Оптимизация развития рудничных компрессорных установок Текст научной статьи по специальности «Экономика и бизнес»

© Ю.Н. Миняев, А. В. Угольников А.Х. Зарипов, 2009

УДК 622.23.05

Ю.Н. Миняев, А.В. Угольников, А.Х. Зарипов

ОПТИМИЗАЦИЯ РАЗВИТИЯ РУДНИЧНЫХ КОМПРЕССОРНЫХ УСТАНОВОК

Семинар № 20

У^редлагаемая стратегия оптими-

Л. Ж. зации развития рудничных компрессорных установок (РКУ) заключается в том, чтобы с использованием прогноза добычи объемов горной массы, фронта горных работ, удельных затрат энергоресурсов и тарифов на энергоносители определить периоды ввода в действие новых мощностей по производству сжатого воздуха и реализации мероприятий, повышающих эффективность РКУ. Периоды ввода новых мощностей должны определяться таким образом, чтобы обеспечить снижение удельных затрат на производство сжатого воздуха, компенсирующих в определенной мере рост тарифов. Ввод новых мощностей может обеспечиваться ос-нащением

РКУ новыми типами компрессоров, сооружением ГПА, оснащением компрессоров регулируемыми приводами, снижением энергетических потерь путем утилизации тепла сжатого воздуха и т. д.

Динамическая оптимизационная задача заключается в реализации гарантированного уклонения от запрещенной области, в которой объем производства сжатого воздуха оказывается меньше требуемого, а его себестоимость выше допустимой. Для этого предлагаемая стратегия управления каждой сложившейся позиции (4, X*) ставит в соответствие физически реализуемое правило обработки будущей траектории, развитие которой и определяет момент пере-

ключения t > 4 , т.е. момент (период)

реализации мероприятия, направленного на уклонение от запрещенной области.

Последовательность реализации мероприятий определяет сценарии развития, которые должны сопоставляться друг с другом в соответствии с принятой нормативно-целевой базой.

Общий период реализации комплекса сценариев разбивается на этапы, имеющие, в общем случае, разную продолжительность. Каждый этап целесообразно разбить на ограниченное число интервалов, в течение которых реализуются промежуточные целевые состояния, обеспечивающие выполнение основной цели данного периода.

В процессе управления необходимо таким образом спланировать развитие РКУ, чтобы за заданный период достичь заданного состояния с минимальными затратами.

Условия задачи задаются средними объемами сжатого воздуха для j-го потребителя и необходимой величиной давления, которые должны быть обеспечены на производственных участках: д, < (X) < д.в ,j = 1 т; (1)

Рн < Pj(Х) < Рв. (2)

С учетом неопределенности, обусловленной погрешностями оценки давления сжатого воздуха у потребителей, ограничение (2) принимает вид:

Р-+р\)^ <Р <Р„-р(пф), (3)

где Пф - допустимая вероятность нарушения ограничения на давление; р(Пф) - параметр, зависящий от закона

распределения /(р) и величины Г)ф

(при Пф = 0,95 р(Пф) = 2); V сред-

нее квадратичное отклонение давления у потребителей.

Для всех типов компрессоров известны их расходные характеристики, т.е. связи между расходом и избыточным давлением сжатого воздуха в начале сети, определяемой характеристиками пневматической сети; и регулировочные характеристики, связывающие число компрессоров определенного типа, работающих в РКУ, и их мощности с расходом сжатого воздуха. Расход воздуха через начальное сечение участка определяется машинами и механизмами, питающимися от сжатого воздуха, утечками в распределительной сети и на рассматриваемом участке.

Общая вводимая мощность по производству сжатого воздуха может быть обеспечена компрессорами различных типов, устанавливаемыми в различных узлах пневматической сети.

Управляемыми переменными ы^ в задаче оптимизации развития РКУ являются принадлежность компрессора вершине - источнику; типы и производительности компрессоров, где і - порядковый номер вершины; 7 - тип компрессоров; к - индекс производительности компрессора; ц - момент дискретного времени. При наличии в і-й вершине 7-го типа компрессора к-й производительности, установленного в g-й интервал времени, ы^ = 1, в противном случае ыфи = 0. В зависимости от размещения компрессоров меняются расстояния от РКУ до потребителей, потери давле-

ния, зависящие от длины и диаметров труб, а также объемные потери, зависящие от условий эксплуатации и связанные с утечкой сжатого воздуха из пневмосети.

Любое управляющее воздействие снижает совокупные потери через влияние на удельные расходы ресурсов и на интенсивность отказов РКУ.

Управление развитием РКУ осуществляется в дискретные, заранее неизвестные интервалы времени, в которых происходят разрывы непрерывности значений переменных состояния. Эти скачки рассматриваются как переменная управления, а все скачки всех компонент вектора x образуют вектор управления, действующего в дискретные моменты времени t. tf, которые априорно неизвестны.

Последовательность мероприятий (проектных решений), направленных на управление развитием РКУ, образует путь.

Развитие характеризуется соотношением:

xg+. = f (xg. Ußg ). <4>

а критерий оптимальности (цена пути) соответствует:

min ¿Я0я (5)

g=0

при заданных значениях x(t0), x(tf). Здесь H0g - совокупные потери за g-й

интервал времени.

Известно начальное распределение компрессоров по узлам системы.

Задано полное множество проектных решений в, е E.

Рис. 1. Графики изменения потерь при управляемом развитии РКУ

Требуется найти наилучший вариант проектного решения, определяющий минимум цены пути на интервале времени (§, §+1).

При решении задачи оптимизации развития РКУ, являющейся комбинаторной экстремальной задачей на графе, в заранее неизвестные интервалы времени g происходит переход от одной структуры РКУ к другой, т.е. траектория движения имеет характер кусочно-постоянных функций, которые находят из условия:

А/к )=аг§тт{я о(^ g+1)/Л](к ),1 ^)}

(6)

где Н0^, g +1) - прогнозируемые совокупные потери при выборе к-й альтернативы; I(g) - информация, полученная к моменту времени g.

Информация должна включать в себя:

- прогноз производительности шахты по ГМ;

- прогноз производительности РКУ по сжатому воздуху;

- прогноз изменения тарифов на энергоносители;

- удельные расходы энергоресурсов для конкретных типов компрессоров;

- предполагаемый график работы РКУ, определяющий распределение времени работы компрессоров с полной и неполной нагрузкой;

- интенсивности потоков отказов и восстановления компрессоров для конкретных структур РКУ.

Оптимизационная задача (6) разбивается на четыре составляющие ее подзадачи:

- выбор критериев Hi;

- генерация полного множества вариантов развития конкретного РКУ;

- оценка вариантов по всем критериям;

- многокритериальный выбор наилучшего варианта.

Графики изменения потерь при управляемом развитии РКУ представлены на рисеуй.

Точка t = 2 соответствует вводу в эксплуатацию (в составе централизованной РКУ, оснащенной поршневыми компрессорами) турбокомпрессора

ТКА-130/9, имеющего меньший удельный расход электроэнергии по сравнению с удельным расходом электроэнергии для поршневого компрессора 4 ВМ10-100/9.

Точка t = 3 соответствует вводу в эксплуатацию передвижного винтового компрессора маслозаполненного типа, установленного вблизи шахтных пневматических приемников. При этом практически отсутствуют гидравлические и объемные потери, возникающие в процессе транспортирования сжатого воздуха и составляющие до 40 % при централизованной схеме. Это обеспечивает

соответствующее снижение удельных энергетических затрат.

Точка ґ = 4,5 соответствует вводу в эксплуатацию ГПА объемом 5 тыс. м3, обеспечивающим уменьшение потерь производительности по горной массе.

В общем случае нельзя указать такую структуру РКУ, которая обладала бы бесспорным преимуществом перед всеми остальными. Выбор структуры и параметров РКУ необходимо производить в каждом конкретном случае с учетом характеристик потребителей, а также стоимостных и эксплуатационных характеристик имеющихся технических средств. Важно подчеркнуть, что указанный выбор должен осуществляться в тесной взаимосвязи с вопросами влияния тех или иных структурных и параметрических изменений на достижимое качество управления развитием РКУ. пт '

— Коротко об авторах ------------------------------------------------------------------

Миняев Ю.Н. - профессор,

Угольников А.В. - ст. преподаватель,

Зарипов А.Х. - инженер,

Уральский государственный горный университет.

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 20 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. В.И. Галкин.