Geum.ru
   Все авторефераты докторских диссертаций

Теоретические и технологические основы построения систем оптимального управления проветриванием подземных рудников

Автореферат докторской диссертации

 

На правах рукописи

Круглов Юрий Владиславович

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОВЕТРИВАНИЕМ

ПОДЗЕМНЫХ РУДНИКОВ

Специальность 25.00.20

Геомеханика, разрушение горных пород,

рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

Пермь Ч 2012

доктора технических наук


Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Горный институт Уральского отделения Российской академии наук.


Научный консультант:

Официальные оппоненты:


доктор технических наук Казаков Борис Петрович доктор технических наук, профессор Андрейко Сергей Семенович доктор технических наук, профессор Качурин Николай Михайлович доктор технических наук Курилко Александр Сардокович


Ведущееа предприятие:аа Федеральноеа государственноеа бюджетноеа учреждение науки Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук.


Защита состоится 25 мая 2012 г. в

часов на заседании диссертационного сове-

та Д 004.026.01 при ГИ УрО РАН по адресу: 614007, г. Пермь, ул. Сибирская, 78а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГИ УрО РАН.

Автореферат разослан л__ марта 2012 г.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 614007, г. Пермь, ул. Сибирская, 78а.

Факс: +7 (342) 216-75-02; email:


Ученый секретарь диссертационного совета Д 004.026.01,

кандидат геолого-минералогических наук,а у/<^\

доцент

?*^


Б. А. Бачурин


СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АВД автоматическая вентиляционная дверь

АОУ алгоритм оптимального управления

АОУПа алгоритм оптимального управления проветриванием

ВГП вентилятор главного проветривания

ГВУ главная вентиляторная установка

КПД коэффициент полезного действия

ОНа осевой направляющий аппарат

ОСАУПа оптимальная САУП

ПВК программно-вычислительный комплекс

ПДК предельно допустимая концентрация

ПДКРа предельно допустимый коэффициент рециркуляции

РВУа рециркуляционная вентиляторная установка

САУа система автоматического управления

САУПа система автоматического управления проветриванием

СОРа средство отрицательного регулирования

СПРа средство положительного регулирования

ЧРПа частотно-регулируемый привод

ШВУаа шахтная вентиляторная установка

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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


4

функция подобных систем, действующих на горнодобывающих предприятиях,Ч 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:

  1. обеспечение безопасности ведения горных работ;
  2. экономическая эффективность;
  3. 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 Ч 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:

Ч исследование границ применимости модели стационарного воздухораспределения к моделированию работы САУП, разработка эффективных и скоростных


5

методов расчета стационарного воздухораспределения в вентиляционных сетях и анализ параметров их сходимости;

  1. 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;
  2. 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;
  3. разработка программно-вычислительного комплекса для имитационного моделирования работы ОСАУП, работающего на базе модели нестационарного воздухораспределения в вентиляционной сети;
  4. 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;
  5. определение степени устойчивости разработанного АОУ к внутренним и внешним возмущающим воздействиям, а также к техническим ограничениям автоматических средств регулирования и измерений;
  6. разработка технологии применения автоматических средств отрицательного и положительного регулирования, входящих в состав ОСАУП и являющихся ее базовыми элементами;
  7. 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:

  1. 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;
  2. 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;
  3. 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;

6

  1. 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;
  2. 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:

  1. скоростные матричные численные схемы, примененные в модернизированных методах расчета стационарного воздухораспределения в вентиляционных сетях шахт и подземных рудников;
  2. численная схема метода расчета нестационарного воздухораспределения в вентиляционной сети, позволяющая производить анализ переходных аэродинамических процессов за счет учета сжимаемости и инерционности воздушных потоков;
  3. классификация условий применения оптимальных систем автоматического управления проветриванием в подземных рудниках;
  4. алгоритм вывода вентилятора главного проветривания, оборудованного механизмом поворота лопаток рабочего колеса и преобразователем частоты, в режим работы с максимальным КПД;
  5. 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;
  6. управляющие уравнения для системы оптимального управления автоматическими вентиляционными устройствами в руднике и ГВУ с регулируемой производительностью ;
  7. 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


7

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, 3 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 Ч 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 Ч 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-


8

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 Ч 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Научное положение № 1.

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.

Исследование методов расчета стационарного воздухораспределения в рудничной вентиляционной сети и разработка их модификаций, отличающихся повышенной надежностью и скоростью, являются важными факторами, влияющими на успешность процесса построения и разработки систем имитационного моделирования САУП шахт и рудников. Расчет стационарного воздухораспределения используется не только при решении традиционной задачи анализа воздухораспределения в шахтах, но и при рассмотрении сопряженных с ней задач газораспределения, теплопереноса и теплообмена, оптимального управления вентиляционными устройствами, в процессе которого используются многократные пересчеты стационарного воздухораспределения в сети. Особое значение при этом имеют как скорость, так и гарантированная сходимость итерационного вычислительного процесса, особенно в случае больших по размерам вентиляционных сетей.

Все разработанные алгоритмы и методы расчета, представленные далее в автореферате, имеют программную реализацию в ПВК АэроСеть, разработанном при непосредственном участии автора в лаборатории аэрологии и теплофизики ГИ УрО РАН.

Практические исследования, проведенные автором настоящей работы, показали, что некоторые подходы к поиску решения задачи оптимального управления, применимые на стационарной модели, зачастую становятся непригодными в реальных условиях шахты в силу 1) постоянных колебаний параметров вентиляционной сети (изменение аэродинамических сопротивлений, расходов воздуха и пр.), 2) недостаточной точности показаний датчиков скорости воздушного потока, 3) электрических наводок на датчики и их общей низкой помехозащищенности, 4) конечной предельной точности исполнительных механизмов (например, измерение угла поворота створок вентиляционных дверей) и пр. На эти факторы накладываются постоянно протекающие в руднике переходные аэродинамические процессы, вызванные различными причинами, что в итоге приводит к тому, что даже такую простую с математической точки зрения операцию вычисления частной производной dQjdR для оценки влияния работы АВД, установленной в ветви (выработке) j, на расход воздуха в ветви /, осуществить в условиях шахты с приемлемой погрешностью невозможно. В то же время на математической модели стационарного воздухораспределения данный прием проходит вполне успешно, что создает иллюзию применимости стационарной модели для анализа процессов, протекающих в руднике, находящемся под управлением ОСАУП.

В одной из работ, проведенных под руководством автора, показано, что метод идентификации аэродинамических сопротивлений, известный в литературе по рудничной вентиляции, на практике не работает в силу большой интегральной погрешности шахтных замеров, что доказывает неприменимость теории стационарного воздухораспределения для разработки методов моделирования ОСАУП. Данные факты позволяют сделать вывод, что разработка модели нестационарного воздухораспределения является необходимым условием для моделирования работы САУП в вентиляционных сетях


22

рудников. Исходя из этого, задача оперативного оптимального управления проветриванием в настоящей работе ставится и решается на модели нестационарного воздухорас-пре деления.

В процессе исследований автором была разработана классификация условий применения ОСАУП, которые были разделены на 4 случая:

а) оптимальное управление одной ГВУ;

б)аа оптимальное управление одной ГВУ и воздухораспределением в сети без сис

тем рециркуляции;

в) оптимальное управление одной ГВУ и воздухораспределением в сети, обору

дованной системами рециркуляции;

г) оптимальное управление несколькими вентиляторными установками главного

и вспомогательного проветривания и воздухораспределением в сети, оборудо

ванной системами рециркуляции.

Примером наиболее типового случая в) является САУП рудника БКПРУ-2 ОАО Уралкалий (рис. 9), оснащенная ГВУ, автоматическими средствами отрицательного регулирования (на главных групповых вентиляционных штреках южного и северного направлений и в камерах служебного назначения) и рециркуляционными агрегатами, установленными на южном и северном крыльях рудника.

Рис. 10. Средство отрицательного регулирования Ч автоматическая вентиляционная дверь АВД (1 Ч поворотные жалюзийные регуляторы, 2 Ч привод, 3 Ч калитка для прохода людей, 4 Ч откидывающееся полотно для обеспечения проезда транспорта,

5 Ч поворотный сектор)

Случай а) является наиболее простым и подразумевает собой управление лишь подачей воздуха в рудник при одновременном выборе максимального гидравлического КПД ВГП за счет выбора оптимальной комбинации угловой частоты вращения рабочего колеса и угла установки лопаток рабочего колеса (или ОНА при его наличии).


23

Случай б) в дополнение к случаю а) подразумевает управление СОР, например, АВД, которое обеспечивает перераспределение воздуха между различными участками вентиляционной сети оптимальным образом, т. е. таким, когда все потребители свежего воздуха обеспечены им в необходимом количестве, а энергопотребление ГВУ при этом минимально.

Случаи в) и г) являются наиболее сложными, поэтому подробнее остановимся на случае в), а случай г) рассмотрим отдельно в рамках раздела автореферата, посвященного научному положению № 4.

Оптимизация работы одной ГВУ и воздухораспределения внутри вентиляционной сети с использованием систем рециркуляции

Данные условия применения ОСАУП предусматривают, помимо оптимизации ГВУ и положений регуляторов, еще и управление рециркуляционными вентиляторными установками, такими, например, как ШВУ-12А (шахтная вентиляторная установка с частотным регулированием производительности, разработанная при участии автора, ТУ 3146-049-24078722-08, см. рис. 11).

Задача рециркуляционной системы, работающей под управлением АОУП, заключается в обеспечении рециркуляционного контура воздухом в расчетном количестве, причем таким образом, чтобы фактический коэффициент рециркуляции (отношение расхода воздуха, поступающего на повторное использование, к расходу воздуха в рециркуляционном контуре) при этом не превышал ПДКР:

??а _ ??рецаа ^ ^max (??\

рец^.реца 'V /

ПДКР определяется обычно на основании расчета количества воздуха, необходимого для проветривания рабочих зон, входящих в рециркуляционный контур, производимого службой вентиляции рудника согласно принятой методике (или регламенту по проветриванию).

Наиболее эффективной работы рециркуляционных систем можно добиться в том случае, когда на направлении, соединяющем рециркуляционный контур с главными вентиляционными выработками, установлены СОР, например, АВД (вентиляционная дверь для автоматического регулирования расхода воздуха в выработке, разработанная при участии автора, ТУ 3146-002-85092133-2011, см. рис. 10). В этом случае депрессию между вентиляционными и воздухоподающими штреками можно варьировать с помощью СОР, как можно варьировать и общее количество воздуха на этом направлении.

Таким образом, задача АОУП при наличии рециркуляционных систем еще более усложняется по сравнению с задачами типов а) и б), представленными выше.

В случае с рециркуляцией на вход АОУП поступает следующая информация:

Ч расчетное количество воздуха в контрольных точках вентиляционной сети рудника QpacH. (м3/мин);

ypac4i


ПДКР в рециркуляционных контурах К


max,/

рец


На выходе АОУП в результате решения задачи оптимального управления появляется следующая информация:

  1. частота вращения рабочего колеса ВГП а>опт (об/мин);
  2. угол установки лопаток рабочего колеса ВГП (или ОНА) ????? ();

24

переменные, управляющие режимом работы СОР, например, в случае АВД, углы поворота жалюзийных регуляторов ф. ();

1опт

частоты вращения рабочих колес рециркуляционных систем cof*4 (об/мин).

Рис. 11. Структурная схема рециркуляционного агрегата с автоматическим

регулированием производительности (шахтная вентиляторная установка ШВУ-12А),

1 Ч вентилятор, 2 Ч конфузор, 3 Ч привод обратного клапана, 4 Ч обратный клапан,

5 Ч камера смешения, 6 Ч рама, 7 Ч щит для встраивания в перемычку в

рециркуляционной выработке

Исходными данными для моделирования нестационарного воздухораспределения в ПВК АэроСеть являются следующие:

  1. аэродинамические сопротивления ветвей;
  2. длины ветвей;
  3. площади поперечных сечений ветвей;
  4. источники тяги с временными диаграммами режимов работы;
  5. СОР с временными диаграммами режимов работы.

Общие параметры нестационарного расчета включают:

  1. интервал времени Т, на котором производится расчет нестационарных процессов (с);
  2. температура воздуха (С);
  3. скорость звука в воздухе (м/с);
  4. сегмент расчета (размер пространственной ячейки при дроблении ветви на сегменты) (м);
  5. плотность воздуха (кг/м );
  6. атмосферное давление (граничное условие на выходе выработок, например, шахтных стволов или штолен, на дневную поверхность) (Па);
  7. время реакции вентилятора (с).

33

Рис. 14. Мнемосхема оператора испытательного аэродинамического стенда ИАС-1, графики изменения параметров (расходы воздуха, мощность вентиляторов и пр.)

Реальный вентилятор задается графиком своей работы аналогично идеальному, только на графике задается не напор, а скорость вращения рабочего колеса в зависимости от времени со = co(t). При этом тип вентилятора, т. е. его напорная характеристика

P(Q), выбирается из базы данных, общей с моделью стационарного расчета (см. рис.

16).

Помимо СПР (вентиляторных установок), в ПВК АэроСеть предусмотрено задание временных диаграмм для средств отрицательного регулирования, отражающих характер изменения их сопротивлений во время процесса моделирования. График работы регулятора задается как функция изменения аэродинамического сопротивления регулятора с течением времени, т. е. R = R(t).

Приведем пример расчета переходных процессов, происходящих в подземном руднике, на упрощенной модели, представленной на рис. 15. Одними из достаточно важных переходных процессов в руднике с точки зрения разработки систем регулирования воздушных потоков в автоматическом режиме являются переходные процессы, вызванные изменением аэродинамического сопротивления заданного участка сети с помощью СОР, например, АВД. Смоделируем такую ситуацию на сети рис. 15. Сеть рудника представляет собой два ствола (вентиляционный и воздухоподающий) и два главных направления: южное и северное. В качестве главного вентилятора использован вентилятор ВРЦД-4,5.

Установим в ветви № 6 (южный транспортный штрек) СОР, которое на 99-й секунде за 1 с (практически мгновенно) создаст дополнительное аэродинамическое сопротивление в 1 кмюрг. Через 20 секунд СОР откроет ветвь № 6 вновь. График работы ВГП будет соответствовать его запуску, реверсу и останову (рис. 16). Результат моделирования изображен на рис. 17.

График расхода воздуха в ветви № 6, где установлен регулятор, показывает резкое падение расхода с 3200 до 500 м /мин, которое происходит сразу же после закрытия регулятора, т. е. на 100-й секунде. На 120-й секунде (регулятор открыт вновь) происходит


34

такой же резкий рост расхода до 3500 м /мин, после чего возникает череда затухающих колебаний, характерных для гидравлического удара, происходящих примерно до 350-й секунды, соответствующей моменту реверса ВГП.

  1. наличие автоматического СОР в ветви;
  2. ветвь, в которой осуществляется регулирование данным СОР (эта ветвь не обязательно должна совпадать с ветвью, в которой установлено СОР);
  3. начальный угол поворота исполнительного механизма СОР;
  4. ограничение по расходу воздуха в регулируемой СОР ветви (обычно соответствует тому расходу, которого надо добиться, т. е. расчетному значению расхода воздуха);
  5. тип влияния угла поворота исполнительного механизма СОР на изменение расхода в регулируемой ветви (прямой, обратный).

Кроме того, задаются следующие параметры оптимального управления:

  1. параметры расчета сопротивления, создаваемого СОР;
  2. коэффициент интенсивности регулирования СОР (коэффициент пропорционального звена управляющего уравнения (33) для СОР);
  3. коэффициент интегральной памяти (коэффициент интегрального звена управляющего уравнения (33) для СОР);
  4. время простоя регулятора (с);
  5. коэффициент интенсивности регулирования частоты вращения рабочего колеса вверх, т. е. увеличения числа оборотов (коэффициент ? пропорционального звена управляющего уравнения (31) для ВГП);
  6. коэффициент интенсивности регулирования частоты вращения рабочего колеса вниз, т. е. уменьшения числа оборотов (см. уравнение (31));
  7. время простоя ГВУ (с);
  8. коэффициент а пропорционального звена управляющего уравнения (36) для рециркуляционного вентилятора;
  9. коэффициент Ъ интегрального звена управляющего уравнения (36) для рециркуляционного вентилятора;
  10. время простоя рециркуляционного вентилятора.

Процесс задания основных параметров на этом заканчивается, после чего можно запускать сам процесс имитационного моделирования. Процесс моделирования заключается в расчете параметров нестационарного течения воздуха на каждом временном шаге моделирования, передаче данных параметров в АОУ, который, работая согласно управляющим уравнениям, регулирует положение исполнительных механизмов СОР и СПР, оказывая тем самым непосредственное влияние на воздухораспределение. Возду-хораспределение изменяется под воздействием средств регулирования, эти параметры вновь анализируются АОУ. Так происходит на каждом временном шаге. Через некоторое время задача оптимального управления решается, т. е. достигаются требуемые расходы воздуха в контрольных точках сети, а мощность, потребляемая вентиляторами, становится при этом минимальной.

После окончания процесса моделирования в АэроСети можно просмотреть процесс работы всех исполнительных механизмов ОСАУП, т. е. СОР, вентиляторов, просмотреть изменение расходов воздуха и давлений во времени и пр. динамические параметры (см., например, рис. 18).

37

Рис. 19. Схема испытательного аэродинамического стенда ИАС-1

1 Ч вентилятор главного проветривания, 2 Ч воздухоподающий ствол, 3 Ч вентиляционный ствол, 4 Ч рециркуляционный контур горизонта I, 5 Ч задвижка для имитации внешних утечек через надшахтное здание вентиляционного ствола, 6 Ч клапан для внесения возмущающих воздействий на сопротивление рециркуляционного контура горизонта I, 7 Ч обратный клапан рециркуляционной системы горизонта I, 8 Ч рециркуляционный вентилятор горизонта I, 9 Ч датчик скорости воздушного потока в рециркуляционном контуре горизонта I, 10 Ч датчик скорости воздушного потока на горизонте I, 11 Ч рециркуляционный контур горизонта II, 12 Ч клапан для внесения возмущающих воздействий на сопротивление рециркуляционного контура горизонта II, 13 Ч автоматическая вентиляционная дверь для регулирования количества воздуха на горизонте I, 14 Ч клапан для внесения возмущающих воздействий на сопротивление горизонта I, 15 Ч клапан для внесения возмущающих воздействий на сопротивление горизонта II, 16 Ч автоматическая вентиляционная дверь для регулирования количества воздуха на горизонте II, 17 Ч щит управления стендом, 18 Ч датчик скорости воздушного потока на горизонте II, 19 Ч обратный клапан рециркуляционной системы горизонта II, 20 Ч рециркуляционный вентилятор горизонта II, 21 Ч датчик скорости воздушного потока в рециркуляционном контуре горизонта II

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам проведенных в работе исследований можно сделать следующие выводы:

1. Разработана линейка эффективных и скоростных методов расчета стационарного воздухораспределения, позволяющая производить расчет вентиляционных сетей любой сложности за минимальный период времени. Разработанные методы расчета стационарного воздухораспределения заложены в основу математической библиотеки ПВК АэроСеть, который показал высокую эффективность разработанных алгоритмов. Разработанный автоматический генератор сетей позволил провести сплошное тестирование нескольких тысяч сетей, которое способствовало выявлению различных достоинств и недостатков методов, а также установлению наилучших условий их применимости при расчете воздухораспределения в сетях.


38

  1. Разработан метод расчета нестационарного воздухораспре деления в шахтных вентиляционных сетях. Метод позволяет производить анализ аэродинамических переходных процессов, происходящих в рудниках при смене режимов проветривания, работе вентиляционных устройств и пр. Метод расчета реализован в ПВК АэроСеть и положен в основу модели нестационарного возду-хораспределения в вентиляционной сети.
  2. Сформулированы задачи оптимального управления проветриванием подземных рудников и осуществлена их классификация. Критериями классификации явились количество ГВУ, их пространственное расположение, наличие автоматических средств отрицательного регулирования и рециркуляционных систем.
  3. Разработана математическая теория оптимального управления воздухораспре-делением в рудничной вентиляционной сети, позволившая математически доказать ряд важных теорем, на основе которых в дальнейшем были построены алгоритмы оптимального управления проветриванием.
  4. Разработан способ вывода ВГП, оснащенного механизмом горячего поворота лопаток рабочего колеса и преобразователем частоты, в режим с максимальным гидравлическим КПД.
  5. Разработан способ оптимального оперативного управления воздухораспре делением для ОСАУП с ГВУ с регулируемой производительностью, множеством СОР и РВУ.
  6. Разработан способ оптимального оперативного управления воздухораспределе-нием для ОСАУП с несколькими ВГП с регулируемой производительностью и множеством СОР и РВУ.
  7. Выведены управляющие уравнения для алгоритмов оптимального управления воздухораспределением, позволяющие учесть предельно допустимый коэффициент рециркуляции в автоматическом режиме.
  8. Разработан программно-вычислительный комплекс АэроСеть, имеющий в своей основе уникальную модель нестационарного воздухораспределения, позволяющую производить моделирование работы ОСАУП в различных ситуациях и с высокой степенью достоверности. Разработана методика создания и проектирования оптимальных САУП на базе имитационного моделирования в ПВК АэроСеть.
  9. Разработан и построен испытательный аэродинамический стенд, позволивший сымитировать работу оптимальной САУП в руднике с двумя горизонтами и двумя контурами управляемой рециркуляции. Работа алгоритма оптимального управления на стенде показала эффективность разработанных АОУП, а также независимость алгоритма оптимального управления от модели воздухораспределения.
  10. Совместно с рядом промышленных предприятий разработана конструкторская документация, а также изготовлены и внедрены в промышленную эксплуатацию базовые элементы ОСАУП: автоматические вентиляционные двери АВД, шахтные вентиляторные установки ШВУ-12А, блоки частотного регулирования БЧРв-30. Спроектирована и изготовлена система автоматического управления вентиляторной установкой главного проветривания САУ-ВГП-3 для Березовского участка рудника 4 РУ ОАО Беларуськалий для управления ВГП, изготовленными фирмой Howden Ventilatoren GmbH, ШВУ-12А, а также АВД, установленными в руднике. В основе программного обеспечения САУ-ВГП-3 лежат алгоритмы оптимального управления, разработанные в диссертации.

39

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ

ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, утвержденных ВАК Минобрнауки РФ

  1. Киселев А. О., Катаев А. В., Кутовой С. Н., Круглов Ю. В. Внедрение ГИС-технологий на калийных рудниках Урала. // Известия вузов. Горный журнал. Ч 2003.Ч№2.Ч С. 111 Ч 116.
  2. Круглов Ю. В. Расчет сложных вентиляционных сетей на ЭВМ. // Известия вузов. Горный журнал. Ч 2004. Ч № 2. Ч С. 46 Ч 49.
  3. Круглов Ю. В., Исаевич А. Г., Левин Л. Ю. Сравнительный анализ современных алгоритмов расчета вентиляционных сетей. // Известия вузов. Горный журнал. Ч 2006. Ч № 5. Ч С. 32 Ч 37.
  4. Казаков Б. П., Круглов Ю. В., Исаевич А. Г., Левин Л. Ю. Разработка программно-вычислительного комплекса АэроСеть для расчета вентиляционных сетей шахт и рудников. // Горный информационно-аналитический бюллетень. Аэрология. Ч 2006. Ч С. 21 Ч 33.
  5. Красноштейн А. Е., Алыменко Н. И., Круглов Ю. В. Вентиляционные режимы шахты Объединенная ООО Дарасунский рудник при пожаре в стволе шахты Центральная 07.09.2006 г. // Безопасность труда в промышленности.

Ч 2007. Ч № 9. С. 28 Ч 32.

  1. евин Л. Ю., Круглов Ю. В. Исследование рециркуляционного способа проветривания калийных рудников и его экономическая эффективность. // Горный информационно-аналитический бюллетень, № 10. Ч 2008. Ч С. 39 Ч 48.
  2. Казаков Б. П., Левин Л. Ю., Круглов Ю. В., Исаевич А. Г., Шалимов А. В., Стукалов В. А. Совершенствование ресурсосберегающих систем вентиляции рудников Верхнекамского месторождения калийных солей. // Горный журнал.

Ч 2008. Ч № 10. Ч С. 81 Ч 83.

8.аа Протасеня И. В., Береснев С. П., Круглов Ю. В., Гришин Е. Л., Киряков А. С.

Единая информационно-аналитическая система АэроСеть для

проектирования и расчета вентиляции калийных рудников. // Горный журнал.

Ч 2010. Ч № 8. Ч С. 69 Ч 72.

9.аа Головатый И. И., Круглов Ю. В., Левин Л. Ю. Шахтная вентиляторная

установка с системой автоматического управления для рециркуляционного

проветривания калийных рудников. // Горный журнал. Ч 2010. Ч № 8. Ч С. 78

Ч 80.

  1. Круглов Ю. В., Газизуллин Р. Р. Использование CFD-методов при исследовании аэрогазодинамических процессов в рудничной аэрологии. // Горный информационно-аналитический бюллетень. Аэрология. Ч 2011. Ч №4.Ч С. 211Ч213.
  2. Кашников А. В., Круглов Ю. В., Киряков А. С. Использование информационно-аналитической системы АэроСеть в качестве платформы для автоматизации взаимодействия горнодобывающего предприятия и научной организации в области вентиляции. // Горный информационно-аналитический бюллетень. Аэрология. Ч 2011. Ч № 4. Ч С. 207 Ч 211.
  3. Круглов Ю. В., Левин Л. Ю., Зайцев А. В. Моделирование переходных процессов в вентиляционных сетях подземных рудников. // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. Ч 2011. Ч № 5. Ч С. 101 Ч 109.

40

Патенты

13. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ АэроСеть:

№ 2006612154 / Круглов Ю. В., Казаков Б. П., Левин Л. Ю., Исаевич А. Г.,

Шалимов А. В.

14. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ План

ликвидации аварий рудника: № 2011616768 / Круглов Ю. В., Казаков Б. П.,

Левин Л. Ю., Шалимов А. В., Гришин Е. Л., Киряков А. С, Кашников А. В.

Публикации в других изданиях

  1. Круглов Ю. В. Автоматизация расчета сложных вентиляционных сетей на ЭВМ. // Стратегия и процессы освоения георесурсов: матер, ежегодн. научн. сессии Горного института УрО РАН по результатам НИР в 2002 г. Ч Пермь. Ч 2003. ЧС. 202 Ч205.
  2. Круглов Ю. В. Проблемы автоматизации расчетов вентиляционных сетей горнодобывающих предприятий. // Стратегия и процессы освоения георесурсов: матер, ежегодн. научн. сессии Горного института УрО РАН по результатам НИР в 2003 г. Ч Пермь. Ч 2004. Ч С. 226 Ч 230.
  3. Круглов Ю. В. Разработка алгоритма оптимального управления воздухораспределением для АСУ проветриванием рудника. // Стратегия и процессы освоения георесурсов: матер, ежегодн. научн. сессии Горного института УрО РАН по результатам НИР в 2004 г. Ч Пермь. Ч 2005. Ч С. 242 Ч 245.
  4. Круглов Ю. В., Левин Л. Ю., Исаевич А. Г. Использование программно-вычислительного комплекса АэроСеть для моделирования процессов воздухораспределения в вентиляционных сетях шахт и рудников. // Уральский горнопромышленный форум: матер, научно-техн. конф. Ч Екатеринбург. Ч 2006. Ч С. 45 Ч 48.
  5. Круглов Ю. В. Разработка комбинированного метода расчета рудничных вентиляционных сетей с переменными параметрами. // Стратегия и процессы освоения георесурсов: матер, ежегодн. научн. сессии Горного института УрО РАН по результатам НИР в 2005 г. Ч Пермь. Ч 2006. Ч С. 142 Ч 144.
  6. Круглов Ю. В. Использование алгоритма оптимизации воздухораспределения в системах автоматического управления проветриванием калийных рудников. // Обеспечение и управление ГМК: Труды второй международной научно-практической конференции Горное дело и металлургия в Казахстане. Состояние и перспективы. Ч Алма-Ата. Ч 2006. Ч С. 150 Ч 155.
  7. Круглов Ю. В., Левин Л. Ю., Исаевич А. Г. Использование программно-вычислительного комплекса АэроСеть для моделирования процессов воздухораспределения в вентиляционных сетях шахт и рудников. // Демидовские чтения на Урале: Тез. докл. Первого всероссийского научного форума. Ч Екатеринбург. Ч 2006. Ч С. 50 Ч 52.
  8. евин Л. Ю., Круглов Ю. В., Исаевич А. Г. Исследование и разработка многоцелевых рециркуляционных систем проветривания рудников. // Демидовские чтения на Урале: Тез. докл. Первого всероссийского научного форума. Ч Екатеринбург. Ч 2006. Ч С. 56 Ч 58.
  9. Круглов Ю. В. Использование программно-вычислительного комплекса АэроСеть при создании систем многоцелевого проветривания рудников. // Материалыаа региональнойаа научно-практическойаа конференцииаа Геологияаа и

41

полезные ископаемые Западного Урала. Ч Пермь. Ч Издательствоаа ПГУ. Ч 2006.Ч С. 30 Ч34.

  1. Круглов Ю. В. Применение метода глобального градиента для расчета стационарного воздухораспр e деления в вентиляционных сетях шахт и рудников. // Материалы региональной научно-практической конференции Геология и полезные ископаемые Западного Урала. Ч Пермь. Ч Издательство ПГУ. Ч 2006. Ч С. 312 Ч 318.
  2. Красноштейн А. Е., Круглов Ю. В., Алыменко Н. И. Причины пожара на шахте Объединенная ООО Дарасунский рудник. // Горное эхо. Ч 2006. Ч № 4 (26).Ч С. 45 Ч51.
  3. Круглов Ю. В., Казаков Б. П., Шалимов А. В. Автоматическое управление проветриванием рудников Ч перспективное направление развития рудничной аэрологии. // Материалы конкурса Минприроды РФ Рациональное природопользование и охрана окружающей среды Ч стратегия устойчивого развития России в XXI веке. Ч 2006. Ч Москва. Ч С. 30 Ч 41.
  4. Круглов Ю. В., Казаков Б. П., Шалимов А. В. Разработка системы автоматического управления проветриванием рудника с использованием алгоритма оптимизации воздухораспр e деления. // Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды: тр. конф. Ч ИГД СО РАН. Ч Новосибирск, 2007. Ч Т. П. Ч С. 247 Ч 252.
  5. Круглов Ю. В. Разработка и внедрение систем оптимального автоматического управления проветриванием калийных рудников России и Белоруссии. // Материалы международной научно-технической конференции ISTIQLOL. Ч Узбекистан. Ч Навои. Ч 2007. Ч С. 130 Ч 135.
  6. Круглов Ю. В. Методы совершенствования современных алгоритмов расчета стационарного воздухораспределения в вентиляционных сетях. // Стратегия и процессы освоения георесурсов: матер, ежегодн. научн. сессии Горного института УрО РАН по результатам НИР в 2006 г. Ч Пермь. Ч 2007. Ч С. 121 Ч 124.
  7. Круглов Ю. В. Исследование методов расчета распределения потоков в гидравлических сетях и разработка скоростного алгоритма решения задачи стационарного воздухораспределения в вентиляционных сетях рудников. // Всероссийская научная конференция Проблемы рудничной аэрологии и безопасной разработки месторождений полезных ископаемых 24-27 октября 2007 г. Ч Пермь. Ч 2007. Ч С. 34 Ч 38.
  8. Круглов Ю. В. Исследование методов расчета стационарного воздухораспределения в вентиляционных сетях и их реализация в программном комплексе АэроСеть. // Стратегия и процессы освоения георесурсов: матер, ежегодн. научн. сессии Горного института УрО РАН по результатам НИР в 2007 г. Ч Пермь. Ч 2008. Ч С. 121 Ч 124.
  9. Круглов Ю. В. Основы построения систем оптимального автоматического управления проветриванием подземных рудников. // Стратегия и процессы освоения георесурсов: матер, ежегодн. научн. сессии Горного института УрО РАН по результатам НИР в 2008 г. Ч Пермь. Ч 2009. Ч С. 131 Ч 134.

ЗЗ.Круглов Ю. В. Использование метода глобального градиента для расчета стационарного воздухораспределения в вентиляционных сетях шахт и рудников. // Компьютерные технологии при проектировании и планировании горных работ: Сб. тр. Всероссийской научной конференции с международным


42

участием, 23 Ч 26 сентября 2008 г. Ч Апатиты; Спб.: Реноме, 2009. Ч С. 211 Ч 215.

  1. Круглов Ю. В. Разработка и внедрение систем оптимального автоматического управления проветриванием калийных рудников России и Белоруссии. // Компьютерные технологии при проектировании и планировании горных работ: Сб. тр. Всероссийской научной конференции с международным участием, 23 Ч 26 сентября 2008 г. Ч Апатиты; Спб.: Реноме, 2009. Ч С. 215 Ч 217.
  2. Круглов Ю. В. Научные основы построения оптимальных систем автоматического управления проветриванием подземных рудников. // Стратегия и процессы освоения георесурсов: матер, ежегодн. научн. сессии Горного института УрО РАН по результатам НИР в 2009 г. Ч Пермь. Ч 2010.Ч С. 151 Ч 162.
  3. Круглов Ю. В., Зайцев А. В. Оценка погрешности применения законов расчета стационарного воздухораспр e деления в вентиляционной сети. // Вестник Пермского гос. техн. ун-та. Ч № 5. Ч 2010 г. Ч С. 90 Ч 95.
  4. Круглов Ю. В., Казаков Б. П., Стукалов В. А. Разработка научных и технологических основ построения оптимальных систем автоматического управления проветриванием подземных рудников. // Тезисы докладов всероссийской научно-технической конференции Нефтегазовое и горное дело. Изд-во пермского государственного технического университета. Пермь. Ч 2010. Ч С. 162 Ч 164.
  5. Круглов Ю. В., Шагбутдинов Р. И. Экономическая эффективность применения подземных главных вентиляторных установок на рудниках Старобинского месторождения калийных солей. // Горная механика и машиностроение. Ч 2010. Ч № 2. Солигорск. С. 43 Ч 49.
  6. Круглов Ю. В., Левин Л. Ю. Основы построения оптимальных систем автоматического управления проветриванием подземных рудников. // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. Ч 2010. Выпуск 2.Ч С. 104Ч110.
  7. Круглов Ю. В. Научно-технические основы построения оптимальных систем автоматического управления проветриванием подземных рудников. // Стратегия и процессы освоения георесурсов: матер, ежегодн. научн. сессии Горного института УрО РАН по результатам НИР в 2010 г. Ч Пермь, 2011. Ч С. 100Ч102.

Сдано в печать 13.02.2012 г. Формат 60x84/16. Тираж 100 экз.

Отпечатано сектором НТИ

ГИ УрО РАН

614007, г. Пермь, ул. Сибирская, 78а

     Все авторефераты докторских диссертаций