателей, характеризующих возможности регулирования выработки сжатого воздуха. 3. Исследование тепловых, гидравлических и объемных потерь энергии при транспортировке сжатого воздуха и установление минимизации этих потерь в функции наиболее значимых факторов. 4. Обоснование основных параметров гидропневматических аккумуляторов как средств снижения потерь энергии при транспортировании воздуха и влияния их на качество сжатого воздуха. Научные положения, выносимые на защиту: 1. Математическая модель функционирования рудничных компрессорных установок, описывающая взаимосвязь технологических и эксплуатационных факторов, формирующих процесс энергопотребления. 2. Потери энергии при транспортировании сжатого воздуха зависят от ряда внутренних и внешних эксплуатационных факторов, исследование которых позволит аналитически установить минимум этих потерь. 3. Разрядка гидрокамеры гидропневматического аккумулятора до минимально допустимого рабочего давления пневмоприемников позволит снизить капитальные затраты на его сооружение. 4. Использование гидропневматического аккумулятора в качестве потребителя-регулятора мощности в условиях ограниченного потребления электроэнергии позволит снизить затраты на производство сжатого воздуха. Научная новизна заключается: - в разработке математической модели функционирования рудничных компрессорных установок; - оптимизации режимов работы пневматической сети, по критерию минимума потерь энергии при транспортировании сжатого воздуха; - разработке методики расчета основных параметров гидропневматического аккумулятора; - обосновании методики планирования режимов работы рудничных компрессорных установок в условиях ограниченного электропотребления. Методы научных исследований включают: анализ опыта эксплуатации конкретных компрессорных установок в реальных условиях орнодобывающих предприятий в процессе выработки и распределения сжатого воздуха, метод математического моделирования, метод лексикографического подхода (последовательного применение критериев), аналитические методы определения оптимальных условий работы пневматической сети. Достоверность научных положений, выводов и результатов исследования: научные положения, выводы и рекомендации обоснованы корректным использованием теоретических и практических основ математики, физики и термодинамики, а также удовлетворительной сходимостью (90 %) результатов аналитических исследований с результатами полученных экспериментов и данными практики. Практическая значимость работы состоит в разработке методики определения различных видов потерь энергии сжатого воздуха при его транспортировке и в разработке рекомендаций для снижения этих потерь; установлении рациональных режимов работы пневматической сети, влияющих на процесс распределения сжатого воздуха по различным параметрам. Личный вклад автора состоит в разработке математической модели функционирования рудничных компрессорных установок и методики расчета основных параметров гидропневматического аккумулятора; в оптимизации режимов работы пневматической сети по критерию минимума потерь энергии при транспортировании сжатого воздуха; в обосновании методики планирования режимов работы рудничных компрессорных установок в условиях ограниченного электропотребления. Реализация выводов и рекомендаций работы: основные научные положения и рекомендации диссертации использованы при децентрализации при снабжении сжатым воздухом потребителей на шахтах ОАО «Севуралбокситруда». Экономический эффект от внедрения передвижных винтовых компрессоров 6ВВ-32/7 составил 2,016 млн. руб. Апробация работы. Результаты и основные положения диссертационной работы докладывались на Всероссийской студенческой олимпиаде, научно-практической конференции и выставке аспирантов и молодых ученых «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2003 г.); всероссийских совещаниях по энергосбережению (Екатеринбург, 2004-2005 гг.); международной научно-технической конференции «Технологическое оборудование для нефтегазовой промышленности» (Екатеринбург, 2007 г.); ежегодных научно-практических конференциях в УГГУ в рамках Горнопромышленной декады (Екатеринбург, 2003-2008 гг.) Публикации по теме диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, в том числе 5 статей в ведущих рецензируемых научных журналах. Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 95 наименований, приложений и содержит 161 стр. машинописного текста, 27 рисунков, 13 таблиц. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность работы, выбран объект исследования, сформулированы ее цели, задачи, идеи и научные положения, кратко охарактеризовано значение работы. В первой главе рассмотрены и проанализированы существующие традиционные схемы обеспечения сжатым воздухом шахтных пневмоприемников, которые предполагают устройство централизованной компрессорной станции, расположенной на дневной поверхности, как правило, не слишком далеко от ствола шахты; условия эксплуатации рудничных пневматических сетей; современные способы снижения потерь энергии при транспортировании сжатого воздуха. Рассмотрены и проанализированы работы, посвященные проблеме повышения технической эффективности эксплуатации рудничных компрессорных установок при транспортировании сжатого воздуха. К данным работам относятся труды М. М. Федорова, А. П. Германа, А. В. Докукина, С. С. Смородина, Д. Л. Гарбуза, В. А. Мурзина, Ю. А. Цейтлина, П. П. Фролова, Л. Л. Моисеева, Н. М. Баранникова, А. И. Бороховича, Б. А. Носырева, Б. И. Ушакова, А. И. Рыбина, Ю. Н. Миняева, Ю. В. Кузнецова, Г. С. Хронусова. Поставлены цели и задачи исследования. Вторая глава посвящена аналитическому исследованию параметров эксплуатации рудничных компрессорных установок (РКУ) при транспортировании сжатого воздуха. Разработана математическая модель функционирования рудничных компрессорных установок. Рудничную компрессорную установку можно рассматривать как техническую систему, состоящую из различных объектов (компрессорные агрегаты, пневматическая сеть, потребители сжатого воздуха) (рис. 1). Рудничная компрессорная установка Компрессорные агрегаты Пневматическая сеть Потребители сжатого воздуха Рис. 1. Рудничная компрессорная установка как техническая система Эффективность в эксплуатации любого объекта технической системы достигается путем поиска и принятия оптимальных решений на различных этапах функционирования объекта. С целью построения математической модели, описывающей взаимосвязь технологических и эксплуатационных факторов, формирующих процесс пневмопотребления, и показателей, характеризующих возможности регулирования выработки сжатого воздуха, произведен детальный анализ функционирования рудничных компрессорных установок, а также ранжирование компрессорных агрегатов (КА) по наиболее значимым критериям воздействия на них и самих воздействий на основе лексикографического подхода (последовательного применение критериев). Проведенные исследования дают основания сделать следующий вывод. Изменение давления вырабатываемого сжатого воздуха в системе , (1) осуществляемое посредством воздействий , i = 1, 2, 3,…, m, на объект , i = 1, 2, 3,…, m, может быть представлено математической моделью в виде неоднородной системы линейных разностных уравнений: (2) где рj (), j = 1, 2, 3,…, m; = 0, 1, 2, …., - искомые решетчатые функции, задающие изменение давления сжатого воздуха на выходе объекта в состоянии ; аij, i, j = 1, 2, 3,…, m, bik, i = 1, 2, 3,…, m, k = 1, 2, 3,…, n – весовые коэффициенты, устанавливаемые экспериментально (с помощью экспертных оценок); - входной сигнал, действующий на объект , i = 1, 2, 3,…., m, системы , при заданных начальных условиях …, . Схема линейной системы будет иметь вид: Система уравнений (2) может быть решена с помощью Z- преобразования. Алгоритм решения задачи Найти Z-изображение входного сигнала , i = 1, 2, 3,…, m, k = 1, 2, 3, …, n. (3) Перейти от системы разностных уравнений (2) к системе уравнений в Z-изображениях. Найти Z-изображение Р (z) выходного сигнала . По Z-изображению выходного сигнала найти выходной сигнал , используя обратное Z-преобразование: , i = 1, 2, 3,..., m (4) где С – замкнутый контур, внутри которого лежат все особые точки функции комплексного переменного Рi (z); j – мнимая единица. Для нахождения выходного сигнала можно воспользоваться также одной из формул нахождения оригинала по изображению: (5) или (6) где N – особые точки функции и - вычеты функции , i = 1, 2, 3, …, m, относительно бесконечно удаленной точки (z = ∞) и особой точки zv, v = 1, 2, 3, ..., N, соответственно. Также в данной главе приведено аналитическое решение вопроса оптимизации потерь энергии при транспортировании сжатого воздуха, по критерию минимума этих потерь. Гидравлические потери. За основу расчетов потерь давления сжатого воздуха в трубопроводе за счет шероховатости стенок используем уравнение . (7) Тепловые потери. На пути от компрессорной станции к потребителям сжатый воздух неизбежно теряет часть тепловой энергии, приобретенную им при сжатии его в компрессоре: (8) Объемные потери. Объемные потери, связанные с утечкой сжатого воздуха из пневмосети, являются обычно причиной наибольших потерь энергии в компрессорных установках: (9) Общие потери энергии сжатого воздуха в пневматических сетях можно рассчитать по формуле (10) Оптимизация. При определенном компрессорном агрегате, диаметре и толщине трубопровода функционал потерь сжатого воздуха зависит от значений температуры Tli, то есть от решения задачи теплоизоляции различных участков трубопровода. Для определения минимума потерь энергии сжатого воздуха, в зависимости от температуры, можно записать: При этом следует определиться, в каких пределах допустимо изменение температуры Tli: . Тогда или экстремум определяется как минимум (т. е. П = Пmin), или наименьшее значение потерь энергии сжатого воздуха приходится на границу . Аналогично решается задача оптимизации размеров трубопровода. При фиксировании , с учетом (11) можно рассмотреть потери энергии сжатого воздуха как функцию длины l трубопровода где , или диаметра трубопровода где - варьируемый параметр, толщины i-й трубы. При рассмотрении потерь энергии сжатого воздуха как двухпараметрической функции (Т и d1, d1 и l) более удобно представить потери энергии графически, в виде поверхности П = f (Т, d1). При этом оптимум определяется визуально в пределах технологических границ (рис. 2). d, м Т, К

Похожие:

	Московский энергетический институт (технический университет) ...		Оптимизация режимов и условий ультразвукового воздействия на различные... «Квалификационные методы испытаний и мониторинг смазочных материалов»«производство и применение технических жидкостей и специальных...
	Московский энергетический институт (технический университет) институт электротехники (иэт) Целью дисциплины является изучение несимметричных режимов работы электрических машин всех видов и методов анализа несимметричных...		Рабочая программа дисциплины Электроэнергетические системы и сети Целью изучения дисциплины является получение необходимых зна‐ ний в области проектирования электроэнергетических систем и сетей и...
	Конспект урока «Влажность воздуха. Способы определения влажности... Цель урока: ввести понятие абсолютной и относительной влажности воздуха, точки росы и ознакомить с приборами для измерения влажности...		Моу «Северная средняя общеобразовательная школа» Открытый урок в... Цель: определять температуру воздуха по термометру: описать систему нагревания воздуха; объяснять причину изменения температуры воздуха;...
	Куанг хок разработка методики создания опорных сетей при строительстве... Охватывает комплекс вопросов, относящихся к разработке методики создания опорных сетей при строительстве мостов большой протяженности...		Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... «сапр и модели оптимального развития энергосистем», «асу и оптимизация режимов энергосистем» и «Методы исследования операций», инициатором...
	Ветер Сформировать понятие «насыщенный и ненасыщенный воздух», «абсолютная и относительная влажность воздуха»; выявить зависимость количества...		Программа учебной дисциплины «электрооборудование и электроснабжение» Целью дисциплины является приобретение студентами знаний и компетенций в области рациональной и безопасной эксплуатации электрооборудования,...
	Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Щение воздуха. Нормы чистоты воздуха. Способы защиты чистоты атмосферы (ландшафтные, биологические, технические, архитектур­ные)....		План работы для студентов на 1 семестр года ...
	Положение о конкурсе проектов «Оптимизация работы отдела» Управление Федерального казначейства по Оренбургской области (далее – Управление) объявляет конкурс проектов «Оптимизация работы...		План карта работы коллектива школы по проблеме «Оптимизация современного... План – карта работы коллектива школы по проблеме «Оптимизация современного урока»
	Урок по русскому языку в 9 классе Тема: «Подготовка к написанию сжатого изложения» Тема: «Подготовка к написанию сжатого изложения» (По тексту Е. П. Брандиса «Жюль Верн»)		Многоканальное защитное устройство от анормальных режимов работы трехфазных установок