Разработка компьютерного тренажера геотехнологического поля на базе SCADA программы Genesis

Содержание
Введение
1 Технологическая часть
1.1 Подземное выщелачивание урана из руд с естественной проницаемостью с
помощью скважных систем
1.2 Расчеты химико -технологических параметров подземного
выщелачивания урана
1.3 Предназначения тренажера
1.4 Требования к тренажеру
2 Специальная часть
2.1 Детерминированная гидродинамическая модель подземного
выщелачивания урана
2.2 Сетевые аналоги гидравлической модели фильтрации раствора
при подземном выщелачивании металлов
2.3 Рассмотрение сетевой модели на конечном интервале времени
2.4 Уменьшение размерности гидродинамической модели, исходя из
стохастической природы процесса фильтраций растворов
2.5 Разработка математической модели для создания компьютерного
тренажерного комплекса
2.6 Постановка задачи построения тренажёра и системы управления технологическим
процессом
2.6.1 Система математического моделирования MatLab
2.6.2 SCADA пакет Genesis32
2.6.3 Редакторы и интерфейсы Genesis32
2.6.4 Серверная часть SCADA проекта
2.6.5 Клиентская часть
2.6.6 Функции средств стыковки
2.6.7 OPC Сервер
2.6.8 OPC клиент
2.7 Архитектура комплекса компьютерного тренажёра
2.8 Описание видеокадров компьютерного тренажерного комплекса
2.8.1 Отображение информации на экране пользователя
2.8.2 Область отображения текущих сообщений
2.8.3 Область переключателей мнемосхем
2.8.4 Область отображения мнемосхем
2.9 Разработка интерфейса технологического процесса
2.9.1 Подготовка продуктивных растворов подземного скважинного
выщелачивания урана для их сорбционной переработки
2.10 Описание экранов управления и мониторинга
2.10.1 Экран технологического узла ГТП
2.10.2 Экран технологического узла приготовления выщелачивающих
растворов
2.10.3 Экран технологического узла приема продуктивных растворов
2.10.4 Управление мнемосхемой «Панель преподавателя»
2.11 Описание схемы автоматизации
2.11.1 Добычной комплекс. Узел приготовления выщелачивающих
растворов (УПВР1, УПВР2)
2.11.2 Назначение системы автоматизации
2.11.3 Особенности построения системы автоматизации
3 Экономическая часть
3.1 Технико-экономическое обоснование на внедрение тренажерного
комплекса
3.1.1Обоснование необходимости проекта
3.2 Финансовый план
3.2.1 Расчёт капитальных затрат
3.2.2 Затраты на заработную плату разработчиков
3.2.3 Капитальные затраты на приобретение средств вычислительной
техники и программного обеспечения
3.3 Годовые эксплуатационные расходы тренажёрного комплекса
3.3.1 Амортизационные отчисления на вычислительный комплекс
3.3.2 Амортизационные отчисления на программное обеспечение
3.3.3 Затраты на текущий ремонт вычислительной техники
3.3.4 Затраты на электроэнергию
3.4 Расчёт срока окупаемости внедрения компьютерного тренажерного комплекса
4 Безопасность жизни деятельности
4.1 Характеристики здания и помещения
4.2 Нормирование параметров микроклиматических условий
4.3 Оценка микроклимата
4.4 Пожарная безопасность
4.5 Рациональная организация рабочего места оператора
4.6 Расчет системы кондиционирования
4.7 Расчет искусственного освещения
4.8 Расчет искусственного освещения точечным методом
Заключение
Список сокращений
Список использованной литературы
1.1 Подземное выщелачивание урана из руд с естественной
проницаемостью с помощью скважинных систем
В Казахстане все более широкое распространение получает добыча
урана методом подземного скважинного выщелачивания (ПСВ) из руд
пластовых месторождений гидрогенного типа. Как правило, развитие добычи
этим методом приурочено к месторождениям, сложенным хорошо
проницаемыми породами водоносных горизонтов, как напорных,
ограниченных в почве и кровле водоупорами, так и безнапорных.
На первоначальном этапе развития метод ПСВ применялся на
месторождениях, характеризующихся в целом относительно не очень
сложными геолого-гидрогеологическими условиями: сравнительно простой
морфологией рудных залежей, преимущественно неглубоким их залеганием
(до 200 м), благоприятными геолого-технологическими свойствами руд и
рудовмещающих пород (карбонатность до 1,5% по СО2, глинистость до
10-15%, водопроницаемость Кф > 1 м/сутки). Эти обстоятельства в
определенной мере определяли направление работ и, в частности, разработку
и применение линейных схем расположения скважины с прямоугольной
ячейкой, упрощенных конструкций технологических скважин и особенно их
фильтров.
В настоящее время на действующих и разведанных для разработки
методом ПСВ месторождениях урана большая часть запасов залегает на
глубине 500-600 м и отмечаются месторождения и их участки со сложными
формами рудных залежей, многоярусным их залеганием, резкими
изменениями мощности и формы залежи и незначительными размерами по
ширине (до 20-50 м). На ряде месторождений с невысокой средней
карбонатностью руд и рудовмещающих отложений часто вскрываются
участки с повышенной карбонатностью (до 2,5-3% и выше), существенно
изменяющей технологические свойства руд и проницаемость их в процессе
обработки сернокислыми растворами.
Основными учетными единицами в структуре скважинных систем
разработки гидрогенных урановых месторождений методом ПСВ являются
ячейка, эксплуатационный блок и эксплуатационный участок.
Элементарной ячейкой называют часть продуктивной толщины, запасы
которой отрабатываются одной откачной скважиной. Она пространственно
ограничивается контурами, которые максимально должны быть приближены к
различным гидродинамическим границам (водоупорам, контурам закачных
скважин, нейтральным и краевым линиям тока), с тем, чтобы ячейка
функционировала по возможности в гидродинамически замкнутом режиме
(при отсутствии растекания технологических растворов за контур ячейки и
разбавлении их законтурными водами).
Эксплуатационный блок ПСВ – это часть продуктивной толщи,
включающая группу смежных элементарных ячеек, характеризующихся по
возможности однородным распределением запасов, геохимическим строением
и вещественным составом руд и рудовмещающих пород, одновременно
вводимых в эксплуатацию и отрабатываемых в едином геотехнологическом
режиме.
Эксплуатационный участок – это группа смежных эксплуатационных
блоков, имеющие самостоятельные системы коммуникаций и установки
контроля и управления геотехнологическим режимом ПСВ.
Отработка запасов в эксплуатационных блоках ПСВ осуществляется в
три этапа:
1) Вскрытие запасов, т.е. бурение и освоение скважин, обвязка их
технологическими коммуникациями и оснащение контрольно-
измерительными приборами.
2) Ведение технологического процесса в недрах, т.е.
транспортирование к рудным залежам рабочих растворов, технологическая
подготовка руд к выщелачиванию урана, формирование продуктивных
растворов, транспортирование их к откачным скважинным и подъем на
поверхность.
3) Ликвидация отработанных блоков, т.е. восстановление
первоначального состояния рудовмещающего водоносного горизонта в
пределах блока и поверхности земли.
Технологический этап отработки запасов методом ПСВ делится на три
стадии:
1) Закисление рудной залежи, т.е. подготовка рудовмещающего
водоносного горизонта к формированию и движению в нем потока
продуктивных растворов.
2) Активное выщелачивание, т.е. формирование и извлечение из блоков
кондиционных продуктивных растворов.
3) Довыщелачивание («отмывка») урана, т.е вытеснение остаточных
урансодержащих кондиционных растворов пластовыми водами или бедными
(маточными) растворами.
Такое деление, условно, поскольку практически в различных зонах
одного и того же блока одновременно протекают все три стадии, а фиксация
времени начала и окончания каждой стадии для блока проводится по
выявлению в откачных скважинах продуктивных растворов. В
технологическом плане при сернокислотном ПСВ для каждой стадии
процесса устанавливается определенный режим кислотности закачного
раствора. Так, для эксплуатационных блоков, характеризующихся
незначительной карбонатностью рудовмещающих отложений (до 1% по СО2),
в качестве оптимального был принят следующий режим кислотности
закачных растворов: на стадии закисления 20-30 г/л, на стадии активного
выщелачивания около 10 г/л, на стадии «отмывки» в закачные скважины
подавался «маточный» раствор после сорбции или без дополнительного
подкисления.
В зависимости от вещественного состава руд и пород рудовмещающего
горизонта возможны и другие режимы закисления и отработки рудных
залежей.
Буровая скважина выполняет широкий комплекс различного рода
функций: геологическая разведка, вскрытие и подготовка запасов, отработка
запасов, управление движением технологических растворов в продуктивной
толще путем создания в эксплуатационном блоке гидродинамической
обстановки, обеспечивающей формирование такой структуры
фильтрационного потока растворов, которая в максимальной степени
благоприятствовала бы течению физико-химических процессов ПСВ;
контроль количества и качества откачиваемых и закачиваемых растворов,
создание противофильтрационных завес, контроль гидродинамических и
физико-химических параметров ведения процесса ПСВ, контроль полноты
извлечения урана из руд, охрана окружающей среды от возможного физико-
химического загрязнения.
Технологические скважины, предназначенные для подачи в недра рабочих растворов
–закачные (нагнетательные) и для подъема
технологических растворов на поверхность – откачные (разгрузочные),
обеспечивают выполнение ещё одной важнейшей функции – через них
осуществляется регулирование гидродинамического режима в продуктивном
пласте, определяющего пути и скорости фильтрации рабочих растворов.
Барражные скважины предназначаются для создания вертикальных и
горизонтальных противофильтрационных завес, ограничивающих вытекание
выщелачивающих растворов за пределы эксплуатационного блока, а также
для уменьшения охвата этими растворами пород, вмещающих рудную залежь.
Наблюдательные скважины предназначаются для наблюдения и
контроля за условиями формирования растворов в пределах
эксплуатационных блоков, гидродинамическим состоянием продуктивного
водоносного горизонта, растеканием технологических растворов за пределы
эксплуатационных участков и их возможным протеканием в надрудный и
подрудный водоносные горизонты.
Контрольные скважины бурятся на отработанных участках для контроля
полноты извлечения полезного компонента из недр, исследования
техногенных изменений рудовмещающих пород, контроля возможного
загрязнения окружающей среды.
Разведочные скважины бурятся на всех стадиях геологоразведочных
работ,от поисковых до эксплуатационно-разведочных.
Наибольшее распространение у нас и за рубежом получили системы
ПСВ через скважины с поверхности направленным фильтрационным потоком
растворов реагента. При этом в зависимости от геологических условий и
фильтрационных свойств рудного массива возможны системы ПСВ с
ячеистым и линейным расположением скважин. Площадные или ячеистые
системы расположения скважин обычно применяются для разработки
залежей, приуроченных к осадочным слоистым неоднородным рудам и
породам горизонтального или слабонаклонного залегания, в условиях
относительно низкой водопроницаемости руд Кф = 0,1-1,0 м/сутки.
Эти системы представляют собой равномерное чередование на площади
залежи откачных и закачных скважин, образующих между собой ячейки
(треугольные, квадратные, гексагональные) с небольшими межскважинными
расстояниями (8-20 м), как показано на рисунке 1.1.
Рисунок 1.1 – Ячеистые системы расположения скважин
а - гексагональная ячейка; б - треугольная ячейка; 1 - скважины откачные; 2 -
скважины закачные; 3 - контур рудной залежи

Линейные системы расположения скважин состоят из последовательно
чередующихся на площади залежей рядов откачных и закачных скважин. В
зависимости от фильтрационных свойств и однородности рудного массива
расстояния между рядами и скважинами в ряду колеблются в широких
пределах (15-50 м и более). Добычная ячейка обычно состоит из двух
закачных и одно откачной скважины, принадлежащих к трем последовательно
расположенным рядам, как показано на рисунке 1.2.
Рисунок 1.2 - Линейные системы расположения скважин
Линейные системы расположения скважин применяются широко. Они
наиболее эффективны при разработке протяженных гидрогенных урановых
месторождений, сложенных осадочными, хорошо водопроницаемыми (Кф >
1 м/сутки) рудами и породами и находящихся в сложных гидрогеологических
условиях.
Основным оборудованием, обеспечивающим подъем продуктивных
растворов из откачных скважин, были эрлифты. Широкое их применение в
первый период внедрения метода ПВ объясняется простотой конструкции,
надежностью в работе и отсутствием погружных насосов в антикоррозийном
исполнении. Но у эрлифтов имеются серьезные недостатки: высокий расход
сжатого воздуха из-за низкого КПД (не более 10%), необходимость
сооружения мощных компрессорных станций и протяженных
воздухопроводов, подъем растворов в импульсном режиме, что отрицательно
сказывается на техническом состоянии скважин и, в частности, на фильтровой
их части.
1.2 Расчеты химико-технологических
параметров подземного выщелачивания урана
Химико-технологические параметры ПВ могут быть определены по
методике, предложенной В. А. Грабовниковым.
Необходимое количество реагента концентрацией СО (в т или м, если
учесть, что плотность раствора близка к единице), обозначаемое VCQ
определяют по формуле
где: γ — объемная масса рудовмещающих пород и руд, т/м3;
F — площадь блока (участка), м2;
т — мощность рудовмещающего горизонта (высота блока), м; Ж:Т;
(р) — расход реагента в течение всего периода выщелачивания,
обеспечивающий достижение необходимой степени извлечения урана.

Он может быть охарактеризован либо необходимым отношением массы
выщелачивающего реагента с определенной исходной концентрацией Со к
отрабатываемой (до заданных условий извлечения) массе рудоносных пород
(Ж:Т), либо расходом реагента р при заданной исходной концентрации Со на
извлечение единицы полезного компонента (т/т).
Необходимую массу реагента (М, т) определяют также по его расходу
на извлечение единицы массы урана:
Среднюю концентрацию урана C Пср.К (в г/л) за все время г выщелачивания
определяют, исходя из его извлекаемого количества Рм и общего объема VCo
продукционных растворов:

Продолжительность т (в сут) процесса ПВ определяют по зависимости
где:Fm — объем подземных вод в порах пласта, который необходимо
удалить в начала эксплуатации;
 — эффективная пористость, доли единицы;
Qcyм — производительность блока по растворам, м3/сут.

1.3 Предназначение тренажера
В системах автоматизации технологических процессов идет широкое
внедрение компьютерных систем управления (КСУ), современных SCADA-
систем, представляющих собой целостные аппаратно-программные
комплексы. При подготовке эксплуатационного персонала промышленных
предприятий необходимо не только ознакомить учащихся с современным
состоянием средств автоматизации, но и выработать у них практические
навыки эксплуатации КСУ. Разработаны методологии обучения оперативного
персонала управления технологическими процессами подземно скважинного
выщелачивания урана с помощью компьютерных тренажёров. На основе этой
методологии для объектов создан компьютерный тренажёрный комплекс
(КТК). Предназначен для обеспечения компьютерного тренинга оперативного
персонала, работающего с основными подсистемами АСУ ТП, для выработки
у оперативного персонала навыков безопасного и эффективного управления
технологическими процессами путём воссоздания и анализа ситуаций,
которые могут возникнуть как в штатном режиме, так и при неполадках и
аварийных ситуациях.
Тренажер – это высокоорганизованное имитационное средство для
профессиональной подготовки персонала. Представляющее собой
специализированный дидактический комплекс технических и программных
средств, с заданной точностью реализующий интерфейсные и математические
модели технической и физической сущности эргатической системы
«энергообъект-среда-оператор». Также все необходимые информационно-
эргономические взаимосвязи в этой системе, и предназначенное для
формирования и совершенствования у обучаемых профессиональных навыков
и умений, необходимых им для управления энергетическим объектом в
штатных, нештатных и аварийных ситуациях путем многократного
выполнения обучаемыми действий, свойственных управлению реальным
объектом.....