Исследование рециркуляционного способа проветривания калийных рудников и его экономическая эффективность Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

------------------------------------------ © Л.Ю. Левин, Ю.В. Круглов,

2008

УДК 622.41

Л.Ю. Левин, Ю.В. Круглов

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЦИРКУЛЯЦИОННОГО СПОСОБА ПРОВЕТРИВАНИЯ КАЛИЙНЫХ РУДНИКОВ И ЕГО ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

Приведены основные принципы рециркуляционного проветривания, как одного из важных энергосберегающих мероприятий.

ЖЭеличина расхода воздуха, необ--Л-^ходимого для проветривания рабочих зон, определяется предельно допустимыми по правилам безопасности значениями температуры, концентрации пыли и вредных газов. Чем больше тепла, пыли и газов выделяется при работе комбайна, тем большее количество свежего воздуха требуется для их разбавления и выноса. Для различных газов

предельно допустимые концентрации (ПДК) их в воздухе изменяются в широких пределах - от 0.005 м3 на кубометр чистого воздуха для метана до 0.00000009 м3 на кубометр чистого воздуха для акролеина. Как правило, величина необходимого для проветривания рабочей зоны расхода воздуха определяется количеством выделяемых при отбойке руды пыли и тепла, а для выноса газов требуется значительно меньший расход. Вынос пыли отличается от выноса газа тем, что её концентрация быстро уменьшается по мере удаления от рабочей зоны в результате оседания пыли. На некотором расстоянии от рабочей зоны по вентиляционному штреку отработанный воздух практически освобождается от пыли, и концентрация газов в нём ещё далека от ПДК, а, значит, этот воздух вполне пригоден для повторного использования. То же самое можно сказать и о выносе тепла - в результате теп-

лообмена с горным массивом воздух остывает и может быть использован повторно для отвода тепла. После оседания пыли и остывания воздуха часть его может быть направлена обратно в воздухоподающий штрек вспомогательным вентилятором и смешана с подсвежаю-щей струёй. Величина этой части будет определяться ПДК наиболее опасного газа в рабочей зоне.

Следует заметить, что опасность непрерывного возрастания концентраций вредных газов в рабочей зоне существует только при 100 %-й рециркуляции [1], т. е. в случае, когда поступления свежего воздуха нет и выноса вредностей, соответственно, тоже нет. Если же рециркуляция частичная, то свежий воздух в рабочую зону поступает, вредности выносятся, а потому их концентрации после некоторого роста с момента запуска рециркуляционной системы, как будет показано далее, принимают конечные стационарные значения [2]:

С1 = О1 / О , где Ог дебит газовыделе-ния г-й вредности (м3/мин), Q- расход свежего воздуха (м3/мин) ^>>Сг).

В общей постановке задача распространения газовых примесей решается

ч^исленно, однако механизм_________

нарастания^кбнцентрации вредных г^в может быть исследован аналитически на

\ТЬ’к(()

Яі(і),01(ґ) А

► г

Qr(0, Gr(i)

В

Рис. 1. Распределение расходов воздуха и газовых примесей в системе проветривания рабочей зоны с рециркуляцией

примере упрощённой ситуации, моделирующей рециркуляционный контур ABCD (рис. 1). Определяется изменение концентрации газа со временем в исходящей струе при включении рециркуляции. На рисунке присутствуют следующие обозначения: t - время (мин), Qi(t), Q2(t)- расходы входящего в циркуляционный контур ABCD и исходящего из него воздуха (м3/мин), Gi(t), G2(t)- расходы входящего в циркуляционный контур ABCD и исходящего из него газа (м3/мин), G(t)- дебит газовыделений в рабочей зоне BC (м3/мин), которая является частью контура ABCD, QR(t) и GR(t)- расходы воздуха и газа на выходе из рабочей зоны (м3/мин) (участок DC), Q’R(t) и G’R(t)- расходы воздуха и газа в рециркуляционной сбойке с источником дополнительной тяги (м3/мин) (участок AD).

При расчёте делаются следующие допущения.

• Объём газа, содержащийся в воздухе, намного меньше объёма чистого воздуха, что в условиях нормальной вентиляции всегда выполняется. Поэтому можно считать, что G на Q никак не влияет. Таким образом, Q - это расход воздуха или смеси воздуха и газа.

• Qi(t) = Q() =Q = const - утечек воздуха из контура ABCD нет и Q от времени не зависит.

• GI(t) = GI = const - концентрация газа во входящей в контур ABCD

струе не изменяется со временем и в дальнейшем полагается равной нулю.

• G(t) =G = const - выделение газа в рабочей зоне постоянно. Это допущение моделирует выброс выхлопных газов двигателями внутреннего сгорания работающей техники.

Без чёткого задания начальных условий решение нестационарной задачи распространения газа невозможно. Принята следующая стартовая позиция.

• Начальный момент времени t = 0 - это момент включения рециркуляции. Т.е. в момент времени t = -0 рециркуляции нет, Q’r = 0 и Q= Qr, а в следующий момент времени t = +0 —Q’r ^

0 и Q = Qr - QR Расход воздуха через рабочую зону Qr при включении рециркуляции не изменяется. Данный вариант начальных условий моделирует ситуацию, в которой назначение рециркуляции - компенсация недостачи воздуха при подключении параллельного потребителя воздуха, который включается в момент времени t = +0 одновременно с дополнительным источником тяги в рециркуляционной сбойке.

• Концентрация газа в исходящей из рабочей зоны струе в начальный момент времени задана и равна концентрации газа до включения, т. е. cr0 ' =

G/Qr.

Таким образом, подобная постановка начальных условий означает следующее

- в момент уменьшения подачи свежего воздуха в рабочую зону включается рециркуляционный источник тяги, который компенсирует это уменьшение (QR остаётся прежним). Требуется определить, как будет изменяться концентрация газа в исходящей струе, начиная с этого момента.

В виду того, что расходы воздуха со временем не изменяются, решение задачи можно упростить. Пусть T- время полного оборота элемента воздуха по контуру ABCD. Время t разбивается на интервалы T: t0 = 0, tj = T, t2 = 2T, ..., tn = nT, после чего производится дискретизация модели, - изменения содержания газа учитываются только на границах этих временных интервалов. Подобный подход позволяет оперировать суммами, а не интегралами, что значительно проще. Пусть i- номер такого временного интервала (ti = iT) (i- количество раз пропускания газа по рециркуляционному контуру). Т. к. расходы воздуха от времени не зависят, а также не зависят от времени G и Gj, то от i будут зависеть G2, Gr и GR. Поскольку в дискретном подходе время уже не фигурирует, удобно перейти от расходов к объёмам. С учётом сказанного обозначения на рис. 1 принимают вид (расходы заменяются объёмами): Q^3)-объём воздуха, входящего в контур и выходящего из него за время T (за один раз пропускания); Qr^3)- объём воздуха, проходящего через рабочую зону за время T; G^3)- объём газа, входящего в + (Q + G

контур за время T' G-((^ (м3)- объём газа ' 1 /

В начальный момент времени (/=0) объём газа в контуре GR0>. Через один оборот:

ся 1 > = ся 0 > + а+с - с(1,

Ст( 1 >

где С21 > = с21 ^ =—я—. После под-

2 2 Оя

становки:

С( 1 >

ся1 > = ся0 > + С+С, - -^0.

я я 1 Оя

Аналогично, после второго оборота:

сЯ2' = с<1 > + с+о -0.

я я 1 0яу

И так далее, для п-го оборота:

с(п>

сЯп> = сЯп-1 > + с+с, - -^0.

я я 1 Оя

В каждом уравнении с^ может быть выражено явно:

с(я,} = 0 (с^-1 + с+с1).

я Оя + я 1

После подстановки всех явных вы-

Г'(і) п(п)

ражений для ся в ся по очереди получается:

G(п) =

°R

г

Qr

лп

V Qr + Q

G{? +

Qr

'

контур за время Т; 021> (м3)- объём газа, исходящего из контура время Т на г-ом обороте; С(м3)- объём газовыделений в рабочей зоне за время Т; Ок(> (м3)- объём газа в контуре на г-ом обороте (0’к(г и й'к при решении не нужны). Величина Ок^, в отличие от остальных величин, является накопительной и подлежит определению.

'=1 V Qr + Q,

Согласно формуле геометрической

n 1 - an

прогрессии

I

i=1

a = a-

1-a

О(п) = '-'я

(

у

Оа + О

О(0)

'-'я

(°+О )О

Я ' “'У

( ( 1 -

Оя

л

п

(1)

V

Оа + О

- объём газа в контуре на г-ом обороте. Несложно убедиться в том, что является также объёмом газа,

проходящего по участку СБ за время Т. Действительно, если V- объём контура, то концентрация газа в этом объёме оп-

ределяется, как

С(г) =

С

(г)

V

. Но в дан-

С(г) С0) = —

Оя

то

(

1 + '

С

о

- С(0) Ся

(2)

о.

я

ке в (2):

(

С(п) = —

я о

1 -

1 + !

1-

о

о,

я У

'я У

(3)

ном случае V и 0я- это одно и то же. А раз

^(г)

Ся - является

объёмом газа, проходящего по участку СБ за время Т, поскольку 0я- это расход воздуха по участку СБ за время Т. Полагая в (1) С1 равным нулю и деля на 0я,

можно перейти от к С^ :

Относительно начальной концентрации газа можно сказать, что она должна соответствовать стационарному случаю проветривания рабочей зоны до вклСюче-ния рециркуляции, т. е.

С( 0) С П

Ся =--------. При подстанов-

Формула (3) является решением поставленной нестационарной задачи по определению изменения концентрации газа в исходящей струе.

Анализ полученной зависимости (3) позволяет сделать следующие выводы.

• Есть асимптотическое (п^<»)

С С

стационарное решение Ся = ^ , вид

которого очевиден и без всяких вычислений.

• Т.к. 0я>0, то асимптотическое решение является также максимальным. Т. е. концентрация газа в исходящей струе со временем растёт, приближаясь к стационарному решению Ся.

• В начальный момент времени

(п=0) - С^) =------, значит, изменение

0я

концентрации газа в исходящей струе имеет следующий вид (рис. 2).

Таким образом, показано, что подача свежего воздуха в рабочую зону может быть уменьшена за счёт частичного повторного использования отработанного воздуха, компенсирующего это уменьшение, без угрозы превышения ПДК вредных газов. В связи с несоизмеримостью масштабов отдельной рабочей зо. _ны и рудника_в целом, снижение, потреб-

-2>

Рис. 2. Зависимость концентрации газа в исходящей струе от времени

п

1

п

1

С

0

ления электроэнергии ГВУ в результате уменьшения подачи воздуха в рудник будет больше, чем потребление электроэнергии вентилятором местного проветривания, обеспечивающим рециркуляцию, что и является обоснованием экономичности рециркуляционного проветривания.

Точный расчёт экономического эффекта от применения схемы рециркуляционного проветривания рабочих зон с одновременным уменьшением нагрузки на ГВУ может быть сделан только для конкретных вентиляционных сетей. Однако для проведения общего оценочного расчёта экономии энергии в конкретизации схемы сети нет необходимости. Упрощённая схема проветривания рабочей зоны с использованием рециркуляции изображена на рис. 3. Напор (депрессия) ГВУ АР падает на сопротивлении всего рудника Я =Я]+Яз, где Я3- суммарное сопротивление всех (параллельных) рабочих зон + сопротивление путей утечек между воздухоподающими и вентиляционными штреками, подающими и отводящими воздух из рабочих зон, Я]-сопротивление оставшейся части вентиляционной сети рудника (в том числе сопротивление вентиляционных и воздухоподающих стволов). Между указанными штреками сделана сбойка сопротивлением Я2, в которой установлен вентилятор местного проветривания, создающий напор Ап, обеспечивающий

рециркуляцию. Относительно напоров и сопротивлений можно сказать, что АР>>Апи Я1>>Я3>>Я2. В дальнейшем, для простоты считается, что Я2 = 0.

При движении воздуха с расходом Q (м3/с) по контуру с сопротивлением г (кмюрг) происходит диссипация энергии Ж’ (Вт) в результате трения

Ж’ = gгQ , где g = 9.8. Значит потребляемая вентилятором, обеспечивающим этот расход, электроэнергия

Ж = gгQ3, П

где г/ - КПД вентилятора

(от 0 до 1). Пусть Qз- требуемый расход воздуха, который может быть найден по требуемому суммарному расходу воздуха в рабочих зонах Qраб■ Qз = Qраб + Qут, где суммарный расход утечек Qут также может быть выражен через Qраб и соотношения суммарных сопротивлений путей утечек Яут и рабочих зон Яраб:

ЯvабQvаб = ЯутОут . Д™ & Получает-

ся:

Qз =

Г 1+ \ б а р

я

\ 1 Ут )

Q

раб

(4)

До прохождения рециркуляционной сбойки и установки вспомогательного вентилятора Ап для обеспечения Q3 потребляемая электроэнергия ГВУ (Вт):

Ж =П(К&\ + ЯзQ3з). П

(5)

где Оі=Оз- После установки вспомогательного вентилятора для обеспечения Я3 оба вентилятора потребляют электроэнергию:

ж,, =-(Яі (3 - ЯіУ + Кз03,) (6)

п

Считается, что КПД п обоих вентиляторов одинаковы. После вычитания (6) из (5) экономия электроэнергии АЖ составляет:

АЖ = Ж, - Жп = —Яі(ЯІ-(з - Я2 У)

п

(7)

Расход Я2 определяется из решения уравнения

АРвВ (Я2) = язОз ,

(8)

где АРВВ (Я2) - напорная характеристика вспомогательного вентилятора (вентилятор с перемычкой или эжекторная установка). Или Я2 задаётся в соответствии с условиями соблюдения ПДК вредных газов, а тип вспомогательного вентилятора подбирается на предмет соответствия его напорной характеристики условию (8).

Учитывая, что Я1=Я3 и Я1>>Я3:

ж, ЯіЯ3.

п

После

(9)

деления (7) на (9)

АЖ

Жт

(

= 1 -

1 -

О

Я.

у

Если ввести те-

3

перь коэффициент повторного исполь-

зования

К = Оі-

пи Я.

характеризующий

2

интенсивность рециркуляции, и учесть, что 0з=0+02, то относительная экономия электроэнергии при использо-

вании рециркуляции выражается через этот коэффициент:

АЖ

Жг

(

1 -

К

л

зЛ

V1 + Кпи у

(10)

V ■••• - у

Формула (10) позволяет оценить предполагаемую экономию электроэнергии от использования рециркуляционного проветривания с различными коэффициентами повторного использования воздуха. При выносе метана и горючих газов Кпи может иметь минимальное значение, равное 2. В этом случае возможно максимальное сокращение потребления электроэнергии на проветривание - до 70 %. При Кпи = 10 - экономия составит 25 %, при Кпи = 100 -1 %, при ещё больших Кпи экономия уже несущественна.

Испытания рециркуляционных агрегатов проводились на третьем горизонте рудника 4РУ РУП «ПО «Беларуська-лий». Перед началом испытаний была проведена подробная воздушная съемка существующего режима проветривания Западного «А» и Восточного «А» направлений (табл. 1), а также замеры на восточной и западной наклонных транспортных штреков направления Ю1. После замеров существующего режима была проведена серия замеров различных режимов, при которых в работу включались рециркуляционные вентиляторы-эжекторы и менялись (уменьшались) обороты вращения рабочего колеса главной вентиляторной установки (ГВУ), включающей в себя вентилятор ВЦД-47 «Север» с возможностью частотного регулирования и работающей на третий горизонт рудника. Замеры проводились на крыльях в начале «А» направлений в местах установки рециркуляционных

Гл вент штрек (с.х) западного "А" направления

Гл. вент штрек (ц.х) западного "А направления

Гл вент штрек (ю.х) западного ~А" направления

Гл трансп штрек (с.х) зат

Гл коне штрек западного‘А" напр \ \ -У/ У/ 11

Гп трансп штрек (ю х) западного А ' напр // 11

Рис. 4. Схема проветривания Западного «А» направления с помощью частичного повторного использования воздуха

Таблица 1

Результаты испытаний рециркуляционных систем на Восточном «А» и Западном «А» направлениях

Время замеров Кол-во свежего воздуха, м3/мин Кол-во воздуха на крыле, м3/мин Кол-во рец-ого воздуха, м3/мин Коэф. рециркуляции, %

Восток «А»

Существующий режим Испытания: 3760 3760 0 0

400 3046 4432 1386 31

380 2666 4335 1669 39

360 2441 4270 1829 43

340 2331 4187 1856 44

320 2075 3961 1886 48

300 1812 3800 1988 52

Запад «А»

Существующий режим Испытания: 6370 6370 0 0

400 6027 8230 2203 27

380 5324 7823 2499 32

360 5300 7805 2505 32

340 4853 7362 2509 34

320 4450 6962 2512 36

300 4117 6642 2525 38

систем (рис. 4), через каждые тридцать минут и через пятнадцать минут после снижения оборотов вращения рабочего

колеса главной вентиляторной установки (ГВУ) на 20 об/мин (табл. 1).

Уменьшение оборотов вращения рабочего колеса вентилятора главного

4500

ІООО----------------------------------------------------------------------------------------

500

0-1----------------1----------------І----------------1-----------------1----------------->

400 380 360 340 320 300

Обороты ГВУ, Об./МИН

1 - количество воздуха, поступающего на крыло

2 - свежий воздух 3 - рециркуляционный воздух

Рис. 5. Результаты испытаний на Восточном «А» направлении

9000

2000

1000

О -|------------1--------------1--------------1--------------1---------------\

400 380 360 340 320 300

Обороты ГВУ, об./мин

1 - количество воздуха, поступающего на крыло

2 - свежий воздух 3 - рециркуляционный воздух

Рис. 6. Результаты испытаний на Западном «А» направлении

проветривания (ГВУ) привело к увели- эффициента рециркуляции и к умень-

чению производительности рецир- шению поступающего на крылья свеже-

куляционных систем, к увеличению ко- го воздуха (рис. 5, 6).

Таблица 2

Результаты испытаний рециркуляционных систем

Замерные станции 400 об/мин, м3/мин 300 об/мин +рециркул. системы, м3/мин

Поступление воздуха на горизонт 14500 9900

Поступление воздуха на 8Ю панель 1632 1632

Поступление воздуха на 8ЮА панель 1272 1344

Поступление воздуха на 1 Ю панель 1056 1104

Поступление воздуха на 5ЮА панель 1440 1560

Поступление воздуха на 5Ю панель 1584 1584

Поступление воздуха на 7ЮА панель 1200 1320

Вост. накл.тр. штр.Ю1 2440 1663

Зап. накл. тр. штр.Ю1 2160 1470

Количество поступающего воздуха на Восточное «А» крыло при снижении оборотов главной вентиляторной установки до 300 об/мин не ниже, чем при существующей работе системы вентиляции. При этом количество рециркуляционного воздуха составляет 52 % всего поступления на крыло. Для западного «А» направления количество рециркуляционного воздуха составило 38 % всего поступления на крыло. Количество воздуха, поступающего на крыло при работе рециркуляционных систем и снижении оборотов до 300 об/мин, превышает существующее количество поступающего воздуха на 272 м3/мин.

При уменьшении оборотов главной вентиляторной установки (ГВУ) с 400 об/мин до 300 об/мин все панели и рабочие зоны крыльев были обеспечены расчетным количеством воздуха и превышали значения существующего режима проветривания (табл. 2).

Снижение объемов воздуха, проходящего по южным направлениям, позволило улучшить микроклиматические условия на восточной и западной наклонных транспортных штреков направления Ю1 и снизить количество поступающей, а, соответственно, и выпа-

дающей влаги с 187 кг/сутки до 98 кг/сутки.

В результате использования рециркуляционных установок на руднике 4РУ РУП «ПО «Беларуськалий» появилась возможность снижения оборотов главной вентиляторной установки при обеспечении требуемых параметров подачи воздуха на панели и в рабочие зоны, что позволило существенно сэкономить потребление электроэнергии главной вентиляторной установкой (ГВУ).

Экономия электрической энергии при внедрении рециркуляционных систем составила 10 336 800 кВтхч (табл. 3), что при стоимости электрической энергии 1,95 руб./кВт-ч соответствует 10 336 800 руб. в год. При стоимости рециркуляционных установок 1 700 000 рублей окупаемость установок составила 2 месяца.

Выводы

— рециркуляционное проветривание является эффективным мероприятием, позволяющим улучшить качество вентиляции и микроклиматических параметров в рудниках;

— для внедрения рециркуляционных систем необходима разработка со-

Таблица 3

Технико-экономические показатели схемы проветривания рудника с использованием рециркуляционных систем

Мощность ГВУ (400 об/мин), кВт Мощность ГВУ (300 об/мин), кВт Мощность рециркуляционных систем, кВт Экономия мощности, кВт Экономия электроэнергии в год, кВт*ч Стоимость эл.энергии, руб.

Экономия, руб./год

Стоимость рециркуляционных установок, $

ответствующих проектов, вклю-

чающих в себя моделирование процессов воздухораспределения рудничной вентиляционной сети;

— рециркуляционные установки должны оснащаться специальными системами контроля воздуха на вредные га-

1. Ушаков К.З. Об одной предельной задаче теории рециркуляции / Горный информационно-аналитический бюллетень. Тематическое приложение «Аэрология», 2005, С. 30 - 43.

2400 1100 2х60 1180 10 336 800 1 ,95 20 156 760

1 700 000

зовые компоненты, повышающими

безопасность ведения горных работ;

— применение рециркуляционных установок приводит к значительному снижению энергозатрат на проветривание и позволяет внедрять высокоэффективные системы управления воздухораспределе-нием в рудниках.

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2. Красноштейн А.Е., Казаков Б.П., Шалимов А. В. Моделирование нестационарных процессов распространения газовых примесей по выработкам рудника в условиях рециркуляционного проветривания / ФТПРПИ, №1, 2006, С. 95 - 101. ЕЕ0

— Коротко об авторах ---------------------------------------------------------------

Левин Л.Ю., Круглов Ю.В. - Горный институт УрО РАН.

Статья представлена Горным институтом Уральского отделения Российской Академии Наук.