Развитие теории и комплексные методы повышения эффективности функционирования электрооборудования горных предприятий

Размещено на http://www.allbest.ru/

РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ И КОМПЛЕКСНЫЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Специальности: 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

ДОРОШЕВ Юрий Степанович

Владивосток 2009

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Дальневосточном государственном техническом университете (ДВПИ имени В.В.Куйбышева) на кафедре горной электромеханики.

Научный консультант ? доктор технических наук, профессор А.И.Сидоров

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Казаринов Л.С.;

доктор технических наук, профессор Карякин А.Л.;

доктор технических наук, профессор Карандаев А.С.

Ведущая организация ? ОАО «ДальвостНИИпроектуголь».

Защита состоится « 26 » ноября 2009 года в 10 часов в ауд. 1001 на заседании диссертационного совета Д 212.298.05 при Южно-Уральском государственном университете.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес совета: 454080, г. Челябинск, проспект Ленина, 76, тел. (351)267-91-23, факс (351)267-90-65, Email: prorector@susu.ac.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Уральского государственного университета.

Автореферат разослан 24 сентября 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

д.т.н., проф. Усынин Ю.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Угольная промышленность является базовой, образует цепочку последующих зависимых отраслей: энергетика, металлургия, станкостроение и т.д. Поэтому проблемы в угольной промышленности, в той или иной мере, перекладываются на экономику всей страны. Наиболее острыми являются проблемы обновления основных фондов. Анализ всех типов карьерных, шагающих и роторных экскаваторов, задействованных в производстве, показывает, что средневзвешенный возраст среднестатистического экскаватора составляет более 17 лет. Нормативный срок службы экскаваторов составляет 15 - 18 лет. Как следствие - повышенная аварийность, уменьшение межремонтных циклов, увеличение затрат на техническое обслуживание (ТО). Усугубляют проблему усложнение горно-геологических условий, увеличение удельного энергопотребления, экологических и социальных издержек производства, условий безопасности производства, отсутствие должного финансирования, изменение производственных отношений.

Эффективность эксплуатации электрооборудования горных предприятий предполагает минимизацию затрат на его содержание и ремонт при максимальной производительности и соблюдении безопасных условий труда обслуживающего персонала. Повышение эффективности эксплуатации электрооборудования связано с решением комплекса проблем, обусловленных определением фактического электропотребления с учетом особенностей технологических процессов на предприятии, определением фактических режимных параметров с последующим установлением рациональных режимов работы электроустановок, определением и текущим контролем фактических потерь в распределительных сетях, контролем текущего состояния электроустановок технологических комплексов и обеспечением их безопасной эксплуатации, создания систем мониторинга и функциональной диагностики технического состояния с целью оперативного принятия решений по проведению ремонтных мероприятий, либо мероприятий по восстановлению работоспособности элементов и узлов электрооборудования. В связи с этим, возникает необходимость перехода на более прогрессивную систему ТО, которая уже внедряется на предприятиях ряда отраслей промышленности - обслуживания по фактическому состоянию (ОФС). Идея ОФС состоит в минимизации (устранении) отказов путем отслеживания и распознавания технического состояния оборудования методами неразрушающего контроля по совокупности его эксплуатационных характеристик.

Одним из элементов электрооборудования горных предприятий являются распределительные сети. Результаты исследований свидетельствуют о необходимости решения нескольких проблем, связанных с канализацией активной мощности и генерацией и перераспределением реактивной мощности. Фактические нагрузки карьерных экскаваторов значительно отличаются от номинальных (всегда в меньшую сторону), а общая генерируемая синхронными двигателями реактивная мощность превышает потребности в ней остальных электроприемников разреза, что приводит к нерациональным потерям активной мощности, как в распределительных сетях, так и в самих синхронных двигателях. В этой связи необходима разработка научно-методических положений по оптимизации режимов электрического оборудования, уменьшению потерь в линиях, их аналитического расчета и регистрации приборами контроля.

На современных экскаваторах и перерабатывающих комплексах установленная мощность электрооборудования достигает 20 МВт, что по мощности сравнимо с крупными промышленными предприятиями. Но, в отличие от промышленных предприятий, электрооборудование на горных комплексах сконцентрировано на небольшой площади, что создает благоприятные предпосылки для их оборудования комплексной защитой. Выход из строя любого из множества электродвигателей вспомогательных приводов приводит к остановке всего комплекса.

Основным видом технического обслуживания машин и механизмов, применяемым в промышленности в настоящее время, является планово-предупредительное техническое обслуживание по назначенному ресурсу, а не по результатам диагностирования. Время назначенного ресурса Т_р зависит от времени жизни наиболее подверженных износу компонентов, таких, например, как подшипниковые узлы. Процедура ППР существенно уменьшает вероятность аварии, но не предохраняет механизм от неожиданных повреждений в межремонтный период, а переборки только ускоряют износ узлов. Кроме того, необоснованные переборки вносят новые непредвиденные дефекты: перекосы осей, повышенные или заниженные зазоры, загрязнения и прочие технологические дефекты, сокращающие срок жизни машины, что требует проведения дополнительных ремонтных работ и, соответственно, дополнительных затрат. Затраты на содержание и ремонт оборудования предприятий увеличиваются по мере его эксплуатации и могут составлять величину, на порядок выше стоимости нового оборудования.

Стоимость ремонта экскаватора за период эксплуатации превышает затраты на его изготовление примерно в 10 раз. Однако, как показывает практика, фактические нагрузки могут значительно отличаться от расчетных либо регламентируемых. Более того, разборки оборудования, осуществляемые по регламенту планово-предупредительных ремонтов (ППР), сокращают реальный межремонтный период в среднем на 15 - 30%. Это обусловлено тем, что в реальных условиях не существует сильной взаимосвязи между сроком эксплуатации и техническим состоянием (ТС) оборудования, если не присутствуют эрозийные формы износа и разрушения деталей, линейно связанные со сроком службы.

Решение комплекса вопросов по развитию теоретических основ и методов повышения эффективности функционирования электрооборудования горных предприятий является научной проблемой, имеющей важное хозяйственное значение, внедрение которой может внести значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса.

Объект исследования - электрооборудование угольных разрезов как многоаспектная научно-производственная система.

Цель работы - повышение эффективности эксплуатации электрооборудования угольных разрезов путем комплексного обоснования рациональных параметров, технических средств и режимов работы с учетом его фактического технического состояния.

Идея работы заключается в использовании результатов системного анализа фактических параметров и условий эксплуатации электрооборудования угольных разрезов для разработки методов и технических средств, позволяющих повысить эффективность его функционирования.

Методы исследований. Выполнение работы осуществлялось на основе использования сравнительно широкого комплекса методов исследований, объединяемых системным подходом и включающего

· анализ и обобщение результатов ранее выполненных исследований в области определения удельных нагрузок, режимных параметров электрооборудования, защитных устройств, теоретических методов расчета потерь электроэнергии, методов неразрушающего контроля технического состоянии горного оборудования;

· логические оценки и заключения (практически на всех стадиях выполнения работы и формирования ее разделов и подразделов);

· теоретические исследования (при разработке методики исследований, способа определения удельных потерь, схемы многоканального защитного устройства, определении режимов возбуждения синхронных двигателей преобразовательных агрегатов);

· экспериментальные исследования (при установлении удельных нагрузок, фактических значений режимных параметров);

· аппараты теории вероятностей и математической статистики, теории планирования эксперимента, теоретических основ электротехники.

Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту горный электрооборудование электроэнергия нагрузка

1. Измерения и регистрацию комплекса режимных параметров высоковольтного горного электрооборудования следует производить на основе многопараметрической системы с использованием разработанных автором методических основ и принципов, позволяющих получать достоверные данные в условиях ограниченной информации.

2. Новые параметрические модели электропотребления карьерных экскаваторов, учитывающие особенности горно-геологических условий и технологию ведения горных работ.

3. Повышение эффективности функционирования карьерных экскаваторов обеспечивается установкой рациональных параметров сетевых двигателей преобразовательных агрегатов с учетом их фактической активной нагрузки и потребной для индуктивной нагрузки фидерных линий генерируемой реактивной мощности.

4. Методика выбора параметров высоковольтных гибких кабелей с учетом их фактических срока службы, токовых нагрузок, сезонной температуры окружающей среды региона и технико-экономических показателей производства.

5. Способ определения и регистрации нагрузочных потерь электроэнергии в распределительных сетях карьеров по удельным потерям активной мощности на головном участке сети и эквивалентному значению коэффициента потерь распределительной сети.

6. Способ безопасной эксплуатации технологического комплекса, основанный на применении многоканального многопараметрического защитного и диагностического устройства.

7. Методические принципы организационно-технологической системы технического обслуживания, построенной на основе оценки фактических режимных параметров, современных методов неразрушающего контроля, вибромониторинга и виброналадки вращающегося оборудования.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается результатами анализа необходимого для получения достоверной информации объема статистического материала, на основе которого получены зависимости и показатели, используемые в расчетных методах; использованием современных методов математической статистики и планирования экспериментов; сопоставлением результатов расчетов с фактическими данными; применением аналитического и графоаналитического методов; положительными результатами практической реализации разработок, приведенных в диссертации.

Научная новизна и значимость работы

1. Разработана методика проведения многопараметрических экспериментальных исследований на основе системы регистрации режимных параметров электрооборудования горных предприятий в условиях ограниченной информации.

2. Установлены закономерности формирования удельных электрических нагрузок карьерных одноковшовых экскаваторов и их энергетические характеристики как корреляционные зависимости между электропотреблением и определяющим его технологическими факторами.

3. Разработана методика графо-аналитического построения U-образных и рабочих характеристик синхронных двигателей преобразовательных агрегатов карьерных одноковшовых экскаваторов и теоретически обоснованы режимы возбуждения этих двигателей в соответствии с их фактическими нагрузками и экономичного распределения реактивной мощности между электроприемниками фидерных линий по условию минимума потерь электроэнергии.

4. Установлены аналитические зависимости, позволяющие осуществлять выбор параметров высоковольтных гибких кабелей: длин в зависимости от технико-экономических показателей предприятия и сечений токоведущих жил в зависимости от фактических токовых нагрузок, срока службы и сезонной температуры окружающей среды региона.

5. Теоретически обоснован способ определения удельных потерь электроэнергии в распределительных сетях горных предприятий по канализируемой головным участком активной мощности и эквивалентному значению коэффициента потерь распределительной сети.

6. Разработан способ обеспечения безопасной эксплуатации технологического комплекса с помощью многоканального многопараметрического защитного устройства.

7. Обоснованы методические основы проведения мониторинга технического состояния, функциональной диагностики вращающегося оборудования горнодобывающих комплексов, предложена поэтапная система мероприятий перехода на новую технологию обслуживания электрооборудования угольных разрезов по его фактическому техническому состоянию.

Практическое значение работы

1. Разработанные методика и многоканальная система измерения и регистрации режимных параметров позволяют осуществлять комплексные экспериментальные исследования по одновременной регистрации нескольких режимных параметров электрооборудования горных предприятий в различных условиях эксплуатации.

2. Методика определения рациональных режимов возбуждения синхронных двигателей карьерных экскаваторов в зависимости от их фактической нагрузки позволяет уменьшить потери активной мощности в распределительных сетях за счет рационального перераспределения реактивной нагрузки, а также за счет уменьшения затрат активной мощности на генерацию реактивной.

3. Методика выбора оптимальных параметров высоковольтных гибких кабелей позволяет повысить эффективность их использования за счет увеличения токовых нагрузок и снизить затраты на сооружение внутрикарьерных кабельных линий.

4. Предложенный способ определения относительных потерь электроэнергии в распределительных сетях обеспечивает мониторинг фактических потерь электроэнергии в зависимости от существующей топологии сети и канализируемой головным участком активной мощности.

5. Одно многоканальное защитное устройство от анормальных режимов работы трехфазных электроустановок позволяет осуществлять несколько видов защит, а также диагностику компактно расположенных электроприемников технологического комплекса.

6. Инженерная методика акустического неразрушающего контроля технического состояния и виброналадки вращающегося горного электрооборудования позволяет увеличить межремонтные интервалы и осуществлять постепенный переход на новую технологию технического обслуживания по фактическому состоянию горного электрооборудования.

Реализация результатов работы. При непосредственном участии автора все основные результаты выполненных исследований и разработок получили поэтапную практическую реализацию, начиная с конца 80-х годов минувшего столетия.

Начало использования многоканальной системы регистрации режимных параметров относится к 1987-88 годам на Читинском машиностроительном заводе при анализе влияющих факторов на электропотребление завода (в данной работе результаты исследований не приводятся).

На последующих этапах производились экспериментальные исследования в объединении ОАО «Приморскуголь» на угольном разрезе «Павловский-2», где были внедрены технические мероприятия по оптимизации режимов возбуждения синхронных двигателей карьерных экскаваторов. Далее эксперименты по определению удельных нагрузок и энергетических характеристик одноковшовых экскаваторов проводились в условиях Лучегорского угольного разреза с последующим внедрением результатов. Затем на этом же разрезе производились исследования режимных параметров карьерных экскаваторов и реализация мероприятий по рациональному перераспределению реактивной мощности в распределительных сетях.

Опытные образцы многоканального защитного устройства были внедрены на котельной Павловского угольного разреза и на дробильном комплексе Лучегорского угольного разреза, техническая документация передавалась в объединение «Дальвостуголь» (ныне ООО «Амурский уголь»).

Начиная с 2004 года возобновились работы на Лучегорском угольном разрезе по определению фактического технического состояния экскаваторного парка и разработке методов поэтапного перехода на новую систему технического обслуживания горного электрооборудования с применением современных технических средств неразрушающего контроля технического состояния вращающегося горного электрооборудования. В результате установлены единичные и комплексные показатели качества и эмпирические модели технического состояния карьерных экскаваторов, созданы и внедрены рабочие методики акустического неразрушающего контроля технического состояния и виброналадки вращающегося горного электрооборудования (многоплоскостной балансировки роторов электрических машин в собственных опорах), организована служба технической диагностики в составе отдела главного механика, осуществляющая мониторинг технического состояния горного электрооборудования и его виброналадку.

Расчетный годовой экономический эффект от рационализации режимов работы синхронных двигателей только одного типа экскаватора составляет в ценах 2002 года около 80000 рублей. Реализация мероприятий по организации мониторинга технического состояния и функциональной диагностики позволяет при 1% капитальных затратах и 2% эксплуатационных от стоимости основных фондов получать рентабельность 500%.

Все защищаемые научные положения и результаты экспериментальных исследований нашли отражение в учебных пособиях, монографиях и внедрены в учебный процесс горного института ДВГТУ.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы в целом и ее отдельные положения докладывались, обсуждались и получили положительные оценки на ежегодных научно-практических конференциях и расширенных заседаниях кафедры горной электромеханики, на курсах повышения квалификации руководящего состава горных предприятий при горном институте ДВГТУ, на технических совещаниях при главном инженере Лучегорского угольного разреза, на Международных научных симпозиумах “Неделя горняка-2000, 2002”, на V11 международной конференции «Современные технологии обучения «СТО-2001» Санкт-Петербург, на международной конференции стран АТР «Совершенствование технологии добычи, обогащения и переработки угля», Владивосток, 2002, на региональных научно-технических конференциях «Молодежь и научно-технический прогресс», ДВГТУ, 1988 - 2004, на 11 международной конференции стран АТР «Совершенствование технологии добычи, обогащения и переработки угля», Владивосток, 2004, на пятой Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов» Благовещенск, 2008, на «Вологдинских чтениях», Владивосток, 1998 - 2008, на 1, 2, 3, 4 международных научных конференциях «Проблемы освоения георесурсов Российского Дальнего Востока и стран АТР», Владивосток, 2001 - 2008, на международных научных чтениях «Приморские зори - 2009», расширенном заседании кафедры электроснабжения Читинского государственного университета, 2009.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 51 печатных работах, в том числе в двух монографиях, трех учебных пособиях (в соавторстве); в изданиях, рекомендованных ВАК - 8 и 4 патентах на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, изложенных на 306 страницах машинописного текста, содержит 70 рисунков, 32 таблицы, библиографический список использованной литературы из 239 наименований и 3 приложения.

Основное содержание работы

Методические основы исследований режимов электропотребления карьерных экскаваторов и нормирования расхода электроэнергии на экскаваторные работы.

Проблемами исследования закономерностей электропотребления занималось большое количество ученых, среди которых следует выделить школы Л.В. Гладилина, Б.П. Белыха, Б.И. Заславца, С.А. Волотковского, В.К. Олейникова, В.И. Щуцкого, С.Д. Волобринского, Л.А. Плащанского, А.М. Маврицына, В.Г. Соболева, А.З.Николайчука, М.И.Озерного, П.Л. Светличного, В.С. Виноградова, А.А. Сыроватко, Ю.Г. Бацежева, В.В. Дегтярева, В.А. Голубева, А.В. Ляхомского, Б.Н. Авилова-Карнаухова, И.В. Гофмана, П.П. Мирошкина, А.Х. Салиникова и др.

Однако существующие в настоящее время методы нормирования и планирования электропотребления в горной промышленности не могут считаться достаточно обоснованными, поскольку, как правило, в большей степени субъективны и слабо связаны с производственной программой предприятия и теми изменениями, которые происходят в процессе её реализации. Кроме того, однофакторные модели электропотребления не учитывают некоторые существенные параметры технологического процесса экскавации горной массы.

Также следует отметить, что нормы удельного электропотребления на различных горных предприятиях могут существенно отличаться, так как зависят от конкретных условий производства каждого предприятия, в частности, от технологии добычи, горно-геологических, климатических условий и др.

Научно обоснованные нормы должны базироваться на результатах теоретических и экспериментальных исследований, анализе электробалансов, выявлении и количественной оценке взаимосвязей между электропотреблением и технологическими параметрами с применением методов теории вероятностей и математической статистки.

В данной работе проведен анализ режимов электропотребления и норм расхода электроэнергии на экскаваторные работы некоторых типов экскаваторов с помощью электробалансов и энергетических характеристик. Значение первых состоит в том, что на их основании устанавливают фактические соотношения в потреблении электроэнергии, а также взаимосвязи энергетики с технологическим процессом; значение вторых в том, что они отражают зависимость между расходом электроэнергии и выпуском продукции в единицу времени, при учёте влияния важнейших факторов производства, определяющих этот расход и значение одной из важнейших составляющих в себестоимости продукции.

Для проведения экспериментов была использована упрощенная экспериментальная установка, включающая только два измерительных преобразователя - активной и реактивной мощности и многоканальный автоматический потенциометр.

Проведение экспериментальных исследований режимов электропотребления процесса экскавации горной массы целесообразно проводить в периоды наиболее загруженных смен. Выбор смены в качестве отрезка времени для снятия замеров объясняется рядом причин. Установлено, что необходимая точность измерений энергопотребления механизмом может быть получена лишь при достаточной длительности промежутка времени, за которое производится измерение. Только при выполнении этого условия могут быть выявлены реальные закономерности изменения среднечасового потока энергии W, удельного расхода электроэнергии щ технологическим процессом с учётом изменения различных влияющих факторов. Сменные отрезки времени позволяют рассматривать технологические процессы как установившиеся, т.е. учесть влияние на них как случайных, так и резкопеременных факторов. В то же время смена является наименьшим интервалом времени, характеризующим полный цикл технологических процессов, за который регистрируются различные технологические и производственные показатели, влияющие на работу оборудования.

Точечные графики, полученные в результате экспериментов, преобразовывались в непрерывные, затем подвергались дискретизации с установленным периодом; объем массива данных определялся по методам математической статистики для заданной погрешности измерений; массив данных подвергался статистической обработке на ЭВМ.

Обработка полученных в ходе экспериментальных исследований данных позволила определить средние значения затрат электроэнергии на различные технологические операции, по которым были составлены сменные электробалансы одноковшовых экскаваторов. Отвальные экскаваторы значительную долю электроэнергии (около 30 %) расходуют на разгрузку составов. Бульшая доля электроэнергии расходуется на переэкскавацию горной массы при строительстве земполотна. Таким образом, для одного типа экскаватора в условиях одного разреза, но занятых на различных работах, удельные нормы по статьям расхода значительно отличаются. Это связано с особенностями Бикинского месторождения и специфическими условиями разреза. Данные обстоятельства обусловливают необходимость определения удельных норм электропотребления по статьям расхода электроэнергии. Анализ сменных электробалансов позволил определить удельные нормы электропотребления по статьям расхода электроэнергии отвальных экскаваторов и при строительстве земполотна (табл.1 и табл.2).

Нормы расхода электроэнергии экскаваторами наиболее точно определяются на основе энергетических характеристик. Нормативные данные по удельным нормам не учитывают расход электроэнергии на прием породы, планировку земполотна, снятие плодородного слоя и другие вспомогательные операции, что приводит к существенному превышению фактических норм электропотребления над плановыми.

В настоящей работе энергетические характеристики экскаваторов рассматривались как корреляционные связи между электропотреблением и определяющим его технологическими факторами.

Таблица 1

Удельные нормы электропотребления отвальных экскаваторов ЭШ-10/70 по статьям расхода электроэнергии

Статьи электробаланса	Расход электроэнергии, W, кВт ч	Расход электроэнергии, W1 %	Удельная норма электропотребления, щ, кВтч/тыс.м3
Экскавация горной массы	2870	61,82	689
Разгрузка составов	1389	29,92	334
Прочие операции	70	1,50	17
Холостой ход	314	6,76	75
Итого	4643	100,0	1115

Таблица 2

Удельные нормы электропотребления экскаваторов ЭШ-10/70 на строительстве земполотна по статьям расхода электроэнергии

Статьи электробаланса	Расход электроэнергии, W, кВт ч	Расход электроэнергии, W1 %	Удельная норма электропотребления, щ, кВт ч/тыс.м3
Экскавация горной массы	1771	43,23	743
Переэкскавация горной массы	1194	29,14	501
Вспомогательные операции	703	17,16	295
Холостой ход	429	10,47	180
Итого	4097	100,0	1719

В качестве технологических факторов, главным образом влияющих на электропотребление отвальных экскаваторов, были приняты сменная производительность П_р (тыс.м³) экскаватора при работе по приему породы и сменная производительность П_э (тыс.м³) экскаватора при экскавации горной массы из приёмной ямы в отвал.

Количественные значения производительностей П_п и П_э для отвальных экскаваторов и производительностей П_п и П_э для экскаватора, работающего на строительстве земполотна, были включены как независимые переменные в многофакторные уравнения регрессии. Для экскаваторов типа прямая лопата в качестве энергетической характеристики принята однофакторная регрессивная модель, в которой независимой переменной является общая производительность П экскаватора, тыс.м³. Форма статистической связи между зависимой переменной (электропотреблением W экскаватора) и независимыми переменными (производительностями П_р, П_э и П) во всех уравнениях регрессии (энергетических характеристиках) была принята линейной. Энергетические характеристики экскаваторов приведены в табл.3.

При расчёте удельного электропотребления на экскавацию горной массы учитываются горно-технологические условия Лучегорского разреза: фактические среднегодовое число часов работы, категория грунта и суммарные годовые производительности экскаваторов.

Таблица 3

Энергетические характеристики экскаваторов

Тип экскаватора	Энергетические характеристики	Критерий Фишера	Относи- тельная погреш- ность, %
ЭШ-10/70 (отвал)	W=1814,1+193,6Пр+556,0Пэ	Fрасч=1,20<Fтабл=2,08	6,18
ЭШ-13/50 (отвал)	W=3145,9+103Пр+415Пэ	Fрасч=1,84<Fтабл=2,00	3,8
ЭШ-10/70 (земполотно)	W=262,8+541,7Пп+665,8Пэ	Fрасч=1,33<Fтабл=2,19	6,3
ЭКГ-8И (вскрыша)	W=512,5+343,6П	Fрасч=1,00<Fтабл=2,00	0,3

Проведен анализ годовых удельных расходов электроэнергии на экскавацию горной массы различных категорий для условий Лучегорского разреза - при различных значениях плотности горной массы, выполненный на основании расчётно-аналитического метода и с помощью энергетических характеристик.

По результатам полученного расчётного годового электропотребления вычислены удельные энергозатраты по различным типам экскаваторов для различных категорий грунтов, а также проведено сравнение полученных удельных энергозатрат с плановыми (регламентированными) нормами, которое показало существенные расхождения между расчётным и плановым удельным электропотреблением (относительная погрешность от 16 до 80 %).

Сравнительный анализ удельных энергозатрат по вскрышным экскаваторам, определенных с помощью энергетических характеристик и на основании расчётно-аналитического метода, показывает незначительное отличие между собой (не более 13,1%).

Исследование режимных параметров и научное обоснование критериев для организации энергосберегающих режимов работы карьерных экскаваторов.

Функционирование системы электроснабжения характеризуется значениями показателей ее состояния, называемыми режимными параметрами.

В той или иной мере в исследованиях режимных параметров горного электрооборудования принимали участие Б. Н. Абрамович, Ю.В. Коновалов, А. А. Буторин, В.П. Бухгольц, В.Л. Скрипка, П. П. Вершинин, А.В. Бугаенко, Н.А. Серебренников, В.И. Гордеев, Ф.Г. Гусейнов, О.С. Мамедяров, Ю.С. Железко, Ф.Ф. Карпов, Л.А. Солдаткина, И.И. Карташев, О.И. Кирилина, Н.А. Клименко, И.Н. Ковалёв, М.А. Осипов, Ю.А. Самохин, Г.В. Красник, Б.И. Кудрин, С.И. Малафеев, В.С. Мамай, А.М. Манилов, В.С. Орлов, А.В. Праховник, В.В. Дегтярёв, И.А. Сыромятников, А.А. Фёдоров, В.Ф. Шумилов, Н.И. Шумилова, В.А. Веников, И.В. Жежеленко и др.

Существующие методы определения расчетных электрических нагрузок дают значительные погрешности в сторону их завышения. На горнодобывающих предприятиях завышение нагрузок составляет от 27 до 350 %. Большинство экспериментальных исследований проводилось по определению отдельных параметров функционирования оборудования. Однако комплексных исследований по одновременной регистрации нескольких режимных параметров практически не проводилось.

В отличие от промышленных предприятий, где всегда существует дефицит в реактивной мощности, на угольных разрезах ее всегда избыток в связи с наличием большого парка экскаваторов с синхронными сетевыми двигателями, работающими в режиме перевозбуждения. Это приводит к значительному перерасходу активной мощности, затрачиваемой на генерацию реактивной и дополнительными потерями активной мощности в распределительных сетях разрезов. Определение фактических значений максимальных и минимальных нагрузок карьерных экскаваторов при экскавации и на холостом ходу, соотношения между потребляемой и рекуперируемой в сеть активной и реактивной мощностями сетевых двигателей и др. дают возможность разработать рекомендации по выбору рационального режима возбуждения синхронных двигателей экскаваторов с целью минимизации потерь мощности в распределительных сетях угольного разреза за счет перераспределения реактивной мощности между ее источниками (синхронными двигателями преобразовательных агрегатов карьерных экскаваторов) и потребителями (асинхронными двигателями и трансформаторами) фидерных линий.

Основные задачи экспериментальных исследований направлены на определение фактических значений в данных условиях эксплуатации различных эксплуатационных параметров горного электрооборудования - режимных параметров. Существует множество технических характеристик (параметров), определяющих техническое состояние электрооборудования.

Для выполнения задач экспериментальных исследований необходимо иметь данные об изменении нескольких режимных параметров. Поскольку исследования являются комплексными, необходима одновременная запись этих параметров. Кроме того, система должна обеспечивать необходимую точность регистрации и длительную непрерывную работу.

Рис. 1 Схема измерения и регистрации режимных параметров электрической сети

Перечисленным требованиям удовлетворяет система на основе серийно выпускаемых Витебским заводом электроизмерительной техники измерительных преобразователей (ИП) в совокупности с многоточечным (12 канальным) регистрирующим прибором типа КСП. Структурная схема системы представлена на рис. 1. Она состоит из подключенных к измерительным трансформаторам тока и напряжения девяти измерительных каналов: активной Р(t) и реактивной Q(t) мощностей, фазных (линейных) токов I_А(t), I_В(t), I_С(t), линейных напряжений U_АВ(t), U_ВС(t), U_СА(t), частоты питающего напряжения f_AB(t).

Все преобразователи предназначены для линейного преобразования различных режимных параметров трехфазных трехпроводных цепей переменного тока в унифицированный выходной сигнал постоянного тока 0-5 мА на нагрузке 0-3 кОм.

В качестве регистрирующего прибора использовался 12-и точечный автоматический потенциометр типа КСПИ-037-ухл 4,2.

Выбор КСПИ обусловлен необходимостью одновременной регистрации девяти параметров - активной и реактивной мощностей, фазных токов, линейных напряжений и частоты. В целях заполнения всех 12-и входов потенциометра, сигнал от измерительного преобразователя активной мощности подается на параллельно подключенные входы I и 9, а реактивной - на входы 2 и 11.

Согласующее устройство - блок входных резисторов, экспериментально подобрано на основе термостабильных резисторов из расчета максимального отклонения указателя по шкале КСП-4 при подаче на входы максимальных сигналов измерительных преобразователей, т.е. 5 мА.

В процессе проведения экспериментальных исследований часто возникали сомнения по поводу достоверности маркировки концов трансформаторов тока и их коэффициентов трансформации. Данное обстоятельство обусловлено тем, что приключательные пункты, к которым производилось подключение системы измерения и регистрации режимных параметров, часто ремонтировались, могли меняться трансформаторы тока, а надписи концов оставлялись прежними. Доступ к этим трансформаторам тока в условиях подключенного к высоковольтной сети приключательного пункта невозможен. Кроме того, не на всех приключательных пунктах имелись трехфазные трансформаторы напряжения типа НТМИ, поскольку для питания защиты и вольтметра достаточно иметь один однофазный трансформатор типа НОМ-6. Поэтому в измерительной системе было предусмотрено использование двух однофазных трансформаторов для получения трехфазной системы линейных напряжений. Подключение двух НОМ-6 производилось с помощью отрезка высоковольтного кабеля типа КШВГ на выводные шпильки масляного выключателя. Для питания автоматического потенциометра и измерительных преобразователей требуется напряжение 220 В, которое также отсутствует на приключательных пунктах; для этой цели изготовлен специальный стабилизированный повышающий трансформатор СН 100/220 В.

С целью корректировки и правильного подключения системы к трансформаторам тока и напряжения были предприняты усовершенствования в системе измерения (установка переключателей П1 - П7, а также фазометра Э500), позволяющие не только менять позицию токов фаз А и С, но и изменять фазы этих токов на 180°.

При работе экскаватора возможны режимы рекуперации как активной, так и реактивной энергии. Поэтому в схеме экспериментальной установки предусмотрен сигнал смещения, который подаётся на вход каналов активной и реактивной мощности потенциометра КСП-4 от двух независимых источников питания, с помощью которых нулевая линия измерения мощностей P и Q смещается на середину диаграммной ленты.

Для оценки изменений показаний измерительных преобразователей при различных вариантах их подключений к трансформаторам тока и напряжения были приведены теоретические исследования и построены графики изменения активной и реактивной мощностей в зависимости от угла сдвига фаз между током и напряжением в соответствии с принятой системой векторных диаграмм токов и напряжений. Результирующий график зависимостей Р=f(ц) представлен на рис.2. Эти графики наглядно демонстрируют, как могут изменяться показания активной мощности при правильной фазировке трансформаторов токов и напряжений и при ошибочных сочетаниях сопряженных векторов токов и векторов напряжений [], а также при шунтировании одного из токов при предполагаемом (или измеренном с помощью фазометра) значении угла ц (или cosц).

В диссертации приведена подробная методика определения соответствия измеряемого значения активной мощности Р фактическому, которое должно определяться по формуле: , т.е. проведения многопараметрических экспериментальных исследований режимных параметров горного электрооборудования в условиях ограниченной информации о параметрах и схемах включения трансформаторов тока и напряжения.

Рис. 2 График зависимостей Р=f(ц) фазных токов и линейных напряжений

Полученные в результате экспериментов регистограммы режимных параметров высоковольтных электроприёмников подвергались ручной обработке для набора в массив данных. Для облегчения обработки соседние точки каждого режимного параметра соединялись разноцветными линиями, таким образом, дискретные графики преобразовывались в непрерывные. Фрагмент таких преобразованных регистограмм представлен на рис.3. Подобные регистограммы получены для экскаваторов типов ЭШ-20/90, ЭШ-15/90А, ЭШ-10(11)/70, ЭКГ-8И, ЭКГ-5А.

Рис. 3 Фрагмент регистограммы режимных параметров экскаватора ЭШ-10/70

Для набора массива данных использовались наиболее характерные отрезки регистограмм, отображающие соответствующие режимы работы экскаваторов: «работа», «холостой ход», «шагание». Набранный массив представляет собой представительную выборку, обеспечивающую допустимое отклонение среднего арифметического значения режимного параметра в пределах ±3 %.

Массив представляет собой матрицу, в которой строки соответствуют текущим значениям параметров в конкретные моменты времени. В ходе проведения эксперимента также проводились дополнительные измерения с целью определения зависимости потребляемого тока I₁ от различных токов возбуждения синхронных двигателей карьерных экскаваторов.

Результаты обработки экспериментальных данных для различных режимов работы карьерных экскаваторов переданы для практического использования на разрезы ОАО «Приморскуголь» и р/у «Лучегорское». Результаты обработки экспериментальных данных свидетельствуют о том, что фактические нагрузки экскаваторов отличаются от номинальных всегда в меньшую сторону от 25 до 50%. Т.е. можно говорить, что установленная мощность главных приводов экскаваторов значительно недоиспользуется. Однако режим возбуждения синхронных двигателей (СД) устанавливается как для номинального режима, что приводит к завышенной генерации реактивной мощности (РМ) и связанным с этим потерям активной мощности. В этой связи возникает необходимость установки токов возбуждения СД в зависимости от их фактических активных нагрузок и потребного количества в РМ на каждой фидерной линии.

При использовании СД в промышленности как источников РМ решаются следующие задачи: стабилизация напряжения, минимизация потерь электроэнергии, поддержание оптимального уровня коэффициента мощности в часы максимума активной нагрузки. Использование СД для стабилизации напряжения рационально при кратковременных набросах индуктивной мощности смежных приемников, когда допустимы кратковременные перегрузки по току ротора. При этом должен быть достигнут положительный эффект, связанный снижением воздействия СД на осветительную сеть или электроприемники, изменение напряжения которых сказывается на производительности труда. Для открытых горных работ эта проблема не является актуальной. Использование реактивной мощности СД для снижения потерь в распределительных сетях рассматривается в двух аспектах: определения реактивной мощности СД в часы максимума нагрузки энергосистемы для обеспечения предприятием контролируемой реактивной мощности в соответствии с договором на обеспечение электроэнергией и регулирование возбуждения при изменении собственной активной и смежной реактивной нагрузок. В настоящее время на угольных разрезах Дальнего Востока вопрос о поддержании оптимального коэффициента мощности не стоит в связи с проведением расчетов за электроэнергию по одноставочному тарифу. Что же касается оптимизации возбуждения СД в зависимости от их фактической активной и смежной реактивной нагрузок, то эта проблема является очень актуальной. Однако следует учитывать, что эффективность автоматического регулирования тока возбуждения может оказаться весьма малой при высокой эффективности использования СД как источника реактивной мощности. Как показывают исследования, экономическая целесообразность автоматического регулирования реактивной мощности в зависимости от смежной нагрузки возникает при суммарной активной мощности смежной нагрузки выше 1-5 МВт. На угольных разрезах индуктивная нагрузка на одном фидере с СД не достигает таких значений. Также следует учитывать, что минимум потерь СД достигается при постоянной реактивной мощности, если нагрузка на валу изменяется не менее чем на 50%. Нагрузка на валу СД карьерных экскаваторов резкопеременная, изменяется в широких пределах. Таким образом, для СД карьерных экскаваторов применять автоматическое регулирование тока возбуждения нецелесообразно. Достаточно устанавливать ток возбуждения в соответствии с требуемой от двигателя реактивной мощностью, используя режим пониженного возбуждения.

Для выбора рационального режима возбуждения необходимо иметь U-образные и рабочие характеристики синхронных двигателей. U -образная характеристика представляет собой зависимость тока статора от тока возбуждения при постоянных частоте, напряжении на выводах и полезной мощности на валу двигателя т.е. I₁= f (I_B) при Р₁, U₁, f₁ = const.

Рабочие характеристики синхронных двигателей могут быть получены на основании U -образных и представляют собой зависимости различных параметров двигателя (мощностей полной и реактивной, тока статора, cosц) от потребляемой активной мощности при различных токах возбуждения. Рабочие характеристики дают возможность выбора режима возбуждения в зависимости от фактических нагрузок синхронных двигателей при условии генерации требуемой реактивной мощности.

Справочные данные по синхронным двигателям также не содержат сведений для построения U -образных характеристик (в частности, значения синхронного индуктивного сопротивления х и ЭДС обмотки статора Е₀). Вследствие этого возникает необходимость в разработке методики построения U -образных характеристик теоретическим путём на основании паспортных данных синхронных двигателей.

На основании известных выражений из теории электрических машин необходимые значения х и Е₀ можно определить графическим методом (рис.4) и с помощью ЭВМ. В диссертации разработана методика определения индуктивного сопротивления х и построения U- образных характеристик как графическим методом, так и с помощью микроЭВМ.

Примеры построения U - образных и рабочих характеристик представлены на рис.5 и 6.

Графики рис.5 - 6 позволяют решать задачи по выбору режима работы синхронных двигателей как при отсутствии автоматических регуляторов, так и определения задающего воздействия для системы автоматического регулирования тока возбуждения. В частности, задачу определения тока возбуждения для фактических нагрузок в режимах «работа» и «холостой ход» таким образом, чтобы обусловить необходимую генерацию реактивной мощности. Либо определять, насколько изменится электропотребление экскаватора в одних и тех же условиях при изменении тока возбуждения. Например, из рис.5 видно, что при фактической нагрузке



Рис. 4 Определение индуктивного сопротивления х и Е₀ и построение U-образной характеристики графическим методом

Рис. 5 U-образные характеристики синхронного двигателя экскаватора ЭШ-20/90



Рис. 6 Рабочие характеристики синхронного двигателя экскаватора ЭШ-20/90

1250 кВт, зафиксированной при экспериментальных исследованиях, потребляемый ток изменяется от 125 до 175 А при изменении тока возбуждения от 230 до 270 А, при этом генерируемая реактивная мощность увеличивается от 370 до 1325 квар, т.е. изменение тока возбуждения на 17% вызывает изменение электропотребления на 40%. Если бы этот экскаватор работал при своей номинальной нагрузке (2500 кВт), то изменение электропотребления было бы не столь существенным - от 243 до 260 А, т.е. на 7%.

В работе введено понятие «совмещенного режима», при котором нагрузка активная и реактивная определяется из годового двухступенчатого графика с периодами работы в режимах «работа» Р_р t_p и «холостой ход» Р_хх t_хх.

Как показывают исследования электропотребления экскаваторов в структуре энергобалансов, холостой ход вместе со вспомогательными операциями занимает от 10 до 25% общего рабочего времени. Поэтому можно полагать t_xx ? 0,2 t_p. В этом случае среднепотребляемая годовая активная нагрузка синхронного двигателя в совмещенном режиме работы Р_С = (Р_Р + 0,2 Р_ХХ)/1,2. При установке во время сезонных наладок тока возбуждения неизменным как для режима «работа» так и для режима «холостой ход», фактическая нагрузка пересчитывается по этому выражению и для Р_С находится ток возбуждения, который обеспечит в среднем за год либо нулевое потребления реактивной энергии, либо необходимую генерацию реактивной мощности, требуемую для компенсации индуктивной нагрузки в данной линии.

Таким образом, для повышения эффективности функционирования карьерных экскаваторов, необходимо иметь сведения о фактических нагрузках (активных и реактивных) электроприёмников данного фидера и режиме их работы (соотношении времени работы и холостого хода - двухступенчатом графике). В диссертации разработана методика определения экономической эффективности от оптимизации режима возбуждения сетевых двигателей карьерных экскаваторов для двухступенчатого графика нагрузки при условии отсутствия затрат на генерацию излишней реактивной мощности. Разработан алгоритм вычисления. По предложенной методике произведен расчет ожидаемого экономического эффекта от рационализации режима работы синхронных двигателей шести типов экскаваторов. В расчете использовались фактические нагрузки в режимах «работа» и «холостой ход», полученные в результате экспериментальных исследований в условиях разрезов «Павловский-2» ОАО «Приморскуголь» и «Лучегорский». Рассчитанный суммарный годовой экономический эффект только по шести типам экскаваторов при расчёте за электроэнергию по двухставочному тарифу составляет 244692 рублей (цены 2002 года), причем достигается такой эффект простым организационным мероприятием - изменением установки тока возбуждения на синхронных двигателях. Для экскаваторного парка только одного Лучегорского разреза, содержащего синхронные двигатели (это 40 экскаваторов из 53), годовой эффект может составить при двухставочном тарифе 1631280 рублей. Дополнительный эффект может быть получен за счет рационального перераспределения реактивной мощности между синхронными и асинхронными двигателями, подключенными к одной фидерной линии.

Известно, что передаваемые потребителям нагрузки по реактивной мощности необходимо покрывать так же, как и нагрузки по активной мощности, причем вместе с возникающими при их передаче потерями активной мощности в сетях. При этом возникают неблагоприятные технико-экономические последствия, решения которых являются комплексной, многосторонней проблемой. Учитывая специфические режимы распределительных сетей открытых горных работ уместно рассмотреть упрощенные варианты решения некоторых вопросов данной проблемы. Рассматривая синхронные двигатели как генераторы реактивной мощности, целесообразно решать задачу недопущения дефицита либо избытка реактивной нагрузки при минимуме приведенных затрат на ее генерацию и распределение. Оптимальное распределение реактивной нагрузки между ее источниками необходимо рассматривать для фактических нагрузок активной мощности синхронных двигателей. В диссертации предлагается методика распределения реактивных нагрузок в распределительных сетях, электрически связанных между собой, при условии минимальных потерь активной мощности при генерации реактивной синхронными двигателями и ее канализации к индуктивным потребителям.

Рациональные параметры высоковольтных гибких кабелей.

Кабельные линии в системе внутрикарьерного электроснабжения (ЭГК) являются очень важным элементом горного электрооборудования. Они обладают более высокими эксплуатационными качествами, чем воздушные линии: гибкостью и удобством в эксплуатации при мобильном характере горных работ, малыми затратами на переустройство, более простой защитой от атмосферных перенапряжений, меньшими потерями электроэнергии.

...