Abstract

Abstract

Представлен анализ потребления тепловых и энергетических ресурсов газовыми, водяными вентиляторными и безвентиляторными, расположенными в стене надшахтного здания калориферными установками.

Full Text

В горной промышленности в холодное время года воздух, поступающий по стволам в шахту (рудник), необходимо подогревать до температуры не ниже +2 °C [1]. В противном случае армировка стволов, в местах пересечения водоносных горизонтов, начнет разрушаться замерзшей в породах водой. Подогрев воздуха производится при помощи калориферных установок (КУ), состоящих из нескольких теплообменников (калориферов). По виду теплоносителя в основном применяют газовые, водяные и, редко, электрические теплообменники (ТО). В газовых калориферах теплоносителем являются продукты сгоревшего метана (природного газа). Метан сгорает в специальной камере. Продукты сгорания смешиваются с наружным воздухом и с температурой не более 500 °С подаются в теплообменник, где происходит нагрев поступающего в калорифер воздуха. В водяных калориферах теплоносителем является вода, подогрев которой в результате сгорания органического топлива (в основном природного газа) производится в топочных отделах котельной установки. Электрические калориферы оборудуются трубчатыми электрическими нагревательными элементами (ТЭНами), включающимися ступенями, в зависимости от требуемой теплопроизводительности. По способу перемещения и подачи воздуха в ствол различают вентиляторные и безвентиляторные калориферные установки. Подача воздуха в ствол при вентиляторной схеме воздухоподготовки осуществляется нагнетательными вентиляторами в калориферный канал ствола (рис. 1,а). Безвентиляторная установка предполагает движение воздуха за счет работы главной вентиляторной установки (ГВУ). При этом подача воздуха в ствол может осуществляться через калориферный канал, как показано на рис. 1, а (отличие в том, что в КУ отсутствуют нагнетательные вентиляторы), либо через теплообменники, расположенные в стенах надшахтного здания [2] (рис. 1, б). аб Рис. 1. Способы подачи воздуха в шахту (рудник) по клетевому стволу В данной работе проведен сравнительный анализ потребления тепло- и энергоресурсов вентиляторной (газовой, водяной, электрической) и безвентиляторной (водяной, расположенной в стенах надшахтного здания) калориферных установок. Расчетные параметры КУ зависят от типа ствола. При подаче воздуха в шахту (рудник) по клетевым стволам существует возможность ограничить поступление воздуха через окна в надшахтном здании, в которых проходят подъемные канаты. Для этого окна оборудуются вентиляционными клапанами (рис. 2) [3]. При этом поступления наружного воздуха через технологические проемы практически исключаются, и основная часть воздуха проходит через КУ, как показано на рис. 1. Рис. 2. Вентиляционный клапан: 1 - окно для пропуска каната; 2 - канат; 3 - клапан Скиповые и скипоклетевые стволы изолировать от поступления наружного воздуха невозможно, так как в надшахтном здании обязательно будут присутствовать окна для прохода скипов (скиповые окна). В случае изоляции копра надшахтного здания при разгрузке скипов воздух, подаваемый в ствол, будет сильно запылен. Поэтому при проектировании системы подогрева воздуха в стволах данного типа необходимо учитывать, что в ствол будет подаваться не только теплый (через КУ), но и холодный (через скиповые окна) воздух (рис. 3). аб Рис. 3. Способы подачи воздуха в шахту (рудник) по скиповому и скипоклетевому стволу В данной работе рассматриваются три типа стволов, используемых для подачи воздуха в шахту (рудник): 1) клетевой. Весь наружный воздух будет проходить через КУ; 2) скипоклетевой, с двумя скиповыми окнами сечением 4 м2; 3) скиповой, с четырьмя скиповыми окнами сечением 4 м2. Расчеты можно выполнить для абстрактного рудника, расположенного в области Верхнекамского месторождения калийных солей (ВКМКС), по воздухоподающему стволу которого будет проходить воздух, к примеру, объемом Qш = 300 м3/с. По расчетным формулам работы [4], при данном расходе воздуха воздухоподающий ствол необходимо оборудовать одним из следующих типов калориферной установки (КУ): 1. Клетевой ствол: - вентиляторные КУ: газовые калориферы TC 800E фирмы «GoGaz»....................................... 14 шт. водяные воздухонагревательные блоки КЦКП-100 компании «Веза», с установленными в них по два теплообменника типа ВНВ 243.1-163-200-02-1,8-02-2......................................................... 9 шт. электрические воздухонагревательные блоки КЦКП-100 компании «Веза» (мощность каждого N = 1527,3 кВт)............................. 9 шт. - безвентиляторная КУ: теплообменники компании «Веза» типа ВНВ 243-163-150-0,2-2,2-02-2.......................................................... 29 шт. 2. Скипоклетевой ствол: - вентиляторные КУ: газовые калориферы TC 800E................................................................ 14 шт.; водяные воздухонагревательные блоки КЦКП-100................................. 9 шт.; электрические воздухонагревательные блоки КЦКП-100 компании «Веза» (мощность каждого N = 1646,3 кВт).............................. 9 шт. - безвентиляторная КУ: теплообменники компании «Веза» типа ВНВ 243-163-150-0,2-2,2-02-2.......................................................... 36 шт. 3. Скиповой ствол: - вентиляторные КУ: газовые калориферы TC 800E................................................................ 14 шт.; водяные воздухонагревательные блоки КЦКП-100................................. 9 шт.; электрические воздухонагревательные блоки КЦКП-100 компании «Веза» (мощность каждого N = 1648,9 кВт).............................. 9 шт. - безвентиляторная КУ: теплообменники компании «Веза» типа ВНВ 243-163-150-0,2-2,2-02-2.......................................................... 45 шт. Расчеты производительности КУ и выбор количества калориферов в ней были произведены согласно [5] для температуры воздуха наиболее холодной пятидневки, обеспеченностью 0,92, таким образом, чтобы температура воздуха, подаваемого в ствол, была не ниже +2 °C. По вышеприведенным значениям видно, что в период наиболее холодной пятидневки (для ВКМКС -36 °C) электрокалориферы будут потреблять электроэнергии более 10 МВт∙ч. Поэтому данный вид КУ используется довольно редко. Для остальных типов КУ, приведенных выше, значения температуры воздуха, подаваемого в ствол (tш), при температуре наружного воздуха tнар = -36 °C, приведены в табл. 1. В весенне-осенний период, когда температура воздуха значительно выше выбранной в расчетах, необходимо регулировать температуру и объем воздуха на выходе из КУ. Сделать это можно снизив тепловую мощность установки и(или) выключив из работы определенное количество теплообменников. Таблица 1 Значение температуры воздуха, подаваемого в ствол Тип калориферовТемпература воздуха, подаваемого в ствол tш, °C клетевойскипоклетевойскиповой TC 800E2,72,12,05 КЦКП-1004,984,374,35 ВНВ*7,857,517,5 * Воздух должен подогреваться до температуры не ниже +7,5 °C [2]. Расчетные значения температуры воздуха, подаваемого в ствол (tш) при использовании КУ на базе теплообменников TC 800E во время его работы на минимальной установленной тепловой мощности, приведены в табл. 2 (для всех типов стволов практически равны). При этом согласно [6] один теплообменник будет потреблять природный газ в объеме ≈ 30 м3/ч и расходовать электроэнергию (нагнетательные вентиляторы) N = 66 кВт∙ч. В табл. 2 приводится требуемое количество находящихся в работе теплообменников TC 800E (nТО) в КУ, потребляемая ими электроэнергия Nобщ и расход газа W в них. Таблица 2 Значения температуры воздуха на входе в ствол при использовании теплообменников TC 800E tнар, °Ctш, °CnТО, шт.W, м3/чNобщ, кВт∙ч -92,614420924 -82,713390858 -72,812360792 -62,1610300660 -52,39270594 -42,58240528 -32,77210462 -22,035150330 -12,24120264 02,4390198 12,6260132 При использовании водяных ТО тепловую мощность установки можно регулировать при помощи изменения температуры подаваемой воды и ее расхода. При этом согласно [7] температура обратной воды, поступающей в котельную из калориферов, должна быть не ниже +70 °C. Температура воздуха на входе в ствол tш, параметры теплоносителя (расход G и температура подаваемой воды tвод) и объемы природного газа, потребляемого в котельной на его нагрев W (посчитано по формулам [8]) приведены в табл. 3, 4 для водяной вентиляторной КУ и в табл. 5 для водяной безвентиляторной КУ. Вентиляторы блока КЦКП-100 потребляют электроэнергию Nвент = 22 кВт∙ч каждый [9]. В табл. 3 и 4 приведено суммарное значение электроэнергии Nобщ, потребляемой всеми нагнетательными вентиляторами КУ и затрачиваемой на работу питательных насосов Nнас (посчитано по формулам [10]), в зависимости от количества блоков КЦКП-100, находящихся в работе (nбл). Таблица 3 Расчетные параметры воздуха, теплоносителя и потребляемых электрических и тепловых ресурсов при использовании воздухонагревательных блоков КЦКП-100 (клетевой ствол) (nбл = 9 шт.) tнар, °Ctш, °Ctвод, °CG, кг/сW, м3/чNобщ, кВт∙ч -92495113,41329300 -824,695112,51318,8299,3 -725,194,7112,51303299,3 -625,794,71111282298 -526,394,31111261298 -426,9941111246298 -327,594109,81236296,8 -228,193,8108,91215,4296 -128,793,8107,11195294,4 029,293,5107,11180,2294,4 129,893,5106,21170,3293,6 Таблица 4 Расчетные параметры воздуха, теплоносителя и потребляемых электрических и тепловых ресурсов при использовании воздухонагревательных блоков КЦКП-100 (скипоклетевой и скиповой стволы) tнар, °Cnбл, шт.tш, °C (с.-к.)tш, °C (с.)tвод, °CG, кг/сW, м3/чNобщ, кВт∙ч -943,43,39447,2531,264,5 -844,24,19446,4522,263,8 -745,159446517,763,4 -632,92,893,734,5383,453,1 -533,83,793,334,5376,953,1 -434,74,69334,5372,142,52 -322,72,69322,8245,942,34 -223,63,592,822,6241,641,98 -124,54,592,822,2237,341,98 012,72,792,511,1117,131,99 113,73,792,511116,131,9 В табл. 5 не приводятся значения температуры воздуха, подаваемого в надшахтное здание, так как оно практически постоянно и примерно равно +7,5 °C. При данной температуре воздуха в надшахтном здании согласно [2] в ствол, гарантированно, будет подаваться воздух с температурой около +2 °C. Таблица 5 Расчетные параметры теплоносителя и потребляемых электрических и тепловых ресурсов при использовании теплообменников типа ВНВ 243-163-150-0,2-2,2-02-2 tнар, °Ctвод, °CКлетевой стволСкипоклетевой стволСкиповой ствол G, кг/сW, м3/чNнас, кВт∙чG, кг/сW, м3/чNнас, кВт∙чG, кг/сW, м3/чNнас, кВт∙ч -994,363,15719,556,8378,4893,370,697,91117,088,19 -893,0681,1845,41057,0 -791,6640,0794,0992,5 -690,3601,1746,2932,7 -588,9560,0694,7868,4 -487,6521,2650,0808,7 -386,2479,7595,5744,4 -284,9441,2547,7648,7 -183,5399,7496,2620,3 082,2361,3448,5560,6 180,8319,8397,0496,2 Как видно по приведенным зависимостям, при установке газовых теплообменников расходуется меньше всего природного газа, однако потребляется больше всего электроэнергии. Водяные вентиляторные установки на базе воздухонагревательных блоков КЦКП-100, при установке их на клетевом стволе, изолированном от внешних поступлений наружного воздуха, расходуют меньшее, по сравнению с газовыми КУ, количество электроэнергии, но потребляют значительные объемы газа, а в ствол выдается воздух, температура которого существенно больше +2 °C. При использовании водяных вентиляторных КУ на скиповых и скипоклетевых стволах расход газа на подогрев воды, подаваемой в установку, также значительно больше расхода газа, потребляемого газовой КУ. Однако затраты электроэнергии в установках данного типа в несколько раз меньше затрат в газовых теплообменниках. На обогрев воды, подаваемой в водяную безвентиляторную КУ, расположенную в стене надшахтного здания, расходуется максимальное количество природного газа. Потребление электроэнергии установкой чуть больше, чем водяной вентиляторной КУ. Это вызвано тем, что температура воздуха, подаваемого в надшахтное здание, должна быть не +2 °C, а +7,5 °C. Таким образом, выбор того или иного типа КУ определяется как типом ствола, так и конструктивными особенностями теплообменников, позволяющими достигать наименьших затрат тепло- либо энергоресурсов.