CC BY
18
© А.Ф. Галкин, Д.В. Николаева, 2015
УДК 622.4:536.2
А.Ф. Галкин, Д.В. Николаева
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ОСНОВНЫХ СПОСОБОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НОРМАТИВНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА В ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ
Проведен анализ основных способов кондиционирования рудничного воздуха, на создание и поддержание комфортных условий труда в горных выработках. Установлено, что правильный выбор того или иного способа кондиционирования на практике, позволяет существенно сэкономить энергетические ресурсы и получить значимый экономический эффект. Разработана методика выбора эффективного способа подогрева рудничного воздуха в зимний период времени, с учетом изменения энтальпии рудничного воздуха от температуры. На основании многовариантных расчетов установлено, что для основных горнодобывающих регионов России энергетически и экономически эффективным способом подогрева рудничного воздуха в зимний период времени, при современных технологиях разработки месторождений подземным способом, является центральный способ. Разработан критерий оценки энергопотребления систем кондиционирования рудничного воздуха, который позволяет обоснованно проводить выбор способов и средств снижения энергетических и экономических затрат на регулирование теплового режима. Проведено районирование основных горнодобывающих регионов России по полученному критерию.
Ключевые слова. Проветривание рудников; выбор способа проветривания; экономическая эффективность.
Регулирование теплового режима современных шахт и рудников требует большого количества энергии для подогрева воздуха в течение зимнего периода года. Особенно это актуально для Российской Федерации, так как большая часть разрабатываемых месторождений находится в северных регионах страны. Вопросами регулирования теплового режима шахт и рудников в свое время занимались многие ученые, такие как Дядькин, Ю.Д., Чабан П. Д., Зильберборд А.Ф., Шерстов В. А.,
Шувалов Ю.В., Казаков Б.П., Галкин А.Ф., и др. [2, 5, 6, 7]. В результате их исследований были установлены закономерности тепловых процессов в горных выработках, разработаны аналитические методы теплового расчета шахт и рудников. В.С. Вепров был одним из первых ученых, кто сформулировал и исследовал задачу о рациональном выборе способа кондиционирования рудничного воздуха. В его работе «О способе подогрева воздуха в шахтах области вечной мерзлоты» [1] приведены результаты расчетов производительности калориферных вентиляторов в шахтах «Центральная» треста «Якутуголь» и «Кадычан-ская» треста «Северовостокуголь», при раздельном и центральном способах проветривания. В основу решения поставленной задачи В.С. Вепров взял уравнение теплового баланса:
= G
( L.. -1 ^
кал
\ " пол " нар J
-1..
, кг/мин, (1)
где Скал - весовое количество воздуха, проходящего через калорифер, кг/мин; Сш - весовой расход общешахтной поступающей струи, кг/мин; 1СМ - температура смеси, 0С; 1под -
температура подогреваемого воздуха, 0С; tHap - температура наружного воздуха, С.
Выполнены расчеты позволили автору сделать вывод об энергетической эффективности центрального способа подогрева воздуха. Экономическая эффективность выбора того или иного технического решения, автором не рассматривалась.
Целью данной работы являлось развитие идеи В.С. Вепро-ва, т.е. выполнение сравнительного расчета энергетической и экономической эффективности централизованного и раздельного способов кондиционирования рудничного воздуха, с учетом изменения энтальпии рудничного воздуха в зависимости от температуры. А так же определение области рационального использования различных способов в основных горнодобывающих регионах Российской Федерации.
Математическая формулировка задачи имеет вид [3]:
'FN = (I сэ )Ö + Е )р ^ min;. (2)
Fn = Nu - Np ^ max,
То есть, разница потребляемой мощности при централизованном и раздельном способах кондиционирования стремится к
максимуму, а стоимость потребляемой электроэнергии к минимуму. Стоимость потребляемой электроэнергии за зимний период использования калориферного вентилятора будет равна:
Сэ = С • т • N
раз,ц э ' (3)
N = /(£),
где Сэ — стоимость 1 кВт-час электроэнергии, руб./кВт-час; т — продолжительность зимнего периода, час; N - мощность вентилятора, кВт; ф — производительность вентилятора, м3/с.
Потребляемая мощность вентилятора, в свою очередь, зависит от объема, подаваемого в шахту воздуха, и для раздельного способа проветривания равна сумме потребляемых мощностей обоих вентиляторов:
N = N + N кВт (4)
1 4раз 1 чш ~ 1 4 кал > > ™
где Nаз - потребляемая мощность при раздельном способе проветривания, кВт; ^ - потребляемая мощность шахтного вентилятора (главного вентилятора), кВт; ^^ - потребляемая мощность вентилятора, работающего совместно с калориферной установкой, кВт.
Ранее нами [4] рассмотрено решение задачи с учетом влажности воздуха, на основе формулы (1), с учетом влияния удельного веса воздуха и относительной влажности воздуха. Уравнение теплового баланса имеет вид:
У см^СМ^СМ = У К^КУК + У Н^>НУН , (5)
где № — производительность вентилятора, м3/с; У - влажность воздуха, кг/м3; у — удельный вес воздуха, кг/мь
Для выбора рационального способа кондиционирования воздуха в шахтах и рудниках была рассмотрена система уравнений (6):
N = К + N.;
1 Nц = Н0,
Анализ уравнений (5) и (6) показывает, что при центральном и раздельном способах подогрева воздуха будет затрачено
одинаковое количество энергии на подогрев, а разница будет заключаться только в затратах на вентиляцию.
стоСР(^м - *н) = °к (tк - ^) Ср, (7)
Естественно, что затраты на вентиляцию будут больше у раздельного способа проветривания, так как появляется дополнительный вентилятор.
Р = мр - мви = ЯшО0 - + ЯкОк - ЯО - (8) р = ЯкОК - яЛ - . (9)
На примере одного из рудников Березниковского калийного производственного рудоуправления № 2, ОАО «Уралка-лий» [8], где в настоящее время применяется раздельный способ подогрева, был рассчитан экономический эффект, от перехода на централизованный способподогрева.
Исходные данные были следующие: среднестатистическая минимальная температура в зимний период 1:нар = -10,7 оС, продолжительность зимнего периода 183 дня. Стоимость электроэнергии Сэ = 2,96 руб./кВт-час. Общешахтный расход = 338 м3/с; температура подогрева 1:под1 =+13 оС и 1под2 =+11,4 оС.[8, 9]
Выполненные расчеты показали, что для данных условий, эксплуатационный экономический эффект при переходе с раздельного на центральный способ подогрева воздуха составитот 5,6 миллионов рублей в год до 9,36 миллионов рублей в год в зависимости от рабочего режима вентиляторов.
В связи с большой территории нашей страны, включающей различные климатические зоны и стоимостные характеристики тепловой и электрической энергии возникает необходимость определения таких горнодобывающих регионов, где внедрение новых, энергетически эффективных способов регулирования теплового режима, будет наиболее актуальным.
На первом этапе было проведено районирование регионов по стоимости тепловой энергии, длительности зимнего периода и среднезимней температуры воздуха, на основе комплексного критерия, учитывающего перечисленные факторы. Установлено, что не только для северных регионов эта задача актуальна, но и для ряда центральных районов, где
определяющим фактором является не длительность зимнего периода и температура, а высокая стоимость тепловой энергии.
Дальнейшей задачей исследований является разработка нового критерия оценки систем кондиционирования рудничного воздуха, учитывающего совместные затраты на подогрев и вентиляцию шахт и рудников.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вепров B.C. О способе подогрева воздуха в шахтах области вечной мерзлоты. Сб. «Проблемы разработки месторождений полезных ископаемых Севера». Изд-во ЛГИ, 1972. — С.237-238.
2. ГалкинА.Ф. Тепловой режим подземных сооружений Севера. — Новосибирск: ВО Наука, 2000. — 305 с.
3. Галкин А.Ф., Николаева Д.В. Обоснование рационального способа подогрева рудничного воздуха. «Неделя науки СПбГПУ: материалы научно-практической конференции с международным участием». Институт военно-технического образования и безопасности СПбГПУ. 4.1. — СПб.: Изд-во Политехн.ун-та, 2014. — 118 с., С.94-96.
4. Галкин А.Ф., Николаева Д.В. Энергетическая и экономическая оценка способов кондиционирования рудничного воздуха. Промышленная безопасность и вентиляция подземных сооружений в XXI столетии. Сборник научных трудов III Международной научно-практической конференции - Донецк. Изд. «ДонНТУ» 2013. С.11-15.
5. Дядькин Ю.Д., Шувалов Ю.В., Тимофеевский Ю.С. Горная теплофизика. Регулирование теплового режима шахт и рудников. Л.: Изд. ЛГИ, 1976. — 159 с.
6. Дядькин Ю.Д. и др. Тепловой режим рудных, угольных и россыпных шахт Севера. / Ю.Д. Дядькин, А.Ф. Зильберборд, П.Д. 4абан. М.: Изд-во «Наука», 1968. — 172 с.
7. Казаков Б.П. Ресурсосберегающие технологии управления климатическими параметрами рудников: На примере калийных рудников. — Пермь, 2001. — 315 с.
8. Николаев А.В. К вопросу о рациональном использовании электроэнергии и природных ресурсов при работе калориферных установок — Молодой ученый. — 2012. — № 9. — С. 32-35.
9. СаНПиН - 2.2.4.548-96 Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений. ШИЗ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Галкин А.Ф. — доктор технических наук, профессор, afgalkin@yandex.ru, Николаева Д.В. — аспирантка, nikolaeva.dasha@inbox.ru, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».
UDC 622.4:536.2
ASSESSMENT OF EFFICIENCY OF THE MAIN WAYS OF ENSURING STANDARD PARAMETERS OF AIR IN MINES
Galkin A,Dr. of sc.,e-mail: afgalkin@yandex.ru, National mineral resources university «University of Mines», Russia,
Nikolaeva D., postgraduate student, e-mail: nikolaeva.dasha@inbox.ru, National mineral resources university «University of Mines», Russia
In work the analysis of the main existing ways of conditioning of miner air on energy consumption, on creation and maintenance of comfortable working conditions in excavations is carried out. It is established that the right choice of this or that way of conditioning in practice, allows to save significantly energy resources and to gain significant economic effect. Is developed the technique of a choice of an effective way of heating of miner air during the winter period of time, taking into account change of an enthalpy miner from temperature. On the basis of multiple calculations it is established that energetically and economically effective way of heating of miner air during the winter period of time, at modern technologies of development of fields an underground way for the main mining regions of Russia is the central way. Is developed the criterion of energy consumption of central airs of miner air which allows carrying out reasonably a choice of ways and means of decrease in power and economic costs of regulation of the thermal mode. Is carried out division into districts of the main mining regions of Russia by the received criterion. In general, results of research allow to choose regions where the economy of energy resources by development and deployment of new ways and means of regulation of the thermal mode is the most actual and perspective, both in technological, and in the economic plan.
Key words: Ventilation of mines; the choice of mode of ventilation; economic efficiency.
REFERENCES
1. Veprov V.S. O sposobe podogreva vozduha v shahtah oblasti vechnoj merzloty (On a method of heating the air in the mines area of permafrost). Sb. «Problemy raz-rabotki mestorozhdenij poleznyh iskopaemyh Severa». Izd-vo LGI, 1972. pp.237-238.
2. Galkin A.F. Teplovoj rezhim podzemnyh sooruzhenij Severa (Thermal regime of underground structures Severa). Novosibirsk: VO Nauka, 2000. 305 p.
3. Galkin A.F., Nikolaeva D.V. Obosnovanie racional'nogo sposoba podogreva rudnichnogo vozduha (Justification of rational method of heating the mine air). «Nedelja nauki SPbGPU: materialy nauchno-prakticheskoj konferencii s mezhdunarodnym uchastiem». Institut voenno-tehnicheskogo obrazovanija i bezopasnosti SPbGPU. Ch.1. SPb.: Izd-vo Politehn.un-ta, 2014. 118 p, pp.94-96.
4. Galkin A.F., Nikolaeva D.V. Jenergeticheskaja i jekonomicheskaja ocenka spo-sobov kondicionirovanija rudnichnogo vozduha. Promyshlennaja bezopasnost' i ventilja-cija podzemnyh sooruzhenij v XXI stoletii (Energy and economic evaluation of mine air conditioning methods. Safety and ventilation of underground structures in the XXI century). Sbornik nauchnyh trudov III Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii. Doneck. Izd. «DonNTU» 2013. pp.11-15.
5. Djad'kin Ju.D., Shuvalov Ju.V., Timofeevskij Ju.S. Gornaja teplofizika. Reguli-rovanie teplovogo rezhima shaht i rudnikov (Mountain thermophysics. Regulation of the thermal regime of mines). L.: Izd. LGI, 1976. 159 p.
6. Djad'kin Ju.D. i dr. Teplovoj rezhim rudnyh, ugolnyh i rossypnyh shaht Severa (The thermal regime of ore, coal and placer mines of the North)/ Ju.D. Djad'kin, A.F. Zil'berbord, P.D. Chaban. Moscow: Izd-vo «Nauka», 1968. 172 p.
7. Kazakov B.P. Resursosberegajushhie tehnologii upravlenija klimaticheskimi pa-rametrami rudnikov: Na primere kalijnyh rudnikov (Saving technologies of climate parameters mines: the example of potash rudnikov). Perm', 2001. 315 p.
8. Nikolaev A.V. K voprosu o racionalnom ispol'zovanii jelektrojenergii i prirod-nyh resursov pri rabote kalorifernyh ustanovok (On the question of the rational use of energy and natural resources while working air heater installations young scientist). Molodoj uchenyj. 2012. No 9. pp. 32-35.
9. SaNPiN - 2.2.4.548-96 Gigienicheskie trebovanija k mikroklimatu proiz-vodstvennyh pomeshhenij.
