Выбор оптимального расхода воздуха в теплоаккумулирующих выработках Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

------------------------------- © Ю.А. Хохолов, П.Н. Васильев,

2007

УДК 622.413

Ю.А. Хохолов, П.Н. Васильев

ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО РАСХОДА ВОЗДУХА В ТЕПЛОАККУМУЛИРУЮЩИХ ВЫРАБОТКАХ

Урегулирование теплового режима шахт и рудников требует

-МГ больших материальных и эксплуатационных затрат. В последнее время в связи с постоянным удорожанием энергоносителей возникает необходимость поиска и использования новых, нетрадиционных источников энергии. По мнению ряда исследователей одним из эффективных способов регулирования теплового режима шахт и рудников криолитозоны являются горнотехнические системы, основанные на теплоаккумулирующих выработках (ТАВ) [1, 2, 3]. На шахте «Джебарики-Хая» ОАО ХК «Якутуголь» накоплен положительный опыт регулирования теплового режима с помощью специально пройденных теплоаккумулирующих выработок, предназначенных для подогрева (зимой) и охлаждения (летом) воздуха, поступающего в очистные и подготовительные забои [4]. К недостаткам этого способа относятся:

- невозможность исключения ТАВ из вентиляционной сети в осенний и весенний периоды, когда температура атмосферного воздуха соответствует температурам горных пород, что позволяло бы снизить энергозатраты на работу вентилятора главного проветривания;

- невозможность регулирования воздушной струи и температурного режима в течение суток при колебаниях температуры атмосферного воздуха;

- сложность вывода людей в аварийной ситуации из-за большой протяженности теплообменных выработок.

В ИГДС разработан и запатентован способ регулирования теплового режима, сущность способа заключается в том, что между теплоаккумулирующими выработками (рис. 1) проводят соединительную, в которой устанавливают регулируемое по сечению вентиляционное окно и через которую подают в шахту атмосферный воздух полностью или частично весной и осенью,

Рис. 1. Схемарегулирования теплового режима шахты: 1 — ТАВ; 2 - соединительная выработка; 3 - вентиляционное окно; 4 -створки дверей; 5 - шарниры; 6 - обходная выработка; 7 - шлюзовые двери; 8 - вентилятор главного проветривания; 9 - подготовительные; 10 - очистные выработки

когда температура воздуха приближается к значениям температур массива окружающих горных пород [5].

Соединительная выработка между ТАВ позволяет сократить протяженность вентиляционной пути в те периоды года, когда атмосферный воздух имеет температуру, равную горным породам вокруг выработок, что исключает их потепление весной и охлаждение осенью. Кроме того, в аварийной ситуации вывод людей улучшен, так как сокращена длина пути вывода.

Вентиляционное окно (оно может быть выполнено, например, по типу дверей автобуса) обеспечивает изменение сечения от 0 до

сечения соединительной выработки. Причем, изменение сечения может осуществляться как в автоматическом режиме, так и с дистанционным или ручным управлением.

Створки дверей имеют шарниры и могут фиксироваться в различных положениях, варьируя проходное для воздуха сечение окна от 0 до сечения, равного размеру соединительной выработки. Для прохода людей проводят обходную выработку, в которой устанавливают шлюзовые двери. Тепловой режим шахты регулируют подачей атмосферного воздуха вентилятором главного проветривания по теплоаккумулирующим выработкам и далее в подготовительные и очистные выработки. В летнее время воздух, проходя по ТАВ, охлаждается, а в зимнее время - нагревается. Когда температура атмосферного воздуха имеет умеренные отрицательные значения, открывают вентиляционное окно и подают воздух в шахту, минуя теплоаккумулирующие выработки. Это позволяет снизить энергозатраты вентилятора главного проветривания, т. к. исключаются значительные сопротивления движения воздуха при прохождении его по теплоаккумулирующим выработкам. Окно может регулировать подачу воздуха по соединительной выработке и в течение суток, когда наблюдается большой перепад температур днем и ночью. В начале соединительной выработки устанавливают температурный датчик, подающий команды на автоматическое регулирование, или информирующий диспетчера шахты.

Преимуществами разработанного способа регулирования теплового режима шахты являются:

- возможность регулируемого исключения теплоаккумулирующих выработок из вентиляционной сети, что обеспечивает экономию энергозатрат на вентилятор главного проветривания;

- полное отключение ТАВ при значительном удалении горных работ в процессе эксплуатации шахты, т.к. их роль начинают играть подготовительные и капитальные выработки;

- облегченный и ускоренный вывод людей в аварийной ситуации.

Для моделирования тепловых процессов в ТАВ и окружающем их массиве горных пород разработана математическая модель процесса теплообмена в горных выработках [3,6]. Она учитывает основные факторы, влияющие на тепловой режим: температуру атмосферного воздуха, расход воздуха, геометрические характеристики выработки (длина, площадь сечения,

Рис. 2. Динамика температур наружного (1), воздуха при непрерывной подаче через ТАВ(2), с перерывами (3) и расхода воздуха (4)

толщина крепи и т.д.), теплофизические свойства горных пород и фазовые переходы влаги в них. Модель реализована численными методами конечных разностей. Исследованы влияния основных факторов на эффективность ТАВ при регулировании теплового режима шахт Якутии, где характерен резкоконтинентальный климат. Численные расчеты проведены при следующих исходных данных: длина теплоаккумулирующих выработок 2000 м, площадь сечения 10 м3, расход воздуха 50 м3/с. Весной и осенью отключают ТАВ и воздух подается через соединительную выработку. В периоды, когда воздух поступает в шахту, минуя ТАВ, температура воздуха равна наружной (рис. 2). Для сравнения проведены расчеты при непрерывной подаче наружного воздуха через теплоаккумулирующие выработки (показано пунктирной линией). Как видно из результатов расчета, рациональным является режим с отключениями ТАВ в весенний и осенний периоды. Таким образом, временное отключение ТАВ в переходные периоды (весной и осенью) позволяет не только сократить расходы на вентиляцию, но и повысить эффективность теплоаккумулирующих выработок по тепловому фактору.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет не только сократить расходы на вентиляцию, но и повысить эффективность теплоаккумулирующих выработок по тепловому фактору.

Следующим шагом исследований эффективности ТАВ в регулировании теплового режима шахт и рудников является выбор таких параметров, при которых достигается минимум эксплуатационных затрат с учетом тарифов на тепло и электроэнергию. Эксплуатационные затраты складываются из энергозатрат на вентиляцию теплоаккумулирующих выработок (на преодоление аэродинамического сопротивления ТАВ) и дополнительных затрат на подогрев воздуха до необходимой температуры в зимний период. Расход электроэнергии на вентиляцию рассчитывается по формуле

[3]:

= д-1 ■ У ■ О ‘-у ?і , (1)

102 ■ п П Пз

где а - коэффициент аэродинамического сопротивления выработки, кг ■ с2/м4; I - длина выработки, м; У- периметр выработки, О - расход воздуха в выработке, м3/с; т1 - время работы вентилятора в год, ч; 71 - стоимость электроэнергии, руб/кВт-ч; г/ь П, Цз - КПД вентилятора, двигателя, передачи.

Калорифер включается когда температура воздуха на выходе из ТАВ после смешения со свежим воздухом будет ниже заданной. Расходы на дополнительный подогрев рассчитываются по форму-ле[3]:

22 = 86400 ■ 10-9-О0-р-е-г11 (Г2 - Т)Ж, (2)

0

где О0 - расход подогреваемого воздуха, м3/с; т2 - время работы калориферной установки, час; р - плотность воздуха, кг/м ; с -удельная теплоемкость воздуха, Дж/(кг ■ К); z1 - стоимость тепловой энергии, руб/Гкал, Т2 - температура воздуха после смешения со свежим воздухом, °С; Ті - температура подогрева, °С.

Составим оптимизационную задачу минимизации энергозатрат на эксплуатацию ТАВ с учетом расходов воздуха и климата (годового хода температуры наружного воздуха). Постановка задачи оптимизации параметров ТАВ имеет следующий вид:

2(Оі,О2) = 2і+22 тіп, (3)

Рис. 3. Изолинии суммарных затрат при О = 50 м3/с

О] - летний и зимний расходы воздуха, м3/с; О2 - расход воздуха в переходной период (весна, осень), м3/с. Здесь принято, что расходы воздуха летом и зимой одинаковы. Задача заключается в выборе оптимальных расходов воздуха, пропускаемого через них, в зависимости от времени года. Разработана программа оптимизации параметров ТАВ методом минимизации Хука и Дживса [7] с применением метода «золотого сечения» [8].

При тех же исходных данных (регион - Якутия, длина ТАВ 2000 м, площадь сечения выработок 10 м3, расход воздуха 50 м3/с) рассчитаны оптимальные расходы воздуха, пропускаемого через ТАВ. Стоимость электроэнергии равен 1.5 руб/кВт • ч, стоимость тепловой энергии - 500 руб/Гкал, температура подогрева Т1 = +2 °С. В результате оптимизации получены следующие результаты: зимой и летом расход воздуха в ТАВ должен составлять 23.3 м3/с, а в переходные периоды 16,1 м3/с. Суммарные расходы составили 3.076-106 руб, экономический эффект равен 513 тыс. руб. Для наглядности на рис.3 приведены изолинии суммарных расходов, из

которого видно, что минимум суммарных расходов достигается при О1 = 23.3 м3/с и О2 = 16.1 м3/с.

Таким образом, предложенная методика оптимизации параметров ТАВ позволяет выбрать такие расходы воздуха в них, при которых достигается максимальный экономический эффект, т.е. вне зависимости от общего расхода воздуха через ТАВ необходимо пропускать определенное количество воздуха, а затем перед подачей в шахту смешивать с остальной частью свежего воздуха.

-------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Дядькин Ю.Д. Основы горной теплофизики для шахт и рудников Севера. - М.: Недра, 1968. - 256 с.

2. Шувалов Ю.В. Регулирование теплового режима шахт и рудников Севера: Ресурсосберегающие системы. - Л.: Изд-во ЛГУ, 1988. - 196 с.

3. Галкин А.Ф., Хохолов Ю.А. Теплоаккумулирующие выработки. - Новосибирск: Наука, 1992. - 133 с.

4. Комплекс мероприятий по созданию микроклиматических условий в шахтах Крайнего Севера. Информационный листок Якутского ЦНТИ, Якутск, 1976.-6 с.

5. Патент №2198294. Способ регулирования теплового режима шахты/ Авт.: Васильев П.Н., Хохолов Ю.А. 0публ.10.02.2003// Изобретения. Полезные модели.-2003.-№4.

6. Васильев П.Н., Хохолов Ю.А., Ефремов А.П., Огнев С.М. Формирование вентиляционных выработок для регулирования теплового режима шахты при комбинированной разработке месторождений полезных ископаемых//Горный информационно-аналитический бюллетень. МГГУ.- 2002.-№ 6.- С.243-246.

7. Базара М., Шетти К. Нелинейное программирование. Теория и алгоритмы. -М.: Мир, 1982. - 583 с.

8. Форсайт Дж., Малькольм М., Моулер К. Машинные методы математических вычислений. - М.: Мир, 1980.-280 с.

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

Хохолов Ю.А. - доктор технических наук, ведущий научный сотрудник ИГДС СО РАН,

Васильев П.Н. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник ИГДС СО РАН.

© В.А. Шерстов, Ю.А. Хохолов, 135