Аппаратура автоматизации водоотлива должна обеспечивать:

автоматическую контролируемую заливку насосов перед их пуском в работу;

автоматическое включение в работу очередного насоса при достижении водой верхнего уровня и непрерывную работу его до нижнего уровня;

автоматический контроль за работающим насосом и аварийное отключение его, если он не развил заданной производительности или в установке возник отказ (перегрев подшипников, короткое замыкание и др.);

автоматическое включение в работу резервного насоса, если отказал первый насос или он не справляется с притоками, вода достигла повышенного или аварийного уровня. Может предусматриваться одновременное включение нескольких насосов;

обезличенную звуковую и световую сигнализацию на пульт диспетчера о состоянии установки (работа, отказ) и аварийном уровне воды, а также сигнализацию в камере об отказавшем насосе;

возможность дистанционного включения установки с пульта диспетчера и перевод ее на ручное управление;

возможность применения различных способов заливки (погруженный насос, баковый аккумулятор, сифонный способ и др.);

блокирование от включения отказавшего насоса без вмешательства обслуживающего персонала;

автоматическое управление работой задвижек на трубопроводах, а также работу с постоянно открытой задвижкой при небольших глубинах.

Учитывая многообразие типов водоотливов, разнообразие гидрогеологических, горнотехнических условий шахт и рудников, для автоматизации этого процесса используется различная серийная аппаратура, обеспечивающая с той или иной полнотой реализацию рассмотренных требований. В ряде случаев автоматизация водоотлива выполняется по индивидуальным проектам.

1.4 Способы заливки насосов

1.4.1 Операции по управлению водоотливной установки

К важнейшим операциям по управлению водоотливной установкой относится заливка насоса перед включением его в работу. В настоящее время наибольшее распространение получил способ заливки при помощи заливочного погруженного насоса ЗПН, который находится в водосборнике ниже нижнего уровня и постоянно залит водой.

Другие способы заливки: подача воды из нагнетательного става, применение баковых аккумуляторов, сифонный способ, использование заглубленных насосных камер получили в угольной промышленности малое распространение. В горнорудной промышленности заглубленные насосные камеры применяют широко, так как они обеспечивают наиболее благоприятные условия работы насосов существенно упрощают схему автоматизации.

Обычно главные, перекачные и вспомогательные водоотливные установки оборудуются центробежными насосами, которые нуждаются в предварительном заполнении водой перед пуском (заливке).

На практике при автоматизации насосов заливка осуществляется в зависимости от местных условий следующими способами: размещением насосов ниже уровня воды в водосборнике (заглубленные насосные камеры), погружением насосов в воду (погруженные вертикальные насосы), сифонным способом, баковыми аккумуляторами, из нагнетательного трубопровода и вспомогательными насосами.

1.4.2 Заглубленные насосные камеры

Благодаря расположению насосов ниже уровня воды в водосборнике вода поступает к ним с подпором. Это создает благоприятные условия для эксплуатации насосов, так как снижается вероятность кавитации и подсоса воздуха через неплотности всасывающей линии. Этот способ заливки надежен, позволяет использовать быстроходные экономичные центробежные насосы, но применение его создает опасность затопления камеры.

Возможность применения заглубленных камер обусловлена гидрогеологическими условиями и уровнем техники возведения водонепроницаемых перемычек.

Мощные водоотливные установки с заглубленными насосными камерами успешно работают на рудниках.

1.4.3 Погруженные вертикальные насосы

В этих насосах вода к рабочим колесам поступает с подпором, что создает благоприятные условия для их эксплуатации. Способ заливки прост и надежен, но уход и контроль за насосами несколько затруднены.

Автоматизированные водоотливные установки с погружными насосами нашли широкое применение на участковых и перекачных водоотливах шахт и рудников.

1.4.4 Сифонный способ

Вода с вышележащего горизонта подводится по специальной сифонной трубке к насосу, благодаря чему обеспечивается его постоянное заполнение при стоянке. На всасывающем трубопроводе должен быть установлен приемный клапан, а на сифонной трубке - обратный. Этот способ заливки также отличается простотой и надежностью.

Сифонный способ заливки насосов может быть осуществлен и при применении гидрорегуляторов, которыми вода перепускается из нагнетательного трубопровода или от постороннего источника водоснабжения в специальный бак, а из него - в насос.

1.4.5 Баковые аккумуляторы

В автоматизированных установках нашли широкое распространение для заливки однокамерные баковые аккумуляторы, монтируемые на всасывающей линии насосов. Баковый аккумулятор (рис.1.1) представляет собой герметически закрытый цилиндрический сосуд - бак 3 с двумя па трубками с помощью которых он монтируется на всасывающем трубопроводе. При этом бак располагается на 50-100 мм выше насоса в горизонтальном положении. Внутри бака между патрубками приваривается труба 2 так, что между ней и нижним патрубком образуется узкая кольцеобразная щель (сопло).

Работа водоотливной установки с баковым аккумулятором состоит в следующем.

Рисунок 1.1 - Гидравлическая схема заливки насоса с помощью бака - аккумулятора

Для обеспечения первоначального пуска насоса бак (и насос) заполняется водой из нагнетательного трубопровода 6 через обводную трубку 5 или штуцер уравнительной трубки 4. При включении насоса вода из бака с большой скоростью проходит через кольцевую щель, в результате чего вместе с водой 'захватывается воздух, поступающий из верхней части бака и всасывающего трубопровода 1. По мере нарастания разрежения всасывающий трубопровод и баковый аккумулятор заполняются водой из водосборника. Так как водо-воздушная смесь, выбрасываемая насосом, имеет давление, недостаточное для открытия обратного клапана 7, на время пуска управляемый вентиль 9 открыт и смесь сбрасывается в водосборник. По окончании пуска управляемый вентиль закрывается и вода направляется по нагнетательному трубопроводу. Клапан в приемной сетке обычно не ставится, поэтому при остановке насоса вода уходит из всасывающего трубопровода, оставаясь в баке аккумулятора. Уравнительная трубка служит для предотвращения после остановки насоса ухода воды из бака вследствие избыточного давления со стороны насоса и разрежения со стороны всасывающего трубопровода. Задвижка 8 постоянно открыта.

Область применения баковых аккумуляторов ограничивается в основном перекачным и вспомогательным водоотливом. Мощные насосы с большим диаметром всасывающего трубопровода должны иметь баки больших размеров, что затрудняет их размещение в камере.

1.4.6 Заливка из нагнетательного трубопровода

Этот способ широко применяется при ручном управлении водоотливными установками и может быть использован при их автоматизации. Способ отличается простотой, его применение не связано с большими переделками установки.

К недостаткам способа относятся: переменный напор, ограниченные запасы воды в нагнетательном трубопроводе и возможность ухода воды из него через неплотности обратных клапанов и задвижек.

Автоматическая заливка насосов из нагнетательного трубопровода успешно осуществляется с помощью управляемого заливочного вентиля и (простой дренажной системы. Для удаления воздуха к крышке насоса со стороны всасывания подсоединяется дренажная трубка диаметром 18,9-25,5 мм, конец которой погружается в воду на глубину расположения приемной сетки.

При применении дренажной трубки довольно просто решаются вопросы герметизации всасывающей линии, удаления воздуха из насоса и предохранения всасывающего трубопровода от высоких давлений.

Автоматическую заливку из нагнетательного трубопровода следует рекомендовать там, где можно обеспечить минимум трехкратную заливку насоса, так как в схему автоматизации обычно включены три насоса (при отказе первого насоса должен быть залит второй, при отказе второго - третий).

1.4.7 Заливка вспомогательными насосами

Основные насосы и их всасывающие трубопроводы заполняются водой с помощью вспомогательных погруженных насосов небольшой мощности. В таких схемах работа основного насоса зависит от работы вспомогательного, способ заливки которого должен быть достаточно надежным.

Вспомогательные насосы подключаются к основным последовательно. Примером последовательного включения являются водоотливные установки с бустерными насосами, монтируемыми на всасывающих трубопроводах основных насосов. В качестве бустерных применяются вертикальные погруженные насосы.

Преимущества этого способа заливки: насосный агрегат всегда готов к пуску; основной насос работает без вакуума, что исключает неполадки из-за подсоса воздуха через неплотности; уменьшается вероятность кавитации и создается возможность расположения основных насосов на большей высоте над уровнем воды по сравнению с размещением обычных насосов.

Однако при применении этого способа заливки снижается надежность работы водоотливной установки (при неисправности бустерного насоса выходит из строя основной, пуск которого в этом случае не может быть осуществлен вручную), затрудняются уход и контроль за бустерным насосом. Наибольшее распространение получил погружной заливочный насос ЗПН. Насосный агрегат состоит из корпуса насоса, открытого рабочего колеса, всасывающей сетки, электродвигателя, верхнего и нижнего щитов с подшипниками.

В автоматизированных установках контроль заливки производится с помощью реле заливки, действующего по принципу контактного манометра или поплавковой камеры и по времени.

Наиболее простым является контроль по времени, так как во всех схемах автоматизации имеются реле времени. Для надежности следует выбирать заливочные средства достаточной производительности с учетом возможных утечек воды через неплотности.

Контроль за работой насосных установок должен быть поставлен как исключающий их эксплуатацию при значительном отклонении режима работы от оптимального. Работу насоса можно контролировать с помощью реле давления. При установке реле производительности на всасывающем или нагнетательном трубопроводах достигается также косвенный контроль разгрузочного устройства секционных насосов. Для обеспечения контроля целости нагнетательного трубопровода реле производительности устанавливается на выходном конце нагнетательного трубопровода. При разрыве трубопровода работа насоса автоматически прекращается. Однако, как показал опыт, такое расположение реле производительности нерационально, так как для этого требуется сигнальный кабель значительной длины. Кроме того, возникает необходимость защиты приборов на поверхности от поломок и обмерзания.

В действующих автоматизированных водоотливных установках автоматический контроль состояния сальников насосов не предусматривается, но повышение надежности их работы необходимо. Особенно это касается сальника со стороны всасывания, который при износе начинает пропускать воздух. Тогда требуется его подтягивание или повторная набивка.

Нередко в насосах у сальника со стороны всасывания устраивается гидравлический затвор с подводом воды от первого колеса, однако канал, подводящий воду, часто закупоривается осадками, что создает ненормальные условия работы сальника и насоса.

1.4.8 Защита от гидравлического удара

Если остановка насоса происходит при открытой задвижке, то возникает явление гидравлического удара. Экспериментальные исследования, проведенные на рудниках с разными схемами трубопроводов, показали, что у большинства водоотливных установок ударные давления не превышали максимальных при проверке на прочность запорной арматуры. Следовательно, отдельные редкие остановки шахтных насосов с открытыми задвижками вполне допустимы.

Однако при гидравлическом ударе происходит колебательное движение столба воды, что приводит к раскачке трубопровода, способной вызвать нарушение плотности соединений, а в определенных условиях и разрушение трубопровода. Поэтому в подобных условиях необходимо предусмотреть защиту от гидравлического удара. Для защиты могут быть применены: управляемые задвижки, медленно закрывающиеся перед остановкой насоса, и противоударные средства - дополнительные обратные клапаны или специальные противоударные средства.

1.5 Средства контроля водоотливных установок

1.5.1 Реле уровня РУП-1

Для контроля нижнего и верхнего уровней воды в водосборниках участковых и проходческих водоотливов применяется в основном реле уровня РУП-1 в рудничном взрывобезопасном водонепроницаемом исполнений конструктивно реле РУП-1 (рис.1.2) состоит из трех основных частей: корпуса 1, фланца 7 и кабельного ввода, соединенных между собой болтами. К фланцу при варена направляющая 6, на которой передвижными хомутами укреплены микропереключатели 5 нижнего (НУ) и 3 верхнего (ВУ) уровня типа МП-1.

Рисунок 1.2 - Реле уровня РУП-1

При нижнем уровне воды рычаг 4 держит контакт НУ микропереключателя разомкнутым. При повышении уровня воды давление на диафрагму 5 увеличивается, шток с рычагом 4 начинает перемещаться и освобождает штырь микропереключателя, контакт НУ замыкается. При верхнем уровне воды рычаг 4 нажимает на штырь микропереключателя 3, замыкает контакт ВУ верхнего уровня и включает насос в работу. При снижении уровня воды шток с рычагом 4 под воздействием пружины 2 возвращается в исходное положение и размыкает поочередно контакты ВУ и НУ, вследствие чего насос останавливается.

Настройка реле на верхний уровень производится изменением натяжения пружины 2. Для поддержания внутри реле атмосферного давления предусмотрен вывод, соединяющий реле с атмосферой посредством резиновой трубки. Вводная камера реле заливается кабельной массой.

1.5.2 Реле давления РДВ

Для контроля уровня воды в водосборниках наиболее широкое распространение получил электродный датчик ЭД в нормальном исполнении. Принцип его действия основан на электропроводности откачиваемых вод.

Датчик представляет собой контактирующий с водой освинцованный диск со стаканом, на который навинчен кабельный ввод.

Рисунок 1.3 Реле давления РДВ

При эксплуатации электродные датчики подвешиваются на кабеле в водосборнике на отметках, соответствующих нижнему, верхнему, промежуточному и аварийному уровням воды. После подсоединения кабеля стакан заливается кабельной массой.

Простота конструкции и отсутствие подвижных частей обеспечивают надежность электродного датчика ЭД в эксплуатации.

Для контроля заливки главного насоса применяется реле давления РДВ (рис. З) в рудничном нормальном исполнении. Чувствительным элементом реле является диафрагма 3, воспринимающая давление столба воды. Через шток 2 давление передается на штырь микропереключателя /, который производит соответствующие переключения в схеме. Возврат штока и микропереключателя в исходное положение осуществляется пружиной 4.

1.5.3 Реле подачи насоса РПН

Для контроля подачи насосного агрегата применяются реле подачи РПН и РПФВ-1К.

Реле подачи насоса РПН (рис.1.4) состоит из двух основных частей: корпуса 6 и плиты 5, соединенных между собой. При обтекании флажка 7 потоком жидкости валик 1, жестко связанный с флажком, поворачивается. Укрепленный на валике кронштейн 3 производит соответствующие переключения в контактной группе 2. Противодействующая сила создается пружиной 4, которая при отсутствии струи возвращает флажок в исходное положение. Натяжение пружины регулируется специальным винтом.

Рисунок 1.4 - Реле подачи насоса

Реле РПН высокочувствительно и способно реагировать на изменение подачи насосного агрегата в пределах 5-8%.

Реле РПФВ-1К по принципу действия аналогично реле РПН, но изготовляется в рудничном взрывобезопасном исполнении и поэтому обычно применяется на участках и проходческих водоотливах.

Для контроля температуры подшипников электродвигателей и насосов в водоотливных установках применяются термодатчики ТДЛ-2.

Принцип действия температурного датчика основан на свойстве сплава Вуда плавиться при температуре свыше +70°С (при плавлении на табло оператора подается аварийный сигнал).

2. Аппаратуры водоотливных установок

2.1 Аппаратура автоматизации шахтных водоотливных установок

2.1.1 Различная аппаратура

Выпускается различная аппаратура автоматизации, охватывающая все основные технологические схемы шахтного водоотлива. Широкое применение в горной промышленности получили: аппаратура автоматизации одиночного насоса АВО-3 для автоматического управления шахтной водоотливной установкой, оборудованной одним насосом с асинхронным электродвигателем мощностью до 120 кВт; комплекс автоматизации проходческого водоотлива АВ-7 для автоматического управления проходческими подвесными водоотливными установками (из одного или двух насосов с электродвигателями мощностью до 120 кВт); аппаратура автоматизации низковольтного водоотлива АВН-1М для автоматического управления водоотливными установками с тремя насосами; унифицированная аппаратура УАВ для автоматического управления водоотливными установками рудных и угольных шахт; взрывобезопасная аппаратура ВАВ с высоковольтными и низковольтными асинхронными электродвигателями.

Распространенным вариантом гидравлической схемы автоматизированных водоотливных установок является схема, показанная на рис.2.1 Заливка насосов по этой схеме осуществляется с помощью вспомогательного погруженного заливочного насоса.

1 - электродвигатель главного насоса; 2 - главный насос; 3 - задвижка с ручным приводом; 4 - обратный клапан; 5 - электропривод задвижки; 6 - реле давления; 7 - датчики контроля температуры подшипников насоса и электродвигателя; 8 - реле производительности; 9 - ручной вентиль; 10 - обратный всасывающий клапан; 11 - вспомогательный заливочный насос - 12 - электродный датчик уровня.

Рисунок 2.1 - Гидравлическая схема автоматизированной гидравлической установки

Наиболее совершенной является унифицированная аппаратура УАВ и ВАВ.

Аппаратура УАВ предназначена для автоматического управления водоотливными установками действующих, реконструируемых и новостроящихся шахт горнорудной и угольной промышленности. Аппаратура позволяет управлять водоотливными установками с числом насосных агрегатов до шестнадцати, с высоковольтными и низковольтными асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором. Аппаратура УАВ отвечает требованиям автоматизации для водоотливных установок, относящихся к II и III группам.

2.1.2 Виды аппаратур

Для автоматического управления водоотливными установками применяется следующая аппаратура:

АВО-З для установок, оборудованных одним насосом с короткозамкнутым асинхронным электродвигателем до 120 кВт;

АВН-М для установок, оборудованных тремя насосами с низковольтными" асинхронными короткозамкнутыми электродвигателями;

УАВ для установок, оборудованных насосами с высоковольтными и низковольтными асинхронными короткозамкнутыми электродвигателями. Унифицированная аппаратура УАВ имеет нормальное исполнение и может укомплектовываться для автоматизации 16 насосов;

ВАВ для установок, оборудованных насосами (до девяти) с высоковольтными и низковольтными асинхронными короткозамкнутыми электродвигателями. Аппаратура имеет взрывозащищенное исполнение и может использоваться в шахтах, опасных по газу или пыли.

3. Аппаратура ВАВ-1М

3.1 Возможности аппаратуры ВАВ-1М