CC BY
53
РАЗДЕЛ 5. ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ И ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ
УДК 622.663.3
А.В. Николаев
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия
ЗАВИСИМОСТЬ ПОТРЕБЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ГЛАВНОЙ ВЕНТИЛЯТОРНОЙ УСТАНОВКИ ОТ СПОСОБА ПРОВЕТРИВАНИЯ ДОБЫЧНЫХ УЧАСТКОВ КАЛИЙНЫХ РУДНИКОВ
Приведены результаты расчета потребления электроэнергии главной вентиляторной установки при предлагаемой схеме проветривания добычных участков калийных рудников.
Ключевые слова: калийный рудник, естественная тяга, тепловая депрессия, главная вентиляторная установка.
A.V. Nikolaev
State National Research Polytechnical University of Perm, Perm, Russia
THE INFLUENCE OF CONSUMPTION ELECTRIC POWER IS SPENT FOR WORK MAIN VENTILATION INSTALLATION FROM THE WAY VENTILATION UNDERGROUND MOUNTAIN DEVELOPMENTS THE POTASH MINES
The articles deals with results of calculation consumption electric power is spent for work main ventilation installation at the offered scheme ventilation underground mountain developments the potash mines.
Keywords: the potash mine, natural draught, thermal depression, main ventilation installation.
Приоритетным направлением в развитии экономики Российской Федерации в настоящее время является вопрос энергосбережения во
всех отраслях промышленности. Затраты электроэнергии на калийных рудниках составляют десятки мегаватт в час. Из них затраты электроэнергии на проветривание рудников составляют порядка 30 % от всего энергопотребления [1]. В связи с этим разработка мероприятий, способствующих снижению затрат на проветривание, является одним из способов снизить потребление электроэнергии, затрачиваемой на электроснабжение рудника.
Многолетние исследования, проведенные профессором Н.Н. Мохи-ревым [2, 3], показали, что немаловажное влияние на эффективность проветривания оказывают тепловые депрессии (естественные тяги), возникающие между выработками в панелях и блоках выемочных участков. По результатам исследования, вместо традиционной, была предложена новая схема проветривания, при которой тепловые депрессии способствовали проветриванию [4, 5]. В этих работах был приведен расчет воздухорас-пределения и оценки увеличения общешахтной депрессии за счет действия тепловых депрессий. Однако полученные данные не отображали истинную картину энергоэффективности и энергосбережения подобных схем. В связи с этим нами был произведен сравнительный анализ энергопотребления системы вентиляции при традиционной и предложенной схемах проветривания на примере двух рудников: Дехканобадского завода калийных удобрений (ДЗКУ) (Узбекистан) и Соликамского калийного рудоуправления № 3 (СКРУ-3) (г. Соликамск, Пермский край).
Предварительно для каждого из рудников по плану горных работ были составлены расчетные схемы. При этом сравнивались два варианта: 1 - все панели и блоки в рудниках отрабатываются по традиционной схеме; 2 - одна из панелей отрабатывается по предложенной схеме.
Для упрощения расчетов часть выработок, объединяющих один контур, заменялись одной эквивалентной. К примеру, при упрощении все параллельные выработки заменялись одной эквивалентной ветвью той же длины, сечение которой согласно [6] подсчитывалось по формуле
которая была получена на основании формулы расчета аэродинамического сопротивления трения для выработок калийных рудников
R = 0,096138 , Н-с2/м8,
г S,2’5
где L, S - соответственно длина (м) и сечение (м2) выработки; K - коэффициент, определяющий степень шероховатости выработки, способ ее проходки и назначение [6].
После упрощения расчетных схем был произведен их расчет по хорошо зарекомендовавшему себя методу последовательных приближений [7, 8, 9, 10, 11, 12, 13].
Расчетная формула, учитывающая действие тепловых депрессий и механических вентиляторов согласно [6, 10], выглядит так:
X Ri Q 'sign (Qi ) + he ‘sign (he ) + X hui ‘sign (hui ) = 0, (3)
j j где Ri, Qi - аэродинамическое сопротивление (Н-с2/м8) и расход воздуха (м3/с) в i-й ветви, входящей в j-й контур; he - величина тепловой депрессии, Па; hui - депрессия (давление) механических (вентиляторов, работающих через перемычку) или струйных (вентиляторов-эжекторов) источников тяги, Па; sign - знак, определяющий величину переменной.
Алгоритм, по которому был произведен расчет вентиляционных сетей рудников с источниками тяги (тепловой депрессией и вентиляторами), можно рассмотреть на примере простой сети, состоящей из двух контуров (рисунок).
Сначала необходимо задаться исходными данными, к примеру: Q = 40 м3/с; R1 = 0,015 Н-с2/м8; R2 = 0,014 Н-с2/м8; R3 = 0,012 Н-с2/м8; hu = 1,5 Па; he = 0,5 Па. (На действующих и проектируемых рудниках данные величины находятся по формулам (1) и (2), а также по методике [5, 6].)
Рис. Расчетная вентиляционная сеть с источниками тяги
1. Совершенно произвольно задаются значения потоков воздуха в
í п \
X а=о
V 1=1
ветвях, но с учетом первого закона вентиляционных сетей
Пусть 01 = 15 м3/с; 02 = 15 м3/с; 03 = 10 м3/с.
2. Выбирается направление (произвольно) обхода контуров I и II (см. рис. 1).
Тогда по второму закону вентиляционных сетей в виде алгебраической суммы номеров ветвей (цифры в кружках) уравнения примут вид
1, -2, - Ии, - И - контур I;
2, -3, + Ие - контур II.
Далее определяются невязки расхода воздуха (Ад1 и Дд2) в каждом из контуров, которые согласно [6] могут быть найдены по формуле
С V л • а \
X к- а,
Ад= -
-+8ЩП
X к- а
X ВДП (0 )• к,
V 1
X ка
X (а, у я,
V 1
X *18п (а у ка,2
__1________________________
X 81§п (0, У к
(4)
Новые значения расходов воздуха в ветвях контура определяются следующим образом: если направление невязки расхода воздуха совпадает с направлением потока воздуха в ветви, то новое значение потока воздуха равно сумме потока и невязки:
01н=01+Ад. (5)
Наоборот, если направление невязки воздуха в контуре не совпадает с направлением потока воздуха в ветви, то новое значение потока
равно разности потока и невязки
01н = 01- Дд- (6)
Для контура I по формуле (4) значения будут следующие:
X К• 0= Лт 0 -К 0 - И. - Ие = -1,565;
X si§n (Q,) •R, = R -R=0,°01;
J
X sign (Q,) • R • Q2 = R Qi2 -R Qi2 - К - A, = -1.775;
J
-1,565
Aq =--
^-1.565 Y -1,775
v 0,001 у
0,001
= -0,567 м/с.
Тогда новые значения Q1h = 15 + 0,567 = 15,567 м /с; QiH = 15 -
- 0,567 = 14,433 м3/с.
При вычисленных значениях расходов воздуха невязка падения депрессии в контуре
X sign (Qi )• R-Q- = R -a; -R ^2н - A, - A, = - 1,28140 Па.
J
3. Определяется невязка расхода Aq2 во втором контуре по формуле (4). Только вместо Q2 подставляется значение Q2^
X R Q,= R •Qiн -R • Q3 - К=-0,418;
J
X sign (Q,) •R = R -R3= 0,002;
J
X sign (Q,) • R-Q,2 = R • Qi -R-Q? + К = 2,216 Па;
J
-0,418
Aq2 =-
-0,418 ) 2,216 3.
—2------I —2-------= 2,669 м/с.
v 0,002 у 0,002
Тогда новые значения Q^ = 11,764 м/с; Q3yi = 12,669 м/с, а невязка падения депрессии в контуре
X sign (Q,) - R • Q = R • Qi -R-Qi + h, = 0,5117 Па.
J
Невязки падения депрессий в контурах достаточно велики, поэтому вычисления необходимо повторять, пока их значения не будут удовлетворять заданной точности, к примеру каждая из них Ah, < 0,02.
Вычисления сведем в таблицу (табл. 1).
Как видно из табл. 1, для вычисления расхода воздуха в вентиляционной сети, приведенной на рисунке, потребовалось 5 повторений (итераций). Количество итераций будет увеличиваться при усложнении расчетной схемы.
Результаты расчета вентиляционной сети, приведенной на рисунке, по методу последовательных приближений
Номер итера- ции Д#ь м3/с Дq2, м3/с 01н, м3/с /с гя ,м ,2н 03н, м3/с Мь Па ДК2, Па
1 -0,567 2,669 15,567 11,764 12,669 -1,28140 0,51171
2 -0,094 0,492 15,661 11,177 13,161 -0,22730 0,17052
3 -0,022 0,163 15,683 10,992 13,324 -0,05293 0,06121
4 -0,001 0,060 15,684 10,931 13,385 -0,00100 0,02317
5 0,005 0,024 15,679 10,912 13,409 0,01291 0,00937
Проверка правильности полученных расходов воздуха осуществляется по первому и второму закону вентиляционных сетей:
0 - 01 + 02 + 0з = 40 - 15,679 + 10,912 + 13,408 = 0 м3/с;
*1 ■ 012 - *2 ■ 02 - К - Не = 0,020461 Па;
*2 ■ 022 - *3 ■ 032 + Ке = 0,00939 Па.
Из уравнений видно, что невязка лежит в заданных пределах.
По данному алгоритму были произведены расчеты воздухорас-пределения в рудниках ДЗКУ и СКРУ-3, после чего был определен режим работы главной вентиляторной установки (ГВУ), на который
можно ее перевести с учетом возросшего объема поступающего в рудники воздуха за счет положительного действия тепловых депрессий в предлагаемых схемах.
Электроэнергия, потребляемая вентилятором (кВт-ч), согласно [6] находится по формуле
N=
К ■ 0в
1000п
(7)
где Кв и 0в - соответственно давление (Па) и производительность (м /с) вентилятора; п - КПД вентилятора при выбранном режиме работы (о.е.).
Результаты расчета энергопотребления ГВУ при традиционных схемах панелей и блоков (М), при изменении схемы проветривания одной из панелей (N2), а также их разность (Д^ в кВт-ч за год приведены в табл. 2.
Результаты расчета энергопотребления ГВУ за год при традиционной и предложенной (одна панель) схемах проветривания
Рудник Энергопотребление
N1, МВт-ч N2, МВт-ч AN, МВт-ч
ДЗКУ 2 972,3 1 804,4 1 167,9
СКРУ-3 12 743,8 9 347,8 3 396,0
Расчет вентиляционных сетей показал, что при изменении способа проветривания всего одной панели исследуемых рудников затраты электроэнергии на проветривание сократились на довольно значительную величину. Учитывая то, что изменение способа подготовки, отработки и проветривания добычных участков не связано с дополнительными материальными затратами, а только с изменением технологии, экономический эффект от энергосбережения будет заметен уже на первоначальных этапах.
Таким образом, изменение схемы проветривания добычных участков, помимо повышения эффективности проветривания, будет способствовать снижению потребляемой ГВУ электроэнергии.
Библиографический список
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. Мохирев Н.Н., Трофимов Н.А. Расчет величины естественной тяги, возникающей в наклонных выработках выемочных участков // Изв. вузов. Горный журнал. - 1987. - № 5. - С. 42-44.
3. Мохирев Н.Н. Влияние естественной тяги на воздухораспреде-ление при аварийных ситуациях. Технология подземной разработки калийных месторождений // Межвузовский сб. науч. тр. / Перм. поли-техн. ин-т. - Пермь, 1988. - С. 120-125.
4. Разработка мероприятий по приведению в рабочее состояние вентиляционных систем панелей рудника СКРУ-3: отчет по НИР; отв. исполн. Мохирев Н.Н.. - Пермь, 2007. - 29 с.
5. Николаев А.В. Влияние различных факторов на воздухорас-пределение в блоках, отрабатывающих наклонные пласты // Рудник будущего: проекты, технологии, оборудование: сб. тр. VI Междунар. науч.-практ. конф. - Пермь, 2010. - № 3. - С. 97-103.
6. Мохирев Н.Н., Радько В.В. Инженерные расчеты вентиляции шахт. Строительство. Реконструкция. Эксплуатация / ООО «Недра-Бизнесцентр». - М., 2007. - 324 с.
7. Абрамов Ф.А., Тян Р.Б., Потемкин В.Я. Расчет вентиляционных сетей шахт и рудников. - М.: Сов. законодательство, 1982. - 78 с.
8. Белов В.И. Новый способ расчета вентиляции диагональных сетей методом последовательных приближений // Тр. Донецк. индустр. ин-та, 1959. - Т. 35. - Вып. 4. - С. 79-88.
9. Воропаев А. Ф. Решение сложных диагональных соединений вентиляционной сети // Тр. ХГИ. - 1961. - Т. 10. - С. 48-51.
10. Мохирев Н. Н. Разработка современных методов и средств обеспечения высокоэффективного проветривания рудников, обладающих малыми аэродинамическими сопротивлениями: дис. ... д-ра техн. наук / Перм. гос. техн. ун-т. - Пермь, 1994. - 302 с.
11. Рязанцев Г.К. Устойчивость и управляемость шахтных вентиляционных сетей. - Алма-Ата: Наука, 1978. - 276 с.
12. Тян Р. Б. Исследование вопросов распределения и регулирования расходов воздуха в сложных вентиляционных сетях с применением ЭВМ: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Днепропетровск, 1965. - 34 с.
13. Цой С., Рогов Е.И. Основы теории вентиляционных сетей. -Алма-Ата: Наука, 1965. - 260 с.
References
1. Starkov L.I., Zemskov A.N., Kondrashov P.I. The development of mechanized development of potash ores. - Perm: Perm state university press, 2007. - 522 p.
2. Mokhirev N.N., Trofimov N.A. Calculation of the natural draught occurring in inclined workings excavation sites // The news high schools. Mining Journal. 1987. - № 5. P. 42 - 44.
3. Mokhirev N.N. Effect of natural draught air distribution in case of emergency situations. Technology of underground potash deposits // Intercollegiate collection of proceedings. Perm. - 1988. 120 - 125 p.
4. Working out of actions for reduction in a working condition of ventilating systems of panels of mine SPIG-3: the report on the executed service in the contract 2007/25 // Executive N.N. Mohirev. - Perm, 2007. - 29 p.
5. Nikolaev A.V. The influence of various factors on air distribution in the blocks fulfilling inclined layers // Mine of the Future: projects, technologies, equipment: The collection of works of VI International scientifi-cally-practical conference. - Perm, 2010. - № 3. - 97-103 p.
6. Mokhirev N.N., Radko V.V. Engineering calculations of ventilation of mines. Building. Reconstruction. Operation. - М: Open Company Bow-els-business centers, 2007. - 324 p.
7. Abramov F.A., Tian R.B., Potemkin V.Ia. Calculation of ventilating networks of mines and mines. - М: Publishing house «Soviet legislation», 1982. - 78 p.
8. Belov V.I. New way of calculation of ventilation of diagonal networks a method consecutive approximations//Works of Donetsk industrial institute, 1959. - Т. 35. -№ 4. - 79-88 p.
9. Voropaev A.F. The decision of difficult diagonal connections of a ventilating network// Works of the Kharkov college of mines. - 1961. -Т. 10. 48-51 p.
10. Mokhirev N.N. Working out of modern methods and means of maintenance of highly effective airing of the mines possessing small aerodynamic resistance: Diss. ... Dr.Sci.Tech. / Perm. state techn. Un. - Perm, 1994. - 302 p.
11. Ryazantsev G.K. Stability and controllability of mine ventilating networks. - Alma-Ata: the Science, 1978. - 276 p.
12. Tian R.B. Research of questions of distribution and regulation of expenses of air in difficult ventilating networks with the electronic computer application: the Author's abstract ... Cand.Tech.Sci. - Dnepropetrovsk, 1965. - 34 p.
13. Choi C., Rogov E.I. Bases of the theory of ventilating networks. -Alma-Ata: the Science, 1965. - 260 p.
Об авторах
Николаев Александр Викторович (Пермь, Россия) - ассистент кафедры электрификации и автоматизации горных предприятий Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: nikolaev0811@mail.ru).
About the authors
Nikolaev Alexandr Vikorovich (Perm, Russia) - assistant of the Department of Electrification and Automation of Mining Industries, State National Research Polytechnical University of Perm, (614990, Perm, Komso-molsky Av. 29, e-mail: nikolaev0811@mail.ru).
Получено 09.09.2011
