Применение системы автоматического управления процессом гидравлического воздействия на угольные пласты для повышения эффективности обработки

Повышение качества воздействия возможно при условии поддержания стабильных значений параметров технологической схемы (давления и темпа нагнетания), что определяет необходимость автоматизации управления процессом.

При построении системы управления должны быть учтены все существующие технологические схемы и режимы воздействия, кроме того, должна быть предусмотрена возможность расширения за счет введения новых способов обработки.

В настоящее время на шахтах применяются разнообразные схемы и режимы воздействия. В работах ряда авторов [2, 3, 4] отмечается, что с точки зрения технологии наиболее перспективным является воздействие на пласт жидкостями в режиме фильтрации через скважины, пробуренные из опережающей горной выработки по пласту впереди очистных работ вне зоны их влияния параллельно плоскости забоя.

На рис. 1 приведены варианты воздействия на пласт через скважины, пробуренные впереди очистного забоя.

Повышение качества воздействия возможно при условии поддержания стабильных значений параметров технологической схемы (давления и темпа нагнетания). Как показано в [4, 5], эти параметры связаны между собой через коэффициент проницаемости, что соответствует физике процесса, а именно: снижение проницаемости при постоянном расходе приводит к возрастанию давления из-за увеличения сопротивления движению жидкости, и для приведения давления к расчетному необходимо расход соответственно снизить; напротив, увеличение проницаемости приводит к падению давления, и для его нормализации расход необходимо увеличить.

Рис. 1. Варианты технологических схем гидравлического воздействия на пласт через опережающие скважины.

Основной задачей системы автоматического управления является контроль основных технологических параметров – давления нагнетания P ( t ) и темпа нагнетания, пропорционального расходу Q ( t ) , а также их коррекции в зависимости от конкретных условий. Аппаратура контроля включает в себя датчики давления и темпа нагнетания, преобразователи напряжения, микроконтроллер, регулятор расхода. Структура системы приведена на рис. 2.

Рис. 2. Структура системы автоматизированного контроля и управления процессом нагнетания жидкости.

Сигналы с датчиков в виде синусоидального напряжения поступают на вход преобразователей с целью согласования выходного напряжения датчика с уровнем входного напряжения микроконтроллера. В микроконтроллере реализуется прием, хранение и обработка данных, расчет фактических параметров и их сравнение с паспортными, а также выработка и выдача на регулятор управляющих сигналов, если необходимо корректиро- вать расход.

Алгоритм управления строится следующим образом.

Исходные данные: L , м - длина лавы; k , мд- проницаемость;

H , м – глубина залегания; h , м - мощность пласта; п_Э , % - эффективная пористость; μ , спз - вязкость жидкости; γ , т/м³ - объемный вес пород (γ~ 2,5 т/м³).

Расчетные величины:

L 20 1 e ^h , м - глубина герметизации;

L L 2 L , м - длина скважины;

P 0,1 • у.H , кг/см² - давление на скважине;

0,006 kPL

Q           ^c , л/мин - темп нагнетания;

5 Ц_h ,                                   ;

• 59,7 // п h ²

T         ^Э , час - время нагнетания.

Контролируемые параметры: P , Q , T , t ( здесь t- текущее время).

В основу функционирования системы положен программный принцип выполнения алгоритма управления процессом нагнетания, реализуемый микроконтроллером. Аппарат может быть выполнен либо на базе общепромышленных (универсальных) контроллеров, работающих на поверхности, либо во взрывобезопасном исполнении для использования в подземных условиях. В настоящее время свободно-программируемые контроллеры (ПК) приобрели законченную форму программнотехнических устройств – это компьютер на микропроцессорной основе, отличающийся простотой программирования и технического обслуживания и приспособленный к эксплуатации в различных (в том числе и неблагоприятных) промышленных условиях (вибрация, нагрев, запыленность и т.д.).

Компанией GIC разработан ПК в шахтном исполнении, который состоит из четырех основных компонентов: центральный процессор (ЦП), устройство ввода-вывода (УВВ), блок электропитания (БЭП), память программ (ПП). ЦП представляет собой основной блок ПК, координирующий обработку информации. В нем находится микропроцессорная логика, сканирующая программу и состояние блоков оборудования. УВВ состоит из модулей, применяющихся для сопряжения ПК с оперативными устройствами и механизмами. Модули УВВ действуют в качестве преобразователей сигналов так, чтобы напряжения высокого уровня были представлены на уровне, приемлемом для ПК. Источники сигналов ввода – датчики, кнопки, клавиатура и др. Адреса вывода - пускатели электродвигателей, контакторы, насосы и т.д. Дополнительно могут применяться специализированные аналоговые модули ввода-вывода.

БЭП преобразует сетевое напряжение в отфильтрованное стабилизированное электропитание ПК. ПП сохраняет программы управления. Особенностью является то, что память программируется пользователем. ПК программируют по цепной схеме, т.е. на языке, схожем с релейной логикой управления. При внесении изменений в программу к ПК подключают программирующее устройство и соответствующие изменения выполняют без перемонтажа.

В течение кванта времени, определяемого частотой устройства управления, производится контроль текущего значения давления. Если его величина вследствие колебания проницаемости изменяется более, чем на 10%, необходимо скорректировать темп нагнетания.

P

Пусть P - текущее значение давления, тогда q q ^t .

P c

Управляющее устройство «отрабатывает» текущее значение темпа q с помощью исполнительного механизма.

Выводы.

Соотношение между давлением и темпом нагнетания жидкости при гидравлическом воздействии на пласт представляет собой пропорциональную зависимость, которая является основой алгоритма управления процессом увлажнения пласта при автоматизированном контроле параметров и управлении гидравлическим воздействием. Технология процесса гидравлического воздействия на пласт рассматривается как объект управления, что позволило разработать проект системы автоматизированного контроля параметров и управления процессом гидравлической обработки пласта, применение которой обеспечивает повышение качества управления процессом и снижение численности занятого персонала.