Wdrożenie stacji redukcyjno-zabezpieczającej PREREST-01 z układem sterowania i monitorowania

1. Wprowadzenie
Wzrost wydobycia węgla z roku na rok w podziemnej kopalni ściśle wiąże się ze schodzeniem pokładami coraz niżej, a to z kolei wpływa na pogłębianie szybów. Taka tendencja determinuje producentów do rozwoju nowej technologii wspierającej eksploatację węgla w podziemnej kopalni [1, 2, 3], a tym samym użytkowników do wprowadzenia jej do swoich zakładów. Aby zapewnić bezpieczeństwo ludzi oraz prowadzonej eksploatacji w podziemnym zakładzie wydobywającym węgiel, przedsiębiorca musi zapewnić dostarczenie potrzebnych mediów do funkcjonowania zakładu. Należą do nich energia elektryczna, sprężone powietrze, wytworzenie wysokiego ciśnienia dla zasilania obudowy zmechanizowanej oraz dostarczenie wody do sieci rurociągów ppoż. Sieć rurociągów ppoż. zlokalizowana w podziemnej kopalni dostarcza wodę również do maszyn i urządzeń zlokalizowanych na frontach wydobywczych w celach ich chłodzenia.



Rys. 1. Widok podstawowych elementów składowych stacji PREREST-01/1 dla JSW SA KWK Borynia-Zofiówka Ruch Zofiówka, gdzie: 1 – przepustnica międzykołnierzowa z napędem ślimakowym; 2 – sterownik elektroniczny; 3 – zawór redukcyjny proporcjonalny; 4 – zawór przelewowy; 5 – przetwornik ciśnienia; 6 – przepustnica międzykołnierzowa z napędem elektrycznym; 7 – zawór napowietrzająco-odpowietrzający; 8 – przepływomierz elektromagnetyczny; 9 – zasilacz iskrobezpieczny buforowy; 10 – filtr kołnierzowy 100 oczek/cm2; 11 – zawór regulacji ciśnienia 4 ÷ 16 barów


Woda do zabezpieczenia sieci rurociągów ppoż. dostarczana jest z powierzchni za pomocą rurociągu znajdującego się w szybie. Głębokość szybów górniczych w Polsce dochodzi do 1200 m. Taka głębokość powoduje wzrost ciśnienia w rurociągu szybowym i w jego najniższym miejscu, to jest w strefie pod szybem może dochodzić nawet do 120 barów, w zależności od głębokości szybu. Zarządzanie procesem technologicznym jakim jest dostarczanie odpowiedniej ilości wody dla zabezpieczenia sieci ppoż. jak i dla celów technologicznych, wiąże się z zastosowaniem odpowiedniej techniki redukującej ciśnienie do wartości wymaganej.
Redukowanie ciśnienia wody z rurociągu znajdującego się w szybie odbywa się zazwyczaj w rejonie szybu. Ciśnienie podlegające redukcji pochodzące z rurociągu szybowego jest ciśnieniem wejściowym do stacji redukcyjnej. Ciśnienie wyjściowe ze stacji redukcyjnej oraz w sieci rurociągów ppoż. powinno mieścić się w granicach 4 ÷ 16 barów. Redukcja tak wysokiego ciśnienia powinna odbywać się bez jakichkolwiek zakłóceń dla funkcjonowania kopalni.


Rys. 2. Widok podstawowych elementów składowych stacji PREREST-01/2 dla PGG S.A. KWK ROW Ruch Chwałowice, gdzie: 1 – filtr wysokociśnieniowy kołnierzowy; 2, 3, 4, 5, – zawór redukcyjny; 6 – zawór przelewowy; 7, 8 – zawór zwrotny klapowy; 9 – zawór napowietrzająco–odpowietrzający; 10 – przepływomierz elektromagnetyczny


Zastępowanie przestarzałej technologii dla górnictwa, której koszty remontu i modernizacji na obecną chwilę przekraczają koszt zakupu nowej innowacyjnej technologii wchodzącej w osiągnięcia Przemysłu 4.0, jest jak najbardziej zasadne. Badania nad polepszeniem własności użytkowych oraz rozwój technologii układów zabezpieczająco-redukcyjnych w wodę dla podziemnej kopalni są dziś efektem prac rozwojowych i wdrożeniowych prowadzonych przez Centrum Hydrauliki DOH [4, 5]. Opisane w artykule stacje redukcyjno-zasilające typu PREREST-01 zostały wdrożone i pracują w Jastrzębskiej Spółce Węglowej SA KWK Borynia-Zofiówka Ruch Zofiówka na poziomie 705 m pod ziemią przy szybie (rys. 3) oraz w Polskiej Grupie Górniczej S.A. KWK ROW Ruch Chwałowice na poziomie 700 m pod ziemią przy szybie (rys. 4).


Rys. 3. Widok stacji PREREST-01/1 pracującej w JSW SA KWK Borynia-Zofiówka Ruch Zofiówka na poziomie 705 m pod ziemią przy szybie


2. Budowa stacji redukcyjno-zabezpieczającej typu PREREST-01 i jej przeznaczenie
Przedmiotowa stacja typu PREREST-01 (rys. 1 i rys. 2) przeznaczona jest do redukcji, a następnie do regulacji przepływu w celu zapewnienia prawidłowego ciśnienia wody w sieci ppoż. oraz uzupełnienia ubytków wody w zbiorniku pojemnościowym. Jej główną funkcją jest redukcja ciśnienia wody, a dodatkowo układ zostaje zabezpieczony przed kawitacją i zerwaniem strugi w rurociągu szybowym. Stacja stabilizuje ciśnienie w sieci ppoż. pomimo wahań ciśnienia wejściowego. Stabilizacja przepływu strugi odbywa się przy określonej wartości ciśnienia medium roboczego. Przy określonej wartości przepływu stacja stabilizuje strugę napełniającą chodnik pojemnościowy. Stacja umożliwia ścisłą kontrolę i monitorowanie parametrów roboczych, diagnostykę poszczególnych elementów i punktów składowych. Może komunikować się z systemami nadzorczymi stosowanymi przez kopalnię poprzez protokół transmisji. Widok omawianej stacji przedstawiono na rysunku 3 oraz rysunku 4.


Rys. 4. Widok stacji PREREST-01/2 pracującej w PGG SA KWK ROW Ruch Chwałowice na poziomie 700 m pod ziemią przy szybie​


3. Zasada działania stacji redukcyjno-zabezpieczającej typu PREREST-01/1
Jej przeznaczeniem jest zabezpieczenie układu ppoż. na danym poziomie w podziemnej kopalni przed zbyt dużym ciśnieniem wody w rurociągach. Odbywa się to poprzez redukcję ciśnienia wody dostarczanej ze zbiornika usytuowanego na powierzchni. Redukcja ciśnienia realizowana jest od wartości ciśnienia 70 barów do wartości w zakresie od 4 do 16 barów. Jej drugą funkcją jest napełnianie chodnika pojemnościowego. Układ wejściowy stacji został wyposażony w wysokociśnieniowe przepustnice w celu odpowiedniego rozprowadzenia wody. Są one sterowane elektrycznie. Woda z rurociągu szybowego o ciśnieniu 70 barów kierowana jest do reduktora ciśnienia, gdzie wartość ciśnienia dostarczonej wody zostaje obniżona do około 31 barów. Następnie woda kierowana jest do kolejnego reduktora ciśnienia, gdzie jej ciśnienie zostaje obniżone do wartości około 16 barów. Zastosowany układ rezerwowy zapewnia możliwość pracy stacji w przypadku awarii podzespołów w układzie podstawowym lub w czasie przeprowadzenia koniecznych prac konserwacyjnych. Po przejściu przez układ reduktorów woda kierowana jest na układ zasilający ppoż. oraz układ napełniania chodnika pojemnościowego.



4. Podsumowanie
Obecnie eksploatowane układy zasilające kopalnię podziemną w wodę powinny być odpowiednio zabezpieczone przed niekorzystnym ciśnieniem, które może spowodować wzrost zagrożenia w sieci ppoż. Zmiany ciśnienia i prędkości przepływu wody w sieci ppoż. są znaczącym powodem występowania niekorzystnych zjawisk typu kawitacja. Nowym podejściem w tym zakresie jest wykorzystanie nowo opracowanej technologii. Zaprojektowana i wdrożona do eksploatacji stacja redukcyjno-zasilająca typu PREREST-01 charakteryzuje się tym, że jest sterowana w trybie automatycznym za pomocą specjalnie opracowanego algorytmu. Przeprowadzone analizy i symulacje dotyczące przepływu cieczy dla projektowanej stacji pozwoliły określić ostateczną koncepcję dla powstania prototypu. Wykonane testy stacji oraz jej systemu sterowania w warunkach powierzchniowych pozwoliły określić jej gotowość do wdrożenia w warunkach podziemnej kopalni. Po niezbędnych przygotowaniach oraz spełnieniu wymagań zostały one wdrożone w JSW SA KWK Borynia-Zofiówka Ruch Zofiówka na poziomie 705 m oraz w PGG SA KWK ROW Ruch Chwałowice na poziomie 700 m.

dr hab. inż. Dawid Szurgacz, mgr inż. Szymon Węgrzyn – Centrum Hydrauliki DOH Sp. z o.o.

CENTRUM HYDRAULIKI DOH SP. Z O.O.
www.doh.com.pl
sekretariat@doh.com.pl