К вопросу о рациональном использовании электроэнергии и природных ресурсов при работе калориферных установок

В настоящее время одним из приоритетных направлений в Российской Федерации является разработка мероприятий способствующих энерго- и ресурсосбережению.

Горные предприятия, в частности калийные рудники, относятся к категории производства ежегодно потребляющей десятки ГВт∙ч электроэнергии, порядка 30 % которой согласно [1] расходуется на обеспечение вентиляции. Кроме этого для обеспечения проветривания рудников в холодное время года воздух, подаваемый в стволы, согласно [2] должен подогреваться до температуры не ниже + 2 ⁰C. Для этой цели используются калориферные установки (в основном водяные или газовые), потребляющие значительные объемы природного газа (на нагрев воды в котельной – для водяных; на разогрев теплообменной камеры – для газовых).

Исходя из вышеизложенного, разработка мероприятий, способствующих снижению потребления электроэнергии при отсутствии воздухоподготовки, и экономии природного газа при осуществлении предварительной подготовки воздуха в холодное время года (в калориферных установках), является актуальной задачей, способствующей энерго- и ресурсосбережению.

Проветривание рудника неизбежно сопровождается возникновением естественной тяги (тепловой депрессии) – явлением, получившим свое название из-за естественного происхождения, зависящего только от происходящих в природе физических процессов. Возникновение тепловой депрессии обусловлено разностью плотностей (удельного веса) столбов воздуха в вертикальных и наклонных выработках. Движение воздуха вызвано конвективным теплообменом, т.е. когда холодный воздух стремиться опуститься вниз, а более теплый – подняться вверх.

На производительность главной вентиляторной установки (ГВУ) оказывает влияние общерудничная естественная тяга (h_e), которую согласно [3, 4] можно определить по формуле

, (1)

где n – количество сообщающихся стволов; sign – направление действия тепловой депрессии, h_ei – тепловые депрессии, действующие между стволами, Па (рис. 1).

Рис. 1. Упрощенная схема проветривания рудника.

h_e1, h_e2 и h_e3 – тепловые депрессии, возникающие между стволами, Па;
Q₁, Q₂, Q_ш, Q_ут – объемы воздуха проходящие соответственно по воздухоподающим
(Q₁, Q₂) и вентиляционному (Q_ш) стволам, теряемые на утечки (Q_ут);
Q_В – производительность вентилятора, м³/с

Проведенный сравнительный анализ математических зависимостей, определяющих величину тепловых депрессий, действующих между стволами [3], и величину общерудничной естественной тяги, рассчитываемой по формуле (1), с экспериментальными данными [5] показал, что отклонение их лежит в пределах 2 %. В связи с чем был сделан вывод о возможности применения полученных математических зависимостей для определения величины общерудничной естественной тяги.

Величина и направление естественной тяги определяет ее влияние на вентиляционную сеть. В случае если направление тяги совпадает с заданным (необходимым) направлением движения воздуха в руднике, ее принято называть положительной естественной тягой. Если естественная тяга направлена встречно движению потока воздуха, то это явление препятствует нормальному режиму проветривания – отрицательная естественная тяга.

При определенных условиях отрицательная естественная тяга может достигнуть величины, при которой ГВУ не сможет обеспечить подачу требуемых объемов воздуха в рудник. В этом случае потребуется переводить работу вентилятора в область более высоких давлений, что приведет к увеличению ее энергопотребления. При действии положительной естественной тяги, наоборот, в рудник будет подаваться больший объем воздуха, следовательно, работу вентилятора можно будет перевести в область более низких давлений, т.е. снизить потребление электроэнергии ГВУ.

Проведенные в работе [6] исследования показали, что регулирование режимов работы ГВУ с учетом действия положительной общерудничной естественной тяги позволит сократить затраты электроэнергии. Для проектируемого рудника Усольского калийного комбината (г. Березники, Пермский край) экономия электроэнергии составила 1842,7 МВт∙ч за год.

Однако полученные математические зависимости позволяют определить величину тепловых депрессий, действующих между стволами и величину общерудничной естественной тяги при подаче наружного воздуха в стволы напрямую, не проходя предварительной подготовки в калориферной установке. В связи с этим в работе [7] были приведены алгоритм и методика расчета величины тепловой депрессии, возникающей при работе калориферной установки, а также определена зависимость между данной тепловой депрессией и естественной тягой, возникающей между стволами.

Согласно расчетным формулам работы [7], ввиду того, что температура подогреваемого воздуха выше температуры наружного воздуха (т. е. воздух, выходящий из калориферный установки, будет более легким), тепловые депрессии, возникающие при работе калориферной установки (h_e(КУ)), всегда будут иметь одно направление (рис. 2).

При составлении расчетных схем [7], выяснилось, что тепловая депрессия, возникающая при работе калориферной установки, будет снижать положительную (увеличивать отрицательную) общерудничную естественную тягу, а также препятствовать поступлению воздуха через калориферный канал (Q_КУ) и способствовать инфильтрации (проникновению) наружного воздуха через надшахтное здание (Q_н.зд.) (рис. 2).

В общем виде согласно [7] величина общерудничной естественной тяги может быть определена по формуле

, (2)

где m – количество воздухоподающих стволов.

Рис. 2. Возникновение тепловой депрессии при работе калориферной установки

Подобные утверждения и выведенные математические зависимости требовали проверки с эмпирическими данными, в связи с чем, на руднике БКПРУ-2 (2-ое Березниковское калийное производственное рудоуправление, ОАО «Уралкалий», Пермский край) была проведена воздушно-депрессионная съемка (ВДС) [8]. Результаты измерений, полученные в ходе проведения ВДС [8] и расчетные значения, полученные по формулам [7] приведены в таблице.

Таблица

Сравнительный анализ данных, полученных в ходе измерений, с данными, полученными по расчетным формулам

P_о.д.i, t_о.д.i – соответственно барометрическое давление (мм рт. ст.) и температура воздуха (⁰C) в околоствольном дворе i-го воздухоподающего ствола; t_кан – температура смешанных потоков воздуха в точке соединения канала ГВУ со стволом.

Как видно из таблицы, данные полученные при проведении ВДС и значения, найденные теоретическим путем, отличаются несущественно, что указывает на высокую точность полученных математических зависимостей [3, 4]. В связи с этим подтверждается зависимость (2), определяющая влияние тепловых депрессий, возникающих при работе калориферной установки, на величину общерудничной естественной тяги и инфильтраций через надшахтное здание.

Ввиду того, что тепловая депрессия h_e(КУ) будет способствовать инфильтрации воздуха через надшахтное здание и препятствовать поступлению воздуха через калориферную установку, общая температура смешанных теплого (Q_КУ) и холодного (Q_н.зд.) потоков (рис. 2) будет снижаться. В связи с этим температуру и объем воздуха, проходящего через калориферную установку необходимо будет повышать, что повлечет за собой увеличение затрат теплоносителя, расходуемого на нагрев воздуха.

Вариантом снижения требуемой теплопроизводительности калориферной установки может являться герметизация надшахтного здания от проникновения наружного воздуха. На клетевых стволах инфильтрацию наружного воздуха в надшахтное здание можно снизить при помощи вентиляционных клапанов [9]. Скиповые и скипоклетевые стволы изолировать от поступления наружного воздуха невозможно, так как в надшахтном здании обязательно будут присутствовать окна для прохода скипов (скиповые окна). В случае изоляции копра надшахтного здания, при разгрузке скипов, воздух, подаваемый в ствол, будет сильно запылен. Поэтому на подобного рода стволах обязательно будут присутствовать инфильтрации наружного воздуха через скиповые окна.

Кроме того, регулирование температурного режима калориферных установок приведет к изменению общерудничной естественной тяги, что будет сказываться на потреблении электроэнергии ГВУ. При этом регулирование режимов работы калориферной установки необходимо проводить с учетом вероятности образования «воздушных пробок» в воздухоподающих стволах [10, 11] из-за изменяющихся тепловых депрессий, действующих между ними (рис. 1). В данном случае величина и направленность тепловых депрессий, действующих между стволами, будет зависеть не только от температуры воздуха подаваемого в стволы, но и от взаимного расположения (разности абсолютных отметок) стволов [12, 13].

Исходя из вышеизложенного, для рационального использования энерго- и теплоресурсов работа ГВУ и калориферных установок должна рассматриваться в комплексе. Наилучшим вариантом является, если все приведенные в данной работе условия будут рассматриваться уже на стадии проектирования рудника. С этой точки зрения в проекте необходимо предусмотреть следующие пункты:

1. Возможность герметизации надшахтного здания, если ствол является клетевым. В случае невозможности герметизации – предложить вариант подогрева воздуха, при котором через калориферную установку будет проходить большее количество воздуха. Например, использовать более мощные нагнетательные вентиляторы в калориферной установке. Либо, как предложено в работе [14], вообще избавиться от калориферного канала, что исключит возникновение тепловой депрессии h_e(КУ) (рис. 3);

2. В качестве воздухоподающих стволов выбрать те, разность абсолютных отметок которых наименьшая. В работе [11] было установлено, что если воздухоподающие стволы находятся на равных абсолютных отметках, имеют одинаковое назначение (скиповые, скипоклетевые или клетевые), то при подаче в них воздуха с одинаковой температурой между ними практически исключается возможность образования тепловой депрессии. В результате будет снижаться отрицательная (увеличиваться положительная) общерудничная естественная тяга, что позволит снизить энергопотребление ГВУ. При этом будет исключаться возможность образования «воздушных пробок» в воздухоподающих стволах.

Литература:

1. Старков Л.И., Земсков А.Н., Кондрашев П.И. Развитие механизированной разработки калийных руд. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2007. – 522 с.

2. Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений полезных ископаемых подземным способом: ПБ 03-553-03: утв. ГУП «НТЦ по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России» 13.05.03. М., 2003. Сер. 03. Вып. 33. – 200 с.

3. Алыменко Н.И., Николаев А.В. Расчет величины общерудничной естественной тяги // Воздушная завеса и общерудничная естественная тяга: Отдельные статьи Горного информационно-аналитического бюллетеня (научно-технического журнала). – М.: Издательство «Горная книга». – 2001. – № 5. – С. 18–26.

4. Алыменко Н.И., Николаев А.В. Влияние тепловых депрессий, действующих между стволами, на величину общерудничной естественной тяги // Рудник будущего: проекты, технологии, оборудование. – Пермь, 2011. – №3. – С. 106–107.

5. Николаев А.В. Метод расчета величины общерудничной естественной тяги // Воздушная завеса и общерудничная естественная тяга: Отдельные статьи Горного информационно-аналитического бюллетеня (научно-технического журнала). – М.: Издательство «Горная книга». – 2001. – № 5. – С. 12–17.

6. Алыменко Н.И., Николаев А.В, Седнев Д.Ю. Регулирование режимов работы ГВУ с учетом действия естественной тяги // Научные исследования и инновации. – Пермь, 2011. –Том 5, № 4. – С. 56–59.

7. Николаев А.В. Расчет величины тепловой депрессии, возникающей при работе калориферной установки // Известия вузов. Горный журнал. – Екатеринбург, 2012. – № 1. – С. 27–33.

8. Алыменко Н.И., Николаев А.В, Каменских А.А., Тронин А.П. Результаты исследования системы вентиляции рудника БКПРУ-2 в холодное время года // Вестник Пермского университета. Геология. – Пермь, 2011. – Вып. 3. – С. 89–96.

9. Мохирев Н.Н. Проветривание подземных горнодобывающих предприятий, Пермь, 2001. – 280 с.

10. Алыменко Н.И., Николаев А.В, Седнев Д.Ю. Зависимость воздухораспределения от величины тепловых депрессий, действующих между стволами // Геология и полезные ископаемые Западного Урала: матер. юбилейной конф., посвященной 80-летию геолог. ф-та и 95-летию Перм. ун-та. – Пермь, 2011. – С. 199–201.

11. Николаев А.В. Оценка влияния работы калориферных установок на эффективность проветривания калийных рудников // Технические науки: традиции и инновации: материалы Междунар. зоач. науч. конф., Челябинск, январь 2012 г. – Челябинск: Два комсомольца, 2012.. – С. 162–166.

12. Алыменко Н.И., Николаев А.В. О влиянии взаимного расположения шахтных стволов на величину возникающих между ними тепловых депрессий // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. – Новосибирск, 2011. – № 5. – С. 84–91.

13. Alymenko N.I., Nikolaev A.V. Influence of mutual alignment of mine shafts on thermal drop of ventilation pressure between the shafts // Journal of Mining Science, Vol. 47, No. 5, 2011. – 636–642 p.

14. Заявка на патент № 2012129273. Шахтная калориферная установка // Николаев А.В., Алыменко Н.И., Николаев В.А, Земсков А.Н. – поступл. 10.07.2012.