ZNACZENIE DIAGNOSTYKI W GÓRNICZYCH SYSTEMACH EKSPLOATACJI GŁĘBINOWYCH AGREGATÓW POMPOWYCH

Transkrypt

1 DR INŻ. MARIAN STRĄCZYŃSKI MAST Bełchatów ZNACZENIE DIAGNOSTYKI W GÓRNICZYCH SYSTEMACH EKSPLOATACJI GŁĘBINOWYCH AGREGATÓW POMPOWYCH SIGNIFICANCE OF THE DIAGNOSTICS OF THE MINING SYSTEMS OF THE MAINTENANCE OF SUBMERSIBLE PUMP AGGREGATES W latach zlikwidowano w Polsce szereg kopalń węgla kamiennego [1, 4]. Likwidacja tych kopalń nie oznacza jednak zatrzymania wszelkich prac i działań związanych z zaniechaniem wydobycia węgla. Jedną z podstawowych funkcji, których nie można zatrzymać wraz z likwidacją kopalń, jest systemowe prowadzenie ich odwadniania, a ściśle rzecz biorąc utrzymywanie dokładnie określonego poziomu zwierciadła wody w zatopionych i nieczynnych już chodnikach oraz szybach. Działania te w bezpośredni sposób zapewniają bezpieczną pracę czynnych kopalń, które są eksploatowane w sąsiedztwie zakładów zlikwidowanych. streszczenie/abstract W artykule przedstawiono w zarysie budowę górniczych systemów eksploatacji pomp głębinowych z uwzględnieniem ich budowy oraz zastosowania [1, 2, 4]. Podkreślono znaczenie właściwego doboru głębinowych agregatów pompowych do często trudnych warunków eksploatacyjnych, jak również zwrócono uwagę na właściwą technicznie i energetycznie ich eksploatację [2]. Nakreślono rolę diagnostyki pracy głębinowych agregatów pompowych w zarządzaniu ich eksploatacją z uwzględnieniem najnowszych, patentowanych rozwiązań w tym zakresie [5, 6]. Pokazano w zarysie funkcjonowanie specjalistycznego systemu zarządzania i sterowania eksploatacją pomp [6, 7]. The article presents an overview of the construction of the mining systems of the maintenance of submersible pumps, including their structure and application [2, 4]. The significance of the proper selection of submersible pump aggregates for often difficult mining conditions has been highlighted while attention has been paid to their adequate technical and energy maintenance [2]. The role of the diagnostics of the operation of submersible pump aggregates in the management of their maintenance has been outlined, including the latest patented solutions in this field [5, 6]. The functioning of a specialized system of the pumps management and maintenance has been presented in general terms [6, 7]. Słowa kluczowe: pompownia głębinowa, głębinowe agregaty pompowe, diagnostyka obiektowa i parametryczna, systemy zarządzania i sterowania Keywords: submersible pumping station, submersible pump aggregates, object-oriented and parametric diagnostics, management and control systems Obecnie, najczęściej w nieczynnych szybach zlikwidowanych kopalń (po ich odpowiednich modernizacjach), wykonywane są pompownie głębinowe, w których eksploatowane są specjalnie przeznaczone do takich zastosowań głębinowe agregaty pompowe. Współczesne systemy odwadniania kopalń odkrywkowych węgla brunatnego oparte są głównie na systemach studziennych [2], w których eksploatowane są pompy głębinowe w liczbach sięgających setki sztuk. Można stwierdzić, że na przełomie XX i XXI wieku w Polsce oraz na świecie powstały w górnictwie jakościowo nowe systemy eksploatacji głębinowych agregatów pompowych, których funkcjonowanie ma zasadniczy wpływ zarówno na bezpieczeństwo pracy, jak i wskaźniki ekonomiczne wydobycia. Producenci pomp i silników głębinowych wdrażają nowe konstrukcje agregatów pompowych [2], których pompy 2

2 INŻYNIERIA GÓRNICZA 1/2017 Odwadnianie kopalń osiągają już wysokości podnoszenia powyżej 1400 m, a wydajności pomp przekraczają 5500 m3/h przy mocach silników ponad 3 MW i napięciach zasilania powyżej 10 kv. W przypadku kopalń odkrywkowych eksploatowanych jest jednocześnie od ponad 500 do 1000 pomp głębinowych, uszeregowanych w kilkudziesięciu typach przystosowanych do potrzeb parametrycznych studni odwadniających. Często stosowane są indywidualnie opracowane konstrukcje pomp i silników głębinowych przeznaczonych do eksploatacji w warunkach trudnych zasolone medium, obniżone PH, zanieczyszczona ciecz, podwyższona temperatura wody. Zarządzanie eksploatacją głębinowych agregatów pompowych w górniczych systemach odwadniania kopalń jest wyjątkowo trudne i odpowiedzialne. Systemy odwodnień kopalń oparte są na wyspecjalizowanych, drogich głębinowych agregatach pompowych, natomiast cenione w górnictwie doświadczenia praktyczne, wynikające z ich kilkudziesięcioletniej eksploatacji, są jeszcze zbyt małe. W tej sytuacji [6, 7] wyjątkowego znaczenia nabiera specjalistyczny, systemowy nadzór wraz z zarządzaniem eksploatacją głębinowych agregatów pompowych, uzbrojony w patentowane narzędzia diagnostyki oraz modelowe systemy ocen eksploatacji. Budowa głębinowych agregatów pompowych Zróżnicowane warunki hydrogeologiczne rejonów położenia zlikwidowanych kopalń sprawiają, że parametry hydrauliczne, jak również skład chemiczny i mineralogiczny pompowanych wód kopalnianych wymagają indywidualnego dostosowania parametrów do każdego eksploatowanego głębinowego agregatu pompowego. Dotyczy to też ich wykonań materiałowych. Na podstawie wieloletnich doświadczeń można stwierdzić, że producenci pomp głębinowych posiadają własne, wyspecjalizowane rozwiązania praktycznie dla większości prognozowanych warunków pracy pompowni. Jako dobrze wyspecjalizowane i gwarantujące wysoką niezawodność pracy stosowane jest wykonanie konstrukcyjne [4] dwustrumieniowych pomp głębinowych, np. typu HDM (Heavy Duty Mining), napędzanych silnikami głębinowymi o napięciu zasilania 6 kv. Na rys. 1 pokazano przekrój budowy pompy typu HDM oraz schematycznie zaznaczono ideę zasady jej pracy. Podstawową cechą konstrukcyjną tego typu pomp jest wzajemne połączenie (na jednym wale napędowym) dwóch równolegle pracujących pomp, których sita wlotowe umiejscowione są w króćcu ssącym oraz w pobliżu króćca tłocznego zabudowanego pod zaworem zwrotnym pompy. Powstają w ten sposób dwa strumienie przepływu w konstrukcji pompy HDM, które łączą się w jej centralnej części, i tak zsumowany, łączny przepływ kierowany jest specjalnie ukształtowanym kanałem do króćca tłocznego zamontowanego w górnej części pompy. Kanały hydrauliczne wirników oraz kierownic dla górnej i dolnej pompy są identycznie ukształtowane, lecz stanowią względem siebie wzajemne lustrzane odbicie, wynikające ze wspólnego kierunku obrotów dla obu pomp. Podstawową zaletą budowy pomp typu HDM jest wzajemna kompensacja powstających podczas pracy sił poosiowych pochodzących z górnej i dolnej pompy, a tym samym praktyczne zniwelowanie działania siły poosiowej na wał silnika głębinowego. W agregatach pompowych HDM pompy napędzane są silnikami głębinowymi o mocach do 1100 kw, w których również Rys. 1. Przekrój pompy głębinowej typu HDM [4] Rys. 2. Przekrój silnika głębinowego z wewnętrznym chłodzeniem [4] Rys. 3. Widok klasycznego, głębinowego agregatu pompowego [6] wprowadzono szereg unikatowych rozwiązań konstrukcyjnych szczególnie w zakresie wewnętrznego chłodzenia. Na rys. 2 pokazano schematyczny przekrój silnika i zaznaczono obieg wewnętrznego przepływu cieczy, którą silnik jest wypełniony. Zasadą jest, by schłodzona ciecz skierowana była bezpośrednio w obszar pracującego stojana i wirnika silnika, w którym wydzielana jest największa ilość ciepła. Po nagrzaniu cieczy w tej części silnika następuje jej powrót do dolnego obszaru silnika. Ciecz wraca kanałami chłodzącymi ograniczonymi zewnętrznym poszyciem silnika i w kanałach tych oddaje ciepło do otoczenia 3

3 Rys. 4. Budowa systemu eksploatacji pomp i jego otoczenia [5] Rys. 5. Klasyfikacja stanów technicznych w diagnostyce urządzeń [5] Rys. 6. Cyfrowe urządzenie diagnostyczne [5] Rys. 7. Przebieg wartości prądu w uszkodzonym silniku głębinowym [5] Rys. 8. Stan tarczy łożyska poosiowego (GPW Inżynieria) silnika np. do szybu, w którym zabudowany jest agregat pompowy. W odwadnianiu kopalń odkrywkowych węgla brunatnego stosowane są głównie agregaty pompowe o tzw. budowie jednostrumieniowej (rys. 3). Systemy eksploatacji pomp głębinowych W celu właściwego odzwierciedlenia zależności systemowych występujących w eksploatacji pomp głębinowych [5] na rys. 4 przedstawiono elementarny zakres budowy samego systemu eksploatacji, jak i jego otoczenia funkcjonującego w przedsiębiorstwie górniczym. System Rys. 9. Sonda pomiarów temperatury i przewodnictwa elektrycznego eksploatacji pomp SEP tworzą dwa systemy składowe: system użytkowania pomp SU oraz system ich obsługiwania SO, który wraz z systemem zaopatrywania SZ tworzy system zaplecza technicznego SZT. System eksploatacji pomp SEP wraz z systemem zaplecza technicznego SZT tworzy system zabezpieczenia wydobycia i transportu wody SZWT, którego właściwe funkcjonowanie nadzoruje system kierowania SK, składający się z systemu informacyjnego SI oraz systemu decyzyjnego SD. System eksploatacji pomp SEP posiada więc dwa systemy składowe (SU, SO), wchodzi częściowo i całkowicie w skład dwóch systemów (SZT, SZWT) oraz działa współzależnie z dwoma systemami (SI, SD) tworzącymi system kierowania. Na rys. 4 zaznaczono miejsca prowadzenia diagnostyki obiektowej, jak i parametrycznej, a więc w systemie użytkowania (SU), jak i w systemie informacyjnym (SI), wchodzącym w skład systemu kierowania (SK), wspomagającego podejmowanie właściwych decyzji eksploatacyjnych w systemie decyzyjnym (SD). Wyraźnego znaczenia nabierają: potrzeba uzbrajania układów pompowych pomp głębinowych w obiektowe urządzenia diagnostyczne oraz łączenie ich wskazań z wynikami modelowych analiz parametrów hydraulicznych i energetycznych prowadzonych w oprogramowaniu komputerowym systemu. Rola diagnostyki w górniczych systemach eksploatacji głębinowych agregatów pompowych Powszechnie wiadomo, że na skutek oddziaływania procesów wymuszających starzenie oraz losowo zmiennych 4

4 INŻYNIERIA GÓRNICZA 1/2017 Odwadnianie kopalń oddziaływań środowiska pracy pomp następuje pogorszenie się stanu technicznego agregatów pompowych [5]. Stopniowo kumulujące się zmiany mogą doprowadzić do osiągnięcia granicznych wartości parametrów, przy których następuje pełna utrata właściwości techniczno-eksploatacyjnych, uniemożliwiająca właściwą eksploatację agregatu pompowego. W diagnostyce technicznej wyróżnia się następujące klasy stanów technicznych urządzeń: sprawności, niesprawności, zdatności, niezdatności. Na rys. 5 graficznie przedstawiono klasyfikację stanów technicznych agregatów pompowych w systemie eksploatacji pomp. Układy pompowe pomp głębinowych mają szeregową strukturę niezawodności wyłączenie awaryjne spowodowane uszkodzeniem któregokolwiek elementu pompy, silnika, przewodu zasilającego lub oprzyrządowania powoduje konieczność wybudowy agregatu z szybu lub studni, a tym samym generuje znaczne problemy, w tym koszty obsługi, utrzymywanie dodatkowych rezerw, remonty. Znaczenie diagnostyki w eksploatacji głębinowych agregatów pompowych w górnictwie jest wyjątkowo wyraźne i można przyrównać je do diagnozowania eksploatacji w innych odpowiedzialnych systemach militarnych, komunikacyjnych itp. Klasyczne metody diagnostyki wibroakustycznej są nieprzydatne w warunkach pracy głębinowych agregatów pompowych, stąd też opracowano szereg specjalistycznych urządzeń i metod umożliwiających dokładne diagnozowanie pracy pomp i silników głębinowych wraz z diagnostyką ich układów pompowych. Diagnostykę podzielono na: diagnostykę obiektową, diagnostykę parametryczną. W ramach diagnostyki obiektowej opracowano specjalistyczne, cyfrowe urządzenie diagnostyczne (rys. 6), które posiada szereg funkcji niezbędnych do lokalnej analizy pracy agregatu pompowego. Zasadniczą, patentowaną funkcją jest śledzenie wartości i charakteru zmian prądu pobieranego przez silnik głębinowy. Analiza przebiegu wartości prądu wg zastrzeżenia patentowego Rys. 10. Zintegrowana sonda pomiarów ciśnień [7] PCTIB (rys. 7) umożliwia wyznaczenie momentu pojawienia się pierwszych uszkodzeń w pracujących pompie lub silniku głębinowym, a więc zaznaczenie zmiany stanu ich sprawności technicznej. Jest to kluczowy moment umożliwiający ostrzeżenie użytkownika o możliwości wystąpienia awarii i przygotowania systemu obsługi (SO) do uzupełnienia rezerw. Dla przykładu rys. 8 pokazuje stan tarczy łożyska poosiowego silnika głębinowego po wykryciu uszkodzenia przez urządzenie. Urządzenie diagnostyczne posiada też funkcję śledzenia zmian temperatury wewnątrz silnika głębinowego oraz zmian, a właściwie wzrostu przewodnictwa elektrycznego cieczy, którą wypełniony jest silnik. Zmiany te obserwowane są na podstawie wskazań wartości przekazywanych przez specjalistyczną sondę, która zamontowana jest w silniku głębinowego agregatu pompowego (rys. 9). Sonda montowana jest głównie w przypadkach pracy agregatu w warunkach trudnych i ma za zadanie ostrzeganie użytkownika o możliwości tzw. przegrzania silnika czy też o uszkodzeniu uszczelnienia, gdy silnik pracuje np. w zasolonym medium. Jest to aktualnie najnowsza metoda diagnostyki, której działanie testować będzie jeden z uznanych producentów górniczych głębinowych agregatów pompowych. Obiektowe urządzenie diagnostyczne, niezależnie od ww. funkcji, mierzy też komplet parametrów elektrycznych agregatu pompowego, a więc: wartości napięcia zasilania, pobór prądu silnika głębinowego, współczynnik mocy, wartość mocy czynnej pobieranej przez agregat pompowy, częstotliwość w zasilaniu silnika. Wszelkie przekroczenia i zmiany wartości są analizowane i sygnalizowane. Diagnostyka parametryczna prowadzona jest z poziomu oprogramowania komputerowego, które funkcjonuje w systemie informacyjnym (SI). Podstawową funkcją tego członu diagnostyki pracy agregatu pompowego jest śledzenie odchylenia położenia aktualnego punktu pracy pompy głębinowej (na jej charakterystyce przepływu H = f(q)) w stosunku do zmierzonego wcześniej, przed zabudową, na stacji prób. Ta patentowana metoda (PCT/IB2015/051920) wymagała zastosowania specjalistycznej, zintegrowanej sondy pomiarów ciśnień wewnątrz i na zewnątrz rurociągu tłocznego pompy głębinowej, montowanej na obiekcie w studni za króćcem 5

5 tłocznym pompy pod wodą (rys. 10). Mierzona różnica ciśnień odpowiada aktualnej wysokości podnoszenia pompy i tym samym precyzyjnie odwzorowuje aktualne położenie punktu pracy pompy na charakterystyce. Różnica wysokości podnoszenia w odniesieniu do wcześniej zmierzonej przed zabudową głębinowego agregatu pompowego dokładnie diagnozuje stan techniczny i energetyczny pompy. Dodatkowo w ramach diagnostyki parametrycznej zaprogramowane algorytmy modeli matematycznych oceniają przedział pracy pompy oraz dławienie w układzie pompowym wraz z jego szczelnością i wyliczają wartości strat liniowych w rurociągu. Rys. 11 obrazuje widok pracy diagnostyki parametrycznej wraz z zestawieniem wyników działania diagnostyki obiektowej. W prezentowanym przypadku zdiagnozowano podwyższoną temperaturę w silniku głębinowym oraz zidentyfikowano ponadnormatywne obniżenie punktu pracy na charakterystyce pompy. Sumaryczna ocena energochłonności pracy układu pompowego wykonana w algorytmach modeli matematycznych została ustawiona, jako graniczna, a tym samym użytkownik powinien przygotować się do wymiany pompy, organizując prace w systemie obsługi (SO). Wyraźnie widać, jak zestawienie wyników diagnostyki obiektowej oraz parametrycznej, połączone z wynikami pracy modelu oceny energochłonności układu, jednoznacznie ukierunkowuje użytkownika do przeprowadzenia optymalizacji pracy agregatu pompowego. Jest to główne zadanie wynikające z połączenia działania diagnostyki i aktywnego śledzenia energochłonności układu pompowego pompy głębinowej. Z punktu widzenia techniki systemów realizację takich konfiguracji działań można przeprowadzić wyłącznie w ramach złożonych, cyfrowych systerium poświęcone prezentacji i symulacji zjawisk występujących podczas eksploatacji studni i pomp głębinowych. Rys. 11. Przykładowy widok odwzorowania stanów diagnostyki SPMsystem mów informatycznych, uzbrojonych w odpowiednie oprogramowanie oraz oprzyrządowanie pomiarowe i systemowe, umożliwiające przekaz danych i zdalne sterowanie. Systemem takim jest polski system o nazwie SPMsystem Submersible Pumps Management, w którego strukturze zawarte są rozwiązania wcześniej wymienione w zastrzeżeniach patentowych. Elementy tego systemu oprogramowanie oraz odwzorowanie położenia punktu pracy pompy głębinowej (PCT/IB2015/051920) wdrożono w Polsce w największym górniczym systemie eksploatacji głębinowych agregatów pompowych Kopalni Węgla Brunatnego Bełchatów. W celu pełnego odzwierciedlenia zagadnień związanych z diagnostyką pracy systemów eksploatacji pomp głębinowych w górnictwie trzeba podkreślić wzajemne połączenie funkcjonowania pomp głębinowych i mającego wpływ na ich pracę oddziaływania środowiska hydrogeologicznego [3]. Charakterystyczne wzajemne uzależnienie pracy głębinowych agregatów pompowych od parametrów hydrogeologicznych panujących w studni czy też w szybie kopalni wyraźnie nakreśla indywidualną budowę systemów eksploatacji tych urządzeń. Mówiąc o diagnostyce w eksploatacji głębinowych agregatów pompowych, trzeba również pamiętać o diagnostyce w obszarze studni lub szybu. Wspomniany SPMsystem został przygotowany w ten sposób, by można było prowadzić specjalistyczne pomiary umożliwiające przeprowadzenie diagnostyki studni i jej otoczenia. Znaczenie systemowego traktowania eksploatacji głębinowych ujęć wód, w tym głębinowych agregatów pompowych, wyraźnie podkreślono na AGH w Krakowie, gdzie aktualnie rozbudowywane jest specjalistyczne laborato- Podsumowanie Rola diagnostyki pracy głębinowych agregatów pompowych nabiera coraz większego znaczenia, i to szczególnie w górnictwie. Współcześnie górnictwo obok wodociągów jest ważnym użytkownikiem pomp głębinowych. W ostatnich latach w kopalniach pompy te przejmują rolę pomp głównego odwadniania szczególnie w pompowniach zlikwidowanych kopalń. Do tego czasu praktycznie nie były znane metody i urządzenia diagnostyki obiektowej oraz parametrycznej dedykowane pracy głębinowych agregatów pompowych, tak więc prezentowane patentowane rozwiązania stanowią jakościowo nowe podejście do eksploatacji pomp głębinowych. Korzyści praktyczne wynikające z wdrożenia diagnostyki obiektowej i parametrycznej dotyczą głównie oszczędności w zużyciu energii elektrycznej oraz w zwiększeniu niezawodności pracy układów pompowych pomp głębinowych. Diagnostyka wpływa też na właściwe planowanie remontów i rezerw. q Piśmiennictwo 1. Kudela J., Strączyński M., Biel B., Schmitz D.: Zastosowanie głębinowych agregatów pompowych w pompowni Wola KWK Piast. Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie, 4/ Pakuła G., Strączyński M.: Podręcznik eksploatacji pomp w górnictwie. Warszawa Polak K., Górecki K.: Diagnostyka warunków pracy studni ujęciowej oraz systemu pompowo-tłocznego na podstawie próbnego pompowania. Gaz, Woda i Technika Sanitarna, sierpień, Warszawa Strączyński M.: Eksploatacja głębinowych agregatów pompowych w systemach odwadniania zlikwidowanych kopalń. Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie, 10/2011, s Strączyński M.: Diagnostyka w eksploatacji pomp i ujęć głębinowych. Forum Eksploatatora, 3, Warszawa Strączyński M., Pakuła G., Urbański P., Solecki J.: Podręcznik eksploatacji pomp w wodociągach i kanalizacji. Wydanie III, Warszawa Energooszczędna, systemowa eksploatacja ujęć i pomp głębinowych. Materiały konferencyjne, Seminarium Szkoleniowo-Promocyjne, Orle Gniazdo Hucisko, listopada 2016 r. 6