На всех подземных горнодобывающих предприятиях с целью обеспечения безопасности осуществления производственного процесса согласно правилам воздух, подаваемый в воздухоподающие стволы в холодное время года, необходимо подогревать в шахтных калориферных установках (ШКУ) до температуры не ниже +2 °С. В настоящее время широкое применение нашли газовые и водяные, а в условиях Крайнего Севера – электрические ШКУ. В связи с тем, что объемы подаваемого в шахту (рудник) воздуха значительны по своей величине, на его нагрев также требуется затрачивать колоссальное количество энергоресурсов [1-4].
Для работы газовых и водяных ШКУ используется природный газ (на нагрев воды в котельной – для водяных; на разогрев теплообменной камеры – для газовых), для электрических – электрическая энергия. При этом нередко наблюдается ситуация, когда температура подаваемого в шахту (рудник) воздуха значительно превышает температуру +2 °С, что вызывает перерасход энергоресурсов, затрачиваемых на подогрев воздуха [5].
Кроме того, перегрев воздуха вызывает еще одно негативное явление – возникновение отрицательной общешахтной (общерудничной) естественной тяги (тепловой депрессии) между шахтными стволами, вызванной разностью плотностей воздуха в них. Действуя встречно требуемому направлению движения воздуха, общешахтная (общерудничная) естественная тяга препятствует работе главной вентиляторной установки (ГВУ), увеличивая ее энергопотребление.
Регулирование режима работы вентиляторных установок обусловлено, главным образом, сезонными и суточными изменениями температуры, влажностью и плотностью воздуха, его запыленностью и загазованностью, которая преимущественно зависит от характера производств вентилируемого помещения. Для горного производства наиболее характерно именно запыленность и загазованность выработок, а для процессов обогащения – запыленность цехов и помещений обогатительных фабрик.
Регулируемые электропривода вентиляторных установок используются в системах проветривания тупиковых выработок, калориферных установках для обогрева шахтных стволов в холодное время года, калориферных установках для обогрева производственных помещений, воздуходувок в котельных для сжигания топлива и т.д.
Разнообразие ситуаций и факторов не позволяет сформировать автоматическое управление регулируемым электроприводом вентиляторных установок. Здесь возможен вариант регулирования в ручном режиме управления. Просчитать и смоделировать режимы работы различных типов электроприводов с применением регулируемого управления можно при помощи программы MatLab [6-16].
Существуют большие перспективы использования систем автоматического управления угловой скоростью воздуходувок в калориферных системах отопления. Такие системы обычно работают в сочетании воздуходувок с теплоносителями. Калориферы могут быть электрическими или водяными. Оптимальное сочетание количества подогретого воздуха с объемом его подачи требует управлять как воздуходувной установкой, так и теплоносителем. Эта задача требует регулировать угловые скорости воздуходувки и теплофикационного насоса в контуре водяного отопления или электрического нагревателя. Задача осложняется тем, что требуется учитывать температуру атмосферного воздуха. Алгоритм управления необходимо строить таким образом, чтобы обеспечить температурный комфорт отапливаемых помещений, цехов, стволов шахт и рудников в холодный период времени при минимальных затратах на теплоносители.
Небольшие вентиляторы главного проветривания с мощностью электродвигателя до 160 кВт, обычно используют низковольтные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. При мощности от 160 до 400 кВт находят применение низковольтные и высоковольтные асинхронные двигатели с фазным ротором, а при больших мощностях используются высоковольтные синхронные двигатели. В вентиляторах местного проветривания, калориферных установках используются низковольтные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором.
Выбор регулируемого электропривода для вентиляторных установок принципиально не отличается от выбора привода для насосов. Для вентиляторов, оснащенных асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором мощностью до 160 кВт, используется преимущественно низковольтный частотно-регулируемый электропривод [17-18].
Для мощных вентиляторов с высоковольтными синхронными электродвигателями мощностью до 4000 кВт используются бестрансформаторные высоковольтные частотно-регулируемые электроприводы с автономным инвертором тока.
Для электроприводов вентиляторных установок мощностью свыше 2000 кВт, оснащенных синхронными электродвигателями возможно применение вентильного двигателя. Следует отметить, что в горной промышленности отсутствуют примеры использования электропривода вентиляторных установок по системе вентильного двигателя. Синхронный частотно-регулируемый электропривод оказывается значительно сложнее и дороже, чем электропривод по системе вентильного двигателя. Поэтому имеются значительные перспективы использования такой системы для вентиляторных установок
Энергетический эффект в вентиляторных установках можно получить, если требуется обеспечение переменной подачи для оптимизации технологического процесса. В этом случае экономически оправдано применение регулируемого электропривода, который в большинстве случаев является дорогостоящим и требует квалифицированного персонала.
Анализ режимов работы вентиляторных установок выполняется для определения основных технологических параметров, необходимых для проектирования систем автоматического управления этих установок [19]. К числу этих параметров относятся:
- наибольшая подача вентилятора за расчетный период (сутки, месяц или год);
- наименьшая подача за расчетный период;
- необходимое давление, соответствующее наибольшей подаче;
- необходимое давление, соответствующее наименьшей подаче;
- средний диапазон колебаний подачи или давления.
Определяемые технологические параметры и другие исходные данные, используемые для построения системы автоматического управления вентиляторным агрегатом, должны в наибольшей степени соответствовать их фактическим значениям. Значительная часть исходных данных определяется путем построения графиков совместной работы вентиляторов и сети. При этом используются напорные характеристики вентиляторов, характеристики воздуховодов или сети. При работе вентиляторов на воздуховоды или сеть пользуются понятием эквивалентного отверстия.
Результаты построения графиков совместной работы вентилятора и воздуховодов во многом зависят от степени соответствия этих характеристик фактическому состоянию вентиляторов и воздуховодов, что особенно важно для вентиляторных агрегатов большой мощности.
При выполнении анализа режимов работы вентиляторных установок систематизируются данные о годовом потреблении электроэнергии и годовой производительности, об удельных расходах электроэнергии, затрачиваемой на подачу воздуха. Эти данные позволяют подготовить технико-экономическое обоснование на выполнение энергосберегающих проектов.
Принципиальные режимы работы вентиляторных установок регулируются следующими способами:
- дросселирование воздушного потока на всасывающей линии установки с помощью заслонок и задвижек;
- закручивание входящего в рабочее колесо воздуха с помощью специальных направляющих аппаратов, диффузоров и прочих устройств;
- ступенчатое регулирование частоты вращения рабочего колеса механическим или электромашинным способом (изменением числа пар полюсов многоскоростного электродвигателя);
- плавное регулирование частоты вращения рабочего колеса средствами регулируемого электропривода.
Используются в вентиляторных установках и комбинированные способы регулирования режимов их работы, например, закручивание потока воздуха с помощью осевого направляющего аппарата и изменение частоты вращения многоскоростным электродвигателем.
В заключение стоит отметить, что из всех приведенных выше способах регулирования режимов работы калориферных и вентиляторных установок, наибольшее распространение в настоящее время получил частотно-регулируемый электропривод, который обеспечивает не только точное регулирование заданных параметров, но и позволяет осуществлять энергосбережение путям экономии электроэнергии, а также продлевает работоспособность электрических двигателей и передаточных звеньев [20].