CC BY
41
ЭКОНОМИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 622.33:662.6/.8+621.31
С.А.Прокопенко
НОВАЯ КОНЦЕПЦИЯ РАЗВИТИЯ ЭНЕРГЕТИКИ В УГОЛЬНОМ РЕГИОНЕ
Задача удвоения ВВП России к 2010 г. не может рассматриваться в отрыве от эффективности производства продукции и услуг. При темпах роста затрат на производство ВВП, опережающих намеченное удвоение его стоимости, задача из прогрессивной превращается в разорительную для страны. Поэтому реально экономика России в предстоящий период остро нуждается в идеях, решениях, проектах приращения ценности и стоимости продукции при одновременном и существенном снижении ресурсоемко-сти ее выпуска.
Существующая в России топливная энергетика основана на реализации модели «добыча энергоносителя - его транспортирование - сжигание на ТЭС - производство энергии -складирование отходов». Каждый этап в этой цепи сопряжен с комплексом проблем, объективно обостряющихся при наращивании объемов выпуска товарной продукции.
Увеличение объемов добычи энергоносителей сопряжено с большими инвестициями на строительство шахт, разрезов, газовых и нефтяных промыслов, а их эксплуатация сопровождается существенными текущими расходами. Так на добычу в 2003 году в Кузбассе 85,6 млн.т угля для энергетических нужд было израсходовано 27,5 млрд. рублей. Доходы же от реализации топлива составили 29,6 млрд. рублей. Рентабельность продукта не достигла и 8%. Строительство в Кузбассе новой шахты средней мощности (2
млн.т/год) в последнее время обходится не меньше 150-200 млн. рублей, а годовые затраты на ее функционирование превышают 600 млн. рублей.
Общеизвестны высокий травматизм и аварийность российских шахт, вследствие чего имеют место не только огромные экономические потери общества, но и, что особенно важно, оно теряет крепких, сильных духом мужчин, являющихся опорой экономики и кормильцами шахтерских семей. В последние годы аварии, уносящие жизни десятков шахтеров, стали для страны не редкостью.
Современные способы угледобычи характеризуются масштабным техногенным воздействием на экологию добывающих регионов, усугубляющимся происходящим развитием отрасли. К тому же ситуация обостряется наращиванием опережающими темпами производственных мощностей наиболее землеемкого открытого способа угледобычи.
Рост объемов углепроизвод-ства сталкивается с проблемой недостаточности пропускных способностей подъездных железных дорог и количества поставляемых вагонов. Для разрешения этого несоответствия приняты специальные программы, которые требуют привлечения больших инвестиций. Железнодорожные перевозки угля ограничиваются и высокими транспортными тарифами, снижающими конкурентоспособ-
ность главного продукта Кузбасса на удаленных рынках. Отрицательное влияние на кон-
курентоспособность угля оказывает и рост тарифов на электроэнергию в связи с высокой энергоемкостью горного производства.
Сжигание доставленного на ТЭС угля объективно приводит к накоплению миллионов тонн зольных отходов и занятию больших площадей земной поверхности под отвалы. Экологическая обстановка в районах крупных и средних ТЭС со временем существенно ухудшается, а среда обитания живого - деградирует.
В последнее время все чаще звучит и в научных кругах, и в прессе прогрессивное предложение о строительстве ТЭС на бортах разрезов и создании углеэнергетических комплексов с товарной продукцией электроэнергией, транспортирование которой на удаленные рынки несравнимо эффективнее перевозок угля. Эта идея уже продвигается к проектному воплощению на Соколовском и Тал-динском месторождениях Кузбасса. Ее осуществление позволит разрешить часть перечисленных выше проблем.
Большие надежды Кузбасс связывает с выполнением программы «Метан Кузбасса». В соответствии с ней планируется организация добычи из пластов угля сорбированного метана для сжигания в котельных и создания условий для безопасного ведения поземных горных работ.
Возобновляется интерес к методу подземной газификации угля. Эта технология до недавнего времени использовалась
Принципиальная схема производства электроэнергии наземно-подземной ТЭС на угольном месторождении. Изолированные блоки пласта:1 - выжженный; II - III - выжигаемые; IV- подготовленный
Киселевской станцией «Под-земгаз». Получаемый от сжигания угля в недрах, так называемый «генераторный газ», средней калорийностью 911 ккал/м3 транспортировался по трубопроводам на котельные гг. Ки-селевска и Прокопьевска. Вследствие сезонности спроса котельных на генераторный газ, монопродуктовости технологии, низкой калорийности продукта и т. д. тепловая энергия на его основе получалась неконкурентоспособной с вариантом использования угля и станция в 1996 г. прекратила свое существование. Тем не менее, метод считается перспективным и вновь привлекает к себе внимание ученых и практиков.
Однако, как существующая модель энергетики имеет, так и прогрессивные предложения по ее совершенствованию не устраняют важнейший недостаток - стадию добычи первичного энергоносителя и выдачи его на поверхность земли для последующей переработки в энергию. Мы продолжаем заниматься перемещением энергоносителей из недр к котлоагрегатам ТЭС, расходуя на это колоссальные материальные, финансовые и людские ресурсы и сохраняя перечисленные выше проблемы. Коренным обновлением модели
может стать смена вектора: не уголь из недр, а котлоагрега-ты в недра!
Добыча первичных энергоносителей - газа и угля - из угольных пластов со временем должна уступить место технологии их переработки во вторичный энергоноситель на месте, не вынимая из недр. На поверхность должны выдаваться не горная масса или газ, а разогретый их теплом пар, способный вращать турбину генератора. В отличие от нефтяных и газовых месторождений, углегазовые позволяют организовать управляемое сжигание первичных энергоносителей в недрах.
Углеэнергетическому комплексу, освоившему технологию управляемого и эффективного выжигания угольного пласта, она сулит огромную экономию. При этом не требуются расходы на добычные комплексы, конвейеры, бункеры, содержание большого штата подземных рабочих, дегазацию пластов, осушение выработок и т. д.
Экономия будет колоссальная. И если часть этих, имеющих нынче место затрат, направить на совершенствование технологии подземного сжигания угля, с соответствующей подготовкой пласта, его специальной раскройкой, созданием пере-
движного котлоагрегата, пере-
мещаемого по выработкам и преобразующего тепло сгораемого угля в энергию пара с выдачей его в паросиловой контур тепломеханического оборудования для производства электроэнергии., то можно будет получить энергетический комплекс нового поколения - наземно-подземную ТЭС.
Принципиальная схема функционирования такого углеэнергетического комплекса базируется на:
-последовательном сжигании нарезаемых в пласте угля столбов (блоков), предварительно изолированных огнестойкими материалами от остального угольного массива;
-съеме перемещаемыми по уклонам теплообменниками образующегося тепла;
-выдаче на поверхность по жаростойким трубопроводам пара и трансформации его в электроэнергию на генераторе, передвигающимся по простиранию пласта вслед за огневым фронтом;
-концентрации электроэнергии от нескольких генераторов, эксплуатирующих свиту угольных пластов, и транспортирование ее по магистральным ЛЭП к энергопотребителям.
Основными задачами, требующими первоочередного решения для создания таких пред-
приятий, являются:
- разработка технологических схем и параметров раскройки и огнестойкой изоляции столбов угля на пластах с различными углами падения и мощностями;
- освоение технологии выжигания угля из пластов с управлением скоростью и направлением перемещения огневого фронта;
- разработка конструкции передвижного парогенератора (теплообменника), способного при условии нахождения в огневой среде превращать поступающую в него воду в парообразный энергоноситель;
- адаптация конструкции известных передвижных электрогенераторов под условия работы с несколькими дистанцированными подземными парогенераторами.
Для решения перечисленных и других задач строительства и эксплуатации новых шахт и ТЭС требуется мощная научная и проектно-конструкторская база, что обусловливает необходимость создания уже в ближайшее время специализированного Института подземной энергодобычи.
На сегодняшний день осуществление технологии подземного производства энергии видится следующим образом. По падению угольного пласта последовательно проходятся выработки - уклоны - на глубину 600-800 м, которые затем сбиваются горизонтальной выработкой - запальным штреком (см. рисунок). Ширина нарезанных таким образом столбов составляет 30-60м и определяется необходимой производительностью парогенераторов, мощностью пласта угля, его калорийностью, температурой горения и т.д. Высота создаваемых выработок соответствует мощности пласта. С целью предотвращения перемещения огневого фронта за пределы блоков почва штрека изолируется огнеупорными материалами (кирпич, бетон, современные негорючие
материалы), как показано на рисунке. Вдоль оси каждого уклона по всей их длине возводятся огнестойкие перемычки, разделяющие выработанное пространство на две части. Для повышения безопасности изолирующие сооружения заглубляются в породный массив. Таким образом, в недрах формируются изолированные столбы угля, выступающие в дальнейшем в качестве термогазогенераторов.
Затем на почве уклонов по обе стороны от перемычек монтируются рельсовые дороги для передвижения парогенераторов, представляющих собой цилиндрические котлы на колесах (наподобие железнодорожных цистерн), перемещаемые с поверхностного диспетчерского пункта посредством лебедок. По рельсовым дорогам в уклоны двух первых столбов на уровень запального штрека спускаются парогенераторы и соединяются системой жестких и гибких трубопроводов с электрогенератором (ЭГ) и резервуаром теплоносителя на поверхности. Парогенераторы,
трубопроводы, рельсы, канаты и т.д. изготовляются из материалов, выдерживающих образующуюся под землей высокую температуру. Возможна организация контурного (каскадного) съема тепловой энергии сжигаемого угля, когда на первом контуре - в подземном теплообменнике - используются тяжелые жидкости (жидкий калий или гликоль) с температурой кипения около 600 градусов по Цельсию, отдающие тепло водяному теплоносителю в более безопасной зоне.
С поверхности земли в каждый столб бурятся несколько скважин для подачи воздуха и регулирования процесса сжигания пласта. С целью поддержания высокого температурного режима в зоне нахождения теплообменника, уклоны через 100150 м оборудуются шлюзовыми воротами, управляемыми диспетчером с поверхности. В ка-
честве средств слежения за процессом сжигания угля на несгораемых стенках выработок устанавливаются температурные датчики и другие приборы контроля.
По завершении подготовки нескольких столбов и удалении фронта проходческих работ по простиранию пласта, в столбе I с запального штрека осуществляют розжиг угольного массива. Контроль за подземным паро-производством осуществляют в
наземном диспетчерском пункте, где с помощью компьютерной программы отслеживают соответствие фактических параметров процесса требуемым. Отслеживают показания температуры в различных точках столбов, контролируют давление и температуру в котлах, современными средствами наблюдения ведут тепловизорную съемку массива и т. п. Оттуда же управляют процессом производства энергии путем регулирования воздухоподачи в различные скважины, передвижения парогенераторов вслед за огневым забоем, перекрытия шлюзовых ворот, регулирования расхода воды и т.д.
По мере выжигания одного столба вводят в действие следующий. При этом на соседнем с запаливаемым столбе все подготовительные работы должны быть завершены, а люди из него должны быть переведены в следующие блоки. Вырабатываемую электрогенератором энергию передают на трансформаторную подстанцию и затем к потребителям. Электрогенератор передвигают в направлении подготавливаемых столбов по простиранию пласта с соответствующим перемонтажем трубопроводов.
При освоении описанной технологии появляется возможность создания на угольном месторождении современного энергетического комплекса с безлюдной технологией получения энергии под землей.
Штат такого энергокомплекса включает профессии проходчи-
ков, буровиков, строителей огнестойких перемычек и изоляций, операторов огня и пара, слесарей КИПиА и т.п. Персонал по обслуживанию предлагаемой производственной системы сокращается с численности шахты до численности 2-3 проходческих бригад и бригады буровой установки! Тысячи людей занятых в настоящее время на профессиях машиниста комбайна, ГРОЗ, электрослесаря и т.п. выводятся из опасных условий труда и высвобождаются для другой созидательной деятельности.
Шахта будущего - это уже не система для выдачи углеродного энергоносителя на поверхность, а система для его управляемого преобразования под землей и выдачи на поверхность парообразного энергоносителя, готового для превращения в электроэнергию. Нужно прекратить расходовать огромные средства на добычу угля для энергетики, а пустить часть из них на освоение технологии извлечения тепловой энергии из нетронутых пластов. Сама собой отпадает и необходимость опережающей добычи метана из угольных пластов, как мера повышения безопасности ведения подземных горных работ. Добыча угля останется для нужд металлургических предприятий, химических, зарубежного рынка...
На начальном этапе реализации технологии расход топлива на единицу электроэнергии, вероятно, будет выше уровня, достигнутого на нынешних ТЭС. Одним из вариантов решения этого вопроса, видимым уже сегодня, может быть перемещение парогенераторов не по фланговым уклонам, а по центральным для двустороннего контакта агрегата с огневым фронтом. Возможно и совместное применение этих схем. Другим направлением повышения эффективности предлагаемого производства является бурение с поверхности дополнительных скважин и организация отвода
образующегося в огневом забое вследствие газификации угля горючего газа. Этот низкокалорийный, но высокотемпературный газ используется в качестве дополнительного энергоносителя для производства электроэнергии или для целей химической его переработки с получением целого ряда ценных хим-продуктов, включая жидкое моторное масло.
Важным моментом является то, что сырьевая база наземноподземных ТЭС расширяется вследствие вовлечения в процесс теплоотдачи не только угля, но и углевмещающих пород, представленных, как правило, алевролитами и аргиллитами. При современных технологиях угледобычи эти породы вследствие малого содержания в них угольного вещества или не добываются, или при открытой разработке направляются в отвалы.
Необходимо отметить, что в результате подземного выжигания столбов угля будет образовываться горизонт горелых пород. Вследствие этого, на месте применения предлагаемой технологии извлечения из угля энергии формируется техногенное месторождение строительного материала. После сжигания угля и остывания массива горельники могут быть извлечены средствами шахтовой механизации. Со временем найдутся и дополнительные возможности повышения технологической и товарной эффективности наземно-подземного комплекса.
Понятно, что новая технология потребует затрат но возведение качественной огнестойкой изоляции стенок выработок на контакте с массивом; возведения дополнительных перемычек; создание комплекта котло-агрегатов; оснащение контрольно-измерительной аппаратурой. Но все эти затраты невелики в сравнении с колоссальной экономией, которую получает такой энергокомплекс вследствие избавления от необходимости
расходования средств на:
- добычу угля и решение сопутствующих проблем (аварии, экология...);
- строительство транспортных выходов с угольных месторождений;
- транспортирование угля и его потери;
- складирование угля, его дробление и измельчение на ТЭС;
- золоотвалообразование и рекультивацию земель;
- улавливание выбросов от сжигания угля и плату за загрязнение окружающей среды;
и т. д.
В себестоимости электроэнергии, произведенной ОАО «Кузбассэнерго» в 2003 г. расходы только на приобретение угля составили 35%. С учетом перечисленных статей экономии и новых статей затрат реально ожидать снижения себестоимости 1 кВт*ч с нынешних 47 копеек до уровня 25-30 копеек. Такая продукция будет конкурентоспособна не только с энергией, получаемой на газовых ТЭС, но и с продукцией гидроэлектростанций, что имеет большое значение в связи с начатым реформированием энергосистемы страны и переводом генерирующих мощностей и сбыта на конкурентные отношения.
ТЭКу Кузбасса предстоит освоить новую отрасль - производство электроэнергии на полуподземных ТЭС, размещаемых на угольных месторождениях. Энергия недр в будущем нужна стране не любой ценой, а минимально возможной с резким сокращением ре-сурсоемкости производства.
Это определяет необходимость уменьшения объемов добычи угля в Кузбассе при одновременном наращивании производства электроэнергии из него. При реализации такого подхода к развитию энергетики возможно прорывное изменение экономического положения региона.
Человек научился летать в
космос и жить вне Земли, клонировать человека, совершать кругосветные подводные переходы, строить железнодорожные тоннели под морскими проливами, освоил целый ряд сложнейших технологий в военной области. Да и в горном деле в последнее время получены результаты, казавшиеся невозможными еще пару десятилетий назад. Теперь предстоит привлечь передовой интел-
лект и инвестиции для коренного совершенствования процесса получения электрической энергии из угля.
На скептические замечания по поводу невозможности или нецелесообразности воплощения предлагаемой концепции угольной энергетики мы ответим примерами К.Э. Циолковского (при жизни признаваемо -го чудаком, а после смерти -отцом космонавтики), а также
Н. А.Чинакала, щитовая система разработки которого поначалу воспринималась как нереалистичная и невозможная, а затем (после преодоления автором многочисленных трудностей) стала основной для целого угольного района Кузбасса. Экономическая же выгодность концепции столь очевидна, что требует только уточнения величины ожидаемого эффекта.
□ Автор статьи:
Прокопенко Сергей Артурович
- докт. техн. наук, проф., директор Представительства НП «Горнопромышленники России» по Сибирскому федеральному округу
