Сравнительный анализ потребления тепло- и энергоресурсов шахтными калориферными установками

Раздел 5

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ И ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ

УДК 622.481:497.98.001.63

А.В. Николаев, М.Ю. Постникова, Н.Н. Мохирев

Пермский государственный технический университет

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПОТРЕБЛЕНИЯ ТЕПЛО- И ЭНЕРГОРЕСУРСОВ ШАХТНЫМИ КАЛОРИФЕРНЫМИ УСТАНОВКАМИ

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

В горной промышленности в холодное время года воздух, поступающий по стволам в шахту (рудник), необходимо подогревать до температуры не ниже +2 °С [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).

О

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 безвен-тиляторной (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.

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).

О о

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 °С.

По вышеприведенным значениям видно, что в период наиболее холодной пятидневки (для ВКМКС -36 °С) 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 (?ш), при температуре наружного воздуха ?нар = -36 °С, 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 калориферов Температура воздуха, подаваемого в ствол ‘ш, °С

клетевой скипоклетевой скиповой

TC 800E 2,7 2,1 2,05

КЦКП-100 4,98 4,37 4,35

ВНВ 7,85 7,51 7,5

*-------------------------------------------------------------------

Воздух должен подогреваться до температуры не ниже +7,5 °С [2].

Расчетные значения температуры воздуха, подаваемого в ствол (/ш) 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 к 30 м3/ч и расходовать электроэнергию (нагнетательные вентиляторы) N = 66 кВт-ч. В табл. 2 приводится требуемое количество находящихся в работе теплообменников TC 800E (иТо) в КУ, потребляемая ими электроэнергия Д,бщ и расход газа W в них.

Таблица 2

Значения температуры воздуха на входе в ствол при использовании теплообменников TC 800E

t °с ‘•нар? t °С иТ0, шт. W, м3/ч Жобщ, кВт-ч

-9 2,6 14 420 924

-8 2,7 13 390 858

-7 2,8 12 360 792

-6 2,16 10 300 660

-5 2,3 9 270 594

-4 2,5 8 240 528

-3 2,7 7 210 462

-2 2,03 5 150 330

-1 2,2 4 120 264

0 2,4 3 90 198

1 2,6 2 60 132

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 °С. Температура воздуха на входе в ствол 1Ш, параметры теплоносителя (расход С и температура подаваемой воды ?вод) и объемы природного газа, потребляемого в котельной

на его нагрев Ж (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 Д,ент = 22 кВт-ч каждый [9]. В табл. 3 и 4 приведено суммарное значение электроэнергии Д,бщ, потребляемой всеми нагнетательными вентиляторами КУ и затрачиваемой на работу питательных насосов Ынас (посчитано по формулам [10]), в зависимости от количества блоков КЦКП-100, находящихся в работе (ибл).

Таблица 3

Расчетные параметры воздуха, теплоносителя и потребляемых электрических и тепловых ресурсов при использовании воздухонагревательных блоков КЦКП-100

Г °С (нар, С Г °С г °С ‘вод? О, кг/с Ж, м3/ч Жобщ, кВт-ч

-9 24 95 113,4 1329 300

-8 24,6 95 112,5 1318,8 299,3

-7 25,1 94,7 112,5 1303 299,3

-6 25,7 94,7 111 1282 298

-5 26,3 94,3 111 1261 298

-4 26,9 94 111 1246 298

-3 27,5 94 109,8 1236 296,8

-2 28,1 93,8 108,9 1215,4 296

-1 28,7 93,8 107,1 1195 294,4

0 29,2 93,5 107,1 1180,2 294,4

1 29,8 93,5 106,2 1170,3 293,6

Таблица 4

Расчетные параметры воздуха, теплоносителя и потребляемых электрических и тепловых ресурсов при использовании воздухонагревательных блоков КЦКП-100

С ° & Ибл, шт. ¿ш, °С (с.-к.) ш, ° О с. С ° £ О О, кг/с Ж, м3/ч М,бщ, кВт-ч

-9 4 3,4 3,3 94 47,2 531,2 64,5

-8 4 4,2 4,1 94 46,4 522,2 63,8

-7 4 5,1 5 94 46 517,7 63,4

-6 3 2,9 2,8 93,7 34,5 383,4 53,1

-5 3 3,8 3,7 93,3 34,5 376,9 53,1

-4 3 4,7 4,6 93 34,5 372,1 42,52

-3 2 2,7 2,6 93 22,8 245,9 42,34

-2 2 3,6 3,5 92,8 22,6 241,6 41,98

-1 2 4,5 4,5 92,8 22,2 237,3 41,98

0 1 2,7 2,7 92,5 11,1 117,1 31,99

1 1 3,7 3,7 92,5 11 116,1 31,9

В табл. 5 не приводятся значения температуры воздуха, подаваемого в надшахтное здание, так как оно практически постоянно и примерно равно +7,5 °С. При данной температуре воздуха в надшахтном здании согласно [2] в ствол, гарантированно, будет подаваться воздух с температурой около +2 °С.

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

Клетевой ствол Скипоклетевой ствол Скиповой ствол

тз ° о 1 °С 'вод? ч-' О, кг/с У, м3/ч Nна^ кВтч О, кг/с У, м3/ч Nна^ кВтч О, кг/с У, м3/ч -^на^ кВтч

-9 94,3 719,5 893,3 1117,0

-8 93,0 681,1 845,4 1057,0

-7 91,6 640,0 794,0 992,5

-6 90,3 601,1 746,2 932,7

-5 88,9 560,0 694,7 868,4

-4 87,6 63,15 521,2 56,83 78,4 650,0 70,6 97,9 808,7 88,19

-3 86,2 479,7 595,5 744,4

-2 84,9 441,2 547,7 648,7

-1 83,5 399,7 496,2 620,3

0 82,2 361,3 448,5 560,6

1 80,8 319,8 397,0 496,2

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 °С.

При использовании водяных вентиляторных КУ на скиповых и скипо-клетевых 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.

Список литературы

1. Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений полезных ископаемых подземным способом (ПБ 03-553-03). Серия 03. Вып. 33 / ГУП «НТЦ по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России. - М., 2003. - 200 с.

2. Николаев А.В., Постникова М.Ю., Мохирев Н.Н. Расчет воздухонагревательной калориферной установки, расположенной в стене надшахтного здания // Научные исследования и инновации. Научный журнал. - Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2010. - Т. 4, № 1. - С. 139-141.

3. Мохирев Н.Н. Проветривание подземных горнодобывающих предприятий. - Пермь, 2001. - 280 с.

4. Разработка исходных данных для проектной документации на строительство Усольского калийного комбината: отчет о выполненной услуге/ Отв. исполн. Н.Н. Мохирев. - Пермь, 2009. - 52 с.

5. СНиП 23-01-99. Строительная климатология.

6. TECNOCLIMA. Воздухонагреватели TC-E, TC-E/K: инструкция по эксплуатации / GoGaz. - 2003. - 28 с.

7. ГОСТ 21563-93. Котлы водогрейные. Основные параметры и технические требования.

8. РД 1.19-126-2004. Методика расчета удельных норм расхода газа на выработку тепловой энергии и расчета потерь в системах теплоснабжения.

9. Кондиционер центральный каркасно-панельный / Веза: каталог продукции. - Ред. №10 от 01.04.2009. - Вып. 1.

10. Минко В. А., Юров Ю.И., Овсянников Ю.Г. Нагнетатели в системах теплогазоснабжения и вентиляции: учеб. пособие. - Старый Оскол: ТНТ, 2008. - 584 с.

Получено 7.05.2010