Nowe technologie w górnictwie i branży paliwowej

Spis treści

W KOPALNI TYLKO URZĄDZENIA Z GRUPY I

W obrębie grupy I wydzielono dwie kategorie: M1 i M2. Urządzenia kategorii M1 zapewniają bardzo wysoki stopień zabezpieczenia, czyli wciąż pracują w atmosferze wybuchowej nawet w momencie wystąpienia rzadkiej awarii, a w razie niezadziałania jednego z zabezpieczeń, drugie (niezależne) spełni swoją funkcję. Poziom bezpieczeństwa jest zapewniony również wtedy, gdy dojdzie do dwóch osobnych uszkodzeń. Sprzęty z kategorii M2 gwarantują natomiast wysoki poziom bezpieczeństwa, a w razie wystąpienia atmosfery wybuchowej są wyłączane.

W oznakowaniu urządzenia zawarta jest także informacja o zastosowanym w nim typie ochrony. Przykładowe symbole to: e, który oznacza budowę wzmocnioną, d - obudowę ognioszczelną, p - obudowę z osłoną gazową z nadciśnieniem, o - osłonę olejową, i - obudowę iskrobezpieczną, q - osłonę piaskową oraz m - hermetyzację. Dalej przedstawiamy rozwiązania konstrukcyjne kryjące się za wybranymi oznaczeniami, a w ramce - przykładowe produkty.

Na przykład typ ochrony d polega na umieszczeniu wszystkich części urządzenia potencjalnie stanowiących źródło zapłonu w środku obudowy. Ta ostatnia jest ponadto w stanie wytrzymać ciśnienie eksplozji w jej wnętrzu i uniemożliwia eskalację wybuchu na zewnątrz. Uzyskuje się to, wykonując szczeliny gaszące, tzn. otwory możliwie najdłuższe oraz najwęższe. Gazy spalinowe i płomienie, które wydobywają się nimi w czasie wybuchu, oddają ich krawędziom ciepło, dzięki czemu na zewnątrz obudowy same nie stanowią już źródła zapłonu.

IoT na polu naftowym, cz. 1

Za pośrednictwem Internetu Rzeczy (Internet of Things, IoT) urządzenia mogą bez udziału człowieka komunikować się ze sobą i wymieniać danymi. W branży wydobycia ropy naftowej zastosowań dla tej technologii nie brakuje. Jednym z nich jest nadzorowanie pól naftowych - są to zwykle rozległe obiekty, nawet o szerokości kilkuset kilometrów, również zlokalizowane na terenach trudno dostępnych. Gdyby część zadań związanych z eksploatacją, szczególnie w zakresie monitoringu, udało się dzięki IoT zautomatyzować, można by ją znacznie uprościć.

Przykładowym zastosowaniem technologii IoT jest zdalny monitoring poziomu zapełnienia zbiorników. Po przekroczeniu granicznej wartości tego parametru czujnik, który zamontowano na zbiorniku, automatycznie wysyłałby wiadomość alarmową na telefony obsługi lub bezpośrednio do zaworu regulującego przepływ surowca.

Innym przykładem jest wysyłanie SMS-ów przez sensory, które mierzą stężenie niebezpiecznych gazów (siarkowodoru, dwutlenku węgla, metanu) i czujniki mierzące siłę i kierunek wiatru. Takie ostrzeżenia przesyłane są do bezpośrednio na telefony pracowników, którzy przemieszczają się po polu naftowym.

Kolejnym zastosowaniem jest ochrona przed kradzieżą. W przypadku pól naftowych oprócz strat związanych z samym faktem rabunku groźne mogą być skutki niewłaściwego zabezpieczania obiektów kradzieży. Przykłady to niekontrolowane wycieki ropy z rurociągów lub niezabezpieczone instalacje elektryczne. SMS-y z informacją o nagłym spadku natężenie przepływu lub poziomu ropy albo zaniku zasilania mogłyby w takich wypadkach szybko zaalarmować personel.

JAK ZREALIZOWAĆ OBUDOWĘ TYPU P?

Wymiary szczelin w obudowach ognioszczelnych muszą być dostosowane do rodzaju substancji łatwopalnej. Informację o niej znajdziemy również w oznaczeniu urządzenia, zaraz za symbolem charakteryzującym rodzaj ochrony (w tym przypadku d). Substancje wybuchowe podzielono na następujące grupy: metan i pył węglowy (I), propanową (II A), etylową (II B) i wodorową (II C). Obudowy ognioszczelne są używane w urządzeniach, w których w czasie normalnego działania występują iskry, łuki elektryczne albo nagrzewające się powierzchnie. Przykładem jest aparatura łączeniowa.

W urządzeniach w obudowie typu p części stanowiące potencjalne źródło zapłonu są umieszczone w osłonie wypełnionej specjalnie dobranym gazem ochronnym, na przykład powietrzem lub gazem niepalnym. Jego ciśnienie jest utrzymywane cały czas powyżej ciśnienia atmosferycznego, co zapobiega wnikaniu atmosfery wybuchowej obecnej na zewnątrz obudowy do jej środka. Gaz ochronny jest albo na stałe, w odpowiedniej ilości uwzględniającej jego ubytki, zamknięty w osłonie, albo przepływa przez nią, doprowadzany z zewnątrz (spoza atmosfery wybuchowej) specjalnym kanałem.

W tej konstrukcji ważne jest, aby obudowa i - jeśli są stosowane - przewody doprowadzające gaz ochronny wytrzymywały ciśnienie 1,5-krotnie przekraczające nadciśnienie robocze. Oprócz tego konieczna jest blokada, która uniemożliwia włączenie urządzenia przed "przewietrzeniem" jego osłony i alarm lub natychmiastowe wyłączenie zasilania, jeśli dopływ gazu ochronnego zostanie zablokowany albo jego ciśnienie spadnie poniżej wartości granicznej.

Wszędzie tam, gdzie ryzyko wybuchu jest duże, stosuje się też różne metody zapobiegania jego rozprzestrzenianiu się. W kopalniach przykładem są uruchamiane automatycznie w razie wykrycia płomienia zapory gaśnicze i zawory albo klapy odcinające. Ważne są ponadto szkolenia personelu - nawet najlepsze zabezpieczenia sprzętowe nie będą bowiem skuteczne, jeżeli zawiedzie człowiek.

CO CHARAKTERYZUJE OBUDOWY ISKROBEZPIECZNE?

Ochrona typu p jest stosowana m.in. w dużych maszynach i silnikach pierścieniowych. Z kolei w urządzeniach o stopniu ochrony q wszystkie części iskrzące oraz nagrzewające się zanurzone są w piasku (albo w szklanych kulach). Izolator ten jest wprowadzany na etapie produkcji do wnętrza obudowy, której zwykle nie da się otworzyć w czasie eksploatacji. Ważne jest, aby piasek nie mógł się z osłony wydostać. Odpowiedni poziom szczelności wymagany jest także w przypadku obudów typu o, czyli z osłoną olejową.

W konstrukcjach iskrobezpiecznych chodzi z kolei o to, by w obwodach urządzenia nie powstawały zjawiska, które mogłyby spowodować zapłon mieszanki wybuchowej. Choć zatem dopuszcza się w ich wypadku zarówno iskrzenie, jak i nagrzewanie się powierzchni, musi być zachowany stosowny margines bezpieczeństwa pomiędzy energią tych pierwszych i temperaturą drugich a wartościami granicznymi dla mieszaniny wybuchowej. Realizuje się to, odpowiednio dobierając komponenty obwodów elektrycznych oraz ograniczając ich napięcia i prądy. W wykonaniu iskrobezpiecznym dostępna jest m.in. aparatura pomiarowa.

Oprócz grupy, kategorii, rodzaju ochrony przeciwwybuchowej i grupy wybuchowości w oznaczeniu urządzeń z grupy II musi się też znaleźć informacja o jego klasie temperaturowej i/lub maksymalnej temperaturze powierzchni. W wypadku sprzętów z grupy I, na których może osadzać się pył węglowy, maksymalna temperatura powierzchni nie powinna być większa niż +150°C. Gdy przedsięwzięto odpowiednie działania, aby jego gromadzeniu się zapobiec, jest to natomiast +450°C.

Przykłady urządzeń do stref zagrożonych wybuchem w górnictwie

Silniki do napędów organu urabiającego kombajnów górniczych dSKgw225L4 - cecha przeciwwybuchowości: I M2 Ex d I, napięcie zasilania: 1000 V / 1140 V, system chłodzenia: ICW 37, moc znamionowa: 200 kW, prędkość znamionowa: 1475/min, sprawność znamionowa: 93,7%, moment znamionowy: 1294 Nm, współczynnik mocy znamionowy: 0,86, prąd rozruchowy/prąd znamionowy: 5,8 A, moment rozruchowy/moment znamionowy: 1,6, moment maksymalny/moment znamionowy: 2,1, moment bezwładności: 1,7 kgm².
Pompy typu OW- AM i OW-B do odwadniania kopalń głębinowych - stacjonarne, poziome, wielostopniowe, o zdolności pompowania setek m³/h, z wysokościami podnoszenia do 800 m, w trzech wersjach materiałowych: podstawowej (do wody czystej), odpornej na ścieranie (do wody z cząstkami stałymi), soloodporne (do chemicznie zanieczyszczonej wody z cząstkami stałymi), mogą być stosowane w strefach zagrożonych wybuchem jako urządzenia grupy I kategorii M2.
Górnicze wentylatory elektryczne GWE 630B - przeznaczone do przewietrzania górniczych wyrobisk korytarzowych wentylacją odrębną oraz współpracy z urządzeniami odpylającymi albo klimatyzacją, zaliczane do grupy I kategorii M2, wydajność nominalna: 370 m³/min, zakres pracy: 350-470 m³/min, spiętrzenie całkowite nominalne: 2000 Pa, spiętrzenie maksymalne: 2500 Pa, nominalna sprawność zespołu: 66%, średnica lutociągu: 630 mm, moc silnika: 18,5 kW, ochrona antykorozyjna: ocynkowanie.
Silniki górnicze 85 kW typu SGKg 250M4(R) i SGKg 250M4m - indukcyjne, trójfazowe, klatkowe, cecha przeciwwybuchowości: I M2 Ex dI Mb, system chłodzenia: ICW 37, stopień ochrony wnętrza silnika IP55, forma wykonania: IM3209 (silnik kołnierzowy), klasa ciepłoodporności izolacji: H, przykładowe zastosowanie: napęd bębna kruszarki węgla.
Poza konsekwencjami zapłonu i eksplozji atmosfery wybuchowej górnicy i osoby pracujące przy wydobyciu gazu ziemnego i ropy naftowej są narażone na inne trudne warunki. Przykładowo w kopalniach większość zadań wymaga przebywania pod powierzchnią ziemi, gdzie jest ciemno, panują ekstremalne temperatury, duża wilgotność i zapylenie, występują trujące gazy, używa się ciężkiego sprzętu i materiałów wybuchowych, dochodzi do tąpnięć i wstrząsów.

Niebezpieczne bywają również na pozór proste, ale powtarzalne czynności, na przykład sekwencja zadań: załadunek kopalin, ich przewóz i rozładunek. Jeśli operator, zmęczony wielogodzinną jazdą w tę i z powrotem, straci czujność, łatwo może dojść do wypadku, na przykład zderzenia z innym pojazdem.

Dlatego automatyka w górnictwie i wydobyciu gazu ziemnego i ropy naftowej od lat stopniowo się upowszechnia. Systemy zautomatyzowane bowiem wspierają, a nawet całkiem mogą zastępować ludzi w wykonywaniu czynności niebezpiecznych. Dzięki nim rola operatorów maszyn i sprzętu ciężkiego zmienia się stopniowo z aktywnej na nadzorczą.

Oprócz tego zaletą automatyzacji jest poprawa wydajności, m.in. dlatego, że ograniczając liczbę pracowników pod ziemią, oszczędza się czas poświęcany wcześniej na transport kolejnych zmian personelu na dół i z powrotem na powierzchnię. Mniejsze jest również prawdopodobieństwo, że specjalistyczny sprzęt będzie używany niepoprawnie. Wydłuża to jego żywotność.

Ponadto przewiduje się, że wyłącznie przy użyciu robotów będzie można wydobywać kopaliny, które znajdują się na większych głębokościach niż do tej pory eksploatowane złoża, w trudno dostępnych miejscach i w złożach dotychczas uznawanych za zbyt małe, żeby opłacało się je eksploatować.

IoT na polu naftowym, cz. 2

Upowszechnienie się Internetu Rzeczy z każdym dniem wydaje się coraz bardziej realne dzięki rozwojowi technologii elektronicznych. Przede wszystkim miniaturyzacja układów ułatwia wbudowywanie interfejsów komunikacyjnych oraz kontrolerów w urządzenia, a czujniki ewoluują w kierunku samodzielnych jednostek, które oprócz gromadzenia danych, także je analizują.

Poza tym wzrost mocy obliczeniowej komputerów pozwala na przetwarzanie ogromnych ilości danych, a łączność bezprzewodowa zapewnia komunikację tam, gdzie sieci kablowej nie można zbudować. Jednocześnie wprowadzenie 128-bitowego protokołu IPv6 jako następcy 32-bitowego protokołu IPv4 daje pewność, że adresów sieciowych jeszcze długo nie zabraknie.

Wyzwaniem w przypadku upowszechnienia się idei Internetu Rzeczy jest ilość przesyłanych danych. Do ich analizy jest zatem potrzebne odpowiednie oprogramowanie. Argumentem przeciwko IoT w tak newralgicznych branżach jak przemysł paliwowy jest też obawa o bezpieczeństwo systemów informatycznych. Od czasu ataku przy użyciu robaka Stuxnet, którym zainfekowane zostały komputery w elektrowni, świadomość, że już nie tylko prywatni użytkownicy sprzętu komputerowego są na celowniku hakerów, jest bowiem znacznie większa niż dawniej.

KLASYFIKACJA SYSTEMÓW AUTOMATYKI

Na potrzeby przemysłu wydobywczego rozwijane są systemy zautomatyzowane o różnym stopniu złożoności. Można je na tej podstawie podzielić na kilka grup.

Do pierwszej zaliczane są systemy detekcji kolizji informujące o możliwości zderzenia się maszyn, sprzętów mobilnych i pojazdów z innymi lub z pracownikami, o co w kopalniach, z powodu słabej widoczności i ograniczonej przestrzeni roboczej pod powierzchnią oraz dużego natężenia ruchu na powierzchni, nietrudno, systemy śledzenia sprzętów i personelu oraz monitorowania stanu maszyn i sytuacji pod ziemią, na przykład z wykorzystaniem czujników gazów oraz kamer termowizyjnych. Rolą tych systemów jest ostrzeganie i wspieranie operatora, który jednak przez cały czas ma pełną kontrolę nad sprzętem.

System śledzenia można na przykład zrealizować z wykorzystaniem technologii RFID. Znaczniki mocuje się do ubrań roboczych pracowników oraz ruchomych maszyn. W korytarzach, w miejscach wyznaczających granice poszczególnych stref, na które dzielona jest kopalnia, instaluje się czytniki. Na podstawie danych przesyłanych przez nie do centrum zarządzania wyznacza się położenie oraz trasy śledzonych obiektów. Informacje te są udostępniane operatorom maszyn. Można je również wykorzystać na przykład w sterowaniu systemem wentylacji.

W pojazdach naziemnych, na przykład przewożących wydobyte kopaliny, system ostrzegania o możliwości kolizji realizuje się, wykorzystując m.in. GPS. Znając położenie i prędkość środka transportu w centrum zarządzania w specjalnym oprogramowaniu wyznacza się jego trasę. Do pojazdów, które znajdują się w niebezpiecznej odległości i tych poruszających się po ścieżce potencjalnie kolizyjnej, wysyła się następnie komunikat z ostrzeżeniem. Kierowca może być informowany o zagrożeniu sygnałem dźwiękowym albo wizualnym.

Konferencje dla branżystów

Wiosną odbędą się dwie konferencje potencjalnie interesujące dla osób związanych z branżą górniczą oraz tematyką stref zagrożonych wybuchem. W dniach 20-21 kwietnia planowane jest V seminarium "Eksploatacja urządzeń elektrycznych i nieelektrycznych w strefach Ex - nowe dyrektywy ATEX".

Odbędzie się ono w kopalni Guido w Zabrzu, zaś jego tematyka obejmie m.in. kwestie sterowania i monitoringu oraz zasilania w strefach zagrożonych wybuchem, użytkowania maszyn i ochrony ciśnieniowej EXp, a także zapobiegania awariom urządzeń przemysłowych. Informacje o wydarzeniu znajdują się na stronie http://seminarium.energoelektronika.pl.

Drugim z planowanych spotkań jest MAGR 2016, czyli konferencja "Mechanizacja, Automatyzacja i Robotyzacja w Górnictwie", która będzie mieć miejsce w połowie czerwca w Wiśle. Zaprezentowane zostaną na niej zagadnienia dotyczące budowy i eksploatacji maszyn, automatyki oraz robotyki w górnictwie, a także bezpieczeństwa oraz transportu poziomego i pionowego.

Spotkanie odbędzie się po raz trzeci i organizowane jest przez dwie katedry AGH, Centrum Badań i Dozoru Górnictwa Podziemnego, Politechnikę Wrocławską oraz "Klub Paragraf 34" i Cert Partner. Informacje o nim dostępne są na stronie www.cbidgp.pl/pl/konferencje/2016.

SYSTEMY PÓŁAUTOMATYCZNE I ZDALNIE STEROWANE

Do drugiej grupy zaliczane są systemy półautomatyczne. W ich przypadku większością operacji steruje człowiek, natomiast pozostałe wykonywane są automatycznie. Przykładem jest system detekcji kolizji, który w razie zagrożenia automatycznie, bez angażowania obsługi, zatrzymuje maszynę. Można go na przykład zrealizować, umieszczając na łyżce koparki czujniki optyczne i kamery. Stosownie do sytuacji dalsze działania, na przykład ponowne uruchomienie maszyny, podejmuje operator.

Systemy półautomatyczne automatyzują również te najbardziej rutynowe zadania. Przykład to przemieszczenie łyżki koparki po jej załadowaniu przez operatora, który potem samodzielnie ją rozładowuje.

Trzecią grupę stanowią systemy zdalnego sterowania. Za ich pośrednictwem kieruje się maszynami, które pracują na szczególnie niebezpiecznych odcinkach, z bezpiecznego miejsca. Przykładem jest System Sterowania Radiowego Maszynami Górniczymi ESSRK-1001 oferowany przez firmę Elsta Elektronika. Jego podstawowym zastosowaniem jest sterowanie kombajnem ścianowym, ale może być również wykorzystywany do kontroli pracy innych urządzeń, m.in. kombajnów chodnikowych, kolejek spągowych, tam wentylacyjnych, zwrotnic i obudów hydraulicznych (patrz ramka).

Rozwijane są także systemy całkowicie zautomatyzowane, a nawet autonomiczne. Operator ma w nich pełnić funkcję wyłącznie nadzorcy, który będzie interweniował tylko w sytuacjach awaryjnych i będzie się zajmował planowaniem. Dzięki temu będzie mógł przebywać z dala od sprzętu, a nawet w innej części świata. Uważa się je za przyszłość górnictwa - dzięki nim kopalnie mają stać się zakładami bezzałogowymi.

Nowe technologie to nowe wyzwania

Z upowszechnianiem się automatyki w górnictwie i przemyśle wydobycia gazu ziemnego oraz ropy naftowej wiążą się wyzwania towarzyszące temu procesowi również w innych gałęziach przemysłu. Ponieważ nie jest możliwa wymiana wszystkich systemów w zakładzie jednocześnie, głównie z powodów finansowych, powinno się zapewnić interoperacyjność tych nowych z już używanymi. Potrzebni są też wykwalifikowani pracownicy.

Przewiduje się, że wraz z popularyzacją automatyzacji niektóre zawody znikną, a w ich miejsce pojawią się nowe. Na przykład w kopalniach firmy Rio Tinto, gdzie używane są autonomiczne, bezzałogowe pojazdy transportowe, całkowicie zbędni stali się pracownicy na stanowisku kierowcy takich ciężarówek. W centrum zdalnego zarządzania kopalnią należało natomiast zatrudnić inżynierów automatyków, którzy dodatkowo orientują się w specyfice kierowania takimi pojazdami w trudnym terenie.

KOPALNIE BEZZAŁOGOWE

Tematy numerów w najbliższym kwartale

Próbę realizacji tego celu podjęła się już firma Rio Tinto, która w 2008 roku w kopalniach rudy żelaza w regionie Pilbara w Australii Zachodniej rozpoczęła program Mine of the Future. W ramach tej inicjatywy dotychczas wdrożono wiele innowacyjnych rozwiązań.

Jednym z nich jest flota składająca się obecnie z prawie 70 autonomicznych, bezzałogowych pojazdów transportowych (Autonomous Haulage System). Wyposażono je w liczne czujniki (m.in. radarowe i laserowe). Dane przez nie mierzone są wykorzystywane przez system sztucznej inteligencji, dzięki któremu pojazdy uczą się topografii terenu kopalni. Trasy wywrotek, śledzone dzięki zamontowaniu w nich odbiorników GPS, są też poddawane analizie w centrum sterowania. Pozwala to koordynować ich przemieszczanie się i optymalizować przyszłe ścieżki i parametry ruchu (prędkość).

Ponadto ciężarówki wyposażono w autonomiczny system detekcji kolizji. Na podstawie danych z licznych czujników, jeżeli na drodze pojawi się przeszkoda, automatycznie modyfikuje on zadaną trasę pojazdu. Sensory monitorują również stan wywrotki, m.in. ciśnienie w oponach, temperaturę płynów chłodzących, ich ciśnienie, poziom oraz stopień czystości, temperaturę i poziom wibracji łożysk, temperaturę oraz ciśnienie w układzie hamulcowym. Dzięki temu, zamiast angażować personel do wykonywania okresowych przeglądów floty, można przewidywać problemy eksploatacyjne i na bieżąco na nie reagować.

W planach firma Rio Tinto ma również realizację autonomicznego systemu sterowania urządzeniami wiertniczymi (Autonomous Drilling Systems) i autonomicznego systemu transportu urobku linią kolejową (AutoHaul). Kopalnie w regionie Pilbara są nadzorowane zdalnie z centrali w Perth.

NOWE TECHNOLOGIE W GÓRNICTWIE I BRANŻY PALIWOWEJ

O tym, czy kopalnie bezzałogowe staną się rzeczywistością, zdecyduje rozwój takich technologii jak zaawansowane algorytmy sterowania, sztuczna inteligencja i, popularyzująca się ostatnio nie tylko w przemyśle, idea Internetu Rzeczy (Internet of Things), która zakłada, że urządzenia będą powszechnie i bez udziału człowieka wymieniały się danymi. W ramce na przykładzie branży naftowej przedstawiamy perspektywy tego ostatniego, jak również wyzwania, które towarzyszą jego wdrażaniu.

Monika Jaworowska

W artykule wykorzystano zdjęcia z zabytkowej Kopalni Guido w Zabrzu (poziomy 320 i 355).

Spis treści