В сложившейся практике создания и эксплуатации систем автоматического управления (САУ) шахтными водоотливными установками основой является непрерывно контролируемый уровень воды в водосборнике, от величины которого осуществляется включение и отключение насосных агрегатов (НА). Независимо от электрической части САУ для этих целей обычно используются электродные датчики уровня: нижнего НН, верхнего НВ и аварийного НА.
Многолетняя практика создания и эксплуатации таких систем (от релейно-контактных в прошлом до современных бесконтактных) показала их высокую надежность и простоту реализации.
Однако для целей реализации внепикового электропотребления на шахтном водоотливе обычно предлагается построение систем автоматического управления НА в зависимости от объемов воды в водосборнике [1,2], что усложняет создание таких систем и снижает надежность их функционирования по причине затруднений, связанных с организацией постоянного контроля объемов воды. Так как практически все САУ водоотливными установками функционируют от уровня воды в водосборнике, то очевидно, что при реализации ими внепикового электропотребления отходить от этого базового принципа нецелесообразно.
Однако для его реализации необходимо установление зависимостей текущих уровней воды в водосборнике функции времени и притоков как в периоды накопления воды (при отключенных НА), так и в периоды удаления (при работающих НА).
С учетом произвольной конфигурации сечений водосборников зависимость уровня в них воды в функции времени Н(t) при заполнении рабочей емкости (от датчика НН до НВ) может быть выражена следующим образом
, (1)
где Qпр – приток воды в водосборнике (принимается постоянным внутри каждого цикла работы водоотлива); С0, С1, С2 – постоянные для конкретного водосборника величины.
В начальный момент времени при t = 0 значение постоянной Со=Н(t=0), т. е. оно должно соответствовать уровню нижнего датчика.
При включении насосного агрегата (или нескольких) в работу и освобождении рабочей емкости водосборника от воды зависимость
, (2)
где Qн – подача насосного агрегата (или нескольких, включенных в параллельную работу); С3, С4, С5 – постоянные для конкретного водосборника величины.
В начальный момент времени при t = 0 значение постоянной С3=Н(t=0), т. е. оно должно соответствовать уровню верхнего датчика.
При построении системы автоматического управления НА значения постоянных С0, С1, С2, С3, С4 и С5 определяются на основе фиксированных (замеренных) значений Н(t), НН, НВ, Qпр, Qн, t и затем вводятся в блок задания системы в соответствии с уравнениями (1) и (2).
Графическая интерпретация этих уравнений представлена на рисунке (уравнение (1) – (б-в); (г-д); (е-ж); (з-и) и уравнение (2) – (а-б); (в-г); (д-е); (ж-з); (и-а)), на котором представлена также графическая иллюстрация процесса суточного внепикового электропотребления на шахтном водоотливе в функции уровня воды в водосборнике при двух максимумах нагрузки в энергосистеме – Тмн(1) и Тмн(2). Как следует из этого САУ шахтными водоотливными установками должна обеспечивать реализацию внепикового электропотребления на основе соответствующего изменения уровня воды в водосборнике (линия а-б-в-г-д-е-ж-з-и-а) в течение суток при условии Qпр=const и полного освобождения рабочей емкости водосборника от воды к началу максимума нагрузки в энергосистеме.
Главным при этом является установление момента включения насосных агрегатов (одного или нескольких в зависимости от потребности) в предпиковый период энергосистемы (ЭС).
Основой для этого является уравнение (2) и постоянно контролируемый уровень воды Н(t), введенные в программу САУ. На рисунке зависимость Н(t) при работающих НА представлена линиями в'-в-г и ж'-ж-з.
Если совместить концы этих линий с началом периода максимума ЭС (точки 2 и 3), то при любом текущем значении Н(t) решение уравнения (2) позволит определить необходимый момент включения насосных агрегатов в работу (на рисунке это моменты tвк(1) и tвк(2)). Необходимое время работы насосных агрегатов определится как разность начального времени пика в ЭС и времени включения агрегатов, т. е. 
. При этом время цикла водоотлива в предпиковый период составит 
, 
.
Объем удаленной за время tраб воды из водосборника
, (3)
Где Vвк – объем воды в рабочей емкости водосборника соответствующий моменту включения НА; Vдоп – минимально допустимый объем воды в водосборнике в начале периода максимума нагрузки в ЭС.
Приведенные соображения справедливы для условия постоянства величины Qпр внутри принятого цикла работы водоотлива (суточного, недельного, месячного и др.). При переменном притоке в систему автоматического управления должны вноситься соответствующие коррективы. Для этого может быть использован коэффициент К, численно равный отношению времени рабочего цикла Тц к времени заполнения рабочей емкости водосборника Тз, т. е.
. (4)
Очевидно, что с изменением величины Qпр будет изменяться и величина К и соответствующим образом и моменты времени tвк, что и должно входить в задачу отслеживания САУ. Поэтому при переменном притоке на водоотливе перед каждым периодом максимума нагрузок в ЭС в САУ должна поступать информация о средней величине Qпр для расчета коэффициента К.
Рис. 1. Изменение уровня воды в водосборнике в течение суток
Таким образом, уравнения (1–4) могут быть положены в основу построения САУ насосными агрегатами шахтного водоотлива в функции уровня воды в водосборнике, что создаст условия для наиболее простой и эффективной реализации внепикового электропотребления. Однако, как показывает практика, для достижения этого необходимо еще наличие избыточных гидравлических мощностей, в том числе и насосного оборудования (т. е. при установке завышенного числа насосных агрегатов или увеличения их единичной мощности) по сравнению с требованиями Правил Безопасности. Однако во многих случаях этого можно избежать за счет, например, использования насосов с повышенной избыточной напорностью [3]. С учетом пологопадающих напорных характеристик центробежных насосов и пологопадающих напорных характеристик шахтных трубопроводных сетей, когда даже незначительное увеличение избыточного напора насосов может привести к значительному увеличению их подачи, разность (Qн – Qпр) может оказаться достаточной для эффективной реализации внепикового электропотребления при минимальных капитальных и эксплуатационных затратах.
Рецензенты:
Шеклеин С.Е., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Атомных электростанций» Уральского федерального университета им. первого Президента РФ Б.Н. Ельцина, г. Екатеринбург;
Кожушко Г.Г., д.т.н., профессор кафедры подъемно-транспортных машин и роботов Уральского федерального университета им. первого Президента РФ Б.Н. Ельцина, г. Екатеринбург.