book - Mining - Informatics, Automation and Electrical

CZASOPISMO NAUKOWO-TECHNICZNE
NR 11(465)
LISTOPAD 2009
INNOWACYJNE WYROBY
PROCESY TECHNOLOGICZNE
MECHANIKA
ENERGOELEKTRONIKA
AUTOMATYKA
INFORMATYKA TECHNICZNA
TELEKOMUNIKACJA
AEROLOGIA
ZAGROŻENIA NATURALNE I BEZPIECZEŃSTWO
EKOLOGIA I OCHRONA ŚRODOWISKA
ORGANIZACJA I ZARZĄDZANIE
НОВАТОРСКИЕ ИЗДЕЛИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
МЕХАНИКА
ЭНЕРГОЭЛЕКТРОНИКА
АВТОМАТИКА
ТЕХНИЧЕСКАЯ ИНФОРМАТИКА
ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЯ
АЭРОЛОГИЯ
ЕСТЕСТВЕННЫЕ ОПАСНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТЬ
ЭКОЛОГИЯ И ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
ОРГАНИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ
INNOVATIVE PRODUCTS
MANUFACTURING PROCESSES
MECHANICS
POWER ELECTRONICS
AUTOMATICS
TECHNICAL INFORMATICS
TELECOMMUNICATION
AEROLOGY
NATURAL HAZARDS AND SAFETY
ECOLOGY AND ENVIRONMENT PROTECTION
ORGANISATION AND MANAGEMENT
PL ISSN 0208-7448
Wydawca: Instytut Technik Innowacyjnych EMAG
SPIS TREŚCI
1. Odwracanie się prądów powietrznych bocznego
i głównego w systemie wentylacji kopalni o schodzącym
przewietrzaniu czynnych nadpoziomowych robót
wydobywczych w czasie pożarów węgla w schodzącym
prądzie niezależnym
2. Przykłady rozwoju urządzeń zasilających górnicze sieci
elektroenergetyczne
3. Układy regulacji wentylatorów głównego przewietrzania
kopalń z silnikami asynchronicznymi zasilanymi
z przekształtników częstotliwości i kaskad
podsynchronicznych
4. Parametry elektryczne i czasowe układów napędowych
wentylatorów głównego przewietrzania kopalń z silnikami
asynchronicznymi zasilanymi z przekształtników częstotliwości i kaskad podsynchronicznych
prof. zw. dr hab. inż. H. Bystroń
5
23
mgr inż. A. Kozłowski
mgr inż. M. Hefczyc
mgr inż. M. Mistarz
dr inż. A. Dzikowski
mgr inż. M. Hefczyc
mgr inż. J. Zdrzałek
31
dr inż. A. Dzikowski
38
5. Metoda diagnostyczna w audycie powdrożeniowym
systemu ERP na przykładzie firmy z branży chemicznej
– studium przypadku
mgr inż. A. Bartnik
45
6. Z życia EMAG-u
52
Rada Programowa Wydawnictw EMAG-u:
mgr inż. Marek Chagowski, prof. dr hab. inż. Stanisław Cierpisz – Przewodniczący Rady,
dr hab. inż. Piotr Czaja prof. nzw. w AGH, prof. dr hab. inż. Marian Dolipski, prof. dr hab. inż. Jerzy Frączek,
dr hab. inż. Marek Jaszczuk prof. nzw. w Pol. Śl., prof. dr hab. inż. Adam Lipowczan, dr inż. Piotr Litwa,
prof. dr hab. inż. Maciej Mazurkiewicz, prof. dr hab. inż. Bogdan Miedziński, prof. dr hab. inż. Tadeusz Orzechowski,
dr inż. Roman Pilorz doc. w Pol. Śl., doc. dr inż. Franciszek Szczucki, dr inż. Stanisław Trenczek – Sekretarz Rady,
prof. dr hab. inż. Stanisław Wasilewski, prof. dr hab. inż. Andrzej Zorychta
Komitet Redakcyjny:
Redaktor Naczelny – dr inż. Władysław Mironowicz, Sekretarz Redakcji – mgr inż. Antoni Kurzeja,
Redaktorzy działowi: mgr inż. Józef Koczwara, dr inż. Janusz Strzemiński, mgr inż. Janusz Tobiczyk,
dr inż. Stanisław Trenczek, prof. dr hab. inż. Stanisław Wasilewski, mgr inż. Piotr Wojtas,
Redaktor techniczny – mgr Urszula Gisman
Adres Redakcji: ul. Leopolda 31, 40-189 Katowice, tel. (32) 2007700, 2007570
e-mail: [email protected]
Nr 11(465) PAŹDZIERNIK
ROK XLVII
H. BYSTROŃ
THE SELF-REVERSION OF LATERAL AND MAIN
AIR CURRENTS IN THE MINE WITH DESCENDING
VENTILATION OF THE EXISTING UPPER LEVEL
MINING WORKS DURING COAL FIRES IN THE
DESCENDING INDEPENDENT CURRENT
The mine air was treated as a mixture of pure dry air and water vapour, its turbulent flows - as one-dimensional steady ones with the
mass and heat exchange. It were used: psychrometric relationships,
thermodynamic method and the theory of the aerodynamic potential.
In the absence of adequate existing mine as the object of study the
ventilation system of virtual mine was accepted with descending
ventilation of two groups upper level mining works. It was used the
earlier work, where instead of existing mining works the planning
ones occur. The safety degrees and the conditions of original directions of lateral and main air currents and their standstill were derived referring to seven topological structures (with characteristic features)
in mentioned ventilation system. The obtained safety degrees and the
standstill criteria of the lateral and main currents were illustrated using
the curvilinear pentagon.
A. KOZŁOWSKI
M. HEFCZYC
M. MISTARZ
EXAMPLES OF ADVANCEMENT
IN POWER SUPPLY UNITS FOR MINING
ELECTRICAL POWER NETWORKS
There has been shown advancement in power supply units developed
in partnership with EMAG Centre, and designed for mining electrical
power networks. There have been characterized transformer stations in
use especially putting emphasis on switching-protective equipment
being applied regarding safety and operational reliability. The results
of the targeted projects recently made by EMAG and PPHUMARTECHPLUS and just implemented have been presented in the
paper.
A. DZIKOWSKI
M. HEFCZYC
J. ZDRZAŁEK
CONTROL SYSTEMS OF MINING MAIN FANS DRIVEN
BY ASYNCHRONOUS MOTORS SUPPLIED
BY FREQUENCY CONVERTERS AND SUBSYNCHRONOUS
CASCADES
The paper presents technical and economical aspects taken into consideration during construction or upgrading main ventilation stations
in mines. A comparison of upgrading costs of the fan drive type
WPK-5,0 has been presented in the paper. The costs have been compared in case of using optionally an asynchronous slip-ring motor
operating in configuration with a subsynchronous cascade, and an
asynchronous motor supplied by a frequency converter. There have
been distinguished the costs when low voltage converters as well as
medium voltage converters have been used. The offers of converters
given by various companies represented on the Polish market have
been used for cost analysis.
Г. БЫСТРОНЬ
ОПРОКИДЫВАНИЕ БОКОВОЙ И ГЛАВНОЙ СТРУЙ
ВОЗДУХА В СИСТЕМЕ ВЕНТИЛЯЦИИ ШАХТЫ
С НИСХОДЯЩИМ ПРОВЕТРИВАНИЕМ ДЕЙСТВУЮЩИХ
ВЫШЕГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ДОБЫЧНЫХ РАБОТ ВО ВРЕМЯ
ПОЖАРОВ УГЛЯ В НИСХОДЯЩЕЙ НЕЗАВИСИМОЙ СТРУЕ
Шахтный воздух считали как смесь чистого сухого воздуха и водного пара, его турбулентные струи в системе вентиляции шахты – как
одноразмерные устойчивые, с обменом массы и тепла. Использовано
психрометрические уравнения, термодинамический метод и теорию
аэродинамического потенциала. По поводу отсутствия адекватной
действительной шахты, объектом испытания приняли систему вентиляции виртуальной шахты с нисходящим проветриванием двух
групп действующих вышегоризонтальных добычных работ. Пользовались предварительной работой, где в место действующих добычных работ выступают проектированные добычные работы. Выведены степени безопасности, а также условия сохранения первичных
направлений боковой и главной струй и их неподвижности – касающиеся семи топологических структур (с характерными признаками)
упомянутой системы вентиляции. Полученные степени безопасности, а также условия неподвижности боковой и главной струй графически представлены с помощью криволинейного пятиугольника.
А. КОЗЛОВСКИ
М. ХЕВЧИЦ
М. МИСТАЖ
ПРИМЕРЫ РАЗВИТИЯ УСТРОЙСТВ, ПИТАЮЩИХ
ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЧЕСКИЕ ГОРНЫЕ ЦЕПИ
В статье представлено прогрессирующее во времени развитие оборудований, питающих горные электроэнергетические цепи, разработанные при участии Центра ЭМАГ. Проведена характеристика
решения трансформаторных станций, с осо-бенным давлением на
примененную соединительно-пре-дохраняющую аппаратуру в аспекте безопасности и без-отказной работы. Представлены внедренные
в эксплуатацию результаты последнее время веденных основных
проектов в Центре ЭМАГ и PPHUMARTECHPLUS.
А. ДИКОВСКИ
М. ХЕВЧИЦ
Е. ЗДЖАЛЕК
СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ВЕНТИЛЯТОРОВ ГЛАВНОГО
ПРОВЕТРИВАНИЯ ШАХТ С АСИНХРОННЫМИ
ДВИГАТЕЛЯМИ, ПИТАЕМЫМИ
ОТ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ
И ПОДСИНХРОННЫХ КАСКАДОВ
Статья показывает технические и экономические аспекты, учитываемые во время строения либо модернизации станции основного
проветривания шахт. В статье представлено сопоставление расходов
по модернизации привода вентилятора типа WPK-5,0. Сопоставлены
расходы в случае применения к приводу двигателя кольцеобразного
асинхронного вентилятора в системе подсинхронного каскада
и клеточного асинхронного двигателя, питаемого от преобразователя
частоты. Отличили расходы при применении преобразователя низкого напряжения, а также преобразователя среднего напряжения. Для
анализа расходов были использованы ценовые предложения преобразователей разных фирм, присутствующих на польском рынке.
4
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
A. DZIKOWSKI
А. ДИКОВСКИ
ELECTRIC AND TIME PARAMETERS OF DRIVE
SYSTEMS OF MINING MAIN FANS FITTED
WITH ASYNCHRONOUS MOTORS SUPPLIED
BY FREQUENCY CONVERTERS
AND SUBSYNCHRONOUS CASCADES
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ВРЕМЕННЫЕ ПАРАМЕТРЫ
ПРИВОДНЫХ СИСТЕМ ВЕНТИЛЯТОРОВ ГЛАВНОГО
ПРОВЕТРИВАНИЯ ШАХТ С АСИНХРОННЫМИ
ДВИГАТЕЛЯМИ, ПИТАЕМЫМИ ОТ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
ЧАСТОТЫ И ПОДСИНХРОННЫХ КАСКАДОВ
The paper presents electrical parameters and time dependencies during
starting fans of main ventilation driven by asynchronous motors
supplied by frequency converters and subsynchronous cascades. The
results of computer simulations of various supply systems of a centrifugal fan type WPK-5,0W driven by 2500 kW asynchronous motor
have been presented in the paper. The results of simulations have been
compared paying attention to electric parameters and time dependencies occurring in simulated drive systems.
Статья демонстрирует электрические параметры и временные зависимости, появляющиеся во время запуска вентиляторов главного
проветривания шахт с асинхронными двигателями, питаемыми от
преобразователей частоты и подсинхронных каскадов. В статье
изображены результаты компьютерных симуляций разных систем
питания радиального вентилятора типа WPK -5,0, питаемого от
асинхронного двигателя мощностью 2500 кВ. Сопоставлены результаты симуляций, обращая внимание на появляющиеся временные
зависимости и электрические параметры в симулированных приводных системах.
A. BARTNIK
А. БАРТНИК
DIAGNOSTICS METHOD IN POST-IMPLEMENTATION AUDIT
OF THE ERP SYSTEM AT AN EXAMPLE
OF A CHEMICAL COMPANY – CASE STUDY
The paper presents a case study in fuel branch, i.e. an audit related to
post-implementation analysis of ERP system. The audit was aimed
mainly at development of a report on analysis of implementation of
the ERP system in examined company and presentation of the report
to company management. Furthermore the audit was aimed at presentation of processes and functions implemented in the system, and
making a proposal for indispensable changes within use of the functions of the ERP system. There have been developed two versions to
be possible for realization, i.e. – adaptation of the existing informatics
system in such a way to get consistent information to be helpful for
better managing the company, or – purchase and implementation of
a new informatics ERP system. Finally the first version has been
chosen. However as a result of analyses made during audit, a method
of planning of the main process was remodelled, the organization
chart was changed, and the strategy of development was totally reconstructed with support of the logistics chain. Due to organizational
changes, arrangement of processes, selection of right personnel and
determination of director’s board, the company made profit just in the
first half-year.
ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ МЕТОД В АУДИТЕ ПОСЛЕ
ВНЕДРЕНИЯ СИСТЕМЫ ERP НА ПРИМЕРЕ ФИРМЫ
ХИМИЧЕСКОЙ ОТРАСЛИ
– МЕТОД КОНКРЕТНЫХ СИТУАЦИЙ
В статье изображен метод конкретных ситуаций - аудит - в топливной отрасли, касающийся анализа после внедрения системы
класса ERP. Главной целью аудита была разработка и представление управлению рапорта с анализа внедрения системы ERP
в исследованной фирме, а также представление процессов
и функций, внедренных в систему, а также предложение внесения
необходимых изменений в области использования функции
системы ERP. Были выработаны два варианта решений возможных для реализации: - приспособление существующей системы
информатики так, чтобы полученные информации были связны
и смогли послужить лучшему управлению фирмой, - покупка
и внедрение новой системы информатики класса ERP.
Окончательно остались при первом варианте. Однако - используя
проведенные во время аудита анализы, перемоделировано способ
планирования главного процесса, изменено организационную
структуру - поддерживая логистическую цепь и осуществлено
полную реконструкцию стратегии развития. Внедренные организационные изменения и упорядочение процессов, отбор подходящих кадров, а также решимость управления стали причиной
того, что фирма достигла прибыль в первом полугодии.
prof. zw. dr hab. inż. HENRYK BYSTROŃ
Główny Instytut Górnictwa
Odwracanie się prądów powietrznych
bocznego i głównego w systemie wentylacji kopalni
o schodzącym przewietrzaniu czynnych nadpoziomowych
robót wydobywczych w czasie pożarów węgla
w schodzącym prądzie niezależnym
Powietrze kopalniane traktowano jako mieszaninę czystego powietrza suchego i pary
wodnej, jego przepływy turbulentne – jako jednowymiarowe ustalone z wymianą masy
i ciepła. Korzystano ze związków psychrometrycznych, metody termodynamicznej i teorii
potencjału aerodynamicznego. Wobec braku adekwatnej rzeczywistej kopalni za obiekt
badania przyjęto system wentylacji kopalni wirtualnej o schodzącym przewietrzaniu dwu
grup czynnych nadpoziomowych robót wydobywczych. Korzystano z wcześniejszej pracy, gdzie w miejsce czynnych robót wydobywczych występują projektowane roboty wydobywcze. Wyprowadzono stopnie bezpieczeństwa oraz warunki zachowania pierwotnych kierunków prądów bocznego i głównego i ich bezruchu - dotyczące siedmiu struktur topologicznych (o znamiennych cechach) wymienionego systemu wentylacji. Uzyskane stopnie bezpieczeństwa oraz warunki bezruchu prądów bocznego i głównego przedstawiono graficznie za pomocą pięciokąta krzywoliniowego.
Słowa kluczowe: bezpieczeństwo, warunek zachowania pierwotnego kierunku prądu
bocznego/głównego i stopień bezpieczeństwa, warunek bezruchu prądu bocznego/głównego i stopień bezpieczeństwa, pięciokąt krzywoliniowy.
1. WPROWADZENIE
Znane jest badanie grawimetryczne zjawiska odwracania się prądów powietrznych bocznego i głównego
w czasie pożarów węgla w kopalniach o wznoszącym
się/schodzącym przewietrzaniu nadpoziomowych
robót wydobywczych w czasie pożarów węgla [1, 2,
3]. Również znane jest badanie termodynamiczne tego
zjawiska w przypadku kopalni o schodzącym przewietrzaniu projektowanych nadpoziomowych robót wydobywczych [7]. Wciąż jeszcze nie przeprowadzono
badania termodynamicznego tegoż zjawiska w przypadku kopalni o schodzącym przewietrzaniu czynnych
nadpoziomowych robót wydobywczych. Zapełnienie
tej luki było celem niniejszej pracy.
2. ZAŁOŻENIA, OBIEKT BADANIA I METODA
Powietrze kopalniane traktujemy jako mieszaninę
czystego powietrza suchego (czynnik termodyna-
miczny), pary wodnej i kropelek ciekłej wody, jego
przepływy turbulentne – jako jednowymiarowe
ustalone, z wymianą masy i ciepła, stację wentylatorów głównych – jako bocznicę systemu wentylacji, energię kinetyczną powietrza kopalnianego
i opory miejscowe – jako pomijalnie małe. Wobec
braku adekwatnej rzeczywistej kopalni za obiekt
badania przyjmujemy siedem struktur topologicznych (o określonych cechach) systemu wentylacji
wirtualnej kopalni z dwiema grupami I, II czynnych nadpoziomowych robót wydobywczych
o schodzącym przewietrzaniu (rys. 1).
Korzystamy z następujących związków psychrometrycznych od (1) do (5) określających: e sw –
ciśnienie cząstkowe pary wodnej nasyconej przy
temperaturze t m (termometru mokrego), X s – stopień zawilżenia powietrza nasyconego parą wodną
przy temperaturze t m , L w – ciepło utajone parowania wody przy temperaturze t m , X – stopień zawilżenia powietrza nienasyconego parą wodną przy
temperaturze t m , e – ciśnienie cząstkowe pary
wodnej nienasyconej przy temperaturze tm [9]:
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
6
κ
10
 κ −1 1+ X
κ
1
p s = p1 1 −
⋅
⋅ g (z − z1 )
κ
p
v
1 1


8
7
1
 κ − 1 1 + X1
 1−κ
v s = v1 1 −
⋅
⋅ g (z − z1 )
p
v
κ
1
1


(8)
Φ = vs ( p − ps )
(9)
1
6
Następującymi wzorami od (10) do (17) określone
są wielkości dotyczące bocznic systemu wentylacji
(rys. 1): n – wykładnik politropy, l t i lts – jednostkowe prace techniczne w przepływach politropowym
i izentropowym, en – lokalny ciąg naturalny generowany w bocznicy, eu – energia użyteczna wentylatora głównego, e f – dyssypacja energii mechanicznej,
∆m
4
5
6
2
5
(I)
(7)
1
9
2
−1
R f – opór aerodynamiczny bocznicy [5]:
(II)
7
3
3
n =
8
4
δΦ = Φd − Φw
Rys. 1. System wentylacji kopalni o schodzącym
przewietrzaniu grup (I), (II) czynnych
nadpoziomowych robót wydobywczych
 17,27 ⋅ t m 
esw = 610,6 ⋅ exp 

 237,3 + t m 
X s = 0,622
esw
p − esw
Lw = (2502,5 − 2,386t m ) ⋅ 1000
X =
Lw X s − 1005 ⋅ (t − t m )
Lw + 1884 ⋅ (t − t m )
pX
e=
0,622 + X
lt =
(1)
R a (273,15 + t )
p−e
lts =
n
1− n
( pwvw − pd vd )
κ
κ −1


pd v1 ( p1 / pd ) κ ( pw / pd ) κ − 1
1− κ


(10)
(11)
(12)
1
(13)
(2)
en = lt − lts
(14)
(3)
 1

eu = −lt + 1 + ( X d + X w ) ⋅ g ( z w − z d )
2


(15)
(4)
e f = δΦ + en + eu
(16)
Rf =
(5)
Zgodnie z metodą termodynamiczną i teorią potencjału aerodynamicznego za pomocą następujących wzorów od (6) do (9) określone są wielkości
dotyczące węzłów systemu wentylacji (rys. 1): p s –
ciśnienie i v s – objętość właściwa czystego powietrza suchego – w przepływie izentropowym, Φ –
potencjał aerodynamiczny odniesiony do jednostki
strumienia masy tego powietrza, v – jego pozorna
objętość właściwa w przepływie politropowym [5]:
v=
ln( pw / pd )
ln(vd / vw )
(6)
ef
m 2
(17)
gdzie:
p – ciśnienie barometryczne ( w przepływie politropowym),
Ra = 287,04 J/(kg p.s. K) – indywidualna stała gazowa czystego powietrza suchego,
κ = 1,40 – wykładnik izentropy tego powietrza,
g = 9,81 m/s2 – miejscowe przyspieszenie grawitacyjne,
)d i )w – dolne indeksy wskazujące, że dana wielkość
dotyczy odpowiednio przekroju dopływu, d, i przekroju wypływu, w, powietrza z bocznicy, j, (d – w),
m – strumień masy czystego powietrza suchego.
Nr 11(465) LISTOPAD 2009
7
Tabela 1
Wyznaczenie pól ciśnienia cząstkowego pary wodnej nienasyconej dotyczących
pierwszej struktury topologicznej (rys. 2) systemu wentylacji (rys. 1)
Węzeł
Ciśnienie
barometryczne
i
p
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Pa
100000
111360
112756
110423
109747
109747
110693
110423
94176
99760
mokrego
Ciśnienie
cząstkowe
pary wodnej
nasyconej
przy temperaturze tm
tm
esw
Xs
Lw
X
7,5
14,2
16,8
18,6
16,2
85,0
44,0
28,8
27,5
28,7
Pa
1036
1619
1912
2142
1841
58040
9096
3958
3669
3935
kg/kg p.s.
0,006511
0,009176
0,010729
0,012304
0,010612
0,698182
0,055688
0,023124
0,025214
0,025542
J/kg wody
2484605
2468619
2462415
2458120
2463847
2299690
2397516
2433783
2436885
2434029
kg/kg p.s.
0,006306
0,008597
0,010188
0,011844
0,010196
0,693158
0,052924
0,019231
0,024696
0,024247
Temperatura
termometru
suchego
t
°C
8,0
15,6
18,1
19,7
17,2
90,0
50,0
37,9
28,7
31,7
Stopień
zawilżenia
powietrza
nasyconego
parą wodną
Ciepło utajone
parowania
wody przy
temperaturze tm
Ciśnienie cząstkowe
pary wodnej
nienasyconej
przy temperaturze tm
Stopień zawilżenia powietrza
nienasyconego
parą wodną
e
pp
Pa
1004
1518
1817
2063
1769
57842
8580
3310
3596
3749
1004
1518
1818
2064
1766
57687
8668
3310
3596
3742
Tabela 2
Wielkości dotyczące węzłów pierwszej struktury (rys. 2) systemu wentylacji (rys. 1)
Wysokość
geodezyjna
Węzeł
i
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Pozorna objętość właściwa
w przepływie politropowym
Ciśnienie
Objętość właściwa
Potencjał
aerodynamiczny
w przepływie izentropowym
z
v
ps
vs
Φ
m
0
-950
-1200
-1200
-950
-950
-1200
-1200
0
30
m3/kg p.s.
0,815198
0,754564
0,753571
0,775744
0,771843
2,008257
0,909266
0,833548
0,956536
0,911340
Pa
100000
111985
115302
115302
111985
111985
115302
115302
100000
99637
m3/kg p.s.
0,815198
0,751882
0,736368
0,736368
0,751882
0,751882
0,736368
0,736368
0,815198
0,817317
J/kg p.s.
0
-470
-1875
-3593
-1683
-1683
-3394
-3593
-4748
100
Tabela 3
Wielkości dotyczące bocznic i oczek zewnętrznego, z, wewnętrznego, w,
pierwszej struktury topologicznej (rys. 3) systemu wentylacji (rys. 1)
Bocznica
j
d-w
Jednostkowa praca
techniczna
w przepływie:
politropoizentropowym
wym
Wykładnik
politropy
Spadek
potencjału
aerodynamicznego
n
δΦ
lt
470
1405
1718
1213
1910
1155
-4848
100
J/kg p.s.
-8904
-1053
1786
1231
-1159
14492
-5215
-207
0
0
–
1
1-2
1,392212
2
2-3
9,460391
3
3-4
0,720973
4
2-5
0,644426
5
6-7
0,032678
6
8-9
1,156408
7
9-10
1,189987
8
10-1
0,021553
Oczko zewnętrzne, z, obejmujące
bocznice: 1, 2, 3, 6, 7 i 8
Oczko wewnętrzne, w, obejmujące
bocznice: 2, 3, 5 i 4
Lokalny
ciąg
naturalny
Energia
użyteczna
wentylatora
głównego
Dyssypacja Strumień
masy czyenergii
mechanicz- st. powietrza such.
nej
Opór
aerodynamiczny
en
eu
ef
m
Rf
-8908
-1049
1759
1224
- 514
13048
-4654
-196
4
-4
27
7
-645
1444
-561
-11
J/kg p.s.
–
–
–
–
–
–
5527
–
474
1401
1745
1220
1265
2599
118
89
kg p.s./s
200
80
80
120
120
200
200
200
m2/kg2 p.s.
0,011700
0,218750
0,272656
0,098611
0,074028
0,066350
0,002725
0,002225
899
0
899
5527
5616
–
–
661
0
661
–
661
–
–
lts
8
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
3. PIERWSZA STRUKTURA (RYS. 2)
SYSTEMU WENTYLACJI (RYS. 1)
− dyssypacje energii mechanicznej w bocznicach
wypadkowych: b, w1, w2, z1, z2 (rys. 2, tab. 3):
Znamienne cechy tej struktury topologicznej: pierwotne kierunki prądów bocznego i głównego; stan
samonagrzewania węgla określony punktem zagrożenia pożarowego o temperaturze 90°C [4]; brak
strumienia masy wypływu bocznego: ∆m = 0 .


e fw 2 = e f 5 = 1265


= e f 6 + e f 7 + e f 8 = 2806
e fb = e f 2 + e f 3 = 1401 + 1745 = 3146
e fw1 = e f 4 = 1220,
ez1 = e f 1 = 474, e fz 2
(20)
3.2. Równania oczkowe
Dla oczek zewnętrznego, z, i wewnętrznego, w,
pierwszej struktury topologicznej (rys. 2) systemu
wentylacji (rys. 1) – opisanych wielkościami ujętymi
za pomocą wzorów (18), (19), (20) – ważne są następujące równania oczkowe:
eu + enz = e fb + e fz1 + e fz 2
(21)
enw = e fb − e fw1 − e fw 2
(22)
3.3. Warunek zachowania pierwotnego
kierunku prądu bocznego i stopień
bezpieczeństwa
Rys. 2. Pierwsza struktura topologiczna
systemu wentylacji (rys. 1)
Z podzielenia stronami równania (22) przez równanie (21) wynika wyrażenie:
3.1. Podstawowe wielkości i związki
Dane wejściowe: wielkości dotyczące węzłów systemu wentylacji (rys. 1): ciśnienie barometryczne, p,
temperatury: t i tm odpowiednio termometru suchego
i mokrego (tab. 1), wysokości geodezyjne, z (tab. 2);
strumienie masy czystego powietrza suchego, m : 80,
120, 120, 200, 200 odpowiednio w bocznicach: b, w1,
w2, z1, z2 (rys. 2) [7].
Korzystając z danych wejściowych – za pomocą
adekwatnych wzorów od (1) do (17) – obliczyliśmy wielkości dotyczące węzłów: esw, XS, Lw, X, e
(tab. 1), v, ps, vs, Φ (tab. 2), wielkości: n, δΦ , lt,
lts, en, eu, ef, Rf dotyczące bocznic (rys. 1, tab. 3)
oraz wielkości dotyczące oczek zewnętrznego, z,
i wewnętrznego, w, (rys. 2, tab. 3):
− wypadkowe ciągi naturalne generowane
w oczkach: z i w:
enz =
∑
( z)
en = 899,
enw =
∑
e fb − e fw1 − e fw 2
enw
=
eu + enz e fb + e fz1 + e fz 2
(23)
Wyrażenie to przekształcamy następująco:
e fb − e fw1 − e fw 2 e fw1 + e fw 2
enw
=
<
eu + enz e fb + e fz1 + e fz 2
e fz1 + e fz 2
e fw1 + e fw 2
e fz1 + e fz 2
enw
e + enz
⋅ u
eu + enz
enw
>
Wynikiem zaznaczonego mnożenia jest następująca
nierówność:
eu + enz e fw1 + e fw 2
⋅
>1
enw
e fz1 + e fz 2
Zapisujemy ją w postaci
en = 661 J / kg p.s.
(18)
σb >1
( w)
− energia użyteczna wentylatora głównego:
eu = 5527 J/ kg p.s.
σb =
(19)
e fw1 + e fw 2
eu + enz
⋅
enw
e fz1 + e fz 2
(24)
(25)
Nr 11(465) LISTOPAD 2009
9
Nierówność (24) jest warunkiem zachowania pierwotnego kierunku prądu bocznego, płynącego bocznicą b od węzła 2 do węzła 4, σ b – stopniem bezpieczeństwa. Podstawiając do wzoru (25) wartości adekwatnych wielkości (tabl. 2, rys. 2), otrzymujemy:
σb =
5527 + 899 1220 + 1265
⋅
= 7,3653
661
474 + 2806
2 do węzła 4, bezruch prądu głównego; stan samonagrzewania węgla określony punktem pirolizy o temperaturze 180°C; strumień masy wypływu bocznego: ∆m = 30.
(25a)
3.4. Warunek zachowania pierwotnego
kierunku prądu głównego i stopień
bezpieczeństwa
Wyrażenie (23) przekształcamy następująco:
e fb + e fw1 − e fw2
e fb
e nw
=
<
eu + e nz
e fb + e fz1 + e fz 2
e fb + e fz1 + e fz 2
Stąd otrzymujemy:
e fb
e fb + e fz1 + e fz 2
Rys. 3. Druga struktura topologiczna
systemu wentylacji (rys. 1)
e nw
>
eu + e nz
4.1. Podstawowe wielkości i związki
Po pomnożeniu obu stron tej nierówności przez odwrotność jej prawej strony wynika:
e fb
eu + e nz
⋅
e nw
e fb + e fz1 + e fz 2
R fz1 , R fz 2 bocznic wypadkowych: b, z1, z2 struktury

R fb = R f 2 + R f 3 = 0,218750 + 0,272656 = 0,491406

R fz1 = R f 1 = 0,011700

R fz 2 = R f 6 + R f 7 + R f 8 = 0,066350 + 0,002725 + 0,002225 = 0,071300

Nierówność tę zapisujemy w postaci:
σw =
R fb ,
(rys. 3) – według ostatniej kolumny tabeli 3:
e fb
eu + e nz
>1
e nw e fb + e fz1 + e fz 2
σw > 1
Dane wejściowe: opory aerodynamiczne:
(28)
(26)
(27)
Wielkości dotyczące węzłów: ciśnienia barometryczne: p, temperatury t i t m odpowiednio termometru suchego i mokrego [7] (tab. 4) oraz wysokość
geodezyjna, z, [7] (tab. 5).
Nierówność (26) jest warunkiem zachowania
pierwotnego kierunku prądu głównego, płynącego
bocznicą w1 od węzła 2 do węzła 5 (rys. 2), σ w –
stopniem bezpieczeństwa. Podstawiając do wzoru
(27) wartości adekwatnych wielkości (tab. 3, rys. 2),
otrzymujemy:
Korzystając z powyższych danych i postępując
analogicznie jak w przypadku pierwszej struktury
topologicznej, obliczyliśmy wielkości dotyczące
węzłów (tab. 4, tab. 5), wielkości dotyczące bocznic
(tab. 6) oraz następujące wielkości dotyczące odpowiednio oczka zewnętrznego, z, i oczka wewnętrznego, w, (rys. 3, tab. 6):
5527 + 899
3146
⋅
= 7,8301 (27a)
661
3146 + 474 + 2806
− wypadkowe ciągi naturalne generowane odpowiednio w oczku zewnętrznym, z, i oczku wewnętrznym, w, (rys. 3):
σw =
4. DRUGA STRUKTURA (RYS. 3) SYSTEMU
WENTYLACJI (RYS. 1)
Znamienne cechy tej struktury topologicznej: pierwotny kierunek prądu bocznego płynącego od węzła
enz =
∑e
n
= 678 , enw = ∑ en = 848
(29)
w
− energia użyteczna wentylatora głównego:
eu = 7079
(30)
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
10
Tabela 4
Wyznaczenie pól ciśnienia cząstkowego pary wodnej nienasyconej dotyczących
drugiej struktury topologicznej (rys. 3) systemu wentylacji (rys. 1)
Węzeł
Ciśnienie
barometryczne
suchego
i
p
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Pa
100000
111691
111574
107334
111691
111691
107334
107334
92262
99703
mokrego
Ciśnienie
cząstkowe
pary wodnej
nasyconej
przy temperaturze tm
tm
esw
Xs
Lw
X
7,5
15,0
18,1
19,3
16,9
65,0
50,0
26,5
18,3
21,6
Pa
1036
1704
2076
2238
1924
25025
12331
3460
2102
2579
kg/kg p.s.
0,006511
0,009636
0,011796
0,013245
0,010902
0,179604
0,045871
0,020718
0,014501
0,016516
J/kg wody
2484605
2466710
2459313
2456450
2462177
2347410
2407060
2439271
2458836
2450962
kg/kg p.s.
0,006306
0,008983
0,011379
0,012659
0,010361
0,119353
0,036942
0,018799
0,013035
0,015166
Temperatura
termometru
t
°C
8,0
16,6
19,1
20,7
18,2
180,0
60,0
31,0
21,8
24,8
Stopień zawilżenia powietrza nasyconego parą wodną
Ciepło utajone
parowania
wody przy
temperaturze
tm
Stopień zawilżenia powietrza nienasyconego parą
wodną
Ciśnienie cząstkowe
pary wodnej
nienasyconej
przy temperaturze tm
e
pp
Pa
1004
1590
2004
2141
1830
17982
6017
3149
1894
2373
1004
1589
2004
2141
1830
16753
5990
3149
1894
2374
Tabela 5
Wielkości dotyczące węzłów, i, drugiej struktury topologicznej (rys. 3) systemu wentylacji (rys. 1)
Wysokość
geodezyjna
Węzeł
i
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Ciśnienie
Pozorna objętość właściwa
w przepływie politropowym
Objętość właściwa
Potencjał
aerodynamiczny
w przepływie izentropowym
z
v
ps
vs
Φ
m
0
-950
-1200
-1200
-950
-950
-1200
-1200
0
30
m3/kg p.s.
0,815198
0,755396
0,765795
0,801828
0,761226
1,035787
0,943843
0,837963
0,936863
0,878706
Pa
100000
111985
115302
115302
111985
111985
115302
115302
100000
99637
m3/kg p.s.
0,815198
0,751882
0,736368
0,736368
0,751882
0,751882
0,736368
0,736368
0,815198
0,817317
J/kg p.s.
0
-221
-2765
-5867
-221
-221
-5867
-5867
-6308
54
Tabela 6
Wielkości dotyczące bocznic, j, oraz oczek zewnętrznego, z, i wewnętrznego, w,
drugiej struktury topologicznej (rys. 3) systemu wentylacji (rys. 1)
Bocznica
j
d-w
Wykładnik
politropy
Spadek potencjału aerodynamicznego
n
δΦ
–
1
1-2
1,451258
2
2-3
0,094358
3
3-4
0,837340
4
2-5
0
5
6-7
-0,428232
6
8-9
1,356399
7
9-10
1,211854
8
10-1
0,039649
Oczko zewnętrzne, z, obejmujące
bocznice: 1, 2, 3, 6, 7 i 8
Oczko wewnętrzne, w, obejmujące
bocznice: 2, 3, 5 i 4
221
2544
3102
5646
441
-6362
54
Jednostkowa praca
techniczna
w przepływie:
politropoizentropowym
wym
lt
J/kg p.s.
-9169
108
3356
0
4312
13342
-6708
-251
lts
Lokalny
ciąg
naturalny
en
Energia
użyteczna
wentylatora
głównego
Dyssypacja
energii
mechanicznej
eu
-9157
108
3220
0
3328
12319
-6248
-242
-12
0
136
0
984
1023
-460
-9
J/kg p.s.
–
–
–
–
–
–
7079
–
Strumień
masy czystego powietrza suchego
ef
m
209
2544
3238
0
6630
1464
257
45
kg p.s./s
109,124
109,124
109,124
0
30
139,124
139,124
139,124
0
678
0
678
7079
7757
–
0
848
0
848
–
848
–
Nr 11(465) LISTOPAD 2009
11
− dyssypacje energii mechanicznej w bocznicach
wypadkowych: b, w1, w2, z1, z2 (rys. 3, tab. 6):
4.4. Strumień masy powietrza w bocznicach
b, z1 (rys. 3)
e fb = e f 2 + e f 3 = 2544 + 3238 = 5782


e fw1 = e f 4 = 0, e fw 2 = e fw5 = 6630,

 (31)
e fz1 = e f 1 = 209

e fz 2 = e f 6 + e f 7 + e f 8 = 1464 + 257 + 45 = 1766 
Korzystając ze wzoru (17) i oporów: Rb , Rz1 (28),
zapisujemy równanie (32) w postaci:
4.2. Równania oczkowe
( Rb + Rz1 )⋅ m 2 = eu + enz − e fz 2
z której wynika wzór określający szukany strumień
masy powietrza:
m =
Dla oczek z i w struktury topologicznej (rys. 3)
słuszne są równania oczkowe:
eu + enz = e fb + e fz1 + e fz 2
(32)
enw = e fw 2 − e fb
(33)
4.3. Warunek bezruchu prądu głównego
i stopień bezpieczeństwa
e fb + e fz1 + e fz 2
=
R b + R z1
enw
e +e
⋅ u nz
eu + enz
enw
Podstawiając do wzoru (36) wartości adekwatnych
oporów (28) i wielkości (rys. 3, tab. 6), mamy:
m =
7079 + 678 − 1766
=109,124
0,491406 + 0,011700
e fw 2 − e fb
eu + enz
⋅
=1
enw
e fb + e fz1 + e fz 2
5. TRZECIA STRUKTURA (RYS. 4) SYSTEMU
WENTYLACJI (RYS. 1)
Zapisujemy ją w postaci:
σw =
e fw 2 − e fb
eu + enz
⋅
enw
e fb + e fz1 + e fz 2
(34)
(35)
Równość (34) jest warunkiem bezruchu prądu
głównego w bocznicy w1 (rys. 3), σ w − stopniem
bezpieczeństwa. Podstawiając do prawej strony wzoru (35) wartości adekwatnych wielkości (tab. 6,
rys. 3), otrzymujemy:
σw =
(36a)
Znamienne cechy tej struktury topologicznej: bezruch prądu bocznego w bocznicy b, pierwotny kierunek prądu głównego płynącego w bocznicy w1 od
węzła 2 do węzła 5; stan samonagrzewania węgla
określony punktem pirolizy o temperaturze 180°C;
strumień masy wypływu bocznego: ∆m = 30.
Wynikiem zaznaczonego mnożenia jest równość:
σw =1
(36)
W ostatniej kolumnie tabeli 6 podane są strumienie
masy powietrza we wszystkich bocznicach drugiej
struktury (rys. 3) systemu wentylacji (rys. 1).
Zmieniamy kolejność stron równań (32) i (33).
Dzielimy stronami zmodyfikowane równanie (33)
przez zmodyfikowane równanie (32) i wykonujemy
następujące przekształcenia:
e fw 2 − e fb
eu + enz − e fz 2
7079 + 678
6630 − 5782
⋅
= 1 (35a)
848
5782 + 209 + 1766
Rys. 4. Trzecia struktura topologiczna
systemu wentylacji (rys. 1)
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
12
5.1. Podstawowe wielkości i związki
e fw1 + e fw 2
Dane wejściowe: wielkości dotyczące węzłów
systemu wentylacji (rys. 1): ciśnienia barometryczne, p, temperatury: t i tm odpowiednio termometru
suchego i mokrego (tab. 7), wysokości geodezyjne,
z (tab. 8) [7].
Korzystając z powyższych wielkości i postępując
analogicznie jak w przypadku pierwszej struktury,
obliczyliśmy wielkości dotyczące węzłów (tab.7,
tab.8), wielkości dotyczące bocznic (tab. 9) oraz
następujące wielkości dotyczące oczek z, w, (rys. 4,
tab. 9):
e fz1 + e fz 2
∑e
(Z )
n
= 677, e nw =
∑e
n
= 1486 J/kg p.s.
(37)
( w)
− energia użyteczna wentylatora głównego:
eu = 1782 J/kg p. s.
eu + enz e fw1 + e fw 2
⋅
=1
enw
e fz1 + e fz 2
Zapisujemy ją w postaci:
σb = 1
σb =
eu + enz e fw1 + e fw 2
⋅
enw
e fz1 + e fz 2
(43)
(44)
Równość (44) jest warunkiem bezruchu prądu
bocznego w bocznicy wypadkowej b (rys. 4), wielkość σ b – stopniem bezpieczeństwa. Podstawiając
do prawej strony wzoru (44) wartości adekwatnych
wielkości (tab. 8, rys. 4), otrzymujemy:
(38)
σb =
− dyssypacje energii mechanicznej w bocznicach
wypadkowych: b,w1, w2, z1 , z2:

e fb = e f 2 + e f 3 = 0, e fw1 = e f 4 = 303,

e fw 2 = e f 5 = 1183,
e fz1 = e f 1 = 404,

e fz 2 = e f 6 + e f 7 + e f 8 = 1737 + 215 + 103 = 2055 
enw
e +e
⋅ u nz
eu + enz
enw
Wynikiem zaznaczonego mnożenia jest równość:
− wypadkowe ciągi naturalne generowane w wymienionych oczkach:
e nz =
=
1782 + 677 303 + 1183
⋅
=1
1486
404 + 2055
(44a)
5.4. Strumień masy powietrza w bocznicach
w 1 i z1
(39)
Przekształcamy równanie oczkowe (40) do postaci:
R fz1m 2 = eu + enz − e fz 2
5.2. Równania oczkowe
Dla oczek zewnętrznego, z, i wewnętrznego, w,
trzeciej struktury topologicznej (rys. 4) systemu wentylacji (rys. 1) ważne są następujące równania oczkowe:
eu + enz = e fz1 + e fz 2
(40)
enw = e fw1 + e fw 2
(41)
Stąd wynika następujący wzór określający strumień
masy czystego powietrza suchego płynącego w bocznicach wypadkowych w1, z1 (rys. 4):
m =
eu + enz − e fz 2
R fz1
(45)
Podstawiając do wzoru (45) wartości oporu R fz1
5.3. Warunek bezruchu prądu bocznego
i stopień bezpieczeństwa
(28) bocznicy z1 i adekwatnych wielkości (rys. 5, tab.
12), zapisujemy:
Z podzielenia stronami równania (41) przez równanie (40) wynika wyrażenie:
m =
e fw1 + e fw 2
enw
=
eu + enz e fz1 + e fz 2
Przekształcamy je następująco:
(42)
1782 + 677 − 2055
=185,822 kg p.s./s
0,011700
(45a)
W ostatniej kolumnie tabeli 9 podane są strumienie
masy czystego powietrza suchego we wszystkich
bocznicach trzeciej struktury topologicznej (rys. 4)
systemu wentylacji (rys. 1).
Nr 11(465) LISTOPAD 2009
13
Tabela 7
Wyznaczenie pól ciśnienia cząstkowego pary wodnej nienasyconej dotyczących
trzeciej struktury topologicznej (rys. 4) systemu wentylacji (rys. 1)
Ciśnienie
barometryczne
Węzeł
suchego
i
p
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Pa
100000
111427
114745
114745
111024
111024
114745
114745
98327
99772
mokrego
Ciśnienie
cząstkowe
pary wodnej
nasyconej
przy temperaturze tm
tm
esw
Xs
Lw
X
7,5
15,0
18,1
19,3
16,9
65,0
50,0
26,5
18,3
21,6
Pa
1036
1704
2076
2238
1924
25025
12731
3460
2102
2579
kg/kg p.s.
0,006511
0,009660
0,011461
0,012373
0,010969
0,180997
0,077623
0,019339
0,013587
0,016505
J/kg wody
2484605
2464801
2459313
2456450
2462177
2347410
2383200
2439271
2458836
2450962
kg/kg p.s.
0,006306
0,008997
0,011044
0,011788
0,010428
0,120628
0,072830
0,017424
0,012124
0,015156
Temperatura
termometru
t
°C
8,0
16,6
19,1
20,7
18,2
180,0
60,0
31,0
21,8
24,8
Stopień zawilżenia powietrza nasyconego parą wodną
Ciepło utajone
parowania
wody przy
temperaturze
tm
Stopień zawilżenia powietrza nienasyconego parą
wodną
Ciśnienie cząstkowe
pary wodnej
nienasyconej
przy temperaturze tm
e
pp
Pa
1004
1594
1949
2078
1831
18034
12027
3127
1880
2373
1004
1589
2002
2134
1831
16877
11992
3127
1880
2373
Tabela 8
Wielkości dotyczące węzłów trzeciej struktury topologicznej (rys. 4) systemu wentylacji (rys. 1)
Wysokość
geodezyjna
Węzeł
i
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Ciśnienie
Pozorna objętość właściwa
w przepływie politropowym
Objętość właściwa
Potencjał
aerodynamiczny
w przepływie izentropowym
z
v
ps
vs
Φ
m
0
-950
-1200
-1200
-950
-950
-1200
-1200
0
30
m3/kg p.s.
0,815198
0,757240
0,743709
0,748637
0,765883
1,398776
0,930970
0,782161
0,877813
0,878065
Pa
100000
111985
115302
115302
111985
111985
115302
115302
100000
99637
m3/kg p.s.
0,815198
0,751882
0,736368
0,736368
0,751882
0,751882
0,736368
0,736368
0,815198
0,817317
J/kg p.s.
0
-420
-410
-410
-722
-722
-410
-410
-1364
110
Tabela 9
Wielkości dotyczące bocznic, j, oraz oczek zewnętrznego, z, i wewnętrznego, w,
trzeciej struktury topologicznej (rys. 4) systemu wentylacji (rys. 1)
Bocznica
j
d-w
Wykładnik
politropy
Spadek potencjału aerodynamicznego
n
δΦ
–
1
1-2
1,467096
2
2-3
1,627395
3
3-4
0
4
2-5
0,319254
5
6-7
0,080972
6
8-9
1,338386
7
9-10
-50,826132
8
10-1
0,030726
Oczko zewnętrzne, z, obejmujące
bocznice: 1, 2, 3, 6, 7 i 8
Oczko wewnętrzne, w, obejmujące
bocznice: 2, 3, 5 i 4
420
0
0
300
-300
954
-1484
110
Jednostkowa praca
techniczna
w przepływie:
politropoizentropowym
wym
lt
J/kg p.s.
-8974
-2478
0
307
-4265
13591
-1269
-193
lts
Lokalny
ciąg
naturalny
en
-8958
-2478
0
304
-2782
12808
-1186
-186
-16
0
0
3
-1483
783
-83
-7
Energia
użyteczna
wentylatora
głównego
Dyssypacja
energii
mechanicznej
eu
Strumień
masy czystego powietrza suchego
ef
m
J/kg p.s.
–
–
–
–
–
–
1782
–
404
0
0
303
1183
1737
215
103
kg p.s./s
185,822
0
0
185,822
215,822
215,822
215,822
215,822
0
677
0
677
1782
2459
–
0
1486
0
1486
–
1486
–
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
14
e fb = e f 2 + e f 3 = 5067, e fw1 = 0

e fw 2 = e f 5 = 5496,


e fz1 = e f 1 = 281,

e fz 2 = e f 6 + e f 7 + e f 8 = 1324 
6. CZWARTA STRUKTURA (RYS. 5)
SYSTEMU WENTYLACJI (RYS. 1)
Znamienne cechy tej struktury topologicznej: pierwotny kierunek prądu bocznego płynącego w bocznicy
b od węzła 2 do węzła 4, bezruch prądu głównego
w bocznicy w1; stan samonagrzewania węgla określony punktem zwrotnym o temperaturze 80°C; strumień
masy wypływu bocznego: ∆m = 20.
(48)
6.2. Równania oczkowe, warunek bezruchu
prądu głównego, stopień bezpieczeństwa
Topologia czwartej struktury (rys. 5) jest taka sama
jak drugiej struktury (rys. 3). Dla tych struktur ważne
są równania oczkowe: (32) i (33), warunek (34) bezruchu prądu głównego, stopień bezpieczeństwa (35)
i wzór (36).
Podstawiając do wzorów (35) i (36) wartości wielkości określonych wzorami (46), (47), (48) (rys. 5), jak
i oporów R fb , R fz1 (28) bocznic b, z1,, otrzymujemy:
σw =
6420 + 252
5496 − 5067
⋅
=1
429
5067 + 281 + 1324
(35b)
m =
6420 + 252 − 1324
=103,102 kg p.s./s
0,491406 + 0,011700
(36b)
W ostatniej kolumnie tabeli 12 podane są strumienie masy czystego powietrza suchego we wszystkich
bocznicach struktury (rys.5).
Rys. 5. Czwarta struktura topologiczna
systemu wentylacji (rys. 1)
6.1. Podstawowe wielkości i związki
Dane wejściowe: wielkości dotyczące węzłów systemu wentylacji (rys. 1): ciśnienia barometryczne, p,
temperatury: t i tm odpowiednio termometru suchego
i mokrego (tab.10) oraz wysokość geodezyjna, z
(tab. 11) [7].
Korzystając z danych wejściowych i postępując
analogicznie jak w przypadku pierwszej struktury,
otrzymaliśmy wielkości dotyczące: węzłów (tab. 10,
tab. 11), bocznic (tab. 12), jak i następujące wielkości
dotyczące oczek z, w (rys. 5, tab. 12):
− wypadkowe ciągi naturalne generowane odpowiednio w oczkach z, w:
enz =
∑e
n
(z)
= 252,
enw =
∑e
n
= 429 J / kg p. s. (46)
( w)
− energia użyteczna wentylatora głównego:
eu = 6420 J / kg p . s .
(47)
− dyssypacje energii mechanicznej w bocznicach
wypadkowych: b, w1, w2, z1, z2:
7. PIĄTA STRUKTURA (RYS. 6) SYSTEMU
WENTYLACJI (RYS. 1)
Znamienne cechy tej struktury topologicznej: bezruch prądu bocznego w bocznicy b, pierwotny kierunek prądu głównego płynącego w bocznicy w1 od
węzła 2 do węzła 5, stan samonagrzewania węgla
określony punktem zwrotnym o temperaturze 80°C;
strumień masy wypływu bocznego: ∆m = 20.
7.1. Podstawowe wielkości
Dane wejściowe: wielkości dotyczące węzłów
systemu wentylacji (rys. 1): ciśnienia barometryczne, p, temperatury: t i tm odpowiednio termometru suchego i mokrego (tab. 13) oraz wysokość
geodezyjna, z (tab. 14) [7].
Korzystając z danych wejściowych i postępując
analogicznie jak w przypadku pierwszej struktury,
wyznaczyliśmy wielkości dotyczące węzłów (tab.
13, tab. 14), bocznic (tab. 15) oraz następujące
wielkości dotyczące oczek: z, w (rys. 6, tab. 15):
Nr 11(465) LISTOPAD 2009
15
Tabela 10
Wyznaczenie pól ciśnienia cząstkowego pary wodnej nienasyconej dotyczących
czwartej struktury topologicznej (rys. 5) systemu wentylacji (rys. 1)
Węzeł
Ciśnienie
barometryczne
suchego
i
p
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Pa
100000
111609
111850
108106
111609
111609
108106
108106
92741
99718
mokrego
Ciśnienie
cząstkowe
pary wodnej
nasyconej
przy temperaturze tm
tm
esw
Xs
Lw
X
7,5
14,2
16,8
18,4
16,0
50,0
38,2
20,7
13,8
16,2
Pa
1004
1446
1783
2046
1760
10174
6220
2259
1547
1770
kg/kg p.s.
0,006308
0,008164
0,010076
0,011999
0,009966
0,062387
0,037972
0,013275
0,010552
0,012105
J/kg wody
2484605
2468619
2462415
2458598
2464324
2383200
2411355
2453110
2469573
2463847
kg/kg p.s.
0,006103
0,007174
0,009370
0,011581
0,009634
0,048584
0,034952
0,012185
0,010344
0,011646
Temperatura
termometru
t
°C
8,0
16,6
18,5
19,4
16,8
80,0
45,0
23,3
14,3
17,3
Stopień zawilżenia powietrza nasyconego parą wodną
Ciepło utajone
parowania
wody przy
temperaturze
tm
Stopień zawilżenia powietrza nienasyconego parą
wodną
Ciśnienie cząstkowe
pary wodnej
nienasyconej
przy temperaturze tm
e
pp
Pa
972
1272
1656
1976
1702
8086
5752
2077
1517
1833
972
1273
1660
1977
1702
8018
5746
2078
1517
1833
Tabela 11
Wielkości dotyczące węzłów czwartej struktury topologicznej (rys. 5) systemu wentylacji (rys. 1)
Wysokość
geodezyjna
Węzeł
i
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Ciśnienie
Pozorna objętość właściwa
w przepływie politropowym
Objętość właściwa
Potencjał
aerodynamiczny
w przepływie izentropowym
z
v
ps
vs
Φ
m
0
-950
-1200
-1200
-950
-950
-1200
-1200
0
30
m3/kg p.s.
0,814934
0,753780
0,759708
0,791233
0,757252
0,979185
0,892215
0,802545
0,904473
0,851722
Pa
100000
111986
115304
115304
111986
111986
115304
115304
100000
99637
m3/kg p.s.
0,814934
0,751631
0,736120
0,736120
0,751631
0,751631
0,736120
0,736120
0,814934
0,817053
J/kg p.s.
0
-283
-2542
-5298
-283
-283
-5298
-5298
-5916
66
Tabela 12
Wielkości dotyczące bocznic oraz oczek zewnętrznego, z, i wewnętrznego, w,
czwartej struktury topologicznej (rys. 5) systemu wentylacji (rys. 1)
Bocznica
j
d-w
Wykładnik
politropy
Spadek potencjału aerodynamicznego
n
δΦ
–
1
1-2
1,407977
2
2-3
-0,275352
3
3-4
0,837380
4
2-5
0
5
6-7
-0,342848
6
8-9
1,284872
7
9-10
1,207069
8
10-1
0,063959
Oczko zewnętrzne, z, obejmujące
bocznice: 1, 2, 3, 6, 7 i 8
Oczko wewnętrzne, w, obejmujące
bocznice: 4, 5, 3 i 2
283
2259
2756
0
5015
618
-5982
66
Jednostkowa praca
techniczna
w przepływie:
politropoizentropowym
wym
lt
J/kg p.s.
-9094
-182
2903
0
3150
12982
-6122
-235
lts
Lokalny
ciąg
naturalny
en
Energia
użyteczna
wentylatora
głównego
Dyssypacja
energii
mechanicznej
eu
ef
-9092
-182
2851
0
2669
12499
-5846
-230
-2
0
52
0
481
483
-276
-5
J/kg p.s.
–
–
–
–
–
–
6420
–
281
2259
2808
0
5496
1101
162
61
Strumień
masy czystego powietrza suchego
m
kg p.s./s
103,102
103,102
103,102
20
123,102
123,102
123,102
0
252
0
252
6420
6672
–
0
429
0
429
–
429
–
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
16
Wyznaczenie pól ciśnienia cząstkowego pary wodnej nienasyconej dotyczących
piątej struktury topologicznej (rys. 6) systemu wentylacji (rys. 1)
Węzeł
suchego
mokrego
Ciśnienie
cząstkowe pary
wodnej nasyconej przy temperaturze tm
tm
esw
7,5
15,2
17,7
19,8
16,3
50,0
38,2
38,2
32,8
35,2
Pa
1036
1726
2024
2308
1852
12331
6693
6693
4972
5682
Ciśnienie
barometryczne
Temperatura
termometru
i
p
t
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Pa
100000
111404
115271
115271
111001
111001
115271
115271
98219
99763
8,0
16,6
18,5
20,1
17,5
80,0
45,0
45,0
34,0
37,0
°C
Ciepło utajone
parowania
wody przy
temperaturze
tm
Stopień zawilżenia powietrza nienasyconego parą
wodną
Xs
Lw
X
e
kg/kg p.s.
0,006511
0,009788
0,011117
0,012708
0,010554
0,077733
0,038342
0,038342
0,033166
0,037566
J/kg wody
2484605
2466233
2460268
2455257
2463608
2383200
2411355
2411355
2424239
2418513
kg/kg p.s.
0,006306
0,009208
0,010784
0,012582
0,010055
0,063574
0,035320
0,035320
0,032638
0,036764
1004
1625
1964
2286
1766
10293
6194
6194
4897
5568
Stopień zawilżenia powietrza nasyconego parą wodną
Tabela 13
Ciśnienie cząstkowe
pary wodnej
nienasyconej
przy temperaturze tm
p sp
Pa
1003
1623
1963
2285
1764
10125
6174
6174
4894
5564
Tabela 14
Wielkości dotyczące węzłów piątej struktury topologicznej (rys. 6) systemu wentylacji (rys. 1)
Wysokość
geodezyjna
Węzeł
i
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Ciśnienie
Pozorna objętość właściwa
w przepływie politropowym
Objętość właściwa
Potencjał
aerodynamiczny
w przepływie izentropowym
z
v
ps
vs
m
0
-950
-1200
-1200
-950
-950
-1200
-1200
0
30
m3/kg p.s.
0,815198
0,757612
0,738835
0,745006
0,763749
1,006555
0,837223
0,837223
0,944733
0,945119
Pa
100000
111985
115302
115302
111985
111985
115302
115302
100000
99637
m3/kg p.s.
0,815198
0,751882
0,736368
0,736368
0,751882
0,751882
0,736368
0,736368
0,815198
0,817317
Φ
J/kg p.s.
0
-437
-437
-437
-737
-737
-437
-437
-1452
103
Wielkości dotyczące bocznic oraz oczek zewnętrznego, z, i wewnętrznego, w,
piątej struktury topologicznej (rys. 6) systemu wentylacji (rys. 1)
Bocznica
j
d-w
Wykładnik
politropy
Spadek potencjału aerodynamicznego
n
δΦ
–
1
1-2
1,474114
2
2-3
1,359643
3
3-4
0
4
2-5
0,449195
5
6-7
0,204924
6
8-9
1,325086
7
9-10
-38,183073
8
10-1
0,016046
Oczko zewnętrzne, z, obejmujące
bocznice: 1, 2, 3, 6, 7 i 8
Oczko wewnętrzne, w, obejmujące
bocznice: 2, 3, 5 i 4
437
0
0
300
-300
983
-1523
103
Jednostkowa praca
techniczna
w przepływie:
politropoizentropowym
wym
lt
J/kg p.s.
-8958
-2883
0
304
-3923
15150
-1459
-208
lts
Lokalny
ciąg
naturalny
en
Energia
użyteczna
wentylatora
głównego
Dyssypacja
energii
mechanicznej
eu
-8941
-2883
0
304
-3187
13285
-1268
-193
-17
0
0
0
-736
1865
-191
-15
J/kg p.s.
–
–
–
–
–
–
1664
–
Tabela 15
Strumień
masy czystego powietrza suchego
ef
m
420
0
0
300
436
2848
-50
88
kg p.s./s
189,466
0
0
189,466
20
209,466
207,466
207,466
0
1642
0
1642
1664
3306
–
0
736
0
736
-
736
–
Nr 11(465) LISTOPAD 2009
17
W ostatniej kolumnie tabeli 15 podane są strumienie masy czystego powietrza suchego we wszystkich
bocznicach piątej struktury topologicznej.
8. SZÓSTA STRUKTURA (RYS. 7) SYSTEMU
WENTYLACJI (RYS. 1)
Znamienne cechy tej struktury topologicznej: pierwotny kierunek prądu bocznego płynącego bocznicą
b od węzła 2 do węzła 4, bezruch prądu głównego
w bocznicy w1; stan samonagrzewania węgla określony punktem krytycznym o temperaturze 60°C;
strumień masy wypływu bocznego: ∆m = 15.
Rys. 6. Piąta struktura topologiczna
systemu wentylacji (rys. 1)
− wypadkowe ciągi naturalne generowane w oczkach
z, w:
enz = ∑ en = 1642, enw = ∑ enw =736 J / kg p. s.
(z)
(49)
( w)
− energia użyteczna wentylatora głównego:
eu = 1664 J / kg p. s.
(50)
− dyssypacje energii mechanicznej w bocznicach
wypadkowych: b, w1, w2 , z1, z2:

e fb = e f 2 + e f 3 = 0, ew1 = e f 4 = 300

e fw 2 = e f 5 = 436, e fz1 = e f 1 = 420

e fz 2 = e f 6 + e f 7 + e f 8 = 2848 − 50 + 88 = 2886 
(51)
8.1. Podstawowe wielkości i związki
7.2. Równania oczkowe, warunek bezruchu
prądu bocznego, stopień bezpieczeństwa
Topologia piątej struktury (rys. 6) jest taka sama jak
trzeciej struktury (rys. 4). Dla obu tych struktur prawdziwe są równania oczkowe (40), (41) oraz warunek
(43) bezruchu prądu bocznego, stopień bezpieczeństwa
(44) i wzór (45) określający strumień masy czystego
powietrza suchego w bocznicach w1 i z1. Podstawiając
do wzorów (44) i (45) odpowiednio wartości adekwatnych wielkości podanych na schemacie (rys. 6) i oporu
R fz1 (28) bocznicy wypadkowej z1, otrzymujemy:
σb =
m =
1664 + 1642 300 + 436
⋅
=1
736
420 + 2886
1664 + 1642 − 2886
= 189,466 kg p.s./s
0,011700
Rys. 7. Szósta struktura topologiczna
systemu wentylacji (rys. 1)
(44b)
Dane wejściowe: wielkości dotyczące systemu wentylacji (rys. 1): ciśnienia barometryczne, p, temperatury:
t i tm, odpowiednio termometru suchego i mokrego (tab.
16) oraz wysokość geodezyjna, z (tab. 17) [7].
Korzystając z danych wejściowych i postępując
analogicznie jak w przypadku pierwszej struktury,
otrzymaliśmy wielkości dotyczące węzłów (tab. 16,
tab. 17), bocznic (tab. 18) oraz następujące wielkości
dotyczące oczek z, w (rys. 7, tab. 18):
− wypadkowe ciągi naturalne generowane w oczkach
z, w:
enz =
∑e
n
(z)
= 309, enw =
∑e
n
= 265 J / kg p. s.
(52)
( w)
− energia użyteczna wentylatora głównego:
(45b)
eu = 5947 J / kg p. s.
(53)
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
18
Tabela 16
Wyznaczenie pól ciśnienia cząstkowego pary wodnej nienasyconej dotyczących
szóstej struktury topologicznej (rys. 7) systemu wentylacji (rys. 1)
suchego
mokrego
Ciśnienie
cząstkowe
pary wodnej
nasyconej
przy temperaturze tm
i
p
t
tm
esw
Xs
Lw
X
e
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Pa
100000
111525
112150
108877
111525
111525
108877
108877
93213
99673
8,0
16,6
18,5
20,1
17,5
60,0
30,0
21,4
14,4
17,4
7,5
14,8
17,0
18,8
16,0
45,0
28,4
19,2
13,8
15,0
Pa
1036
1683
1937
2169
1817
9578
3867
2224
1577
1704
kg/kg p.s.
0,006511
0,009530
0,010932
0,012643
0,010302
0,058437
0,022905
0,012970
0,010704
0,010819
J/kg wody
2484605
2467187
2461938
2457643
2464324
2395130
2434738
2456689
2469573
2466710
kg/kg p.s.
0,006306
0,009033
0,010308
0,012099
0,009679
0,051535
0,022217
0,012050
0,010455
0,009823
1004
1596
1828
2077
1709
8533
3755
2069
1541
1550
Ciśnienie
barometryczne
Węzeł
Temperatura
termometru
°C
Stopień
zawilżenia
powietrza
nasyconego
parą wodną
Ciepło utajone
parowania
wody przy
temperaturze tm
Stopień zawilżenia powietrza
nienasyconego
parą wodną
Ciśnienie cząstkowe
pary wodnej
nienasyconej
przy temperaturze tm
p sp
Pa
1003
1594
1826
2075
1706
8470
3752
2065
1540
1540
Tabela 17
Wielkości dotyczące węzłów szóstej struktury topologicznej (rys. 7) systemu wentylacji (rys. 1)
Wysokość
geodezyjna
Węzeł
i
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Ciśnienie
Pozorna objętość właściwa
w przepływie politropowym
Objętość właściwa
Potencjał
aerodynamiczny
w przepływie izentropowym
z
v
ps
vs
Φ
m
0
-950
-1200
-1200
-950
-950
-1200
-1200
0
30
m3/kg p.s.
0,815198
0,755011
0,758826
0,788150
0,759709
0,928493
0,827764
0,791585
0,900366
0,849948
Pa
100000
111985
115302
115302
111985
111985
115302
115302
100000
99637
m3/kg p.s.
0,815198
0,751882
0,736368
0,736368
0,751882
0,751882
0,736368
0,736368
0,815198
0,817317
J/kg p.s.
0
-346
-2321
-4731
-346
-346
-4731
-4731
-5533
0
Tabela 18
Wielkości dotyczące bocznic oraz oczek zewnętrznego, z, i wewnętrznego, w,
szóstej struktury topologicznej (rys. 7) systemu wentylacji (rys. 1)
Bocznica
j
d-w
Wykładnik
politropy
Spadek potencjału aerodynamicznego
n
δΦ
–
1
1-2
1,422170
2
2-3
-1,108785
3
3-4
0, 781161
4
2-5
0
5
6-7
-0,209257
6
8-9
1,206327
7
9-10
1,162798
8
10-1
0,078463
Oczko zewnętrzne, z, obejmujące
bocznice: 1, 2, 3, 6, 7 i 8
Oczko wewnętrzne, w, obejmujące
bocznice: 4, 5, 3 i 2
346
1975
2410
0
4385
802
-5533
0
Jednostkowa praca
techniczna
w przepływie:
politropoizentropowym
wym
lt
J/kg p.s.
-9038
-473
2531
0
2323
13211
-5650
-272
lts
Lokalny
ciąg
naturalny
en
Energia
użyteczna
wentylatora
głównego
Dyssypacja
energii
mechanicznej
eu
-9032
-470
2484
0
2014
12690
-5405
-267
-6
-3
47
0
309
521
-245
-5
J/kg p.s.
–
–
–
–
–
–
5947
–
Strumień
masy czystego powietrza suchego
ef
m
340
1972
2457
0
4694
1323
169
-5
kg p.s./s
97,361
97,361
97,361
189,466
0
15
112,361
112,361
0
30
0
309
5947
6256
112,361
0
265
0
265
-
265
–
Nr 11(465) LISTOPAD 2009
19
− dyssypacje energii mechanicznej w bocznicach
wypadkowych: b, w1, w2, z1, z2:
bocznic (tab. 21) i następujące wielkości dotyczące
oczek z i w (rys. 8, tab. 21):
e fb = e f 2 + e f 3 = 1972 + 2457 = 4429, e fw1 = e f 4 = 0, 

ew 2 = e f 5 = 4694, e fz1 = e f 1 = 340,
 (54)

e fz 2 = e f 6 + e f 7 + e f 8 = 1323 + 169 − 5 = 1487

8.2. Równania oczkowe, warunek bezruchu
prądu głównego, stopień bezpieczeństwa i strumień masy powietrza w bocznicach b i z1
Topologia szóstej struktury (rys. 7) jest taka sama jak
drugiej struktury (rys. 3). Dla tych struktur ważne są
równania oczkowe (32), (33) oraz warunek (34) bezruchu
prądu głównego, stopień bezpieczeństwa (35) i wzór (36)
określający strumień masy powietrza w bocznicach b i z1.
Podstawiając do wzorów (35) i (36) wartości adekwatnych wielkości podanych na schemacie (rys. 7)
i oporów aerodynamicznych (28) bocznic wypadkowych b, z1 (rys. 7), otrzymujemy:
σw =
m =
5947 + 309
4694 − 4429
⋅
= 1 (35c)
265
4429 + 340 + 1487
5947 + 309 − 1487
= 97,361 kg p.s./s
0,491406 + 0,011700
Rys. 8. Siódma struktura topologiczna systemu
wentylacji (rys. 1)
− wypadkowe ciągi naturalne w oczkach z, w:
enz = ∑ en = 676,
( w)
− energia użyteczna wentylatora głównego:
eu = 1699 J / kg p. s.
(36c)
W ostatniej kolumnie tabeli 18 podane są strumienie masy powietrza we wszystkich bocznicach szóstej struktury (rys. 7) systemu wentylacji (rys. 1).
enw = ∑ en = 356 J / kg p. s. (55)
(z)
− dyssypacje energii mechanicznej w bocznicach:
b, w1, w2, z1, z2:
Znamienne cechy tej struktury topologicznej: bezruch prądu bocznego, pierwotny kierunek prądu
głównego płynącego bocznicą w1 od węzła 2 do węzła 5; stan samonagrzewania węgla określony punktem krytycznym o temperaturze 60°C; strumień masy
wypływu bocznego: ∆m = 10.
9.1. Podstawowe wielkości i związki
Dane wejściowe: wielkości dotyczące węzłów systemu
wentylacji (rys. 1): ciśnienia barometryczne, p, temperatury: t i tm odpowiednio termometru suchego i mokrego
(tab. 19), wysokość geodezyjna, z, (tab. 20) [7].
Korzystając z danych wejściowych i postępując tak
jak w przypadku trzeciej struktury (rys. 4), otrzymaliśmy wielkości dotyczące węzłów (tab. 19, tab. 20),



= 1838 + 14 + 97 = 1949 
e fb = e f 2 + e f 3 = 0, e fw1 = e f 4 = 315,
e fw 2 = e f 5 = 41, e fz1 = e f 1 = 426,
e fz 2 = e f 6 + e f 7 + e f 8
9. SIÓDMA STRUKTURA (RYS. 8) SYSTEMU
WENTYLACJI (RYS. 1)
(56)
(57)
9.2. Równania oczkowe, warunek bezruchu
prądu bocznego, stopień bezpieczeństwa i strumień masy powietrza w bocznicach z1 i w1
Topologia siódmej struktury (rys. 8) jest taka sama
jak trzeciej struktury (rys. 4). Dla tych struktur ważne są
równania oczkowe (40), (41) oraz warunek (43) bezruchu prądu bocznego, stopień bezpieczeństwa (44)
i wzór (45) określający strumień masy, m , czystego
powietrza suchego w bocznicach wypadkowych z1 i w1.
Podstawiając do wzorów (44) i (45) wartości adekwatnych wielkości (tab. 21, rys. 8), mamy:
1699 + 676 315 + 41
⋅
=1
356
426 + 1949
(44b)
1699 + 676 − 1949
=190,815 kg p.s./s
0,011700
(45b)
σb =
m =
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
20
Tabela 19
Wyznaczenie pól ciśnienia cząstkowego pary wodnej nienasyconej dotyczących
siódmej struktury topologicznej (rys. 8) systemu wentylacji (rys. 1)
Węzeł
suchego
mokrego
Ciśnienie
cząstkowe
pary wodnej
nasyconej
przy temperaturze tm
tm
esw
7,5
15,0
17,7
19,1
16,8
40,0
27,0
27,0
19,7
22,2
Pa
1036
1704
2024
2210
1912
7372
3564
3564
2294
2675
Ciśnienie
barometryczne
Temperatura
termometru
i
p
t
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Pa
100000
111394
114711
114711
110990
110990
114711
114711
98172
99766
8,0
16,0
18,5
20,1
17,5
60,0
30,0
30,0
20,6
23,6
°C
Ciepło utajone
parowania
wody przy
temperaturze
tm
Stopień zawilżenia powietrza nienasyconego parą
wodną
Xs
Lw
X
e
kg/kg p.s.
0,006511
0,009662
0,011172
0,012219
0,010903
0,044253
0,019945
0,019945
0,014882
0,017137
J/kg wody
2484605
2466710
2460268
2456927
2462415
2407060
2438078
2438078
2455496
2449531
kg/kg p.s.
0,006306
0,009248
0,010838
0,011801
0,010612
0,035349
0,018665
0,018665
0,014504
0,016545
1004
1632
1964
2136
1862
5968
3342
3342
2237
2585
Stopień zawilżenia powietrza nasyconego parą wodną
Ciśnienie cząstkowe
pary wodnej
nienasyconej
przy temperaturze tm
p sp
Pa
1003
1030
1964
2134
1860
5901
3336
3336
2235
2582
Tabela 20
Wielkości dotyczące węzłów siódmej struktury
topologicznej (rys. 8) systemu wentylacji (rys. 1)
Wysokość
geodezyjna
Węzeł
i
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Ciśnienie
Pozorna objętość właściwa
w przepływie politropowym
Objętość właściwa
Potencjał
aerodynamiczny
w przepływie izentropowym
z
v
ps
vs
m
0
-950
-1200
-1200
-950
-950
-1200
-1200
0
30
m3/kg p.s.
0,815198
0,756160
0,742505
0,747719
0,764498
0,910546
0,781332
0,781332
0,878908
0,877312
Pa
100000
111985
115302
115302
111985
111985
115302
115302
100000
99637
m3/kg p.s.
0,815198
0,751882
0,736368
0,736368
0,751882
0,751882
0,736368
0,736368
0,815198
0,817317
Φ
J/kg p.s.
0
-435
-435
-435
-748
-748
-435
-435
-1490
105
Tabela 21
Wielkości dotyczące bocznic oczek: z i w siódmej struktury
topologicznej (rys. 8) systemu wentylacji (rys. 1)
Bocznica
j
d-w
Jednostkowa praca
techniczna
w przepływie:
politropoizentropowym
wym
Wykładnik
politropy
Spadek
potencjału
aerodynamicznego
n
δΦ
lt
435
0
0
313
-313
1055
-1595
105
J/kg p.s.
-8942
-2477
0
307
-3140
13693
-1400
-198
-8933
-2477
0
305
-2782
12910
-1310
-190
0
676
0
356
–
1
1-2
1,435303
2
2-3
1,610154
3
3-4
0
4
2-5
0,331317
5
6-7
0,215466
6
8-9
1,323035
7
9-10
8,861647
8
10-1
0,031904
Oczko zewnętrzne, z, obejmujące
bocznice: 1, 2, 3, 6, 7 i 8
Oczko wewnętrzne, w, obejmujące
bocznice: 2, 3, 5 i 4
Lokalny
ciąg
naturalny
Energia
użyteczna
wentylatora
głównego
Dyssypacja
energii
mechanicznej
eu
Strumień
masy czystego powietrza suchego
ef
m
-9
0
0
2
-354
783
-90
-8
J/kg p.s.
–
–
–
–
–
–
1699
–
426
0
0
315
41
1838
14
97
kg p.s./s
0
0
190,815
200,815
200,815
200,815
200,815
–
0
676
1699
2375
–
0
356
-
356
–
lts
en
Nr 11(465) LISTOPAD 2009
21
W ostatniej kolumnie tabeli 21 podane są strumienie masy czystego powietrza suchego we wszystkich
bocznicach siódmej struktury (rys. 8) systemu wentylacji (rys. 1).
Bezruch prądu głównego przedstawiony jest
w trzech strukturach topologicznych (rys. 3, rys. 5,
rys. 7). Korzystając z nich, podaliśmy we wspomnianym układzie punkty: G1, G2, G3 odpowiednio
o współrzędnych:
10. GRAFICZNE PRZEDSTAWIENIE WARUNKÓW BEZRUCHU PRĄDÓW BOCZNEGO
I GŁÓWNEGO
∆m = 30, enw = 848; ∆m = 20, enw = 429; ∆m = 15, enw = 265
10.1. Krzywe opisujące bezruch prądów
bocznego i głównego
Bezruch prądu bocznego przestawiony jest
w trzech strukturach topologicznych (rys. 4, rys. 6,
rys. 8). Na ich podstawie podaliśmy w prostokątnym
 enw (rys. 9) punkty: B1,
układzie współrzędnych ∆m,
B2 i B3 odpowiednio o współrzędnych:
∆m = 30, enw = 1486; ∆m = 20, enw = 736; ∆m = 10, enw = 356
Korzystając z powyższych współrzędnych i następującego równania paraboli:
enw = a (∆m ) 2 + b (∆m ) + c
(58)
Korzystając z tych współrzędnych i równania (58)
– na analogicznej drodze jak w przypadku równania
(59) – otrzymaliśmy następujące równanie (60)
krzywej opisującej bezruch prądu głównego. Krzywa
ta w punkcie A3 o odciętej ∆m = 3,314 przecina oś
odciętych układu, a oś rzędnych w punkcie G4
o rzędnej enw = − 45 (rys. 9):
enw = 0,60667 (∆m ) 2 + 11,567 (∆m ) − 45
(60)
10.2. Pięciokąt krzywoliniowy
Wierzchołkami pięciokąta krzywoliniowego (rys.
9) są punkty O, A2, B1, G1, A3. Odcinek A2 – B1 paraboli o równaniu (59) przedstawia warunek: σ b = 1
bezruchu prądu bocznego, a odcinek O – A3 osi odciętych i odcinek A3 – G1 paraboli o równaniu (60)
przedstawiają warunek: σ w = 1 bezruchu prądu głównego – przy strumieniu masy wypływu bocznego, ∆m , od 0 do 30 kg p.s./s.
Punktu F na osi rzędnych dotyczą stopnie bezpieczeństwa: σ b = 7,3653 i σ w = 7,8301 określone wzorami
(25a), (27a) spełniające warunki σ b > 1, σ w > 1 określone wzorami (24), (26). Warunki te dotyczą wszystkich punktów pola powyżej pięciokąta krzywoliniowego. W przypadku ich spełnienia zachowane są
pierwotne kierunki obu prądów bocznego i głównego.
Do punktów wnętrza pięciokąta krzywoliniowego
odnoszą się warunki: σ b < 1, σ w > 1. W przypadku ich
spełnienia odwrócony jest prąd boczny, zachowany
jest kierunek prądu głównego.
Punktów poniżej pięciokąta (rys. 9) dotyczą warunki: σ b < 1, σ w < 1; w przypadku ich spełnienia odwrócone są kierunki obu prądów bocznego i głównego.
Rys. 9. Pięciokąt krzywoliniowy
ułożyliśmy układ trzech równań liniowych o trzech
niewiadomych: a, b, c. Kojarząc rozwiązanie tego
układu z równaniem (58), uzyskaliśmy następujące
równanie (59) krzywej opisującej bezruch prądu
bocznego. Krzywa ta w punkcie A2 o rzędnej
enw = 346 przecina oś rzędnych układu (rys. 9):
enw = 1,85 (∆m ) 2 − 17,5 (∆m ) + 346
(59)
11. ANALIZA UZYSKANYCH WYNIKÓW
11.1. Dla oczka obejmującego bocznice wypadkowe
w1, w2, z2, z1 pierwszej struktury topologicznej
z pierwotnym kierunkiem obu prądów bocznego
i głównego (rys. 2) ważne jest równanie oczkowe:
eu + enz − enw = e fw1 + e fw 2 + e fz 2 + e fz1
(61)
22
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
Podstawiając do lewej L i prawej P strony tego
równania wartości adekwatnych wielkości podanych
na rysunku 2, otrzymujemy:
L= 5527+899-661= 5765,
P=1220+1265+2806+474=5765.
Wypadkowy ciąg naturalny e nw określony drugim
wzorem (18) jest wielkością dodatnią, wobec czego znak
minus występujący przed ostatnim składnikiem lewej
strony równania (61) oznacza, że wymieniony ciąg naturalny pracuje niezgodnie z wentylatorem głównym.
11.2. Dla wymienionego oczka drugiej, czwartej
i szóstej struktury topologicznej z bezruchem prądu
głównego (rys. 3, rys. 5, rys. 7) oraz trzeciej, piątej
i siódmej struktury topologicznej z bezruchem prądu
bocznego (rys. 4, rys. 6, rys. 8) słuszne jest równanie
oczkowe:
powietrza suchego, którego skład chemiczny nie
zależy od miejsca (czynnik termodynamiczny).
eu + enz + enw = e fw1 + e fw 2 + e fz 2 + e fz1
(62)
Na przykład korzystając z wartości adekwatnych
wielkości dotyczących struktur topologicznych (rys.
3, rys. 4) i postępując analogicznie jak w przypadku
równania (61), otrzymujemy:
− dla struktury (rys. 3):
L= 7079 +678+848=8605,
P= 0+6630+1766+209=8605,
− dla struktury (rys. 4):
L=1782+677+1486=3945,
P=303+1183+2055+404=3945.
Wypadkowe ciągi naturalne e nw określone drugimi
wzorami (29), (37), (46), (49), (52), (55) są wielkościami dodatnimi, wobec czego znak plus występujący przed ostatnim składnikiem lewej strony równania
(62) oznacza, że wymieniony ciąg wypadkowy pracuje zgodnie z wentylatorem głównym.
11.3. Dla temperatur powietrza do 60°C można stosować wzór [9]:
 17,27 ⋅ t m 
p p = 610,5 exp 
 − 0,000644 p (t − t m )
 237,3 + t m 
11.5. Z analizy struktur topologicznych wynika, że:
− wypadkowy ciąg naturalny, enz , generowany
w oczku zewnętrznym z, struktur od rys. 2 do rys. 8
pracuje zgodnie z wentylatorem głównym,
− wypadkowy ciąg naturalny, enw , generowany
w oczku wewnętrznym w pierwszej struktury
(rys. 2) pracuje niezgodnie z wentylatorem głównym, a w pozostałych strukturach (od rys. 3 do
rys. 8) – zgodnie z tym wentylatorem.
12. WNIOSKI
W przypadku wyznaczania ciśnienia cząstkowego
pary wodnej nienasyconej za pomocą wzorów (63),
(64), pomocne jest korzystanie z ostatnich dwu kolumn tabel 1, 4, 7,10, 13.
Pięciokąt krzywoliniowy (rys. 9) dotyczy przypadku, w którym powietrze kopalniane jest traktowane
jako mieszanina czystego powietrza suchego (czynnik termodynamiczny), pary wodnej i kropelek ciekłej wody. Jeśli powietrze kopalniane jest traktowane
jako mieszanina pary wodnej, kropelek ciekłej wody
i suchego powietrza kopalnianego, którego skład chemiczny zależy od miejsca, to należy stosować temperaturę wirtualną [6].
Literatura
1.
2.
3.
4.
(63)
5.
dla temperatur powietrza do 50°C – wzór Sprunga [8]:
 17,27t m 
p
p sp = 610,5 exp 
⋅ 6,69 (t − t m ) (64)
−
 237,3 + t m  10100
6.
7.
Przybliżone ciśnienia cząstkowe obliczone wzorami (63), (64) podane są odpowiednio w ostatniej
kolumnie tabel 1, 4, 7, 10 i tabel 13, 16, 19, a dokładne obliczone wzorem (5) – w przedostatniej kolumnie tych tabel.
11.4. Pięciokąt krzywoliniowy (rys. 9) uzyskaliśmy
przy założeniu, że powietrze kopalniane jest mieszaniną pary wodnej, kropelek ciekłej wody i czystego
8.
9.
Budryk W.: Odwracanie się prądów powietrznych w czasie pożarów
poziemnych i sposoby zapobiegania. Archiwum Górnictwa, t. II, z. 2,
1954, s. 125-170.
Budryk W.: Znaczenie analizy wypadków pożarowych dla zmniejszenia katastrof górniczych. Przegląd Górniczy, nr 9, 1957, s. 401-406.
Bystroń H.: Graficzne kryteria kierunków prądów w kopalnianych
sieciach przewietrzania. MG. Prace GIG. Seria A. Kom., nr 196.
Wyd. „Śląsk”. Katowice 1957, s. 47.
Bystroń H.: Stan pożaru, zapalenie i wybuch gazów podczas aktywnego i pasywnego gaszenia. Archiwum Górnictwa, t. 24, z. 1, 1997,
s. 3-24.
Bystroń H: An approach to mine ventilation based on the aerodynamic
potential of ventilating air treated as a mixture of dry air, water vapour
and liquid water droplets. Proceedings of the International Mine Ventilation Congress. Chapter 1. June 17-22, 2001. Cracow. Katowice.
EMAG. Poland, p. 1-8.
Bystroń H.: Temperatura wirtualna suchego powietrza wentylacyjnego i jej zastosowanie w obliczeniach wentylacji kopalń. Przegląd
Górniczy, nr 5, 2002, s. 8-17.
Bystroń H.: Podejście termodynamiczne do odwracania się prądów
powietrznych bocznego i głównego w kopalni o schodzącym przewietrzaniu projektowanych nadpoziomowych robót wydobywczych
w czasie pożarów węgla w schodzącym prądzie niezależnym. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa, nr 10, 2008, 5-23.
Häussler W.: Zastosowanie wykresu i – x w inżynierii sanitarnej.
Arkady. Warszawa 1970, s. 206.
McPherson M.J.: 14. Psychrometry: the study of moisture in air.
Subsurface Ventilation and Environmental Engineering. London,
New York 1993, p. 491-521.
Recenzent: prof. dr hab. inż. Wacław Trutwin
mgr inż. ARTUR KOZŁOWSKI
mgr inż. MAREK HEFCZYC
Instytut Technik Innowacyjnych EMAG
mgr inż. MARCIN MISTARZ
PPHU MARTECHPLUS
Przykłady rozwoju urządzeń
zasilających górnicze sieci elektroenergetyczne
W artykule zaprezentowano postępujący w czasie rozwój urządzeń zasilających
górnicze sieci elektroenergetyczne opracowanych przy współudziale EMAG-u.
Scharakteryzowano stosowane rozwiązania stacji transformatorowych, ze szczególnym naciskiem na zastosowaną aparaturę łączeniowo-zabezpieczeniową
w aspekcie bezpieczeństwa i niezawodności pracy. Przedstawiono wdrożone do
eksploatacji wyniki ostatnio prowadzonych projektów celowych w EMAG-u
i PPHU MARTECHPLUS.
1. WSTĘP
W polskim górnictwie podstawowymi jednostkami
zasilającymi energią elektryczną maszyny i urządzenia górnicze są przewoźne stacje transformatorowe.
W podziemiach kopalń są eksploatowane stacje
w dwóch podstawowych odmianach:
 ognioszczelne stacje transformatorowe,
 stacje transformatorowe w wykonaniu normalnym.
Największym producentem stacji dla górnictwa była Mikołowska Fabryka Transformatorów MEFTA
(obecnie AREVA). W polskich kopalniach pracują
również stacje m.in. następujących firm: MARTECHPLUS, ELGÓR+HANSEN, CARBOAUTOMATYKA, SAIT. Napięcie górne stacji transformatorowych wynosi 6000 V, natomiast napięcie dolne
w zależności od typu stacji i przeznaczenia wynosi
525 V, 1050 V lub 3300 V. Moce tych stacji to 200,
315, 400, 630, 1000, 1200, 1250, 1500, 2000 i 2700
kVA. Moce powyżej 1000 kVA dotyczą głównie
stacji o dolnym napięciu pracy 3,3 kV lub 6 kV. Podstawowym czynnikiem decydującym o mocy stacji
transformatorowych jest koncentracja wydobycia
i związana z tym moc silników elektrycznych pracujących w oddziałach wydobywczych.
Kierunki rozwoju górniczych stacji transformatorowych wytyczone zostały już w latach 1960-1970,
kiedy podjęto decyzję o zastąpieniu w podziemiach
kopalń transformatorów olejowych – transformatorami suchymi. Umożliwiło to m.in. zmiany w organizacji systemu zasilania w kopalniach, realizację koncepcji umieszczania w pobliżu urządzeń
zasilających – urządzeń odbiorczych oraz szybkiego ich przemieszczania za frontem robót. Dalszy
postęp techniczny wyrażał się w wyposażaniu
transformatorów suchych, umieszczonych w obudowie w dodatkową aparaturę łączeniowozabezpieczającą. Dało to początek i podstawy do
budowania przewoźnych stacji transformatorowych, które obecnie stanowią podstawowe wyposażenie systemu elektroenergetycznego stosowanego w przemyśle wydobywczym.
Można zauważyć, że w miarę postępu technicznego
w technice wydobycia oraz wzrostu wymagań
w zakresie bezpieczeństwa pracy, wyposażenie elektryczne stacji transformatorowych jest ciągle rozbudowywane i modernizowane. Zmianom ulega również układ elektryczny, co zapewnia m.in. optymalną
współpracę systemu zasilania z systemem zabezpieczeń, czy systemów monitorowania parametrów
urządzeń. Dzięki temu uzyskuje się duże korzyści
techniczno-ekonomiczne oraz przede wszystkim
wzrost bezpieczeństwa pracy.
Górnicze urządzenia zasilające są przedmiotem
ciągłej modernizacji, tak w zakresie samych trans-
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
24
Rys. l. Widok ognioszczelnych stacji transformatorowej produkcji fabryki MEFTA
formatorów mocy, jak również w wyposażeniu elektrycznym. Należy pamiętać również o tym, że oprócz
stacji transformatorowych spełniających zadanie
podstawowych urządzeń zasilających w oddziałach
wydobywczych, istnieją stacje o przeznaczeniu pomocniczym, dla przykładu stacje separacyjne, czy
stacje przeznaczone do zasilania odbiorników małej
mocy.
W artykule przedstawiono rozwiązania górniczych
stacji transformatorowych, w których opracowywaniu
i wdrażaniu uczestniczyło b. Centrum EMAG (wybrane
rozwiązania Mikołowskiej Fabryki Transformatorów
MEFTA), współpracę z przedsiębiorstwami w zakresie
rozwoju i wdrażania nowych rozwiązań konstrukcyjnych urządzeń (PPHU MARTECHPLUS w zakresie
stacji transformatorowych) oraz zastosowane elementy
wyposażenia układu elektrycznego mające wpływ na
bezpieczeństwo i niezawodność zasilania.
i aparatury łączeniowo-zabezpieczającej, umieszczonych we wspólnej obudowie ognioszczelnej wyposażonej w płozy lub koła jezdne.
Dla łatwej identyfikacji przyjęto oznaczenia stacji
jako zespół liter i cyfr, o następującym znaczeniu:
I
– stacja,
T
– transformatorowa,
3
– trójfazowa,
S
– ognioszczelna,
b,c,d – numer serii,
F
– obudowa komory transformatora wykonana
z blachy falistej,
2
– ilość odpływów DN ze stacji
400, 630, 1000, 1200 – moc stacji w kVA,
6
– napięcie strony GN w kV,
3,3,l – napięcie strony DN w kV
M – zmodernizowana.
 Ognioszczelne stacje transformatorowe typu IT3Sb
2. WYBRANE ROZWIĄZANIA MIKOŁOWSKIEJ FABRYKI TRANSFORMATORÓW
MEFTA [2]
2.1. Ognioszczelne stacje transformatorowe
Ognioszczelne stacje transformatorowe przeznaczone są do zasilania urządzeń elektrycznych w podziemiach kopalń, w których występuje stałe niebezpieczeństwo tworzenia się mieszanek wybuchowych.
Do tej kategorii pomieszczeń należą przodki robót
górniczych i chodniki znajdujące się w wylotowym
strumieniu wentylacyjnym, w którym zawartość metanu nawet w normalnych warunkach wentylacji
może osiągnąć więcej niż 1% ich objętości.
Ognioszczelna stacja transformatorowa stanowi
kompletną podstację składającą się z transformatora
Jednym z produktów fabryki MEFTA są ognioszczelne stacje transformatorowe typu IT3Sb. Stanowią
one kompletną podstację z transformatorem, aparaturą kontrolno-pomiarową i zabezpieczeniowołączeniową, umieszczoną w kadzi o budowie
ognioszczelnej, przystosowanej do przemieszczania
po szynach (Rys. 1).
Stacje ognioszczelne przystosowane są do zasilania
urządzeń urabiających i transportujących węgiel,
przystosowanych do zasilania energią elektryczną
z sieci z izolowanym punktem neutralnym.
Szczególne zalety stacji to (wg danych producenta):
 brak materiałów palnych i podtrzymujących palenie,
 ciągła kontrola stanu izolacji sieci niskiego napięcia,
 automatyczne wyłączenie zasilania przy obniżeniu stanu izolacji sieci niskiego napięcia i przeciążeniu lub zwarciu,
Nr 11(465) LISTOPAD 2009
25
Tabela 1
Zestawienie parametrów produkowanych przez fabrykę MEFTA
Typ stacji
IT3Sb400/6
IT3Sb630/6/6
IT3Sc400/6
(IT3Sd400/6)
IT3Sc400/6/1
(IT3Sd400/6/1)
IT3Sc630/6/1
(IT3Sd630/6/1)
IT3SF-2
1000/6/1
IT3SF
1200/6/3,3
Moc znamionowa kVA
400
500
400
400
630
1000
1200
V
6000
6300
6000
6000
6000
6000
6000
V
525
6500
525
1050
1050
1050
3300
210
Napięcie strony
górnej
Napięcie strony
dolnej
Prąd strony dolnej
A
440
44,5
440
220
346
550
Napięcie zwarcia
%
4,3
4
4,3
4,3
4,3
4,0
4,0
Straty jałowe
Straty obciążeniowe
Grupa połączeń
W
2300
2000
2300
2300
2500
2700
4500
W
3700
3600
3200
3500
5200
5300
7000
-
Yy0
Yy6
Yy0
Yy0
Yy0
Yy0
Yy0
- długość,
mm
2900
3005
2900
2900
3240
4000
5300
- szerokość,
mm
980
1080
1080
1080
1080
1080
1080
- wysokość
mm
1480
1720
1480
1480
1700
1700
1770
Masa
kg
3250
4700
3300
3300
4700
5600
8000
Wymiary skrajne:
Producent
MEFTA
Rys. 2. Widok stacji transformatorowej zmodernizowanej przez MARTECHPLUS
Na rys. 2 przedstawiono zmodernizowaną stację
transformatorową
wykonaną
przez
MARTECHPLUS.
2.2. Stacje transformatorowe w wykonaniu
normalnym
Obok ognioszczelnych stacji transformatorowych
w Mikołowskiej Fabryce Transformatorów, do 1990
roku równolegle były produkowane stacje transformatorowe w wykonaniu normalnym.
Stacje te przeznaczone były do zasilania urządzeń
elektrycznych i napędów maszyn pracujących
w podziemiach kopalń niemetanowych oraz w pomieszczeniach ze stopniem „a” niebezpieczeństwa
wybuchu w kopalniach metanowych. Stacje te mogły
również zasilać urządzenia elektryczne instalowane
w pomieszczeniach „b” i „c” pod warunkiem usytuowania samej stacji w pomieszczeniu bezpiecznym
pod względem wybuchowym.
Górnicze stacje transformatorowe w wykonaniu
normalnym posiadały prostopadłościenną obudowę,
co umożliwiało zastosowanie w stacji 2 lub 3 odpływów wyposażonych w aparaturę łączeniową (styczniki lub wyłączniki, zabezpieczenia nadprądowe oraz
przekaźniki blokujące).
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
26
Rys. 3. Stacja transformatorowa typu ITf - widok ogólny i wymiary
Stacje ITc, ITe, ITp wyposażone były w układy
próby linii oraz samoczynnego powtórnego załączania, umożliwiające przy zaistniałym doziemieniu
lokalizację uszkodzonego odpływu, jego zablokowanie i powtórne samoczynne załączenie styczników
pozostałych odpływów.
Układ elektryczny stacji IThD i ITrD składał się
z rozłącznika GN, transformatora mocy, wyłącznika
mocy DN z napędem silnikowym oraz dwóch odpływów wyposażonych w styczniki. Na odpływach zainstalowano ograniczniki oraz elektroniczne zabezpieczenia nadprądowe. Elementy obwodu zabezpieczeń
były tak dobrane, że prądy zwarcia występujące
w bezpośredniej bliskości stacji wyłączały ograniczniki,
prądy zwarcia 2÷3 kA wyłączał stycznik danego odpływu, natomiast prądy od 3 do 7 kA – wyłącznik mocy
stacji. Ograniczniki oprócz swojej podstawowej funkcji
umożliwiały stworzenie widocznej przerwy izolacyjnej,
co miało szczególne znaczenie przy pracach prowadzonych na danym odcinku sieci i jednoczesnym zasilaniu
energią drugiego odpływu. Załączenie odpływów poprzedzone było każdorazowo wstępną kontrolą stanu
izolacji sieci. Zastosowanie w stacjach IThD
i ITrD sygnalizacji wszystkich stanów awaryjnych,
takich jak: zwarcie, przeciążenie, doziemienie na poszczególnym odpływie, przekroczenie dopuszczalnej
temperatury transformatora zadziałanie członu zwarciowego wyłącznika, umożliwiało obsłudze szybkie
ustalenie przyczyn awarii i jej usunięcie.
Stacja transformatorowa ITgG 1000/6/1 wyposażona była po stronie GN w odłącznik i wyłącznik
z napędem silnikowym, a po stronie DN posiadała
dwa odpływy chronione ogranicznikami oraz zabezpieczeniami nadprądowymi. Ze względu na swą moc
stacja przeznaczona była do zasilania oddziałów
wysokozmechanizowanych poprzez wieloodpływowe
zespoły stycznikowe.
Dla identyfikacji tego typu stacji zastosowano następujące oznaczenia:
I
T
e,f,p
D
G
400
6
1
– stacja,
– transformatorowa,
– seria,
– główny aparat łączeniowy po stronie DN,
– główny aparat łączeniowy po stronie GN,
– moc stacji w kVA,
– napięcie strony górnej,
– napięcie strony dolnej.
 Automatyczne przewoźne stacje transformatorowe
typu ITf
Automatyczne przewoźne stacje transformatorowe
typu ITf przeznaczone są/były do pracy w podziemiach kopalń, o stopniu niebezpieczeństwa „a”,
w których nagromadzenie mieszanek wybuchowych
nie występuje, a tym samym niebezpieczeństwo wybuchu jest wykluczone. Stacje ITf stanowią kompletną podstację z transformatorem, aparaturą kontrolnopomiarową, łączeniową oraz układ SPZ. Podzespoły
stacji umieszczone są w jednej metalowej obudowie
przystosowanej do szybkiego i łatwego transportu
oraz instalowania.
Stacje te przystosowane są do zasilania pojedynczych maszyn o dużej mocy jednostkowej, lub 2-3
maszyn średniej mocy w podziemiach kopalń. Stacje
te mogą pracować również w innych pomieszczeniach bezpiecznych pod względem wybuchowym,
zabezpieczonych przed opadami i przepięciami atmosferycznymi, nie zawierającymi substancji chemicznych niszczących izolację, a ponadto w takich
warunkach, żeby podczas pracy stacji wykluczona
była kondensacja pary wodnej i osadzanie się nadmiernej ilości pyłu na częściach czynnych izolacji
transformatora mocy. Stacje dostosowane są zasilania
z sieci kablowej napięciem o 10% wyższym od napięcia znamionowego stacji i do zasilania sieci kablowej z izolowanym punktem neutralnym. Posiadają
one następujące zalety (wg danych producenta):
Nr 11(465) LISTOPAD 2009
27
Rys. 4. Stacja transformatorowa typu ITgG – widok ogólny i wymiary
 zmniejszona palność użytych materiałów,
 ciągła kontrola stanu izolacji odpływów niskiego
napięcia,
 zautomatyzowany układ elektryczny eliminujący
stałą obsługę,
 układ SPZ reagujący selektywnie w przypadku
uszkodzenia izolacji kabla nn,
 blokady elektryczne i mechaniczne uniemożliwiające penetrację w jej wnętrzu osób niepowołanych,
 dogodny transport szynowy i podwieszony,
 szybki montaż i zainstalowanie.
Dane znamionowe tej stacji przedstawia tabela 2.
Tabela 2
Zestawienie danych znamionowych stacji
typu ITf-400/6/1
Oznaczenie typu
Moc
Napięcia górne
Napięcie dolne
Układ połączeń
Napięcie zwarcia
Straty jałowe
Starty obciążeniowe
Wymiary [mm]
A
B
C
D
E
Masa
ITf-400/6/1
400 kVA
6000  5%
1050
Yy0
4,5%
1050 W
6500 W
2115
950
1380
1600
Od 400 do 1050 (wykonywany na konkretny rozstaw toru bez możliwości regulacji)
1800 kg
 Automatyczne przewoźne stacje transformatorowe
typuITgG
Stacje przeznaczone były do zasilania urządzeń
urabiających i transportujących węgiel, zasilanych
energią elektryczną z sieci z izolowanym punktem
neutralnym. Stacje przystosowano do zasilania ma-
szyn i urządzeń kompleksu ścianowego poprzez wieloodpływowe zespoły stycznikowe WZS-1400, bądź
wyłączniki stycznikowe typu OW zasilane przewodem oponowym magistralnym. Stacja wyposażona
została w dwa odpływy umożliwiające obciążenie
każdego z nich prądem rzędu 300 A. Zastosowane na
odpływach elektroniczne zabezpieczenia nadprądowe
spełniają nastawialną w szerokich granicach ochronę
termiczną i zwarciową odpływów.
Do szczególnych zalet stacji należą (wg danych
producenta):
 możliwość zasilania kompleksu ścianowego z jednej stacji,
 zwiększenie BHP – wyłącznik GN dodatkowo
zabezpiecza zwarciowo i termicznie transformator,
 ciągła kontrola stanu izolacji odpływów niskiego
napięcia,
 zmniejszona palność używanych materiałów,
 zautomatyzowany układ elektryczny, eliminujący
stałą obsługę,
 blokady elektryczne i mechaniczne uniemożliwiające penetrację w jej wnętrzu osób niepowołanych.
Dane znamionowe tej stacji (Rys. 4) przedstawia
tabela 3.
Tabela 3
Zestawienie danych znamionowych stacji
typu ITgG 1000/6/1
Oznaczenie typu
Moc
Napięcia górne
Napięcie dolne
Układ połączeń
Napięcie zwarcia
Straty jałowe
Starty obciążeniowe
Wymiary [mm]
Masa
ITgG 1000/6/1
1000 kVA
6000  5%
1050
Yy0
5%
2800 W
12500 W
Na rysunku
3500 kg
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
28
Rys. 5. Widok stacji transformatorowych typu MAR-G
Stacje w wykonaniu normalnym ze względu na
wymuszone chłodzenie transformatora mocy przez
wentylator posiadały niski stopień ochrony (IP22).
Wprowadzone przez Wyższy Urząd Górniczy
obostrzenia (stopień ochrony urządzeń elektrycznych stosowanych w podziemiach kopalń powinien
wynosić minimum IP54) spowodowały zaprzestanie przez firmę ALSTOM produkcji stacji transformatorowych w wykonaniu normalnym.
Obecnie stacje transformatorowe w wykonaniu
normalnym w kopalniach węgla kamiennego występują sporadycznie. Wiele tych stacji (wyprodukowanych przed 1990 rokiem) pracuje w kopalniach miedzi.
Jednymi z takich wdrożeń były Ognioszczelne stacje
transformatorowe o mocach od 200 do 1000 kVA opracowane w ramach projektu celowego EMAG – MARTECH PLUS S.J. Nr 6 T10 2003 C/ 06072 pt. „Górnicza
stacja transformatorowa o stopniu ochrony IP54 przeznaczona do stosowania w rozległych sieciach 6 kV”.
W wyniku realizacji powstała stacja typu MAR-G.
Z kolei stacje transformatorowe o mocach od 200
do 630 kVA o napięciu strony wtórnej 525 V lub
1050 V o 2 do 4 odpływach mocy, opracowane
w ramach realizacji projektu celowego Nr 6 ZR 8
2005 C / 06689 w EMAG-u i PPHU MARTECHPLUS pt. „Górnicza stacja transformatorowa z grawitacyjnym układem chłodzenia” występują jako stacje
typu MARTB.
3. WSPÓŁPRACA Z MAŁYMI I ŚREDNIMI
PRZEDSIĘBIORCAMI
4. INNOWACYJNOŚĆ ROZWIĄZAŃ
EMAG współpracuje z wieloma jednostkami,
między innymi z małymi i średnimi przedsiębiorstwami, szczególnie w zakresie realizacji projektów z przeznaczeniem do stosowania w przemyśle,
szczególnie wydobywczym. Wdrożenia do przemysłu nowych rozwiązań konstrukcyjnych typoszeregu stacji transformatorowych z zastosowanymi rozwiązaniami EMAG-u są efektem prac naukowo-badawczych realizowanych w ramach projektów celowych z przedsiębiorstwami (m.in.
uczestnicy Śląskiego Centrum Zaawansowanych
Technologii).
Wdrożenia do przemysłu nowych rozwiązań
konstrukcyjnych stacji transformatorowych
było wynikiem zrealizowanych projektów celowych z PPHU MARTECHPLUS, w których
EMAG był wykonawcą fazy badawczorozwojowej (B+R.).
Innowacyjność rozwiązań przedstawionych w artykule można określić na podstawie zastosowanych
rozwiązań technicznych i konstrukcyjnych. Rozumiana jest również poprzez zastosowanie nowoczesnego technicznie wyposażenia elektrycznego.
W zakresie prezentowanego w artykule zagadnienia
można określić to w następujący sposób:
1. Stacje transformatorowe MAR-G – powstałe
(w ramach realizacji projektu celowego) nowe
rozwiązania układu elektrycznego stacji transformatorowych, przez swoją różnorodność i nowoczesność techniczną sprawiają, że ww. stacja jest
wyrobem atrakcyjnym dla służb energomechanicznych kopalń. Komora górnego napięcia wg
przedstawionego rozwiązania może być zastosowana dla nowych konstrukcji stacji o mocy od
200 kVA do 1400 kVA bądź dla modernizowanych stacji transformatorowych.
Nr 11(465) LISTOPAD 2009
29
Rys. 6. Stacja transformatorowa typu MARTB
2. Stacje transformatorowe MARTB – powstało
(jako wynik projektu) nowoczesne rozwiązanie,
które umożliwia wytwarzanie nowych jednostek,
bądź modernizację starych rozwiązań. Zastosowano nowy typ obudowy (IP54), zastąpiono wycofane z produkcji aparaty i zabezpieczenia nowymi stycznikami próżniowymi, wyłącznikami
i zabezpieczeniami nowej generacji. Uzyskano
rozwiązanie zwiększające niezawodność zasilania maszyn i urządzeń górniczych oraz poprawę
bezpieczeństwa eksploatacji. Zastosowane mikroprocesorowe
przekaźniki
sterowniczozabezpieczeniowe zapewniają autokontrolę układów elektrycznych oraz umożliwiają wizualizację i zdalne monitorowanie stanu i parametrów
pracy stacji [3].
3. Aparatura łączeniowo-zabezpieczeniowa. Stanowi
ona wyposażenie podstawowe lub opcjonalne ww.
stacji transformatorowych. Składają się na nie
m.in. [1]:
a) wyłączniki próżniowe WP 630 (rys. 7), jako podstawowe zabezpieczenie górniczych
sieci niskiego napięcia ze stacjami transformatorowymi o mocach 400 kVA, 630
kVA, 1000 kVA przy napięciach 1000 V
i 1140 V oraz 400 kVA, 500 kVA przy napięciach 500 V, 660 V, 50 Hz, stacji kompaktowych i rozdzielni oddziałowych. Zapewnia wysoki stopień bezpieczeństwa
i niezawodności działania poprzez wyzwalanie prądowe bezpośrednio prądem zakłócenia, zwarcia i cyfrowe zabezpieczenie
oraz napęd elektromagnesowy. Przewidziany jako aparat łączeniowy strony DN stacji
transformatorowych,
b) wyłączniki próżniowe WP 1000 przeznaczone
do załączania i wyłączania prądów, zwłaszcza
zakłóceniowych – zwarciowych w obwodach
rozdzielnic oraz stacji transformatorowych
o mocy do 1,5 MVA i napięciach łączeniowych
do 1200 V, 50 Hz w sieciach elektroenergetycznych podziemi kopalń o dużej koncentracji
wydobycia i znacznych zagrożeniach zwarć doziemnych. Przewidziane głównie jako wyposażenie opcjonalne układu elektrycznego modernizowanych i nowo projektowanych/wytwarzanych górniczych stacji transformatorowych
nowej generacji o mocy powyżej 1 MVA,
c) trójfazowe ograniczniki przepięć OPE-6 (rys. 8)
przeznaczone do ograniczania przepięć łączeniowych i ziemnozwarciowych w sieciach
o napięciu znamionowym: 3 kV; 3.3 kV; 6 kV,
50 Hz, w podziemiach kopalń – nie połączonych bezpośrednio z liniami napowietrznymi.
Wewnątrz osłony izolacyjnej zainstalowano
odłącznik, który w przypadku utraty stabilności
termicznej lub zwarć doziemnych lub utrzymujących się dłużej napięć wyższych niż napięcie
trwałej pracy ogranicznika powoduje odłączenie ogranicznika spod napięcia. Instalowane
w komorach aparaturowych górnego napięcia
stacji transformatorowych typu MAR G.
d) wieloparametrowe centralne zabezpieczenie upływowe RRgFx/M, przeznaczone do ochrony przed
niebezpiecznymi skutkami uszkodzenia izolacji
doziemnej w sieciach typu IT o napięciu znamionowym do 1140 V. Stosowane w górniczych urządzeniach zasilających sieci z przemiennikami częstotliwości może być również stosowane w sieciach o częstotliwości znamionowej 50 Hz.
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
30
lania sieci elektroenergetycznej niskiego napięcia
oraz są atrakcyjnym wyrobem dla służb energomaszynowych kopalń.
5. PODSUMOWANIE
Rys. 7. Stacja MARTB - Komora wyłącznika mocy
DN – wyłącznik próżniowy WP 630
Rys. 8. Stacja transformatorowa typu MAR-G
– widok ograniczników przepięć
Przedstawione powyżej rozwiązania powodują
zwiększenie bezpieczeństwa obsługi i eksploatacji
wynikające z zastosowania m.in. w układzie elektrycznym stacji nowoczesnych aparatów łączeniowych
i zabezpieczeń nowej generacji. Wymienione wyżej
urządzenia umieszczone są w dokumentacji dopuszczeniowej i produkcyjnej stacji transformatorowych,
jako wyposażenie podstawowe lub opcjonalne.
Poprzez zastosowane rozwiązanie układu elektrycznego, nowo opracowane stacje transformatorowe w istotny sposób zwiększają niezawodność zasi-
W niniejszym artykule przedstawiono przykłady
rozwoju konstrukcji urządzeń zasilających górnicze
sieci elektroenergetyczne, które powstały w wyniku
współpracy EMAG-u z Mikołowską MEFTĄ oraz
PPHU MARTECHPLUS.
Przekrojowe podejście do tematu pokazuje jak długą drogę już udało się pokonać i jakie rozwiązania
można dzisiaj oferować na rynku polskim. Podkreślając zalety prezentowanych rozwiązań, zwiększamy
możliwość zastosowania ww. rozwiązań w polskim
przemyśle wydobywczym oraz możliwość eksportu.
To oczywiście nie koniec – należy nadal dążyć do
rozwoju i wprowadzania na rynek nowych, innowacyjnych i przede wszystkim zapewniających bezpieczeństwo rozwiązań technicznych.
O innowacyjności prezentowanych rozwiązań
świadczą uzyskane certyfikaty, wyróżnienia czy nagrody (m.in. WP-630 wyróżnienie na ELTARG),
duże zainteresowanie podczas prezentacji na Targach
branżowych (m.in. włącznik WP-1000 był prezentowany na Międzynarodowym Kongresie Górniczym
we wrześniu 2008 r. i cieszył się dużym zainteresowaniem), czy w końcu ilość wdrożeń zarówno
w krajowych kopalniach (m.in. KWK Bogdanka,
KWK Zofiówka i KWK Budryk), jak również za
granicą (m.in. Rosja, Ukraina, Wietnam).
Prezentując w niniejszym artykule (w wielkim
skrócie) rozwój górniczych urządzeń zasilających
w szczególności sieci elektroenergetyczne niskiego
napięcia stwarza się również możliwość do generowania sytuacji, w których firmy/przedsiębiorstwa
wyrażą chęć do dalszej lub nowej współpracy w zakresie realizacji nowych rozwiązań przeznaczonych
w szczególności dla przemysłu wydobywczego.
Dobra/pozytywna i efektywna współpraca
EMAG-u z małymi i średnimi przedsiębiorstwami
stwarza możliwości rozwoju firm przemysłowych,
jak również ośrodków naukowo-badawczych.
Literatura
1. Kozłowski A., Jarosz J., Mistarz M.: Typoszereg stacji transformatorowych przeznaczonych do pracy w przemyśle wydobywczym wyposażonych w aparaturę łączeniowo-zabezpieczeniową nowej generacji;
EMTECH 2008.
2. Karty katalogowe – Mikołowska Fabryka Transformatorów MEFTA.
3. Karty katalogowe – P.P.H.U. MARTECHPLUS.
Recenzent: doc. dr inż. Franciszek Szczucki
dr inż. ANDRZEJ DZIKOWSKI
mgr inż. MAREK HEFCZYC
mgr inż. JERZY ZDRZAŁEK
Instytut Technik Innowacyjnych EMAG
Układy regulacji wentylatorów
głównego przewietrzania kopalń
z silnikami asynchronicznymi zasilanymi
z przekształtników częstotliwości
i kaskad podsynchronicznych
Artykuł prezentuje aspekty techniczne i ekonomiczne brane pod uwagę podczas budowy lub modernizacji stacji głównego przewietrzania kopalń. W artykule przedstawiono porównanie kosztów modernizacji napędu wentylatora typu WPK-5,0. Porównano koszty w przypadku zastosowania do napędu wentylatora silnika asynchronicznego pierścieniowego w układzie kaskady podsynchronicznej oraz silnika
asynchronicznego klatkowego zasilanego poprzez przekształtnik częstotliwości. Rozróżniono koszty przy zastosowaniu przekształtnika niskonapięciowego jak również
przekształtnika na napięcie średnie. Do analizy kosztów wykorzystano oferty cenowe
przekształtników różnych firm obecnych na polskim rynku.
1. WSTĘP
Układy napędowe wentylatorów głównych przewietrzania kopalń należą do największych odbiorników energii elektrycznej. Ze względu na ich liczbę
i zainstalowaną moc napędy te zużywają średnio
około 15 % całkowitej energii zużywanej przez kopalnię [1]. Racjonalne wykorzystanie wydajności
wentylatorów przewietrzania kopalń pozwala więc na
duże oszczędności, zmniejszające sumaryczny koszt
wydobycia. Dostosowanie wydajności wentylatorów
do zapotrzebowania na powietrze może być realizowane na wiele sposobów. Możliwa jest regulacja
wydajności poprzez dławienie przepływu powietrza
lub zmianę kąta natarcia łopat wentylatora [2]. Ze
względu na charakterystykę sprawności wentylatora
wymienione metody regulacji są mało efektywne.
Najbardziej efektywna jest regulacja wydajności
wentylatora poprzez zmianę jego prędkości obrotowej. Zastosowanie energoelektronicznych układów
przekształtnikowych dużej mocy pozwala na regulację amplitudy oraz częstotliwości napięcia zasilającego, a tym samym na regulację prędkości obrotowej
silnika napędzającego wentylator.
2. STOSOWANE TYPY WENTYLATORÓW
GŁÓWNEGO PRZEWIETRZANIA KOPALŃ
W kopalniach węgla kamiennego w Polsce wśród
dużych wentylatorów głównego przewietrzania stosowane są najczęściej wentylatory typu WPK-3,3,
WPK-3,9, WPK-5,0 [3]. Są to wentylatory promieniowe z jednostronnie ssącym wirnikiem. Prosta
konstrukcja wentylatorów WPK nie stwarza trudności montażowych oraz zapewnia długotrwałą bezawaryjną eksploatację sięgającą 60000 h. Konstrukcja
wentylatora zapewnia cichobieżność oraz wysoką
sprawność i szeroki zakres ekonomicznej pracy.
W tabeli 1 jest przedstawiony typoszereg, obecnie
produkowanych przez firmę STALKON (dawny
POWEN), wentylatorów typu WPK, których moc
sięga 2500 kW.
Oprócz szeregu WPK są jeszcze produkowane
przez firmę STALKON wentylatory typu WPR, które
są wentylatorami promieniowymi z dwustronnie
ssącym wirnikiem. Są one jednak rzadziej stosowane,
a ich moc nie przekracza 400 kW.
Poza wentylatorami promieniowymi są również
produkowane przez firmę STALKON wentylatory
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
32
Typoszereg wentylatorów głównego przewietrzania KWK typu WPK
Typ i wielkość
wentylatora
WPK 2,6
wersja I
WPK 2,6
wersja II
WPK 2,6
wersja III
WPK 3,1
WPK 3,3
WPK 3,9
WPK 5,0
WPK 5,3
Prędkość obrotowa
n [obr./sek.]
(obr./min.)
8,33
(500)
10,0
(600)
12,5
(750)
8,33
(500)
10,0
(600)
12,5
(750)
8,33
(500)
10,0
(600)
12,5
(750)
8,33
(500)
10,0
(600)
8,33
(500)
10,0
(600)
5,0
(300)
6,25
(375)
8,33
(500)
5,0
(300)
6,25
(375)
5,0
(300)
6,25
(375)
Wydajność
V [m3/s]
45,6
54,7
68,4
58,8
70,6
88,3
74
88,8
111,1
127,8
153,2
150
180,7
150
187
250
292
365
366,6
458,3
Spiętrzenie
całkowite
∆Pc [Pa]
1568
2259
3530
1828
2634
4115
1950
2810
4390
3198
4611
3139
4525
1550
2433
4400
2904
4542
3139
4905
1
Sprawność η
Moc N
[kW]
0,85
0,85
0,85
0,85
0,85
0,85
0,86
0,86
0,86
0,88
0,88
0,86
0,86
0,86
0,86
0,86
0,85
0,85
0,85
0,85
84
145
284
126
219
428
168
290
566
462
798
547
951
270
529
1279
992
1939
1300
2540
Tabela 1
Masa
bez silnika
m [kg]
11034
13142
13123
21300
21705
25770
48300
50438
Rys. 1. Charakterystyki pracy wentylatorów typu WPK
osiowe typu WOK. Wentylatory te mają przestawne
łopatki wirników, co pozwala na regulację parametrów wentylatora. Ich moc nie przekracza 600 kW.
Do napędu wentylatorów szeregu WPK są stosowane silniki o mocach od kilkuset do 2500 kW, co
przedstawia tabela 1.
O wyborze wentylatora decyduje przede wszystkim
wymagana wydajność i wymagane całkowite spiętrzenie powietrza. Na rys. 1 jest przedstawiony typowy zakres pracy wentylatorów typoszeregu WPK [3].
W szczególności na podstawie charakterystyki
przedstawionej na rys. 2 dla wentylatora WPK 5,3
przy prędkości obrotowej n = 6,25 obr/s (375
1 Źródło danych - http://www.stalkon.pl/wentylatory_WPKgl.html
obr/min) do napędu jest potrzebny silnik o mocy
2700 kW, natomiast przy prędkości obrotowej n = 5
obr/s (300 obr/min.) do napędu tego samego wentylatora jest potrzebny silnik o mocy już tylko 1400
kW. Czyli spadek prędkości obrotowej wentylatora
o 20% pociąga za sobą spadek zapotrzebowania na
moc napędową o prawie 50%. Wiąże się to oczywiście ze spadkiem wydajności wentylatora, która
w analizowanym przypadku, na podstawie charakterystyki wentylatora przedstawionej na rys. 2, wynosi około 20% [3].
Nr 11(465) LISTOPAD 2009
33
wirnika wentylatora. Jest to również regulacja po
stronie mechanicznej, charakteryzująca się jednak
większą efektywnością niż pierwsza. Jej wadą jest
skomplikowana budowa mechaniczna wentylatora.
Na rys. 4 została przedstawiona charakterystyka
wentylatora z wirnikiem o zmiennym kącie natarcia
łopat [4]. Na podstawie tej charakterystyki widać, iż
zmniejszenie wydajności wentylatora o 50% wiąże
się ze zmniejszeniem zapotrzebowania na moc napędową o około 40%. Czyli ten sposób regulacji jest
prawie dwukrotnie bardziej efektywny niż pierwszy.
Rys. 2. Charakterystyka przepływowa wentylatora
typu WPK 5,3
3. REGULACJA WYDAJNOŚCI
WENTYLATORÓW
Regulacja wydajności wentylatora jest możliwa na
kilka sposobów. Każdy sposób regulacji wiąże się
z występowaniem charakterystycznych wad i zalet.
Poniżej zostaną pokrótce przedstawione najważniejsze sposoby regulacji wydajności.
Rys. 3. Charakterystyka wentylatora z dławieniem
przepływu
3.1. Regulacja wydajności poprzez dławienie
przepływu powietrza
Jest to najprostszy sposób regulacji wydajności
wentylatora, niewymagający żadnych układów regulacji po stronie elektrycznej układu napędowego.
Całość procesu regulacji odbywa się po stronie mechanicznej i polega na dławieniu przepływu powietrza przez wentylator poprzez zastosowanie mechanicznych dławnic. Jest to bardzo prosty, ale jednak
najbardziej nieekonomiczny sposób regulacji. Na rys.
3 została przedstawiona charakterystyka wydajności
wentylatora i zapotrzebowania na moc napędową dla
powyższego sposobu regulacji [4].
Na podstawie powyższej charakterystyki widać, iż
zdławienie przepływu o 50% wiąże się ze zmniejszeniem tylko o 20% zapotrzebowania na moc napędową. Czyli regulacja jest mało ekonomiczna
3.2. Regulacja wydajności poprzez zmianę
kąta natarcia łopat wirnika
Drugim sposobem regulacji wydajności wentylatora jest regulacja poprzez zmianę kąta natarcia łopat
Rys. 4. Charakterystyka wentylatora z łopatami
o zmiennym kącie natarcia
3.3. Regulacja wydajności poprzez zmianę
prędkości obrotowej wirnika wentylatora
Jest to najbardziej ekonomiczny sposób regulacji
wydajności wentylatora, ponieważ ze zmniejszeniem
prędkości obrotowej w trzeciej potędze spada zapotrzebowanie na moc napędową. Ten sposób regulacji
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
34
Rys. 5. Charakterystyka wentylatora ze zmienną
prędkością obrotową wirnika
Rys. 6. Schemat podstawowy kaskady
podsynchronicznej
wymaga zastosowania układów energoelektronicznych, których zadaniem jest zmiana prędkości obrotowej silnika napędzającego wentylator.
Na rys. 5 została przedstawiona charakterystyka
wentylatora ze zmienną prędkością obrotową wirnika
[4].
Na podstawie tej charakterystyki widać, iż zmniejszenie wydajności wentylatora o 50% wiąże się ze
zmniejszeniem zapotrzebowania na moc napędową
o ponad 80%. Jest to najbardziej ekonomiczny sposób regulacji wydajności wentylatora.
Bardzo często do napędu wentylatorów głównego
przewietrzania kopalń są stosowane silniki synchroniczne. Zastosowanie kaskady podsynchronicznej
wymaga więc wymiany silnika, a przynajmniej jego
wirnika, na pierścieniowy.
Innym rozwiązaniem jest zastosowanie przekształtnika częstotliwości. Jest to układ droższy od kaskady,
ponieważ przekształca on pełną moc doprowadzoną
do silnika, a kaskada jedynie moc poślizgu.
Wymagany zakres regulacji prędkości obrotowej
silnika napędzającego wentylator zwykle zawiera się
w przedziale 60-100% prędkości znamionowej. Kaskada podsynchroniczna umożliwia uzyskanie takiego zakresu regulacji prędkości obrotowej silnika
napędowego. Uzyskanie szerszego zakresu regulacji
w układzie kaskady jest możliwe, aczkolwiek wiąże
się to ze zwiększeniem parametrów napięciowych
przekształtnika kaskady, który musi przekształcać
większą moc poślizgu. Uzyskanie prędkości nadsynchronicznej w układzie kaskady jest niemożliwe.
W przypadku zastosowania do regulacji prędkości
obrotowej silnika napędowego przekształtnika częstotliwości nie ma ograniczeń co do zakresu regulacji
i wynosi on 0-100% prędkości znamionowej silnika,
a gdy tylko wytrzymałość mechaniczna silnika napędowego i wentylatora na to pozwala może być szerszy i przekraczać prędkość znamionową silnika.
4. REGULACJA PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ
WENTYLATORA
Regulacja prędkości obrotowej wirnika wentylatora
wymaga regulacji prędkości obrotowej silnika napędzającego wentylator. Jeżeli do napędu wentylatora
jest stosowany silnik asynchroniczny pierścieniowy
to do zmniejszenia jego prędkości obrotowej poniżej
prędkości znamionowej można zastosować tzw.
układ kaskady podsynchronicznej, zwanej czasami
kaskadą tyrystorową [5,6]. Na rys. 6 jest przedstawiony schemat podstawowy kaskady podsynchronicznej. Istota tego układu polega na zwrocie energii
poślizgu silnika asynchronicznego pierścieniowego
do sieci zasilającej. Moc elektryczna poślizgu silnika
asynchronicznego pierścieniowego jest zamieniana
przez prostownik diodowy na moc prądu stałego
i dalej w przekształtniku tyrystorowym na moc prądu
przemiennego, o stałej amplitudzie i częstotliwości,
która za pomocą transformatora dopasowującego jest
zwracana do sieci zasilającej.
5. DOBÓR SILNIKA NAPĘDOWEGO WENTYLATORA GŁÓWNEGO PRZEWIETRZANIA
Do napędu wentylatorów głównego przewietrzania
są potrzebne silniki wolnoobrotowe o mocach od
Nr 11(465) LISTOPAD 2009
35
Rys. 7. Przykład realizacji napędu z przekształtnikiem niskiego i średniego napięcia
setek kilowatów do 2700 kW [7]. W chwili obecnej
możliwe są wykonania takich silników, jako niskonapięciowych, na napięcie 690 V. Przy takiej wartości napięcia, do regulacji prędkości obrotowej silnika
można stosować niskonapięciowe przekształtniki
napięcia, które produkuje wiele firm i które obecnie
są już stosunkowo tanie. W przypadku większej mocy do regulacji prędkości obrotowej celowe może być
stosowanie przekształtników średnionapięciowych
lub transformatorów podwyższających napięcie wraz
z przekształtnikami niskonapięciowymi wyposażonymi w filtry sinusoidalne wygładzające napięcie
wyjściowe przekształtnika. Cena takich układów jest
już jednak o wiele wyższa [8,9,10].
6. ANALIZA KOSZTÓW
Przy wyborze konkretnego rozwiązania układu napędowego wentylatora głównego przewietrzania
bardzo ważnym kryterium jest całkowity koszt. Na
ten koszt składa się, oprócz kosztu inwestycji,
w którego skład wchodzi koszt materiałów oraz koszt
instalacji, również koszt eksploatacji układu napędowego, który możemy podzielić na koszt energii elektrycznej i koszt serwisu.
Przy analizie kosztu inwestycji należy uwzględnić
pełny zakres prac inwestycyjnych związanych z instalacją napędu z przekształtnikiem, a więc również
koszty okablowania, rozbudowy przyłącza itd.
Na rys. 7 został przedstawiony przykład realizacji
układu napędowego z przekształtnikiem częstotliwości niskiego i średniego napięcia [4].
Porównanie przedstawionych na rys. 7 przykładowych realizacji układów napędowych o tej samej
mocy w wykonaniu niskonapięciowym i średnionapięciowym wypada na korzyść napędu średniego
napięcia. W przykładowej realizacji układu napędo-
wego niskiego napięcia, konieczne jest zastosowanie
dodatkowego transformatora, obniżającego napięcie
z rozdzielnicy średniego napięcia. Również na niekorzyść napędu niskiego napięcia przemawiają straty
w linii niskiego napięcia. Aby straty były niewielkie,
zarówno transformator obniżający napięcie, przekształtnik oraz silnik muszą się znajdować blisko
siebie. Również potrzebny przekrój przewodów zasilających, podany na rys. 7 łącznie z ekranem, musi
być zdecydowanie większy w przypadku napędu
niskiego napięcia.
Tak więc całkowity koszt inwestycji w przypadku
napędu średniego napięcia może być niższy niż koszt
układu napędowego niskiego napięcia o analogicznej
mocy. W dużej mierze zależy to od różnicy w cenie
przekształtnika na średnie i niskie napięcie. Obecnie
ceny przekształtników na średnie napięcie spadają,
przy utrzymujących się cenach przekształtników
niskiego napięcia. Wybór napędu średniego napięcia
staje się więc coraz bardziej ekonomicznie uzasadniony.
Dla przykładu w tabeli 2 zostało przedstawione porównanie kosztów modernizacji wentylatora głównego przewietrzania typu WPK-5,0, sporządzone na
podstawie ofert przedstawicieli producentów, oferujących niskonapięciowe przekształtniki częstotliwości na polskim rynku.
W tabeli 3 zostało natomiast przedstawione porównanie kosztów modernizacji takiego samego wentylatora głównego przewietrzania typu WPK-5,0 jednak
z zastosowaniem przekształtnika częstotliwości na
średnie napięcie. W tabelach 2 i 3 porównano przekształtniki częstotliwości takich firm jak: ABB, Rockwell Automation, Siemens, Vacon.
Porównując całkowity koszt modernizacji napędu
wentylatora zamieszczony w tabelach 2 i 3 z ekonomicznego punktu widzenia na dzień dzisiejszy dobre
są dwa rozwiązania. Pierwsze dobre rozwiązanie to
zastosowanie silnika i przekształtnika częstotliwości
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
36
Tabela 2
Porównanie kosztów modernizacji wentylatora głównego przewietrzania typu WPK-5,0
przy zastosowaniu przekształtnika częstotliwości na niskie napięcie w PLN
Lp.
Układ regulacji →
Elementy układu ↓
Przekształtnik
częstotliwości 690 V
12 pulsów
(podwójna
transformacja)
silnik 2500 kW,
6 kV
Przekształtnik
częstotliwości 690 V
niska zawartość
harmonicznych
regulowany cos
(podwójna
transformacja)
silnik 2500 kW, 6 kV
Przekształtnik
częstotliwości 690 V
niska zawartość
harmonicznych
regulowany cos
silnik 2000 kW,
690 V
Przekształtnik
częstotliwości 690 V
niska zawartość harmonicznych
12 pulsów
(podwójna
transformacja)
silnik 2500 kW, 6 k V
Przekształtnik
częstotliwości 690 V
niska zawartość
harmonicznych
12 pulsów
silnik 2000 kW,
690 V
1.
Silnik
990 000
990 000
920 000
990 000
2.
Przekształtnik
604 000
705 000
705 000
630 000
630 000
3.
Filtr sinusoidalny
186 000
0
0
w przekształtniku
w przekształtniku
4.
Transformator –(y)
410 000
410 000
210 000
410 000
210 000
5.
Układ sterowania
60 000
60 000
60 000
60 000
60 000
6.
Monitoring
175 000
175 000
175 000
175 000
175 000
7.
Łączny koszt opracowania dokumentacji,
wykonania instalacji
i uruchomienia
195 000
195 000
195 000
195 000
195 000
2 620 000
2 535 000
2 265 000
2 460 000
2 190 000
Całkowity koszt
modernizacji
jednego napędu
Tabela 3
Porównanie kosztów modernizacji wentylatora głównego przewietrzania typu WPK-5,0
przy zastosowaniu przekształtnika częstotliwości na średnie napięcie w PLN
Lp.
Układ regulacji →
Elementy układu ↓
Przekształtnik
częstotliwości 3,3 kV
12 pulsów
silnik 2500 kW,
6/3,46 kV
Przekształtnik
częstotliwości 6 kV
niska zawartość harmonicznych
silnik 2500 kW,
6 kV
Przekształtnik
częstotliwości 6 kV
silnik
2500 kW,
6 kV
Kaskada
podsynchroniczna
silnik pierścieniowy
2400 kW,
6 kV
1.
Silnik
990 000
990 000
990 000
1 250 000
2.
Przekształtnik
800 000
1 295 000
995 000
340 000
3.
Transformator -(y)
w przekształtniku
0
0
122 000
4.
Układ rozruchowy
0
0
0
107 000
5.
Układ sterowania
60 000
60 000
60 000
60 000
6.
Monitoring
175 000
175 000
175 000
175 000
7.
Łączny koszt opracowania
dokumentacji, wykonania instalacji
i uruchomienia
195 000
195 000
195 000
195 000
2 220 000
2 715 000
2 415 000
2 249 000
Całkowity koszt modernizacji
jednego napędu
niskiego napięcia. Drugie dobre rozwiązanie to zastosowanie przekształtnika częstotliwości na napięcie
średnie 3,3 kV oraz silnika na napięcie znamionowe
6 kV, ale z uzwojeniem połączonym w trójkąt. Wtedy wprawdzie napięcie zasilające powinno mieć wartość znamionową 3,46 kV, jednak zastosowanie napięcia 3,3 kV (o 5% niższego) powoduje na tyle małe
obniżenie mocy silnika, że wystarcza do napędu wentylatora typu WPK-5,0 (tabela 1).
Rozwiązanie z przekształtnikiem częstotliwości na
napięcie 6 kV jest rozwiązaniem przyszłościowym.
W chwili obecnej koszt takiego rozwiązania jest o około
10% wyższy niż rozwiązania z przekształtnikiem na
3,3 kV. Jednak w przyszłości należy się spodziewać
spadku ceny przekształtników na napięcie 6 kV i wtedy
rozwiązanie z takim przekształtnikiem może być najlepsze, z uwagi na brak transformatorów w układzie napędowym i brak związanych z tym strat energii.
Nr 11(465) LISTOPAD 2009
Rozwiązanie z zastosowaniem kaskady podsynchronicznej w chwili obecnej ma ekonomiczne uzasadnienie w przypadku modernizacji istniejących wentylatorów, jeżeli do napędu modernizowanego wentylatora
był stosowany silnik pierścieniowy. Nie ma wtedy
konieczności wymiany silnika napędowego i takie
rozwiązanie jest o ponad połowę tańsze niż inne.
7. PODSUMOWANIE
Przystępując do modernizacji napędu wentylatorów
głównego przewietrzania kopalni należy przede
wszystkim odpowiedzieć na pytanie, czy istnieje
konieczność wymiany silnika napędowego wentylatora. Jeżeli nie ma takich zamierzeń, to o wyborze
zasilania decyduje napięcie znamionowe pozostawianego silnika. Jeżeli silnik napędowy będzie również
wymieniany, to wtedy na dzień dzisiejszy optymalne
rozwiązanie zależy od mocy napędu wentylatora.
W przypadku napędów mniejszej mocy najlepszym
rozwiązaniem jest zastosowanie silnika i przekształtnika niskonapięciowego na napięcie 690V. W przypadku większej mocy najlepszym rozwiązaniem jest
zastosowanie silnika i przekształtnika częstotliwości
na średnie napięcie. W chwili obecnej optymalne jest
zastosowanie przekształtnika na napięcie 3,3 kV,
chociaż dla mocy powyżej 2000 kW rozsądne, ze
względu na obniżenie wartości płynących prądów,
jest zastosowanie silnika i przekształtnika na napięcie
6 kV. Ponieważ obecnie jest obserwowany systematyczny spadek cen przekształtników na średnie napięcie, to coraz bardziej opłacalne będzie stosowanie
przekształtników na napięcie 6 kV, chociażby ze
względu na mniejsze straty energii w przekształtniku
i przewodach przesyłowych.
Podsumowując należy stwierdzić, iż w najbliższych
latach w kopalniach węgla kamiennego w Polsce będzie postępować modernizacja lub wymiana układów
napędowych wentylatorów głównego przewietrzania,
ponieważ urządzenia do chwili obecnej pracujące
zbliżają się już do końca swojego okresu eksploatacji.
Ponadto obserwowany w ostatnich latach postęp technologiczny i spadek cen przekształtników częstotliwości na napięcie średnie powoduje, że również z ekonomicznego punktu widzenia modernizacja bądź wymiana wyeksploatowanych, starych i energochłonnych
układów napędowych na nowe, energooszczędne silniki, zasilane poprzez przekształtniki częstotliwości
średniego napięcia, będzie uzasadniona.
W chwili obecnej producenci stosują wiele różnych
konstrukcji przekształtników częstotliwości na średnie
napięcie. Szczególnie obiecujące są konstrukcje prze-
37
kształtników o niskiej zawartości harmonicznych,
ponieważ nie wymagają one stosowania transformatorów w torze zasilania. Zastosowanie aktywnego prostownika w przekształtniku pozwala wyeliminować
transformator dopasowujący, wytwarzający wielofazowe napięcie zasilające wielopulsowy prostownik
wejściowy przekształtnika. Zastosowanie natomiast
wielopoziomowego falownika napięcia w przekształtniku, pozwala na wyeliminowanie filtra sinusoidalnego stosowanego na wyjściu przekształtnika.
W chwili obecnej jedynie firma Siemens produkuje
przekształtniki częstotliwości na napięcie średnie
wyposażone w wielopoziomowe falowniki napięcia.
Rodzina przekształtników wykorzystująca ten typ
falownika nosi nazwę „Perfect Harmony” [10], co ma
wskazywać na wręcz perfekcyjny, zbliżony do sinusoidy, kształt napięcia wyjściowego przekształtnika.
Zbliżony do sinusoidy kształt napięcia wyjściowego
jest uzyskiwany dzięki szeregowemu połączeniu
kilku mostków falownikowych, jednofazowych
w gałęzi każdej fazy, sterowanych metodą PWM.
Dodatkową zaletą tej konstrukcji jest możliwość
awaryjnego bocznikowania uszkodzonych mostków,
co pozwala na dalszą nieprzerwaną pracę przekształtnika, ale przy zmniejszonych parametrach
napięcia wyjściowego. Ta możliwość może być bardzo istotna w przypadku zasilania z przekształtnika
ważnych obiektów kopalnianych, jak chociażby wentylatorów głównego przewietrzania.
Literatura
1.
Lisiecki B., Bohosiewicz M.: Ekonomiczne aspekty przewietrzania
kopalń Katowickiego Holdingu Węglowego w procesie restrukturyzacji technicznej. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa, nr
11/327, str. 91-100, Katowice 1997.
2. Tor A., Wojciechowski S., Wikiera T.: Sposoby modernizacji stacji
wentylatorów głównych w okresie likwidacji kopalń na przykładzie
kopalń Rudzkiej Spółki Węglowej S.A. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa, nr 11/327, str. 72-84, Katowice 1997.
3. Katalog SWW 0873-12: „Wentylatory promieniowe”, Wydawnictwo
Przemysłu Maszynowego – WEMA”, Warszawa 1976.
4. Materiały Forum Napędowego Rockwell Automation, Katowice 9
stycznia 2008:
http://www.rockwellautomation.pl/applications/gs/emea/gspl.nsf/page
s/drives_forum
5. Antoni M. Plamitzer: Maszyny Elektryczne. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1970.
6. Grunwald Z.: Napęd Elektryczny. Wydawnictwo NaukowoTechniczne, Warszawa 1987.
7. Katalog „Silniki indukcyjne”, Dolnośląskie Zakłady Wytwórcze
Maszyn Elektrycznych, Wrocław.
8. Rockwell Automation Sp. z o.o.: Przekształtniki częstotliwości na
średnie napięcie, 2300-6600 V:
http://literature.rockwellautomation.com/idc/groups/literature/docume
nts/td/7000-td200_-en-p.pdf
9. ABB – Przekształtniki częstotliwości do układów napędowych
średniego napięcia:
http://www.abb.com/product/us/9AAC100218.aspx
10. Siemens – Przekształtniki AC średniego napięcia:
http://www.automation.siemens.com/download/internet/cache/3/1415
790/pub/de/ws-perfect-harmony-e.pdf
Recenzent: doc. dr inż. Franciszek Szczucki
dr inż. ANDRZEJ DZIKOWSKI
Instytut Technik Innowacyjnych EMAG
Parametry elektryczne i czasowe
układów napędowych wentylatorów głównego
przewietrzania kopalń z silnikami asynchronicznymi
zasilanymi z przekształtników częstotliwości
i kaskad podsynchronicznych
Artykuł prezentuje parametry elektryczne i zależności czasowe występujące podczas
rozruchu wentylatorów głównego przewietrzania kopalń z silnikami asynchronicznymi zasilanymi z przekształtników częstotliwości i kaskad podsynchronicznych.
W artykule przedstawiono wyniki symulacji komputerowych różnych układów
zasilania wentylatora promieniowego typu WPK-5,0 napędzanego silnikiem asynchronicznym o mocy 2500 kW. Wyniki symulacji porównano zwracając uwagę na
występujące zależności czasowe i parametry elektryczne w symulowanych układach
napędowych.
1. WSTĘP
W układach głównego przewietrzania kopalń węgla kamiennego w Polsce są stosowane najczęściej
wentylatory typu WPK-3,3, WPK-3,9, WPK-5,0 [1].
Są to wentylatory promieniowe z jednostronnie
ssącym wirnikiem. Prosta konstrukcja wentylatorów
WPK nie stwarza trudności montażowych oraz zapewnia długotrwałą bezawaryjną eksploatację sięgającą 60000 h. Konstrukcja wentylatora zapewnia
cichobieżność oraz wysoką sprawność i szeroki
zakres ekonomicznej pracy. Do napędu tych wentylatorów są stosowane silniki o mocach od 600 do
2500 kW. W niniejszej pracy przeanalizowano rozruch wentylatora typu WPK-5,0 napędzanego silnikiem o mocy 2500 kW.
2. ROZRUCH WENTYLATORA ZA POMOCĄ
PRZEKSZTAŁTNIKA CZĘSTOTLIWOŚCI
Zasilanie silnika napędowego wentylatora poprzez przekształtnik częstotliwości ma bardzo
ważną zaletę, a mianowicie w czasie rozruchu
można znacznie ograniczyć prąd rozruchowy, który nierzadko podczas rozruchu bezpośredniego
z sieci przekracza ponad 5-krotnie prąd znamionowy silnika.
Dla przykładu poniżej porównano rozruch bezpośredni wentylatora WPK-5,0 [1] napędzanego silnikiem o mocy 2500 kW typu SAUe-1716s produkcji
DOLMEL [2] z rozruchem za pomocą przekształtnika częstotliwości przy najprostszym sposobie sterowania skalarnego U/f [3,4,5].
Włączenie bezpośrednie silnika napędowego do
sieci zasilającej 6 kV powoduje przepływ prądu rozruchowego przekraczającego 5-krotnie wartość prądu
znamionowego (IN = 294A) przez czas około 30 sekund, co przedstawia rys. 1.
Na rys. 1 został przedstawiony przebieg wartości
skutecznej prądu [A] oraz prędkość obrotowa
[obr./min.] w czasie rozruchu silnika 2500 kW obciążonego wentylatorem WPK-5,0 podczas bezpośredniego włączenia do sieci zasilającej 6 kV. Całkowity czas rozruchu do prędkości znamionowej
370 obr./min trwa ponad 33 sekund.
Symulacje komputerowe zostały przeprowadzone
za pomocą programu PSIM v.7.1 firmy Powersim
Inc. będącego symulatorem układów energoelektronicznych [6].
Nr 11(465) LISTOPAD 2009
39
Rys. 1. Prąd rozruchowy i prędkość obrotowa silnika 2500 kW przy rozruchu bezpośrednim z sieci
Rys. 2. Prąd rozruchowy i prędkość obrotowa silnika 2500 kW zasilanego z przekształtnika U/f = const.
Rys. 3. Moment elektromagnetyczny silnika 2500 kW zasilanego z przekształtnika U/f = const.
Dla porównania na rys. 2 został przedstawiony
przebieg wartości skutecznej prądu [A] oraz prędkość obrotowa [obr./min] w czasie rozruchu takiego
samego układu silnik-wentylator, przy zasilaniu
z przekształtnika częstotliwości wytwarzającego
napięcie 3-fazowe o liniowo narastającej częstotliwości i zachowaniu stałego stosunku wartości napięcia
do częstotliwości (U/f = const.).
Jak widać na rys. 2 wartość prądu rozruchowego
spadła prawie dwukrotnie i znacząco skrócił się czas
rozruchu, który przy rozruchu z przekształtnika wynosi poniżej 10 sekund, a więc przeszło 3-krotnie
mniej niż przy rozruchu bezpośrednim z sieci.
Czas rozruchu uległ tak dużemu skróceniu na skutek
dużego momentu rozruchowego rozwijanego przez
silnik sterowany częstotliwościowo z przekształtnika.
Na rys. 3 jest przedstawiony przebieg momentu
elektromagnetycznego [Nm] w czasie rozruchu układu silnik-wentylator zasilanego z przekształtnika
częstotliwości przy U/f = const.
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
40
Rys. 4. Moment elektromagnetyczny silnika 2500 kW przy rozruchu bezpośrednim z sieci
Rys. 5. Przebieg współczynnika mocy cos  przy rozruchu bezpośrednim z sieci
Jak widać na rys. 3 moment elektromagnetyczny
silnika przez cały czas rozruchu utrzymuje się powyżej 200% wartości momentu znamionowego (MN =
67,8 kN), co powoduje znaczne skrócenie czasu rozruchu.
Dla porównania na rys. 4 jest przedstawiony moment elektromagnetyczny silnika [Nm] przy rozruchu
bezpośrednim z sieci.
Jak widać na rys.4 moment rozruchowy przez 80%
czasu rozruchu jest poniżej wartości momentu znamionowego silnika (MN = 67,8 kN), a w początkowej
fazie rozruchu dodatkowo występują silne oscylacje
momentu.
Niska wartość momentu rozruchowego przy zasilaniu bezpośrednim z sieci wynika z dużej częstotliwości napięcia indukowanego w wirniku silnika
napędowego, w początkowej fazie rozruchu około
50 Hz, co powoduje duży spadek napięcia na reaktancji rozproszenia wirnika, a tym samym niski
współczynnik mocy. Przebieg współczynnika mocy
w czasie rozruchu bezpośredniego z sieci przedstawia rys. 5.
Jak widać na rys. 5 wartość współczynnika mocy
przez prawie 80% czasu rozruchu utrzymuje się poniżej wartości cos =0,2. Taka niska wartość współ-
czynnika mocy charakteryzuje rozruch bezpośredni
z sieci dużym zapotrzebowaniem na moc bierną, co
wiąże się bezpośrednio z koniecznością dysponowania przez układ zasilania dużą mocą pozorną. Na
rys. 6 są przedstawione przebiegi mocy czynnej [W]
i pozornej [VA] podczas rozruchu układu silnikwentylator.
Jak widać na rys. 6 wymaganie układu silnikwentylator na moc pozorną układu zasilania przekracza 5-krotnie moc znamionową zasilanego silnika
(SN = 3,055 MVA).
Tak dużego przewymiarowania układu zasilania
można uniknąć przy rozruchu z przekształtnika. Na
rys. 7 jest przedstawiony przebieg współczynnika
mocy w czasie rozruchu układu silnik-wentylator
przy zastosowaniu przekształtnika przy sterowaniu
skalarnym U/f = const.
Jak widać na rys. 7 wartość współczynnika mocy
w czasie rozruchu praktycznie cały czas przekracza
wartość cos  = 0,8. Spowodowane to jest utrzymywaniem przez cały czas rozruchu niskiej częstotliwości napięcia indukowanego w wirniku silnika napędowego, co powoduje występowanie małego spadku
napięcia na reaktancji rozproszenia wirnika, a tym
samym duży współczynnik mocy.
Nr 11(465) LISTOPAD 2009
Rys. 6. Przebieg mocy czynnej i pozornej przy rozruchu bezpośrednim z sieci silnika 2500 kW
Rys. 7. Przebieg współczynnika mocy cos przy rozruchu z przekształtnika U/f = const.
Rys. 8. Przebieg mocy czynnej i pozornej przy rozruchu silnika 2500 kW z przekształtnika U/f = const.
Rys. 9. Przebieg mocy czynnej i pozornej przy rozruchu silnika 2500 kW z przekształtnika
przy nieliniowym kształtowaniu charakterystyki U/f
41
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
42
Rys. 10. Prąd rozruchowy i prędkość obrotowa silnika 2500 kW zasilanego z przekształtnika
przy nieliniowym kształtowaniu charakterystyki U/f
Rys. 11. Prąd rozruchowy i prędkość obrotowa silnika pierścieniowego 2500 kW
przy rozruchu rezystancyjnym
Na rys. 8 są przedstawione przebiegi mocy czynnej [W] i pozornej [VA] w czasie rozruchu układu
silnik-wentylator zasilanego z przekształtnika
(U/f = const.).
Jak widać na rys. 8 wymaganie układu silnikwentylator na moc pozorną układu zasilania przekracza już tylko 3-krotnie moc znamionową zasilanego silnika. Można jeszcze bardziej ograniczyć
pobór mocy podczas rozruchu odpowiednio kształtując charakterystykę zasilania silnika w czasie rozruchu. Przekształtniki częstotliwości umożliwiają
takie kształtowanie charakterystyki [7,8,9].
Dla przykładu na rys. 9 są przedstawione przebiegi mocy czynnej [W] i pozornej [VA] w czasie rozruchu układu silnik-wentylator zasilanego z przekształtnika przy nieliniowym kształtowaniu charakterystyki U/f.
Jak widać na rys. 9 lekko nieliniowe kształtowanie charakterystyki U/f podczas rozruchu (szybkość
narastania częstotliwości maleje w czasie rozruchu)
popozwala ograniczyć pobór mocy. Chwilowa moc
pobierana z układu zasilania w tym przypadku nie
przekracza 2-krotnej wartości mocy znamionowej
silnika. Ograniczenie poboru mocy spowodowało
lekkie wydłużenie czasu rozruchu o około 30%
w stosunku do poprzedniego przypadku. Ograniczenie mocy ogranicza również pobór prądu w czasie
rozruchu, co przedstawia rys. 10.
Jak widać na rys. 10 wartość prądu pobieranego
przez silnik 2500 kW przez większość czasu rozruchu nie przekracza 2-krotnej wartości prądu znamionowego silnika.
3. ROZRUCH WENTYLATORA W UKŁADZIE
KASKADY PODSYNCHRONICZNEJ
Jeżeli do regulacji prędkości obrotowej wentylatora
głównego przewietrzania zastosowano układ kaskady
podsynchronicznej to zwykle elementy energoelektroniczne wykorzystane do budowy kaskady nie pozwalają na rozruch silnika w układzie kaskady. Rozruch nie
jest możliwy ze względu na długi czas rozruchu i małą
przeciążalność układów energoelektronicznych, a nie
jest opłacalne duże przewymiarowanie elementów
Nr 11(465) LISTOPAD 2009
43
Rys. 12. Moment elektromagnetyczny silnika 2500 kW podczas rozruchu rezystancyjnego
Rys. 13. Przebieg współczynnika mocy cos  przy rozruchu rezystancyjnym
energoelektronicznych tylko po to, aby rozruch
w układzie kaskady był możliwy. Dlatego do rozruchu stosuje się rozruch rezystancyjny, zwykle kilka
przełączanych stopni rezystorów rozruchowych,
a dopiero po rozruchu przejście w tryb kaskady.
Dla przykładu poniżej przeprowadzono symulację
rozruchu rezystancyjnego 4-stopniowego, silnika
pierścieniowego 2500 kW typu SAUe-1716s produkcji DOLMEL obciążonego wentylatorem WPK-5,0
[1,2,3,4].
Występującą w układzie wartość skuteczną prądu
rozruchowego [A] oraz prędkość obrotową [obr./min]
przedstawia rys. 11.
Jak widać na rys.11 prąd rozruchowy silnika tylko
nieznacznie i przez krótki czas przekracza wartość
2-krotnego prądu znamionowego silnika (IN = 294A).
Czas rozruchu nieznacznie przekracza 13 sekund.
Czas rozruchu jest krótki dzięki dużemu momentowi
elektromagnetycznemu rozwijanemu przez silnik
pierścieniowy podczas rozruchu rezystancyjnego.
Rysunek 12 przedstawia przebieg momentu elektromagnetycznego silnika [Nm] podczas 4-stopniowego rozruchu rezystancyjnego.
Jak widać na rys. 12 przebieg momentu elektromagnetycznego silnika podczas rozruchu rezystancyjnego nie jest tak dobry jak podczas rozruchu z wykorzystaniem przekształtnika, jednak jest o wiele lepszy
niż podczas rozruchu bezpośredniego z sieci. W początkowej fazie rozruchu również występują duże
oscylacje momentu, tak jak przy rozruchu z sieci.
Niewątpliwą wadą rozruchu rezystancyjnego jest
występowanie uderzeń momentu w czasie włączania
kolejnych stopni rezystancyjnych.
Na rys. 13 jest przedstawiony przebieg współczynnika mocy w czasie rozruchu układu silnikwentylator podczas rozruchu rezystancyjnego.
Jak widać na rys. 13 współczynnik mocy podczas
rozruchu rezystancyjnego silnika pierścieniowego
przez cały czas rozruchu pozostaje wysoki i przekracza wartość cos  = 0,8.
Dzięki temu rozruch rezystancyjny charakteryzuje się dobrym wykorzystaniem mocy i stawia małe
wymaganie dla układu zasilania.
Na rys. 14 są przedstawione przebiegi mocy
czynnej [W] i pozornej [VA] w czasie rozruchu
rezystancyjnego układu silnik-wentylator.
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
44
Rys. 14. Przebieg mocy czynnej i pozornej przy rozruchu rezystancyjnym silnika 2500 kW
Jak widać na rys. 14 rozruch rezystancyjny stawia małe wymagania układowi zasilania, chwilowa wartość pobieranej mocy przekracza 3-krotnie
wartość mocy znamionowej silnika i rozruch rezystancyjny jest pod tym względem zbliżony do
rozruchu z użyciem przekształtnika częstotliwości
z najprostszym rodzajem sterowania skalarnego
U/f = const.
Czas rozruchu jest nieco dłuższy od czasu rozruchu z zastosowaniem przekształtnika częstotliwości.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
4. PODSUMOWANIE
Porównując różne układy stosowane do napędu
wentylatorów głównego przewietrzania kopalń ze
względu na występujące parametry elektryczne
i czasowe najlepsze jest zastosowanie do zasilania
silnika napędowego przekształtnika częstotliwości.
Zastosowanie
przekształtnika
umożliwiającego
kształtowanie charakterystyki napięcia zasilającego
silnik napędowy wentylatora umożliwia znaczne
ograniczenie występujących w czasie rozruchu prądów oraz pozwala na niewielkie przewymiarowanie
układów zasilania w stosunku do mocy znamionowej
silnika napędowego.
Zastosowanie kaskady podsynchronicznej i związanego z tym rozruchu rezystancyjnego wymaga
zwykle większego przewymiarowania układów zasilania. Również czas rozruchu układu silnikwentylator jest zwykle dłuższy niż z zastosowaniem
przekształtnika częstotliwości.
Literatura
1.
Katalog SWW 0873-12: „Wentylatory promieniowe”, Wydawnictwo Przemysłu Maszynowego - WEMA”, Warszawa 1976.
Katalog „Silniki indukcyjne”, Dolnośląskie Zakłady Wytwórcze
Maszyn Elektrycznych, Wrocław.
Plamitzer A.M.: Maszyny Elektryczne. Wydawnictwo NaukowoTechniczne, Warszawa 1970.
Grunwald Z.: Napęd Elektryczny. Wydawnictwo NaukowoTechniczne, Warszawa 1987.
Kalus M., Skoczkowski T.: Sterowanie napędami asynchronicznymi i prądu stałego. Wydawnictwo Pracowni Komputerowej
Jacka Skalmierskiego, Gliwice 2003.
Symulator układów energoelektronicznych PSIM v.7.1:
http://www.powersimtech.com/download.html
Rockwell Automation Sp. z o.o.: Przekształtniki częstotliwości na
średnie napięcie, 2300-6600 V:
http://www.ab.com/mvb/pf7000.html
ABB – Przekształtniki częstotliwości do układów napędowych
średniego napięcia:
http://www.abb.com/product/pl/9AAC100218.aspx?country=PL
Siemens – Przekształtniki AC średniego napięcia:
http://www.automation.siemens.com/ld/acumrichter/html_76/perfectharmony/perfectharmony-1.html
Recenzent: doc. dr inż. Franciszek Szczucki
mgr inż. AGATA BARTNIK
Instytut Technik Innowacyjnych EMAG
Metoda diagnostyczna w audycie powdrożeniowym
systemu ERP na przykładzie firmy z branży chemicznej
– studium przypadku
W artykule opisano studium przypadku – audytu – w branży paliwowej, dotyczącego
analizy powdrożeniowej systemu klasy ERP. Głównym celem audytu było opracowanie i zaprezentowanie zarządowi raportu z analizy wdrożenia systemu ERP w badanej firmie oraz przedstawienie procesów i funkcji, które są zaimplementowane
w systemie, a także zaproponowanie wprowadzenia niezbędnych zmian w zakresie
wykorzystania funkcji systemu ERP. Wypracowano dwa warianty rozwiązań możliwych do realizacji: – przystosowanie istniejącego systemu informatycznego tak, aby
otrzymywane informacje były spójne i mogły posłużyć do lepszego zarządzania firmą, – zakupienie i wdrożenie nowego systemu informatycznego klasy ERP. Ostatecznie pozostano przy wariancie pierwszym. Jednakże – wykorzystując przeprowadzone podczas audytu analizy – przemodelowano sposób planowania procesu głównego, zmieniono strukturę organizacyjną – wspierając łańcuch logistyczny i dokonano całkowitej przebudowy strategii rozwoju. Wprowadzone zmiany organizacyjne
i uporządkowanie procesów, dobór odpowiedniej kadry oraz determinacja zarządu
spowodowały, że firma osiągnęła w pierwszym półroczu zysk.
1. WPROWADZENIE
Diagnostyka z greckiego „diagnōstikós” oznacza
„umiejący rozpoznawać”. Często kojarzy się
z nauką o rozpoznawaniu chorób na podstawie
wywiadu lekarskiego, badaniach chorego, analizy
objawów i wyników badań dodatkowych [3]. Okazuje się jednak, że metoda diagnostyczna może być
z powodzeniem stosowana w ocenie zjawisk i procesów zachodzących także w przedsiębiorstwie.
Jest również znakomitym narzędziem sprawdzającym efekty wprowadzanych zmian organizacyjnych. W poniżej opisanym przypadku posłużyła do
oceny stanu wdrożenia systemu w pewnej firmie
z branży paliwowej. I trudno teraz określić czy
była to analiza powdrożeniowa (firma używała już
systemu klasy ERP), czy też przedwdrożeniowa –
bo pojawił się pomysł „przymiarki” innego, bardziej rozbudowanego sytemu do wdrożenia w tej
właśnie firmie.
Zarząd firmy, do przeprowadzenia audytu skłoniło
kilka pytań o podstawowym znaczeniu:
 Co w dzisiejszych czasach najważniejsze jest dla
firmy i jej efektywnego funkcjonowania?
 Jak przetrwać kryzys?
 Jak wreszcie zdobyć Klienta, a później zatrzymać
go w gronie swoich stałych odbiorców?
 Jak sprawić, aby towary i oferowane usługi były
najwyższej jakości, nie tylko w aspekcie jakości jako takiej, ale również terminowości dostaw czy
kompleksowości oferty?
 Co z kosztami produkcji, materiałów, innych zasobów, z ich optymalnym wykorzystaniem?
 Jak kształtuje się cena naszych produktów, marża,
jaki wreszcie możemy wypracować zysk?
 Jak określić optymalne portfolio produktowe na
rzeczywistym – a więc pełnym ograniczeń rynku?
Audyt miał polegać na ocenie stopnia wykorzystania wdrożonego systemu klasy ERP oraz możliwości
ewentualnych usprawnień. W jakim celu? Aby zyskać strategiczną przewagę konkurencyjną.
46
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
Nie będziemy oczywiście omawiać w tym miejscu
aspektu tworzenia oferty produktowej ani wariantów
produkcji, a zajmiemy się wyłącznie usprawnianiem
łańcucha dostaw, minimalizacją kosztów i słabych
ogniw. Zastanówmy się zatem o czym menadżerowie
firm powinni pamiętać, aby sprostać z jednej strony
oczekiwaniom Klientów, a z drugiej utrzymać firmę
na rynku w dobrej kondycji finansowej. Czy sposób
planowania, wyboru jak np. produkować, oraz jak
sprzedawać, gdzie kupować, w jakich ilościach, jak
dostarczać może decydować o sukcesie? Wydaje się,
że zarówno dobór odpowiednich metod planistycznych jak i odpowiednie wykorzystanie zasobów będzie miało kolosalne znaczenie szczególnie w dobie
kryzysu, gdzie z jednej strony nie możemy sobie
pozwolić na wygórowane ceny naszych produktów,
a z drugiej strony spadek zamówień czy zmiana ich
profilu będzie wpływał na zapasy materiałów, wykorzystanie parku maszynowego czy nawet na potrzebne kwalifikacje naszego personelu, a co za tym idzie
na ogólną kondycję całej firmy. Nie bez powodu
klasyk instytucjonalizmu – John K. Galbraith [2] –
podkreślał rolę planowania gospodarczego.
Skuteczne zarządzanie łańcuchem dostaw to wielkie wyzwanie. Musimy myśleć o wszystkich aspektach firmy i jej zarządzania, a mając na uwadze olbrzymią ilość napływających do i z firmy informacji,
które trzeba przetwarzać on-line, aby podejmować
skuteczne decyzje jest nie lada przedsięwzięciem.
Wydaje się, że takie zarządzanie bez sprawnego narzędzia wykorzystującego nowoczesne technologie
informatyczne i bazy danych będzie zadaniem niełatwym, a wręcz czasami niemożliwym, szczególnie
dla firm, w których ilość transakcji księgowych czy
logistycznych w ciągu dnia przekracza tysiące czy
setki tysięcy lub takich, w których wpływ jednych
parametrów na inne jest skomplikowany i trudny do
analitycznego zdefiniowania.
Firmy potrzebują narzędzi, które ułatwią im zarządzanie produktami, zleceniami i innymi zasobami
(pracownicy, maszyny, linie produkcyjne, narzędzia)
i procesami. I co więcej, pomogą w podejmowaniu
szybkich decyzji – o przyjęciu zamówienia, o zakupie
atrakcyjnego surowca, o złapaniu okazji zanim zrobi to
konkurencja. Efektywne wykorzystanie zasobów może
być ogniwem zapewniającym sukces na rynku,
a świadome ich planowanie zmniejszy koszty i ewentualne straty, a w efekcie ułatwi osiągnięcie przewagi
konkurencyjnej. Dlatego zagadnienia związane z obsługą łańcucha dostaw i jego sprawnego funkcjonowania są ciągle przedmiotem badań i dyskusji.
Kluczowe zagadnienie to sposób w jaki firmy powinny wybierać i wdrażać narzędzia, które z jednej
strony będą dostarczały niezbędnych informacji
o firmie (patrząc na całokształt informacji), a z drugiej zaś w sposób kontrolowany i przyjazny dla menadżera „podpowiadały”, co zrobić w danej chwili,
jaką podjąć decyzję?
Taką rolę mogą spełniać systemy informatyczne
klasy ERP uzupełnione o inne, jak np. BI. Ale zanim
firma zdecyduje się na zakup oraz wdrożenie takiego
systemu, musi podjąć się samooceny stanu istniejącego w firmie oraz przemyśleć, w jaki sposób realizować istniejące i przyszłe procesy.
Dalej, część firm po wdrożeniu systemu lub jego
części próbuje ocenić stan aktualny i efekty wdrożenia,
czy system przyczynił się do wzrostu efektywności,
a procesy zostały maksymalnie zoptymalizowane.
I w końcu – świat nie jest statyczny – po pewnym
czasie użytkowania niezbędna jest weryfikacja, czy
wdrożony system nadal służy zakładanym celom
i jest efektywny.
Te zadania może realizować metoda diagnostyczna,
której główne założenia przedstawione zostaną poniżej.
2. ZAŁOŻENIA METODY DIAGNOSTYCZNEJ
Pełne wykorzystanie metody diagnostycznej wymaga wykonania sekwencji (rys. 1) następujących
działań:
1) Określić cel i obiekt badań;
2) Zidentyfikować stan dotychczasowy – opis sytemu A;
3) Porównać wynik z wzorcami i normami;
4) Zdiagnozować, rozpoznać na podstawie odchyleń
stanu rzeczywistego z pożądanym;
5) Zaprojektować rozwiązania, eliminując odchylenia (różne warianty rozwiązań);
6) Wybrać wariant najbardziej optymalny;
7) Wdrożyć wybrany wariant i metodę wdrożenia;
8) Kontrolować i oceniać, analizować wyniki,
wprowadzać ewentualne korekty.
Metodologia tego sposobu postępowania jest zgodna z coraz częściej akceptowaną i stosowaną metodyką Six Sigma, zawartą w sekwencji DMAIC (Definiuj, Mierz, Analizuj, Poprawiaj, Sprawdzaj).
W klasycznym podejściu metodę diagnostyczną
ujmuje się w procedury [1]:
 wstępną – dla określenia celu i przedmiotu badania,
 podstawową – dla identyfikacji, krytycznej i konstruktywnej oceny i analizy, projektowania wariantów rozwiązań, wybóru i uzasadnienia wariantu
optymalnego,
 końcową dla przygotowania warunków do wdrożenia i wprowadzania nowych rozwiązań do praktyki oraz kontroli realizacji i analizy efektów funkcjonowania nowych rozwiązań.
Nr 11(465) LISTOPAD 2009
47
System
dotychczasowy A
Identyfikacja,
analiza i ocena
Projekt
zmian
System
pożądany B
Rys. 1. Sposób postępowania w metodzie diagnostycznej
Metoda ta pozwala na holistyczne spojrzenie na
problem oraz jego konteksty. Powinna odpowiadać
na pytania:
1. Co i po co badać?
2. Jak jest?
3. Co funkcjonuje dobrze, a co niedobrze?
4. Dlaczego tak jest?
5. Jaki dystans dzieli nas od innych?
6. Jakie mamy szanse i co grozi nam ze strony otoczenia?
7. Jakie są nasze atuty, a jakie słabości?
8. Jak może być lepiej, jeśli wykorzystamy nowe
szanse i atuty oraz zniwelujemy słabości i zagrożenia?
9. Co i jak powinniśmy konkretnie zrobić?
10. Jakie dodatkowe efekty możemy uzyskać po
wdrożeniu zaproponowanych rozwiązań?
W metodach opartych na podejściu diagnostycznym do ważnych źródeł informacji o funkcjonowaniu
badanego systemu organizacyjnego należą:
 człowiek (uczestnik badanych procesów, np. wykonawca, dostawca, odbiorca),
 maszyna (uczestnicząca w procesach pracy i produkcji),
 proces (organizacja pracy i produkcji, przebieg
materiałów, przebieg procesów zarządzania, obieg
dokumentacji itp.),
 dokumentacja techniczna, organizacyjna i ekonomiczna dotycząca badanego systemu organizacyjnego,
 wytwór (wyrób);
 najbliższe otoczenie, przejawiające się w kulturze
badanej organizacji.
Wykorzystanie opisanej metody okazało się jednym ze skuteczniejszych narzędzi analizy sytuacji
w firmie i jako konsultant wdrożeniowy, przeprowadzając audyty w firmach z różnych branż, mogłam
osobiście się o tym przekonać.
3. STUDIUM PRZYPADKU
Jednym z przykładów okazał się audyt w firmie
z branży chemicznej, który dotyczył analizy istniejących procesów logistycznych i wykorzystania wdro-
żonego systemu klasy ERP. Osoby decyzyjne – mając świadomość niepełnego wykorzystania możliwości systemu – zdecydowały się na analizę, zdając
sobie sprawę, że skuteczne zarządzanie oraz sprawne
funkcjonowanie łańcucha dostaw może wspomóc
dążenie do sukcesu. Wyciągnięte wnioski na podstawie przeprowadzonych badań organizacji miały
posłużyć do korekty wykorzystania funkcji istniejącego systemu lub wręcz do podjęcia decyzji o zakupie innego, w którym będzie możliwe lepsze zaimplementowanie procesów tej firmy.
3.1. Procedura wstępna,
i przedmiotu badania
określenie
celu
Celem badania było opracowanie i zaprezentowanie zarządowi raportu z analizy wdrożenia systemu
ERP w badanej firmie oraz przedstawienie procesów
i funkcji, które są zaimplementowane w systemie,
a także zaproponowanie wprowadzenia niezbędnych
zmian w zakresie wykorzystania funkcji systemu
ERP. Podstawowym celem było zmniejszenie pracochłonności tworzenia raportów i poprawa aktualności
uzyskiwanych informacji oraz wyeliminowanie nieformalnego obiegu dokumentów.
Przedmiotem badania będzie firma X, jej sposób
zarządzania, określenie aktualnego stanu rzeczy.
Być może celowym będzie sformułowanie istniejących problemów, tzn. nieefektywny wybór dostawców czy surowców, spóźnienia w realizacji sprzedaży, zbyt długi czas odpowiedzi do Klienta przy
potwierdzaniu zamówień, zbyt wysokie (i nie do
końca zidentyfikowane) koszty wytworzenia produktów, absencja pracowników, słabe wykorzystanie parku maszynowego, nieznane koszty gwarancji, planowanie procesu technologicznego bez
udziału systemów informatycznych (na kartce,
w zeszycie, w głowie lidera?), wysokie zapasy,
materiały trudnochodliwe – zalegające składy,
nieefektywny transport, niska jakość wyrobów,
mała marża na produktach, a w efekcie niski, niesatysfakcjonujący wynik finansowy.
Sformułujmy problem badawczy, który jawi się
rozpatrując aktualną sytuację firmy. Wdrożono w niej
system klasy ERP, ale zarząd firmy nie może uzyskać
informacji zarządczej, która jest niezbędna do
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
48
Proces informowania kierownictwa
Finanse, księgowość, kontroling
Systemy jakości, ochrony środowiska i BHP
Produkcja półfabrykatów
Zakupy
Produkcja wyrobów
Sprzedaż
Planowanie potrzeb materiałowych i produkcyjnych
Rys. 2. Główne procesy w firmie poddane analizie
podejmowania decyzji. Jej pracownicy w wielu przypadkach wciąż używali metod tradycyjnych do dokumentowania i archiwizowania informacji, a wykorzystanie funkcji systemu było na poziomie 40 %.
Ponadto istnieje drugi, nieformalny obieg informacji
i dokumentów. Prawdziwa „szara strefa”.
Zatem postawmy hipotezę:
Wybrany system klasy ERP został prawidłowo wdrożony, pracownicy zostali odpowiednio przeszkoleni
i potrafią w pełni wykorzystać jego możliwości, a więc,
wszystkie procesy logistyczne, produkcyjne, księgowe
i inne mogą być zaimplementowane w systemie w pełni,
dając możliwość uzyskania informacji o firmie on-line.
3.2. Procedura podstawowa
Zajmijmy się teraz podstawową częścią metody
diagnostycznej, a więc:
 zidentyfikujmy, gdzie występują problemy,
 przeprowadźmy krytyczną i konstruktywną ocenę
i analizę,
 zaprojektujmy warianty rozwiązań,
 wybierzmy i uzasadnijmy wariant optymalny.
Kierownictwo firmy zidentyfikowało obszary, którym ich zdaniem należałoby poświęcić najwięcej
uwagi. Był to oczywiście wybór subiektywny odzwierciedlający wiedzę zarządu o istniejących
w firmie problemach, to jest o:
 budżetowaniu, planowaniu i organizowaniu zakupu
surowców,
 bilansowaniu zapotrzebowań klientów oraz możliwości produkcyjnych,
 zgłaszaniu zapotrzebowania na materiały pomocnicze do produkcji,
 tworzeniu zamówień zakupu i monitorowaniu dostaw,
 wyborze, ocenie firm transportowych, organizacji
transportu,
 przyjęciu dostaw surowców i materiałów pomocniczych do produkcji,
 rozliczaniu faktur zakupowych i za usługi transportowe,
 magazynowaniu surowców, materiałów pomocniczych, półwyrobów i wyrobów,
 ustalaniu strategii wykorzystania surowców i instalacji,
 tworzeniu i modyfikowaniu receptur technologicznych,
 planowaniu i sterowaniu produkcją wyrobów, pozwalającym na optymalne wykorzystanie dostępnych surowców na istniejącym rynku Klienta,
 raportowaniu,
 kontrolingu – budżetowaniu, rozliczaniu kosztów
produkcji na grupy produktów, TKW, prognozie
wyników i rentowności,
 realizacji sprzedaży,
 księgowości,
 obiegu i archiwizacji dokumentacji wewnętrznej,
jako procesie towarzyszącym innym procesom
głównym w firmie.
Zespół audytujący – w porozumieniu z zarządem –
zdecydował się na przeprowadzenie szeregu badań
diagnostycznych, obejmujących:
 obserwację i identyfikację głównych procesów
w firmie, wymienionych powyżej,
 przeprowadzenie ankiety wśród wybranych Klientów,
 strategiczną analizę otoczenia (analizę SWOT),
 benchmark systemów informatycznych klasy ERP
w wybranych polskich firmach,
 analizę istniejącej dokumentacji (będzie szerzej
opisana).
3.2.1. Obserwacja i identyfikacja głównych
procesów w firmie
Na podstawie prowadzonych obserwacji oraz
przeprowadzonych wywiadów z kluczowymi pracownikami, uczestnikami różnych procesów, zdołano zidentyfikować procesy główne przedstawione na rys. 2.
Nr 11(465) LISTOPAD 2009
49
Tabela 1
Zestawienie problemów i skutki ich występowania
Stan istniejący
Skutki
Żaden proces biznesowy nie jest obsługiwany
w całości przez system ERP
Brak kontroli nad procesami biznesowymi firmy; brak możliwości uzyskania szybkiej
informacji potrzebnej do podejmowania decyzji (on-line)
Proces planowania potrzeb materiałowych
– poza systemem ERP
Brak kontroli nad poprawnym bilansowaniem potrzeb i określaniem terminów
dostaw; brak możliwości predykcji kosztów materiałów;
Proces rozliczania materiałów, półfabrykatów
i wyrobów gotowych – w systemie ERP
– z opóźnieniem, raczej dla celów księgowych
Informacja o zużyciu oraz stanach magazynowych – informacja dostępna off-line,
uśredniona
Proces planowania potrzeb produkcyjnych
i sterowania produkcją – poza systemem ERP
Nieefektywne wykorzystanie zasobów, brak kontroli nad wąskimi gardłami
w procesie produkcyjnym; nieefektywne przezbrajanie procesu produkcyjnego
Procesy księgowe – główne – w systemie ERP
Poprawne informacje służące celom księgowo-podatkowym
Zakupy i Sprzedaż- proces główny obsługiwany
w systemie ERP
Część dokumentów oraz procesów pomocniczych przygotowywanych jest
w innym oprogramowaniu (nakładki, Excel)
Kontroling kosztów
Z uwagi na brak dużej części informacji w systemie ERP (np. BOM i technologia)
nie jest możliwe prognozowanie kosztów wytworzenia wyrobów, marż na wyrobach,
opłacalności wykorzystania danego surowca w produkcji danego typu asortymentu
Brak integracji pomiędzy systemami
dodatkowymi a głównym systemem ERP
Brak możliwości kontroli całych procesów biznesowych
Dodatkowe systemy i nakładki
Brak jednej hurtowni danych, trudność w uzyskiwaniu informacji zarządczej
Tabela 2
Analiza SWOT
Silne strony
 Długoletnie doświadczenie w zakresie produkcji i sprzedaży na rynku
paliwowym.
 Zaufanie Klientów do naszych produktów.
 Znajomość (także personalna) środowiska na rynku C, możliwość
reakcji na oczekiwania Klienta.
 Znajomość środowiska dostawców branżowych.
 Sprawdzone grono firm współpracujących oraz grup outsourcingu
znającego specyfikę branży.
 Inne
Szanse
 Przywiązanie Klientów do naszych produktów.
 Doświadczenie w szkoleniu i doradztwie Klienta.
 Łatwość w rozszerzeniu asortymentu firmy zgodnie z wymaganiami
Klienta.
 Mała konkurencja.
 Inne.
Udało się też sprecyzować stan istniejący oraz
określić wynikające z tego skutki (tab. 1).
3.2.2. Przeprowadzenie ankiety wśród
wybranych Klientów
Ankietę przeprowadzono wśród wybranych Klientów, kierując się zasadą Pareto, to jest wybrano
Klientów, którzy w ostatnim roku kupili produkty
wartości 80% całkowitej sprzedaży. Składała się ona
z pięciu części pytań tematycznie zamkniętych i dotyczyła: jakości wyrobów, terminowości dostaw,
jakości obsługi Klienta, ceny produktów, dostępności
produktów. Zawierała również pytania tematycznie
otwarte, w których Klienci mogli wypowiedzieć się
Słabości
 Brak wnikliwej analizy procesów wewnątrz firmy i ich znaczenia
na efektywność.
 Brak możliwości szybkiego uzyskiwania informacji do celów
zarządczych.
 Brak sprawnie działającego systemu informatycznego, który
obejmuje swoim zakresem całą działalność firmy.
 Trudność w śledzeniu tworzenia wartości dodanej w procesach
przetwórczych.
 Inne.
Zagrożenia
 Niższe ceny produktów konkurencyjnych na rynku.
 Posiadanie przez konkurentów systemów ERP ułatwiających
kontrolę i zarządzanie firmą.
 Inne.
na temat dalszej współpracy z firmą, co im przeszkadza, a co im się podoba w dotychczasowej współpracy oraz jak oceniają jej konkurentów.
3.2.3. Strategiczna diagnoza otoczenia –
analiza SWOT
Odpowiedzi na pierwszą grupę pytań przeanalizowano stosując klasyczną analizę statystyczną opartą
o podstawowe miary statystyczne, natomiast odpowiedzi opisowe (druga grupa) posłużyły do opracowania najważniejszych mocnych i słabych stron widzianych oczyma Klienta. Pozwoliło to sformułować
strategiczną diagnozę otoczenia (tab. 2) z największymi konkurentami firmy.
50
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
Dodatkową korzyścią była weryfikacja wiedzy
o konkurencji, która pozwoliła na stworzenie mapy grup strategicznych. Ta zaś pokazała istniejącą
lukę rynkową – i w efekcie zachęciła zarząd do
rewizji strategii rozwoju przedsiębiorstwa.
last but not least” – lepsze efekty finansowe dla jej
właściciela.
3.2.4. Benchmark systemów informatycznych
klasy ERP w wybranych polskich
firmach
Konsultanci opracowali kwestionariusz zawierający zestaw pytań charakteryzujących wprowadzony w
ankietowanym przedsiębiorstwie system ERP, który
przesłano następnie do wybranych zaprzyjaźnionych
firm, używających tego typu systemy. Na tej podstawie uzyskano informacje, jakiego typu systemy są
używane w branży lub innych branżach wykazujących podobieństwa w złożoności procesów (patrząc
na podobne przedsiębiorstwa w branży, stopień złożoności zidentyfikowanych procesów oraz referencje
po wdrożeniach). Badanie to pozwoliło na pozycjonowanie istniejącego systemu zarówno pod kątem
ceny, jak i funkcjonalności pośród innych istniejących na rynku.
Na podstawie otrzymanych wyników ankiet, analiz
i wywiadów kierownictwo firmy zdecydowało się
wypracować dwa warianty rozwiązań możliwych do
realizacji. W każdej zaproponowano zmianę struktury firmy, dopasowując ją do procesów głównych,
usprawnienie obiegu dokumentacji poprzez wdrożenie odpowiednich procedur wewnętrznych, usystematyzowanie wiedzy o procesach głównych opracowując zestaw procedur do wdrożenia. Zróżnicowano
fazę drugą realizacji, proponując w pierwszym wariancie przystosować istniejący system informatyczny (wraz z istniejącymi nakładkami i dodatkowymi narzędziami) tak, aby otrzymywane informacje
były spójne i mogły posłużyć do lepszego zarządzania firmą. Natomiast w wariancie drugim zaproponowano, by zakupić i wdrożyć nowy system informatyczny klasy ERP celem uzyskiwania pełnej
informacji o firmie on-line.
Po odpowiednich analizach ekonomicznych wybrano wariant drugi. Wybór taki uzasadniono możliwością obniżenia kosztów firmy, poprawy komfortu
pracy, możliwością pozyskiwania wszelkich informacji zarządczych w jednolitej formie (on-line) oraz
zwiększeniem efektywności przebiegających procesów. Nie bez znaczenia było istniejące zagrożenie
braku wystarczającego wsparcia w modyfikacjach
istniejącego systemu.
Zakładano, że efektem tego wyboru powinno być
uzyskanie przewagi konkurencyjnej, możliwość
głębszego i przemyślanego rozwoju firmy – i „the
3.3. Procedura końcowa
Kolejnym krokiem musiało być przygotowanie
firmy i jej pracowników do wdrożenia nowych rozwiązań. Jednak naturalny „opór przed zmianą” sprawia, że pracownicy objęci usprawnianiem zwykle
sprzeciwiają się wszelkim zmianom warunków
i metod pracy. Należało się więc liczyć z tym, że
pojawi się przy tej okazji szereg trudności wdrożeniowych. Dlatego firma zdecydowała się na następujące kroki wdrożenia:
 określenie harmonogramu i zakresu wprowadzania
zmian,
 określenie ryzyk związanych z wprowadzaniem
zmian w firmie,
 poinformowanie załogi o planowanych zmianach,
 promowanie proponowanych rozwiązań, wybór
pracowników, którzy będą prekursorami w nowym
podejściu do zarządzania,
 wybór firmy wdrażającej system klasy ERP o potwierdzonych referencjach w branży rynku C (firmy, która ma doświadczenia we wdrażaniu systemu w podobnych przedsiębiorstwach oraz wypracowaną metodologię wdrożenia),
 harmonogram szkolenia pracowników,
 zaplanowanie metod kontroli realizacji wypracowanych rozwiązań, przy pełnym wsparciu zarządu
i dyrekcji.
Zgodnie z przyjętą metodologią uznano też, że
w przyszłości należy dokonać pomiarów czy i jak
przebiega faza wdrażania wybranego wariantu rozwiązania, jakie wymierne (lub niewymierne) efekty
rozwiązania można obserwować i ewentualnie
wprowadzać działania korygująco-konserwujące.
Pamiętano bowiem, że rzeczywistość ulega ciągłym
zmianom i każdy nawet najlepszy system należy
zmieniać i dopasowywać do istniejącej sytuacji na
rynku i zmian warunków otoczenia. Zresztą ten
aspekt dotyczy wszelkich sfer działalności, gdyż
„jedyną stałą rzeczą jest prawo ciągłej zmiany” (Heraklit z Efezu). Proces ciągłego doskonalenia (continous improvement) wszedł już na stałe do naszego
słownika i stał się immanentnym elementem obecnej
rzeczywistości.
4. PODSUMOWANIE
W omówionym przypadku, pomimo przeprowadzonej wnikliwie analizie oraz podjętej decyzji
Nr 11(465) LISTOPAD 2009
o inwestycji dotyczącej zakupu nowego systemu – do
wdrożenia nie doszło. Kryzys zmusił firmę do pozostania przy wariancie pierwszym. Jednakże – wykorzystując przeprowadzone podczas audytu analizy,
przemodelowano sposób planowania procesu głównego, zmieniono strukturę organizacyjną – wspierając łańcuch logistyczny i dokonano całkowitej przebudowy strategii rozwoju.
Wprowadzone zmiany organizacyjne i uporządkowanie procesów, dobór odpowiedniej kadry oraz
determinacja zarządu spowodowały, że firma osiągnęła w pierwszym półroczu zysk. Brakujące elementy udało się, dzięki dobrym pomysłom i determinacji wdrożyć, wykorzystując dostępne narzędzia.
W dzisiejszych czasach, kiedy klient ma możliwość wyboru wyrobów i usług z szerokiej gamy
konkurujących na rynku ze sobą dostawców i jest
świadomy wartości, jakie powinny mu dostarczać
tak bardzo istotne jest profesjonalne zarządzanie
łańcuchem dostaw. W samym łańcuchu natomiast
barbórka 2009
51
informacja przepływająca od dostawców poprzez
producentów, dystrybutorów do odbiorców końcowych ma duże znaczenie.
Prawidłowy przepływ informacji oraz jej wizualizacja staje się dla firm wartością najważniejszą,
dlatego firmy coraz częściej decydują się na zakup
profesjonalnego oprogramowania klasy ERP, które
będzie porządkowało dane, spowoduje lepszy
przepływ tej informacji oraz ułatwi menadżerom
podejmowanie słusznych decyzji w oparciu o jedno
źródło wiarygodnej informacji.
Literatura
1.
2.
3.
Bieniok H i zespół.: Metody sprawnego zarządzania: planowanie, organizowanie, motywowanie, kontrola. Placet, Warszawa, 2004
Galbraith John K.: The New Industrial State (1967, drugie
wydanie 1972).
http://encyklopedia.pwn.pl/
Recenzent: dr hab. inż. Marian Turek prof. Pol. Śl.
Z ŻYCIA EMAG-u
SEMINARIUM – PAŹDZIERNIK 2009
W dniu 20 października w Instytucie Technik Innowacyjnych EMAG odbyło się seminarium pn. „Zastosowanie technik semantycznych w klasyfikacji treści –
badanie złożoności tekstu wspierane wskaźnikami złożoności i korpusem tekstów”. Seminarium dotyczyło
zagadnień związanych z czytelnością i zrozumiałością
tekstów oraz wskaźników, które pozwalają na ich ocenę.
Nad zagadnieniem badania zrozumiałości tekstów jak
dotąd w Polsce (zgodnie z wiedzą autora) nie podjęto
badań. Zagadnienie to wydaje się szczególnie istotne ze
względu na fakt przekazywania społeczeństwu informacji mających wpływ na kwestie szeroko pojętego bezpieczeństwa. Przykładem mogą być ulotki informacyjne
dołączane do leków, instrukcje obsługi, akty prawne,
komunikaty urzędowe itp. We wszystkich tych przypadkach niezrozumienie treści przedstawionego tekstu
może powodować poważne konsekwencje – od konfliktu z prawem po zagrożenie zdrowia lub życia.
W trakcie wygłoszonego referatu przedstawione zostały wyniki przeprowadzonych badań umiejętności
czytania ze zrozumieniem. Badania zostały przeprowadzone przez OECD w latach 1994-2000 w różnych
krajach na świecie, w tym w Polsce.
Zaprezentowano zestawy wskaźników zrozumiałości
tekstów opracowane dla języka angielskiego i wskazano na ich szerokie zastosowanie w USA w szkolnictwie dla oceny przydatności podręczników, jak
i w dużych korporacjach dla celów usprawnienia wewnętrznej komunikacji.
Przedstawione zostały problemy przewidziane do
podjęcia w ramach planowanych w ITI EMAG prac
badawczych w zakresie weryfikacji tekstów pod
względem stopnia złożoności i zrozumiałości tekstu
dla wybranej grupy czytelników.
Planuje się opracowanie wskaźników zrozumiałości
tekstów oraz opracowanie sposobu budowania mechanizmu umożliwiającego wyodrębnianie słownictwa
danej grupy społecznej z wykorzystaniem korpusu
tekstów. Ponadto zakłada się opracowanie bazy słów
„powszechnie znanych” wzorem baz słów funkcjonujących w środowisku języka angielskiego oraz opracowanie mechanizmu analizy tekstów wykorzystującego korpusy specjalizowane i korpus słów powszechnie znanych.
Pośrednio wyznaczone wskaźniki zrozumiałości tekstów staną się również podstawą do zbudowania oceny
czytelnika pod względem umiejętności czytania ze
zrozumieniem.
Lista osób przeszkolonych na kursach
organizowanych przez Ośrodek Szkolenia EMAG w październiku 2009 r.
„Technologie napraw i łączenia kabli oraz przewodów oponowych na znamionowe napięcia do 6 kV”
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
Łukasz BĄK
Michał CZERNIAK
Piotr CZERNIAK
Jacek GŁĄB
Kazimierz GRUCA
Sławomir GRZECHUŁA
Krystian HELENIAK
Paweł IZDEBSKI
Przemysław KACZOR
Mieczysław KLIMKIEWICZ
Mariusz KUKURYKA
Andrzej KUZIOŁA
Daniel MACZUBA
Arkadiusz MISIEWICZ
Grzegorz SADOWSKI
Sebastian SYSA
Dariusz TOMASIAK
Szymon ZAKASZEWSKI
Maciej ZAWADKA
Sylwester ADAMCZYK
Zbigniew BAŁDYS
Dariusz BANDYK
Dariusz van COLSON
Krzysztof CZERKAWSKI
Maciej CZOPIK
LW Bogdanka
LW Bogdanka
LW Bogdanka
LW Bogdanka
LW Bogdanka
LW Bogdanka
LW Bogdanka
LW Bogdanka
LW Bogdanka
LW Bogdanka
LW Bogdanka
LW Bogdanka
LW Bogdanka
LW Bogdanka
LW Bogdanka
LW Bogdanka
LW Bogdanka
LW Bogdanka
LW Bogdanka
CZOK Czeladź
CZOK Czeladź
CZOK Czeladź
CZOK Czeladź
CZOK Czeladź
CZOK Czeladź
26.
27.
28.
29.
30.
31.
32.
33.
34.
35.
36.
37.
38.
39.
40.
41.
42.
43.
44.
45.
46.
47.
48.
49.
50.
Sylwester GEBUS
Grzegorz KOWALCZYK
Marian PĘDRAS
Stefan SIWEK
Maciej RABIJ
Marcin WĄS
Łukasz BRZYSKI
Adam BYCHAWSKI
Marcin CHUDZIK
Robert CICHOŃ
Marcin CIEKANOWSKI
Marek DUZIO
Konrad Adrian KŁYSIAK
Marek KURLAK
Marcin KWIATOSZ
Andrzej LAMUT
Tomasz MARCYNIUK
Waldemar MICHALSKI
Grzegorz PAWELEC
Artur PIEŃKOSZ
Michał SADOWSKI
Krzysztof SAWICKI
Daniel SKIBA
Marek TOKARZEWSKI
Mariusz WASILAK
CZOK Czeladź
CZOK Czeladź
CZOK Czeladź
CZOK Czeladź
CZOK Czeladź
CZOK Czeladź
LW Bogdanka
LW Bogdanka
LW Bogdanka
LW Bogdanka
LW Bogdanka
LW Bogdanka
LW Bogdanka
LW Bogdanka
LW Bogdanka
LW Bogdanka
LW Bogdanka
LW Bogdanka
LW Bogdanka
LW Bogdanka
LW Bogdanka
LW Bogdanka
LW Bogdanka
LW Bogdanka
LW Bogdanka