CC BY
46
Ю.Л. Зюзин, С.С. Пугачёв, 2008
А.В. Ковалёв, В.И. Дёмин, Ю.Л. Зюзин, С.С. Пугачёв
СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ОБЛЕДЕНЕНИЯ ВОЗДУХОПОДАЮЩИХВЫРАБОТОК ПОДЗЕМНЫХ РУДНИКОВ СЕВЕРА С ПОМОЩЬЮ МОНИТОРИНГА ТЕРМОГИГРОМЕТРИЧЕКИХ ПАРАМЕТРОВ
Введение
~П период с 1998 по 2004 год главные вентиляторно-
-Я.М калориферные установки Расвумчоррского рудника ОАО «АПАТИТ» (далее ГВКУ) были переведены на подогрев поступающего в подземный рудник воздуха (далее - подогретого воздуха) с водяных калориферов на электрокалориферы. Данный переход был вызван тем, что при традиционном подогреве воздуха водяными калориферами регулирование температуры воздуха на ГВКУ было практически невозможно, в связи с чем его температура держалась в пределах +6^12 °С независимо от температуры наружного воздуха. После перехода ГВКУ на электроподогрев стало возможным регулировать температуру с точностью 0.1 °С.
Вместе с тем, попытки снизить температуру подогретого воздуха вместо существовавших +7^12 °С до +2 °С (минимально допустимой для обеспечения безопасности предотвращения замерзания воды и образования наледей [1, 2] приводили к случаям интенсивного обледенения подземных выработок в местах (капежа), несмотря на положительную температуру. Отложения льда при этом в отдельные периоды достигали значений, практически исключающих возможность передвижения (рис. 1), в том числе на участках, используемых для доставки рабочих на рудник и являющихся запасными выходами. Льдообразование представляло также серьезную угрозу проложенным в выработках коммуникациям, а уменьшение сечения воздухоподающей выработки увеличивало сопротивление шахтной сети и снижало экономические характеристики вентиляторной установки. В соответствие с этим, обледенение горных выработок следует считать опасным производственным
Рис. 1 Обледенение ВТШ (вентиляционно-транспортной штольни), гор.+ 431 м. 17.02.2007 г. при температуре по сухому термометру +4 °С. Расстояние между осями головок рельсов 750 мм
В результате экспериментов в отопительные сезоны 2002-2004 гг. инженерно-техническим составом Расвумчоррского рудника был подобран режим примерно постоянной уставки температуры подогретого воздуха +4 °С, обеспечивший оптимальное соотношение между энергозатратами электрокалориферных установок ГВКУ и вероятностью и интенсивностью льдообразования в подземном руднике, что, однако, не исключало самой возможности обледенения, борьба с которым осуществлялась повышением температуры до +7^9 °С в периоды интенсивного обледенения. Вместе с тем, отсутствие жестких критериев обледенения и необходимость ежедневного визуального осмотра исключало процесс автоматического регулирования температуры подогретого воздуха, что представляло собой технологическую проблему.
Целью данной работы являлось установление причин обледенения горных выработок, его критериев и, одновременно, разра-
76
ботка мероприятий, призванных исключить возможность обледенения выработок.
Определение критериев обледенения воздухоподающих выработок подземных рудников
Произведённые в воздухоподающих выработках Расвумчорр-ского рудника ОАО «АПАТИТ» замеры показали, что:
- температура воздуха на рабочих местах почти не зависит от температуры подаваемого в подземный рудник воздуха и стремиться к температуре окружающих пород (+3.5-+4.0 °С);
- обледенение воздухоподающих выработок может возникать в широком диапазоне температур наружного (атмосферного) воздуха (фактически от -8 °С и ниже);
- влажность воздуха в выработке нарастает по мере удавления от зоны нагрева воздуха вследствие увлажнения за счет испарения воды, поступающей в выработку из горного массива;
- обледенение воздухоподающих выработок наиболее интенсивно происходит при низкой относительной влажности подогретого воздуха (до 30-40 %) и прекращается по достижении 55-70 %;
- активное льдообразование отмечено на поверхностях, покрытых водной плёнкой с постоянным капельным поступлением воды, и практически отсутствует в зонах значительных водопритоков (рис. 2).
Сравнение дат обледенений воздухоподающей выработки по записям в «Журнале учета обледенения воздухоподающих выработок Расвумчоррского рудника» с журналами погоды Центра лавинной безопасности ОАО «Апатит» показало, что все периоды с нарастанием льда совпали по времени с периодами низкого влагосо-держания атмосферного воздуха.
Это обстоятельство послужило основанием для предположения, что главной причиной обледенения является значительные затраты тепла на испарение при поступлении сухого атмосферного воздуха (3). Простота управления изменением температуры подогретого воздуха электрокалориферами (с шагом уставки и точностью 0.1 °С) позволила экспериментально установить зависимость возникновения льда в воздухоподающих выработках не только от температуры атмосферного воздуха, но и от влагосодержания. Так, в частности, было обнаружено, что льдообразование начинается при температуре влажного
Рис. 2. Состояние ВТШ гор.+ 431 м. 21.02.2007г. после воздействия температурой по сухому термометру +8 °С. Отчётливо видна влажная поверхность подземной выработки в местах обледенения
термометра ниже -0.5 °С и гарантированно не образуется при -0.2 °С.
Температуру влажного термометра принимаем как критерий возникновения обледенения при расчёте энтальпии I влажного воздуха.
Удельная энтальпия при температуре влажного термометра (4)
Л'
= с +-(г0 + с t'),
св 1000 0 ви
где ссв - средняя массовая теплоёмкость сухого воздуха, кДж/(кг К), t/ -температура влажного термометра,°С, Л/ - влаго-содержание воздуха при температуре влажного термометра, г/кг, г0 - удельная теплота парообразования при 1 = 0 °С, кДж/кг, сп -средняя массовая теплоёмкость водяного пара, кДж/(кгК).
78
Рис. 3. ий диаграмма изоэнтальпийного процесса при температуре влажного термометра -0.2 °С и барометрическом давлении в воздухоподающей выработке 960 гПа
Влагосодержание воздуха при температуре влажного термометра
й' = 622-
РЬаг е
■ = 622
/' Е/
РЬаг - /'Е/
= 622-
РЬ - Е/
Ьаг
где е - парциальное давление водяных паров в воздухе воздухоподающей выработки, гПа, РЬаг - барометрическое давление в воздухоподающей выработке, гПа, =1 - относительная влажность в воздухоподающей выработке непосредственно над поверхностью испарения, %, Е1 - парциальное давление насыщенных водяных паров в воздухе воздухоподающей выработки, гПа.
При t/ =-0.2 и РЬаг =960 гПа (соответствует среднему давлению на уровне замерной станции в воздухоподающем канале) удельная энтальпия воздуха в воздухоподающей выработке 3/ =9.6188 кДж/(кгК).
Заметим, что понижение барометрического давления увеличивает энтальпию влажного воздуха, что требует повышения темпе -ратуры при постоянном парциальном давлении водяных паров, но, как правило, влагосодержание воздуха при понижении атмосфер-
I. °С
79
ного давления растёт, поэтому условно приводим процесс регулирования температуры к изоэнтальпийному при Рьаг=960 гПа. Пример данного процесса приведен на рис. 3.
Оценим влияние нестационарного теплообмена на энтальпию воздуха, проходящего через элементарный участок горизонтальной выработки.
В этом случае уравнение теплового баланса запишется в виде
(5)
Л (О • ) = К и (Т -1 )Л1,
где О - расход воздуха, кг/с, - изменение энтальпии на элле-ментарном участке выработки, Дж/кг, Кт - коэффициент нестационарного теплообмена, Вт/(м2 °С), и - периметр выработки, м, Те -естественная температура пород, °С, t - температура воздуха по сухому термометру, °С.
Понятно, что при I, близких к размерам влажных поверхностей в местах капежа (0.1-0.3 м) изменение энтальпии составит единицы Дж/кг, что пренебрежимо мало по сравнению с изменением теплосодержания от воздействия воздушного потока (кДж/кг)
Поэтому для предотвращения обмерзания подземной выработки достаточно поддерживать удельную энтальпию рудничного воздуха в местах водопроявлений не ниже 3/.
Отсюда уравнение теплового баланса влажного воздуха в местах капежа можно записать в виде 3 = 3
где 3 - энтальпия подогретого воздуха при температуре сухого термометра.
Произведём небольшие преобразования Л , ч т/
Св t + ° + ^ = 3 ,
t(с + с —) = —^ Л + 3. св вп 1000 1000
Учитывая, что даже при снижении РЪаг до 760 гПа величина Л не превысит 5 г/кг
с + с = 1.006 +1.89—5— = 1.015 св вп 1000 1000
80
получим следующую зависимость температуры подогретого воздуха от влагосодержания рудничного воздуха t = -2.5d + 9.6
или, принимая во внимание, что d = 622—-— , например, при
Pbar —
Pbar =960 гПа
t = -1.6e + 9.6, (1)
Таким образом, в упрощенном виде условие отсутствия обледенения можно сформулировать следующим образом: температура подогрева воздуха должна соответствовать условию t>-1.6e+9.6.
Определение количества необходимой для подогрева рудничного воздуха энергии
Количество необходимой для подогрева рудничного воздуха энергии определяется как разность энтальпий подогретого и атмосферного воздуха (6). Q = (J - J )G,
v р атм * '
где G - масса проходящего через выработку сухой части воздуха, кг/с.
Удельная энтальпия подогретого воздуха
fE
J = c t + 0.622—J—p-(r0 + c t).
св р p fE 0 вп р'
bar J р
Удельная энтальпия атмосферного воздуха при t < 0° для влажного воздуха /4/
d , ч
J = c t +--(r0 + c t ),
атм св атм 1000 0 вп атм-' '
f E
J = c t + 0,622—■>атм атм-(r0 + c t ).
атм св атм 0 вп атм
P - f E
атм J атм а>
атм
Для ледяного тумана
d d J = c t (r0 + c t ) + —(c t -r 0)
атм св атм 1000 0 вп атм' 1000 ^ атм пл 0'
или
d d - d J = c t +^(r0 + c t ) + ^-—(c t -r 0)
атм св атм 1000 0 вп атм' 1000 Л атм пл0'
и далее
81
{ Е
3 = с г + 0.622—■'атм атм-(г0 + с г ) -
атм св атм ъ г г-< 4 0 вп атм'
Р - / Е
атм Л атм атм
^ Е Л
-0.622—->атм атм— (с г -г 0) + —(с г -г 0)
г т-< 4 л атм пл0' л г\г\г\ 4 л атм пл0 '
Р - / Е 1000
атм ^ атм атм
г Е
3 = с г + 0.622—■'атм атм— (г0 + с г -с г + г 0) +
атм св атм ъ г т-< 4 0 вп атм л атм пл 0'
Р - / Е
атм ^ атм атм
Л
(с г -г 0).
100^ л атм пл0'
Алгоритм автоматического управления ЭКУ ГВКУ в зависимости от температуры и абсолютной влажности атмосферного воздуха
В соответствии с проведенным анализом был разработан следующий алгоритм управления ЭКУ ГВКУ с возможностью работы с динамической уставкой в зависимости от температуры и абсолютной влажности атмосферного воздуха (для удобства настойки оборудования закон изменения температуры запишем в виде
г = -а]Е„ +ь):
1. Вводятся значения коэффициентов а, Ь, к и постоянной уставки температуры Тсош1.
2. Приборы отсчитывают значения температуры воздуха г и относительную влажность /.
3. При температуре подогретого воздуха меньше 0°С система управления ЭКУ работает без учета влажности воздуха как при фиксированной уставке.
4. Система управления ЭКУ с динамической уставкой включается в работу при достижении температуры подогретого воздуха 0 °С при продолжающемся подогреве воздуха до +2 °С, что является нижним температурным порогом в соответствии с ЕПБ. Верхним температурным порогом по формуле (1) будет +Ь°С (т.е. даже при абсолютно сухом воздухе (/= 0 %) для предотвращения обмерзания достаточной является температура подогретого воздуха +Ь °С).
5. Рассчитывается давление насыщенного водяного пара Е„ при температуре г (°С) по формуле (4):
82
17.504
Еп = 6.107 • е241 232+г
6. Контроллер ЭКУ рассчитывает значение температуры подогрева воздуха в соответствии с
Т = -а/Е„ +Ь .
7. Рассчитывается температура промежуточной уставки Т =, + <Т-4,
пром
где к - коэффициент, позволяющий регулировать время выхода ЭКУ на значение Т (динамической уставки).
8. Значение температуры промежуточной уставки задается системой управления ЭКУ как новая уставка Т.
9. Система управления ЭКУ изменяет нагрузку на электрокалориферах в соответствии с новым заданием и переходит на новый цикл расчета динамической уставки.
В настоящее время рассматриваются способы управления влажностью подогретого воздуха с помощью парогенератора, туманообразователя и испарителя. Однако, с энергетической точки зрения, не один из этих способов не имеет преимущества перед прямым нагревом воздуха электрокалорифером и имеет смысл при комплексном учёте вариантов размещения оборудования и наличия резервных электрических мощностей.
Заключение
Проведено исследование условий обледенения воздухопо-дающих выработок Расмумчоррского рудника. Обнаружено, что обледенение при положительных температурах подогретого воздуха наступает при очень низком влагосодержании атмосферного воздуха в результате значительных затрат тепла на испарение влаги в местах капежа. Установлены критерии обледенения.
В соответствии с полученными результатами спроектирована, изготовлена и установлена на большинстве главных вентиляторно-калориферных установок подземных рудников ОАО «АПАТИТ» аппаратура автоматического управления электрокалориферными установками в зависимости от температуры и влажности атмосферного воздуха. Эксплуатация данных установок исключает возможность образования льда в воздухоподающих выработках и, одновременно, приносит ощутимый экономический эффект, так как
83
автоматическая привязка температуры подогрева воздуха в зависимости от его термогигрометрических свойств, как показывают климатические расчеты и опыт эксплуатации, уменьшает среднюю за отопительный период температуру подогрева.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений полезных ископаемых подземным способом (ПБ 03553). СПб.: Барс, 2003. 104 с.
2. Кравченко В.Т., Шувалов Ю.В. Тепловой режим глубоких рудников. - М.: Недра, 1993. - 160 с.
3. Demin V.I., Zyuzin Yu.L., KovalevA.V., Neelov O.V., Kalabin I.V., Puga-chev S.A. Meteorological conditions of icing of underground excavations of the "Ras-vumchorr" mine // "Physics of Auroral Phenomena", Proc. XXX Annual Seminar, Apatity, pp. 215 - 217, 2007.
4. Бурцев С.И., Цветков Ю.Н. Влажный воздух. Состав и свойства. Учебное пособие. - СПб.: СПбГАХПТ, 1998. - 146 с.
5. Галкин А.Ф. Тепловой режим подземных сооружений Севера. - Новосибирск: Наука, 2000. - 304 с.
6. Стефанов Е.В. Вентиляция и кондиционирование воздуха. - СПб.: Авок Северо-Запад, 2005. - 400 с.
7. Воропаев А.Ф. Теория теплообмена рудничного воздуха и горных пород в глубоких шахтах. - М.: Недра, 1966. - 250 с. ШИН
— Коротко об авторах -
Ковалёв А.В., Зюзин Ю.Л., Пугачёв С.С. - ОАО «АПАТИТ», г. Кировск, Мурманская обл.,
Дёмин В.И. - Полярный геофизический институт КНЦ РАН.
84
