CC BY
89
© Л.Ю. Левин, Б.П. Казаков, 2008
УДК 622.4
Л.Ю. Левин, Б.П. Казаков
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГАЗОВЫХ ТЕПЛОГЕНЕРАТОРОВ В СИСТЕМАХ ОБОГРЕВА ВОЗДУХОПОДАЮЩИХ СТВОЛОВ КАЛИЙНЫХ РУДНИКОВ
Описаны особенности использования газовых рекуперативных теплогенераторов в системах обогрева воздухоподающих стволов шахт и рудников с целью снижения энергетических затрат систем воздухоподготовки, а также приведен пример использования таких теплогенераторов на ОАО (СП) «ГипсКнауф».
Я предприятия горнодобываю-щего
-М.-М. комплекса относятся к числу наиболее энергоёмких в промышленности Российской Федерации. Значительная часть затрат энергии при этом приходится на подогрев атмосферного воздуха для проветривания рудников и обогрев воздухоподающих стволов. Потребление атмосферного воздуха рудниками в последние годы растёт практически на всех месторождениях, поэтому задача снижения затрат на проветривание шахты и обогрев шахтных воздухоподающих стволов в современных экономических условиях приобретает особую актуальность.
На большинстве существующих воздухоподающих стволов атмосферный воздух подогревается в калориферных установках, теплоносителем в которых является перегретая вода из тепловых сетей. При этом по конструктивным особенностям и способам перемещения воздуха калориферные установки подразделяют на вентиляторные и «безвен-тиляторные», расчёт и проектирование которых проводились по стандартным методикам, разработанным для сравнительно небольших промышленных установок без учёта особенностей нагрева больших объёмов атмосферного воздуха
для шахт и рудников [1]. Потери тепла при транспортировке теплоносителя и перемещении нагретого воздуха в таких калориферных, как показывает их обследование, состаляет 30-50%. Поэтому в последнее время при реконструкции систем подачи и подогрева воздуха, большой интерес вызывают технологические схемы нагрева атмосферного воздуха с применением газовых нагревателей, что обусловлено сравнительно низкими эксплуатационными затратами, минимальными потерями тепловой энергии и высокой эффективностью использования топлива.
Выпускаются газовые воздухонагреватели трех типов, различающиеся способами нагревания воздуха. В первом случае атмосферный воздух нагревается за счет его смешивания с продуктами сгорания при открытом сжигании газа в воздушном потоке. Во втором функции всей системы генерации и транспортировки тепла (котельной, теплотрассы и калорифера) совмещены в едином блоке, а тепло передается с помощью термосифонных элементов [2]. В третьем нагрев воздуха осуществляется в газовоздушных теплообменниках через
Рис. 1. Газовый рекуперативный теплогенератор
стальную теплообменную поверхность, теплоносителем при этом являются продукты сгорания газа, которые выбрасываются за пределы воздухозабора шахты.
В устройствах первого типа газовые горелки размещаются непосред-ственно в воздушном канале, а воздух обтекает факел пламени. Расход нагреваемого воздуха многократно превышает количество воздуха, принимающего участие в процессе горения, вследствие чего содержание вредных газов, являющихся продуктами горения (оксида углерода, диоксида азота и оксидов азота ) не превышает предельно допустимых концентраций (ПДК). Эти газовые смесительные воздухонагреватели по назначению и принципу действия, а также по аналогии с определением огневых работ, проводимых на шахтах, можно классифицировать как огневые калориферы прямого действия.
Воздухонагреватели второго типа представляют собой устройства, которые состоят из топки для сжигания газового топлива, дымового и воздушного каналов, разделенных герметичной перегородкой, и из термосифонов - тепловых трубок, заполненных теплоносителем, которые и передают тепловую энергию от продуктов сгорания газа к воздушному потоку.
Третий тип установок характеризуется как теплогенераторы, в которых не происходит прямого контакта дымовых газов с воздухом, поступающим в шахту, а теплообмен между продуктами сгорания и атмосферным воздухом происходит через стальную перегородку. Сгорание газа происходит в топке, которую атмосферный воздух обтекает и подогревается, после чего происходит дополнительный отбор тепла в воздухо-
воздушных теплообменниках-
утилизаторах тепловой энергии продуктов сгорания (рис. 1).
В отличие от первого типа воздухонагревателей, устройства второго и третьего типов при оснащении их должными системами управления и контроля за содержанием вредных газов в продуктах горения, могут успешно применяться в шахтных системах обогрева воздухоподающих стволов. Преимуществами этих систем являются:
- безопасность в эксплуатации;
- исключение затрат на строительство котельной, теплотрасс, калориферов;
- низкие эксплуатационные затраты;
- безинерционность, быстрый выход на заданный тепловой режим;
- высокий КПД использования газа;
- минимальные потери тепла с уходящими продуктами сгорания;
- плавное, экономичное управление процессом воздухоподготовки в зависимости от времени суток и температуры окружающего воздуха;
- широкий диапазон регулирования каждого агрегата по тепловой производительности;
- возможность диспетчеризации;
- компактность и простота монтажа.
В 2002 году на ОАО (СП) «ГипсКна-уф» было принято решение о реконструкции существующей системы обогрева воздухоподающего ствола в связи с постоянными аварийными ситуациями, возникающими при эксплуатации существующей калориферной установки, которые сопровождались обмерзанием стволов и выходом из строя водяных калориферов.
По результатам обследования и проведенных научно-исследовательс-ких работ было принято решение о применении безвентиляторной калориферной установки с использованием в качестве воздухонагревателей газовых генераторов ТС-800 производства фирмы GoGaS (Германия). Для обеспечения температуры воздуха в стволе +5°С на отметке 5 м ниже точки сопряжения ствола с вентиляционным каналом потребовалось установить параллельно по воздуху шесть теплогенераторов с общей номинальной тепловой производительностью 6 МВт (рис. 2). В результате реконструкции здания калориферной агрегаты удалось разместить в существующем помещении в два яруса по высоте по безвентиляторной схеме. Подача воздуха через теплогенераторы осуществля-
ется существующим центральным шахтным вентилятором.
В теплогенераторах воздух нагревается до заданной программой управления температуры в зависимости от температуры наружного воздуха. Подача воздуха на горение осуществляется автономными вентиляторами горелок. Продукты сгорания отводятся за пределы помещения и выбрасываются в соответствии с экологическим разделом проекта на высоте 25 м.
Установки выполнены из нержавеющей стали с плавнорегулируемой тепловой производительностью горелок. Расчётный срок службы установок 15-20 лет. Надежность работы установки определяется ее конструкцией, применением соответствующих материалов (жаростойкой стали) и системой автоматического управления для условий работы шахты. Надёжность и безопасность системы подготовки гарантируется комплексом мероприятий:
• Весь теплый воздух, подаваемый в шахту, дополнительно контролируется датчиками на наличие СО и NО2, сигнал от датчиков также поступает в систему АСУ ТП.
• В соответствии с требованиями Ростехнадзора в воздушном канале каждого из воздухонагревателей ТС 800 Е предусмотрен датчик наличия дымовых газов (контроль по окиси углерода СО). При срабатывании этого датчика отключается подача газа на установку, и сигнал об этом поступает в систему АСУ ТП.
• 2 термостата, включенные последовательно в тракт горелки, обеспечивают работу установки в определенных температурных границах, т.е предохраняют установку от перегрева.
• В программе работы системы управления предусмотрен алгоритм розжига и остановки горелок, а также
временная зависимость работы вентилятора в этом процессе.
• Горелки оснащены полным комплектом автоматики безопасности, включая контроль пламени и отключение подачи газа при отклонении давления газа от заданного значения на недопустимую величину.
• Предусмотрен контроль работы главной вентиляторной установки как гарантия стабильного протока воздуха через газовый теплогенератор.
• Система безопасности дополнена функциями контроля давления газа и возможных его утечек в помещении калориферной.
Эксплуатация системы обогрева шахтных стволов с помощью газовых теплогенераторов в течение двух отопительных периодов показала ее
Рис. 2. Схема расположения газовых теплогенераторов в помещении калориферныш
высокую надежность и эффективность. КПД при максималной нагрузке, т.е. при расчётных параметрах атмосферного воздуха - не менее 88%. В течение года при более высоких температурах атмосферного воздуха система автоматизации позволяет устанавливать режимы работы с КПД, достигающим 95%. Это определяется тем, что при номинальной нагрузке плавнорегулируемые горелки позволяют поддерживать режим горения, при котором происходит охлаждение дымовых газов до «точки росы» с выпадением конденсата из дымовых газов. Таким образом достигается более высокая эффективность использования топлива. Основные технические характеристики системы обогрева воздухоподающего ствола шахты ОАО (СП) «ГипсКнауф» приведены в таблице.
Основные технические характеристики установок
Расчетная подача воздуха 540 000 м3/час
Расчетная температура наружного воздуха -27 С0
Установленная тепловая мощность 6 МВт
Максимальный расход газа 650 нм3/час
Годовой расход газа 900 000 нм3
Давление газа на подключении 50 мбар
Экономический эффект от внедрения газовых теплогенераторов за первый отопительный период составил около трех миллионов рублей, а срок окупаемости проекта не должен превысить четырех лет.
При пусконаладочных работах были проведены дополнительные исследования, в результате которых выявлены некоторые особенности эксплуатации в условиях подготовки воздуха для рудников и некоторые отклонения от технологических режимов работы воздухонагревателей. К этим отклонениям можно отнести неравномерное распределение воздушных потоков между теплогенераторами, неравномерное обтекание теплообменных поверхностей в самих воздухонагревателях, а также образование наледи в конденсатопроводах. Указанные отклонения связаны в данном случае с особенностями конструктивных решений при проектировании системы
1. Казаков Б.П., Левин Л.Ю. Общие принципы работы безвентиляторных систем отопления шахтных стволов // Г орная механика Со-лигорский институт проблем ресурсосбережения. Р Б -2001- № 1-2. С. 35-39
подготовки воздуха для действующего рудника. Что позволило устранить указанные нарушения в процессе эксплуатации установки.
Заключение
Использование газовых теплогенераторов в системах обогрева шахтных стволов второго и третьего типа отвечает всем требованиям правил безопасности и является эффективным и экономически оправданным мероприятием. Для внедрения таких систем при выполнении проектно-смет-ных работ необходима детальная научно-
исследовательская проработка, включающая в себя моделирование процессов теплообмена и движения воздушных потоков в комплексах воздухоподготовки, и позволяющая учесть всю специфику вентиляционных сетей и воздухоподающих стволов отдельно взятого горного предприятия.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. Черниченко В.К., Коптиков В.П., Подгорный Н.Е. Обоснование требований безопасности к огневым калориферам воздухоподающих стволов // Уголь Украины. Киев, 2004, №3. М
— Коротко об авторах ---------------------------------------------------------------
Левин Л.Ю., Казаков Б.П. - Горный институт УрО РАН.
Статья представлена Горным институтом Уральского отделения Российской Академии Наук.
