Насосные станции как системы гидропривода механизированных крепей

Д.т.н. Стадник Н.И.

 

Лекция

МЕХАТРОННЫЕ НАСОСНЫЕ СТАНЦИИ МЕХАНИЗИРОВАННЫХ КРЕПЕЙ

1. Насосные станции как системы гидропривода механизированных крепей

Насосные станции являются источником гидравлической энергии в составе гидроприво­да механизированной крепи, которые обеспечивают питание всех исполнительных гидроци­линдров крепи рабочей жидкостью с необходимой подачей и заданным давлением.

Насосные станции предназначены для нагнетания рабочей жидкости в гидравлические системы механизированных крепей, очистных агрегатов и другого горношахтного оборудования. Рабочая жидкость – это любые водомасляные эмульсии, разрешенные для применения в угольных шахтах.

Основным назначением систем гидропривода механизиро­ванных крепей (МК) является обеспечение необходимых пере­мещений элементов подсистем МК с требуемыми усилиями и скоростями с помощью исполнительных гидроцилиндров.

Система гидропривода крепей очистных комплексов вклю­чает подсистему питания МК рабочей жидкостью совместно с исполнительными гидроцилиндрам и (в виде гидростоек, гидро­домкратов, гидропатронов) с соответствующей гидроаппарату­рой, входящими в состав других подсистем крепи.

Основные особенности систем гидропривода следующие:

1) существенная протяженность нагнетательных и сливных гидрокоммуникаций и большой объем рабочей жидкости в гид­росистеме;

2) значительное количество исполнительных гидроцилинд­ров, гидроаппаратуры, соединительных элементов гидроком­муникаций и модульная структура основной части гидросисте­мы, когда на всех секциях имеется одинаковый комплект гид­роэлементов;

3) предохранительные клапаны гидростоек, наряду с тра­диционной функцией защиты соответствующих гидроэлемен­тов от перегрузок, обеспечивают вторую основную функцию - поддержание постоянного сопротивления гидростоек опуска­нию пород кровли;

4) высокое давление рабочей жидкости в напорных гидро­линиях (20-40 МПа), в замкнутых поршневых полостях штоков I ступени раздвижности (30-40 МПа, что соответствуют давле­нию настройки предохранительных клапанов) и II ступени раз­движности (60-85 МПа);

5) случайный характер и широкий диапазон скоростей опускания кровли, что приводит к большим колебаниям расхо­да рабочей жидкости, который должен быть пропущен через предохранительные клапаны с обеспечением качественного выполнения ими своих основных функций.

 

2. Приготовление эмульсии и поддержание заданного качества и количества

К рабочим жидкостям систем гидропривода механизиро­ванных крепей предъявляются следующие основные требова­ния: негорючесть, нетоксичность, стабильность свойств при температурах от 5° до 60°; стойкость противокоррозионная и к воздействию бактерий; инертность по отношению к материа­лам уплотнений из резиновых смесей и полимерных материа­лов; смазывающая, противозадирная и противоизносная спо­собности; высокая теплопроводность и малая удельная тепло­емкость; отсутствие стойкого пенообразования; низкая стои­мость.

Основное требование, предъявляемое к гидравлическим жидкостям в угольных шахтах, – трудновоспламеняемость, что обеспечивается при использовании их с высоким водосодержанием. Международное обозначение этого типа жидкости – HFA, где H – hydraulic fluid (гидравлическая жидкость); F – fire-resistant (трудновоспламеняемая); A – обозначение группы.

Жидкости HFA подразделяются на типы: HFA-Е - из «классического» (с высоким содержанием минерального масла) концентрата или микроэмульсия из «полусинтетического» (с низким содержанием минерального масла) концентрата; HFA-S - из «синтетического» (не содержащего минерального масла) концентрата.

В таблице приведена сравнительная характеристика их концентратов.

Перечень известных типов эмульсий, применяемых в угольных шахтах Украины и СНГ:

· Классические и полусинтетические HFA-E: «АЗМОЛ ЭГС», «АЗМОЛ ЭГС-1М» (Бердянский завод АЗМОЛ, ОАО «Азовские смазки и масла»); ФМИ-РЖ (Львовский опытный нефтемаслозавод); «Универсал-РЖ» (Ай-Си-эН Компани Лтд», г.Славянск); «SOLCENIC 2020»; «SOLCENIC PL PLUS»; «SOLCENIC GM30» (Группа FUCHS, Польша, Англия, Германия); «Fimitol P 87 AF» («Carl Bechem GmbH», Германия); «ISOMONT MX 130»; «ISOMONT MX 150»; «ISOMONT MX 450» («STUART», Германия); «Quintolubrik N807-ALG» («Quaker», СНГ);

· Синтетические (водные растворы) HFA-S: «СУПТ» (ООО «Холдинг-центр); «Универсал-1РЖ» (ЧП «Славнефтехим», г.Славянск); «HYDROCOR GS 460 NH» («STUART», Германия); «Lubrimont AS» («TIEFENBACH», Германия).

Показатель	Раствор HFA-S	Эмульсия HFA-Е
Не содержат минерального масла – «синтетические»	С низким содержанием минерального масла -«полусинтетические»	С высоким содержанием минерального масла -«классические»
Концентрация	прим. 5 %	1-3 %	1-3 %
Температура замерзания	до -5 ºС	до -15 ºС	до -25 ºС
Совместимость с цинком	плохая	средняя	хорошая
Стабильность в Z-воде	хорошая	хорошая	хорошая
Защита от коррозии	хорошая	хорошая	хорошая
Смазывающие свойства	плохие	удовлетворительные	хорошие
Совместимость с уплотнителями	удовлетворительная	удовлетворительная	хорошая
Микробиологическая стабильность	высокая	высокая	удовлетворительная
Фильтруемость	очень хорошая	очень хорошая	хорошая
Ресурс простаиваемости	очень хороший	хороший	удовлетворительный
Необходимость контроля состояния	высокая	высокая	высокая
Нагрузка на окружающую среду	очень низкая	низкая	очень низкая
Себестоимость	высокая	низкая	высокая
«Эффект памяти»	плохой	удовлетворительный	хороший

 

Физический смысл «эффекта памяти» состоит в пассивировании трущихся и неподвижных поверхностей гидросистемы, омываемых эмульсией типа HFA-E с высоким содержанием минерального масла, – образование защитной пленки, способствующей появлению аварийной антизадирной способности и улучшению антикоррозионных свойств. Ценность этого явления в том, что, когда по определенным причинам может возникнуть недостаточная концентрация эмульсии, можно в течение определенного времени избежать аварийной ситуации.

Однако, здесь имеется и определенное противоречие, поскольку одной из таких причин является и сам «эффект памяти», т.к. в ходе образования на омываемых эмульсией поверхностях (площадь таких поверхностей в гидросистеме механизированной крепи очень большая) защитной пленки, происходит обеднение эмульсии. Кроме того, в случае перехода на другую эмульсию, несовместимую с предыдущей, гидросистему очистного забоя следует тщательно промыть специальной жидкостью, которую предоставляет фирма-поставщик концентрата, чтобы удалить защитную пленку. Время промывки может занимать до 3 суток.

Среды HFA-S практически не обладают «эффектом памяти», т.к. по своему строению состоят из полностью растворимых в воде веществ, которые, даже при их отложении на поверхностях, тут же смываются. В этом случае эффект растворимости, который рассматривается как решение проблемы стабильности, негативен – возникает электрохимическая, точечная и щелевая коррозия.

Сравнение основных характеристик показывает, что каждый из концентратов имеет свои отличительные особенности, преимущества и недостатки, но основные области их применения формируются и утверждаются в условиях конкуренции, исходя из накопленного производственным персоналом опыта их эксплуатации.

Экономическую эффективность механизированного комплексапрежде всего обеспечивают высокий ресурс и незначительные затраты на ремонт. При капитальном ремонте механизированной крепи около 50% расходов на ремонт компонентов гидросистемы приходятся на повреждения, обусловленные коррозией. Поэтому, в системах рекомендуется применять рабочую жидкость HFA с требуемой концентрацией, а также постоянно контролировать состояние и качество, руководствуясь требованиями на ее соответствие 7-му Люксембургскому отчету. С переходом на крепи нового поколения остроту этой проблемы ощущает все большее количество горняков.

В зависимости от типа и качества воды концентрация известных эмульсолов в эмульсии составляет от 0,5 до 4-5 %, что должно обеспечивать надежную защиту гидросистемы от коррозии и хорошие смазочные и антизадирные свойства.

 

 

 

 

Зависимости уровня коррозии от концентрации HFA

 

 

В гидросистеме механизированной крепи концентрация HFA подвержена системным изменениям. Так, по мере увеличения длительности ее пребывания концентрация уменьшается вследствие биологического разложения определенных веществ, а также отложения биологически активных веществ на защищаемых поверхностях («эффект памяти»). Одновременно неизбежны потери, которые необходимо компенсировать для сохранения требуемого объема эмульсии, обеспечивающего эксплуатационные функции крепи. Эти потери, как показали исследования на шахтах Донбасса, могут достигать более 2 тыс. л на 1 тыс. т добычи в зависимости от технического состояния элементной базы гидросистемы. Исследования, проведенные на одной из шахт Германии, показали, что из-за недостаточной концентрации HFA произошли неподдающиеся ремонту коррозионные повреждения гидродомкратов передвижки и их пришлось заменить. Ущерб составил 280 тыс. евро.

Таким образом, задача устройств приготовления HFA состоит в том, чтобы компенсировать потери гидравлической жидкости в гидросистеме механизированной крепи и обеспечивать заданную концентрацию HFA в зависимости от типа эмульсола и качества технологической воды. На практике по соображениям надежности устанавливается концентрация, ориентированная на самую высокую ожидаемую в процессе эксплуатации жесткость воды.

Руководствуясь этим, можно накопить опыт по поддержанию рекомендованной концентрации эмульсии при минимальных затратах на ее приготовление.

Мировая и отечественная практики показывают, что регулирование и поддержание концентрации могут обеспечить только установки с автоматическим приготовлением эмульсии, размещенные непосредственно на месте ее применения, т.е. в составе насосных станций. До создания такой установки был необходим комплекс технических средств с расположением их от поверхности до забоя. Комплекс обеспечивал работы по водоподготовке - повышению температуры до 40-60 ºС и понижению жесткости воды, приготовлению эмульсии и транспортировке ее по выработкам в специальной таре. При этом ежедневно на шахте с суточной добычей около 3 тыс. т затрачиваются людские ресурсы не менее 10 чел.-смен и время, полезное для транспортировки горной массы.

Отсутствие возможности под землей повлиять на концентрацию и качество приготовленной на поверхности эмульсии приводило к тому, что в течение длительного времени в гидросистеме лавы могла циркулировать эмульсия неудовлетворительного качества, вызывающая интенсивную коррозию упомянутых элементов гидросистемы. Достаточно сказать, что только технологически необходимый подогрев воды обеспечивает прекрасную среду для размножения микроорганизмов уже в свежеприготовленной эмульсии.

С появлением на отечественном угольном рынке качественных европейских концентратов (эмульсолов) с высокой степенью дисперсности (3 мкм и менее) и коллоидной стабильностью, способных эмульгировать в шахтной воде с жесткостью до 17 мг·экв/л без предварительной водоподготовки (кроме фильтрации) и соответствующих требованиям 7-го Люксембургского отчета, стало возможным создать промышленный образец установки для приготовления эмульсии в составе насосных станций для механизированных крепей.

В 2008 г. ГП «Донгипроуглемаш» создал установку УПРЖ, предназначенную для автоматического приготовления рабочей жидкости (эмульсии) для гидросистем очистных агрегатов и механизированных крепей и стабильного поддержания нормативной концентрации эмульгирующего продукта (эмульсола), с обеспечением контроля количества приготовленной эмульсии. Установка адаптирована с серийными насосными станциями типа СНТ и СНД.

Техническая характеристика установки УПРЖ:

Рабочее давление воды на входе в установку, МПа 0,4 - 1,6

Расход воды, л/мин, не более 140

Расход эмульсола, л/мин, не более 3

Диапазон настройки концентрации эмульсола, % 0,2 – 2

Вместимость бака для эмульсола, дм³, не менее 400

Габаритные размеры, мм, не более 1400х1000х1200

Масса (без эмульсола), кг, не более:

Установки 300

комплекта поставки 350

Установка УПРЖ (рис. 1 и 2) состоит из бака 1 для концентрата эмульсола с визуальным указателем 2 и датчиком 3 контроля уровня жидкости; сдвоенного щелевого фильтра 4 с манометрами и ручной обратной промывкой противотоком с помощью двух трехходовых шаровых кранов 5 и 7 для очистки подводимой через шаровой кран 6 к установке воды; рукавов 8 и 12 и коллектора 10 для удаления загрязнений при обратной промывке фильтра; рукава 11 для подачи очищенной воды в дозатор; редукционного клапана 13 с манометром для поддержания давления воды на входе в дозатор не более 0,8 МПа; дозатора 14 для дозирования и стабильного поддержания заданного процентного содержания концентрата эмульсола в эмульсии в пределах его диапазона регулирования (настройки); гибкой трубки 20, через которую эмульсол поступает в дозатор; счетчика-расходомера приготовленной эмульсии 16; выходного патрубка 17 для подачи эмульсии в бак насосной станции; пробки 18 для опорожнения и промывки бака; рамы 9, на которой закреплена установка с защитным кожухом 19.

Как правило, концентрат эмульсола поступает под лаву в фирменных бочках вместимостью 200 л. Для удобства его заливки в бак установки предусмотрен ручной перекачной насос 15.

Установка работает следующим образом. Для приготовления эмульсии необходимо открыть шаровый кран на входе в установку и тогда вода из противопожарного става или другого источника проходит фильтрацию и через редукционный клапан попадает в дозатор. В дозаторе имеется механизм регулирования объема эмульсола, поступающего в него посредством эжекции. Затем эмульсол вместе с водой поступают в смесительную камеру дозатора, где происходит их интенсивное перемешивание.

Рисунок 1 - Установка УПРЖ
Рисунок 2 - Установка УПРЖ (вид со стороны дозатора)

 

 

Благодаря высокой степени дисперсности современных эмульсолов и барбатажному способу перемешивания компонентов, на выходе из дозатора через счетчик-расходомер в бак насосной станции поступает качественная эмульсия со стабильной концентрацией.

Во втором полугодии 2008 г. установка прошла приемочные испытания в ОП «Шахта «Южнодонбасская № 3» ГП «Донецкая угольная энергетическая компания» в условиях 9-й восточной лавы пласта С₁₁ участка № 6 в составе механизированного комплекса 3МКД90 с насосной станцией СНТ32. Среднесуточная нагрузка на очистной забой составила 1200 т.

Всего за период испытаний приготовлено примерно 200 м³ эмульсии на основе эмульсола Solcenik 2020 с заданной 1 %-ной концентрацией. Концентрацию контролировали с помощью ручного рефрактометра.

Концентрация эмульсии была стабильной, в т.ч. и в сливной линии гидросистемы. Случаи указанной коррозии элементов гидросистемы не установлены.

Установка пригодна для подземной эксплуатации.

Одним из основных факторов экономической эффективности применения автономной установки УПРЖ для приготовления эмульсии в сравнении с прежними способами – это прежде всего возможность приготовления ее непосредственно под лавой, т.е. на месте применения с использованием шахтной воды до максимальной жесткости и без предварительной водоподготовки (кроме фильтрации). При этом обеспечен систематический контроль концентрации эмульсии и поддержание нормативной величины концентрации. Кроме того, наличие: щелевых фильтров с промывкой противотоком для предварительной очистки шахтной воды перед поступлением ее в дозатор для приготовления эмульсии заданной концентрации с помощью дозирующего концентрат механизма; бака с визуальным контролем уровня эмульсола (концентрата), рассчитанного на 400 л (две бочки). Что дает возможность иметь постоянный запас концентрата, упрощает и снижает трудоемкость оборота возвратной тары; закачного насоса - существенно упрощает и облегчает перекачку концентрата из бочки в бак установки с минимальными потерями дорогостоящего продукта; редукционного клапана - обеспечивает автоматическое поддержание заданного давления на входе в дозатор и исключает его повреждение; контрольно-измерительных приборов (рефрактометр, манометры, счетчик-расходомер эмульсии) - позволяет контролировать концентрацию эмульсии, параметры работы установки, определять ее ресурс по объему приготовленной эмульсии, давать количественную оценку потерям эмульсии и ее пополнения.

Перечисленные факторы экономической эффективности установки в конечном счете дают возможность повысить ресурс механизированной крепи в части снижения коррозионного поражения проточной части ее гидросистемы, рационально и эффективно использовать дорогостоящий концентрат с минимальными потерями, а также снизить трудоемкость обслуживания и ремонта установки УПРЖ. Отмечая эффективную и безотказную работу установки, междуведомственная комиссия рекомендовала ее к серийному производству.

На рис. 3 показана схема комплекса гидравлического оборудования замкнутой гидросистемы механизированной крепи с фильтрационными установками и установкой для приготовления эмульсии. Все технические средства комплекса оборудования изготовляют серийно:

- насосная станция типа СНД-05, в состав которой входят: два высоконапорных насосных агрегата для нагнетания эмульсии в гидросистему очистного забоя; щелевые полнопоточные высоконапорные фильтры на 50 мкм с возможностью промывки противотоком рабочей жидкости; гидробак для размещения эмульсии вместимостью 2 тыс. л с датчиком контроля уровня, который, в случае, если уровень эмульсии упадет ниже заданной отметки, подаст сигнал на отключение насосных агрегатов, т.е. предотвратит их работу «всухую»; фильтрационная установка на сливе в бак;

- секционные фильтры Ф12 и Ф20 на 50 мкм;

- индивидуальные фильтры для каждого гидрораспределителя в блоке управления;

- установка для приготовления эмульсии УПРЖ, в которой дополнительно установлен датчик контроля уровня эмульсола (концентрата) в баке, который обеспечивает возможность передачи информации на диспетчерский пульт. В случае падения уровня до нижнего предела или отсутствия эмульсола в баке, датчик подает сигнал через аппаратуру управления на отключение станции. Это исключит поступление в гидросистему вместо эмульсии технологической воды со всеми негативными для системы последствиями.

Станции СНД200/32-05 и СНД300/40-05 отличаются тем, что дополнительно снабжены высоконапорной системой фильтрации повышенной грязеемкости: предусмотрена двухступенчатая очистка рабочей жидкости - принудительная очистка за счет сливных фильтров с тонкостью фильтрации 0,5мм, а также гравитационная очистка за счет снижения скоростей и оседания на дно загрязнений. Фильтрации подвергается жидкость, поступающая в бак из сливной магистрали, а также при заливке бака. Высоконапорная система фильтрации осуществляет:

- очистку рабочей жидкости до класса чистоты не хуже 15по ГОСТ 17216; контроль гидравлического сопротивления как фактора степени засорения фильтрующих элементов;

- самопромывку фильтрующих элементов в случае их пре­дельного засорения.

На станции СНД300/40-05 используется трехступенчатая очистка рабочей жидкости. На первом этапе отработанная эмульсия, поступающая в бак из сливной сети потребителя, предварительно проходит через фильтры грубой очистки. На втором этапе очистка рабочей жидкости по технологии гравитационной очистки происходит в отстойной камере бака. Указанная технология обеспечивается за счет организованного определенным образом движения жидко­сти в камере бака с пониженной скоростью движения, что обу­словливает отсутствие вовлечения осевших включений в отхо­дящий из бака поток всасывания и оседание загрязнений в зо­нах накопления.

Вторая камера бака - поплавковая. В ней смонтирован блок всасывания эмульсии подпиточным на­сосом. Блок всасывания представляет собой рычажный ме­ханизм из неподвижной и поворотной труб, к концу последней крепится поплавок, обеспечивающий всасывание эмульсии из поверхностного очищенного слоя.

Рис. 3 – Схема комплекса гидравлического оборудования замкнутой гидросистемы механизированной крепи с фильтрационными установками и установкой для приготовления эмульсии 1 – насосная станция; 2 – высоконапорные насосные агрегаты; 3 – бак с фильтрационной установкой на сливе; 4 – всасывающий узел насосных агрегатов; 5 – напорные магистрали; 6 – высоконапорная фильтрационная установка с автоматической промывкой; 7 – кран шаровой; 8 – секционный фильтр; 9 – блок управления с индивидуальными фильтрами распределителей; 10 – сливная магистраль; 11 – пневмогидроаккумуляторы; 12 – установка для приготовления эмульсии; 13 – фильтр с обратной промывкой; 14 – клапан редукционный; 15 – дозатор; 16 – бак с эмульсолом; 17 – счетчик эмульсола; 18 – насос для перекачки эмульсола; 19 – аппаратура управления насосными станциями; 20 – датчик уровня

 

Отстойная и поплавковая камеры отделены соответствую­щим порогом и перегородкой. Сапуны, имеющие выход на зад­нюю стенку бака, сообщают обе указанные камеры с атмосфе­рой, что обеспечивает одинаковый уровень эмульсии в обеих камерах и предотвращает их переполнение.

Окончательная очистка рабочей жидкости осуществляется высоконапорными фильтрами, в состав которых входят самопромывающиеся фильтроэлементы щелевого типа, шаровые краны и манометры. Сигналом для промывки фильтров является формирование на них предельно допустимого (3 МПа) перепада давления.

Насосные станция СНД200

Насосные станции типа СНД имеют несколько отличные структурно-компоновочные решения по сравнению со станциями типа СНТ. Рассматриваемые станции… - работа с двумя насосными агрегатами на общего потре­бителя (при… - работа с одним насосным агрегатом (второй находится в резерве);