Энергосбережение при производстве и транспортировании сжатого воздуха

5. Тн.чухни С.А. Оценка экономичности работы главных вентиляторных установок по удельной мощности // Изв. вузов. Горный журнал. - 1984. - Х?4. - С.79 - 82.

6. Тимухии С.А. Показатели эффективности эксплуатации главных вентиляторных установок // Изв. вузов. Горный журнал. -1981. - №11. - С.99 - 102.

7. Хронусов Г.С. Комплексы потребителей - регуляторов мощности на горнорудных предприятиях. -М.: Недра. 1989.-200 с.

8. Цейтлин Ю.А., Мурзин В.А. Пневматические установки шахт. - М : Недра, 1985. - 351 с.

УДК 621.51

П.П. Фролов, Ю.Н. Миняев, В.Т. Дмитриев

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И ТРАНСПОРТИРОВАНИИ СЖАТОГО ВОЗДУХА

В горнодобывающей промышленности наряду с электрической энергией широко используется пневматическая энергия, или энергия сжатого воздуха.

Сжатый воздух как источник энергии применяется на шахтах и рудниках для приведения в действие бурильных, буросбоечных, добычных проходческих, погрузочных машин, вентиляторов местного проветривания, насосов, а также в эрлифтных установках при откачке воды и пульпы.

Кроме того, сжатый воздух находит применение для пневмозакладки горных выработок, приведения в действие толкателей, стопоров, затворов и других устройств.

Такое широкое применение пневматической энергии обусловлено высокой степенью безопасности пневматического оборудования, что особенно важно для шахт, опасных по газу или пыли, где применение электрической энергии при подземной разработке полезных ископаемых является опасным, так как возможны внезапные выбросы угля и газа.

Но вместе с тем пневматическая энергия имеет ряд серьезных недостатков. Один из основных - это высокая стоимость энергии. Это объясняется прежде всего большими потерями в самих компрессорах, т.е. при производстве сжатого воздуха.

При этом рудничные компрессорные установки являются наиболее энергоемким оборудованием. Их удельный вес в электропотрсблении горных предприятий с подземным способом добычи полезного ископаемого составляет значительную долю, особенно для рудных шахт.

Транспортирование сжатого воздуха от компрессорной станции до шахтных пневмоприемников осуществляется по сложным, длинным и разветвленным трубопроводам. При этом происходят значительные энергетические потери за счет гидравлических сопротивлений,

гурных изменений, колебаний давления в питающих сетях и за счет утечек сжатого

Из вышеизложенного становится очевидным, что наибольшие энергетические затраты и »но-тсхничсскис ресурсы при использовании пневматической энергии приходятся на Ю и транспортирование сжатого воздуха. Учитывая это и перспективы применения 1еской энергии в горнодобывающей промышленности России, следует особое внимание энергосбережению как при производстве, так и при транспортировании сжатого воздуха. Пневматическую установку можно считать однородной термодинамической системой, для рабочим телом, т.е. веществам, способным воспринимать и отдавать теплоту, а также работу, является атмосферный воздух. Физическое состояние этого рабочего тела может быть полностью определено, если 1ы величины, характеризующие его состояние, которые называются термодинамическими

дои состояния. К ним относятся: давление р, температура 7 и удельный объем и=~,

М

объем единицы массы М . Эти параметры связаны между собой определенной аналитической «остью, которая называется уравнением состояния идеального газа и имеет следующий

ри = ЯТ,

Я • удельная газовая постоянная, зависящая от природы вещества.

При исследовании пневматических установок и их элементов возникает необходимость доения величины теоретической максимальной полезной работы, которую можно получить в

в

Ьпзичных условиях от рабочего тела - сжатого воздуха. Для этого используется понятие эксергии, работоспособности термодинамической системы, представляющей собой максимальную пелезную работу, которую система производит при обратимом переходе в состояние полного заановссия с окружающей средой, в нашем случае - с атмосферой.

Эксергия в этом случае может быть определена по формуле [ 1 ]

Э-^-Ро^о'Ч) >

тх ¿о - внешняя работа процесса; - начальный и конечный объем газа; р0 - атмосферное

.явление.

На рисунке показана экссргетическая диаграмма шахтной пневматической установки для эекоторого среднего состояния се элементов, характерного для существующего в настоящее время за шахтах положения вещей.

Как видно из диаграммы, потери эксергии в компрессорных агрегатах установки вставляют около 50 % мощности, подводимой к их приводным двигателям, и 37 % теряется при транспортировании сжатого воздуха.

Экссргстичсская диаграмма шахтной компрессорной установки: 1 - 50 % - потери в компрессорных агрегатах; 2 -37 % - потери при транспортировании; 3 10 % - потери в пнсвмоприсмннках

В табл.1 и 2 приведены полученные В.А. Мурзиным осредненные данные о потерях экссргии на шахтных компрессорных станциях, оборудованных соответственно поршневыми и турбинными агрегатами [7].

Как видно из этих таблиц, на долю механических и внутренних потерь поршневого компрессора приходится более 15 %. Учитывая, что потери в клапанах составляют до 40 % полезной индикаторной мощности, совершенствование воздухораспределительных органов и самой системы воздухораспрсделения в целом является существенным резервом энергосбережения при производстве сжатого воздуха поршневыми компрессорами.

Что касается турбокомпрессоров, то здесь почти 18 % приходится на аэродинамические потери во всех секциях рабочих колес. Поэтому аэродинамическое совершенство рабочих колес, диффузоров и обратных направляющих аппаратов является важным резервом энергосбережения при производстве сжатого воздуха турбокомпрессорами.

Одним из существенных резервов повышения эффективности компрессорных агрегатов как поршневого, так и центробежного типов является утилизация отводимого от сжатого воздуха тепла. Так, для поршневых компрессоров на это тепло -затрачивается более 23 % энергии, расходуемой на получение сжатого воздуха, а для турбокомпрессоров - более 15 %.

>1 наконец, пневматические сети являются обычно местом наибольших потерь энергии эксплуатации компрессорных установок, поэтому вопросы энергосбережения при )вании сжатого воздуха - непременное условие эффективной работы пневматических

Для реализации вышепоставленных проблем, направленных на энергосбережение как при так и при транспортировании сжатого воздуха, предлагается ряд мероприятий, сся результатом научно-исследовательской работы кафедры горной механики УГГГА с гс_юв прошлого века по настоящее время.

Таблица 1

Потери экссргин на шахтных компрессорных станциях, оборудованных норшневымн агрегатами

Виды потерь Доля экссргин. расходуемой на получение сжатого воздуха. %

Расход на вспомогательные нужды 4,0

Потери в приводном двигателе 3,5

Механические потери в компрессоре 7,2

Внутренние, учитываемые индикаторным КПД,

потери в ЦНД 5,0

Внутренние, учитываемые индикаторными КПД,

потери в ЦВД 3,0

Тепло, отводимое:

от ЦНД, и дросселирование во всасывающем тракте

компрессорной установки 6,7

от ЦВД, и дросселирование в нагнетательном тракте

компрессорной установки 6,2

в ПВО 6,8

в КВО 3,6

Итого , 51,0

Примечание- ЦНД • цнгиндр низкого дарения. ЦВД - цилиндр высокого давления; ПВО - промежуточный воздушный охладитель; КВО - концевой воздушный охладитель

Что касается системы воздухораспределсния поршневых компрессоров, то только замена ольцевых и дисковых клапанов на прямоточные уменьшает расход электроэнергии на 10-13 % [6]. Но поскольку сами клапаны являются основным элементом, влияющим на расход электроэнергии, то предлагается бесклапанный поршневой компрессор [11, в котором цилиндр установлен в корпусе с возможностью возвратно-поступательного перемещения, а поршень

неподвижен. При этом для воздухораепределения используются отверстия в корпусе и каналы в цилиндре, которые, совмещаясь, осуществляют соответственно процессы всасывания или

нагнетания.

Таблица 2

Потерн эксершн на шахтных компрессорных станциях, оборудованных турбокомпрессорнымн агрегатами

Доля экссргии, расхо-

Виды потерь дуемой на получение

сжатого »отдуха, %

Расход на вспомогательные нужды 2,0

Потери в приводном двигателе 4,0

Механические потери в компрессоре и мультипликаторе 5.0

Аэродинамические потери в I секции рабочих колес 8,4

Тепло, отводимое в первом ПВО 4,7

Аэродинамические потери во II секции рабочих колес 3,8

Тепло, отводимое во втором ПВО 5,5

Аэродинамические потери в III секции рабочих колес 5,6

Тепло, отводимое з КЪО 5,0

Утечка сжатого воздуха через думмис 3,0

Итого 47,0

Экономичность работы компрессоров зависит во многом и от системы охлаждения. При этом большая часть энергии, затрачиваемая на сжатие воздуха, переходит в тепло, которое рассеивается в окружающей атмосфере. При утилизации этого тепла общий КПД пневматической установки увеличивается. Для практической реализации была разработана, изготовлена, смонтирована и испытана охлаждающе-утилизационная установка для оппозитного поршневого компрессора 4М10-100/8, которая одновременно выполняет функцию охладителя нагретой воды, выходящей из системы охлаждения компрессора, являющейся первичным теплоносителем, и утилизатора теплоты этой воды за счет нагрева холодной воды, являющейся вторичным теплоносителем [3].

Экономичность и безопасность работы поршневого компрессора зависит от системы смазки, так как смазка является источником повышенной опасности ввиду появления взрывоопасных концентраций органических веществ. Кроме того, из-за образования нагаромасляных отложений на стенках рубашек цилиндров и трубок холодильников системы охлаждения не обеспечивают необходимое охлаждение сжатого воздуха. Для устранения этих недостатков предлагается перевести компрессоры на режим работы без смазки цилиндров и сальников [4]. Для реализации этого предложения необходимо опорные сегменты.

ные кольца поршней и сальников сделать из самосмазываюшсго материала, например. :нной композиции Ф4К20, выполненной на основе фторопластов. Транспортирование сжатого воздуха от компрессоров до шахтных пневмоприемннков я по весьма сложным, длинным и разветвленным трубопроводам. При этом значительные энергетические потери за счет гидравлических сопротивлений, давления в питающих сетях и, главным образом, за счет утечек. Наиболее перспективен случае способ аккумулирования пневматической энергии в гидропневматических ix, позволяющий значительно уменьшить расход электрической энергии на сжатого воздуха [5].

Гидропнсвматичсский аккумулятор (ГПА) представляет собой две горные выработки расположенные на различных горизонтах. Нижняя пневмокамера предназначена хтя и хранения в течение определенного времени сжатого воздуха, находящегося под м давлением. Постоянное давление в пневмокамере поддерживается посту-" в нес из гидрокамеры водой по соединительному трубопроводу или скважине. Назначение ГПА - компенсация неравномерности потребления сжатого воздуха шахтными мниками. Кроме того, в ГПА создается запас сжатого воздуха, расходуемый щими агрегатами в часы «пик» или кратковременной остановки компрессоров. ГПА также роль автоматического регулятора давления сжатого воздуха в возду-елительной сети, выравнивая давление и поддерживая его постоянным. Кроме вышеуказанных задач, ГПА может быть эффективно использован при ни рациональных режимов работы компрессорных установок в условиях ограничения ебления [2]. Для этого требуется строить ГПА, вместимость камер которого ет отключение компресссров в периоды утреннего и вечернего максимума еской нагрузки соответствующей энергосистемы. Таким образом, предлагаемые разработки, связанные с производством и тран-нием сжатого воздуха, позволяют значительно снизить расход электроэнергии и ых материалов компрессорных!и установками, что, в конечном итоге, будет влиять на экономические показатели всего горного предприятия.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. А.с. № 1550212. СССР. Поршневой компрессор / Жнлябин В.Б.. Минясв Ю Н. - Опубл. В Б.И. -- № 10.

2. Исрашыон Р.Б., Миннев Ю.Н., Хронусов Г.С. Планирование режимов работы компрессорных вок в условиях ограничения элсктропотребления // Изв. вузов Горный журнал. - 1991. - № 6. - С. 103-

3. Мнннев Ю.Н., Мних Н.Г. Охлаждающе-утилизационная установка для стационарных поршневых компрессоров // Цветная металлургия. - 1988. - № 3. - С.59-61.

4. Мнннев Ю.Н., Холодников Ю.В. Перевод поршневых компрессоров на режим работы без смазки // Информационный листок № 410-91 / Свердловский центр НТИ. - Свердловск, 1991. - 3 с.

5. Фролов П.П. Справочное руководство по компрессорному хозяйству. - М.: Госгортехиздат, 1963.

- 196 с.

6. Фролов П.П., Дмитриев В.Т. Прямоточные клапаны на поршневых компрессорах // Информационный листок № 89-49 / Свердловский центр НТИ. - Свердловск, 1989. - 5 с.

7. Цейтлин Ю.А., Мурзнн В.А. Пневматические установки шахт. - М.: Недра, 1985. - 350 с.

8. Литовский Е.И. Потоки энергии и экссргии. - М.: Наука. 1988. - 142 с.

УДК 622.44

С.А.Тимухин, В.Ф.Копачев, С.С.Шантарин

ПРОБЛЕМЫ ОПТИМ'^АПИИ ПАРАМЕТРОВ ШАХТНЫХ ВЕНТИЛЯТОРОВ СМЕШАННОГО ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ ПО КРИТЕРИЮ ЭНЕРГОЗАТРАТ

Одним из направлений развития современного вентиляторостроения является ориентация на вентиляторы смешанного принципа действия (ВСПД), сочетающие в себе свойства каких-либо двух традиционных типов машин. Об этом свидетельствует как патентная активность, так и постоянное расширение объемов промышленного производства вентиляторов данного типа, обычно использующих сочетание известных принципов действия (осевого и центробежного, центробежного и диаметрального и др.). Таким образом достигается более эффективное использование проточной части машин. Следствием этого является повышение аэродинамических параметров, улучшение энергетических и шумовых характеристик без увеличения массогабаритных показателей и частот врашения рабочих колес, что представляет существенный интерес с точки зрения снижения энергетических затрат как на местное, так и на общешахтнос проветривание. На установках главного проветривания экономический эффект при использовании вентиляторов смешанного принципа действия помимо снижения энергетических затрат может быть получен также за счет снижения материалоемкости машин, занимаемой ими площади, капитальных затрат на строительство установок и реализации реверсирования радиальных машин наиболее простым способом - обратным вращением привода вентиляторного агрегата, на установках местного проветривания - за счет меньшего количества последовательно установленных вентиляторов, меньшего объема сооружаемых вентиляционных камер и др.