Применение газовых калориферов мощностью до 5 МВт для обогрева стволов шахт и рудников

О.Л.Черных, С.А.Мартемьянов

Россия располагает масштабным недоиспользуемым потенциалом энергосбережения, поскольку около 35% энергии, по сравнению с аналогичным показателем в странах ЕС, в России попросту теряется. Нехватка энергии может стать существенным фактором сдерживания экономического роста страны. В РФ принята государственная программа «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года». Масштабная задача программы – снижение к 2020 году энергоемкости ВВП на 40%.

Предприятия горнодобывающего комплекса относятся к числу самых энергоёмких. Затраты электроэнергии на работу вентиляционных установок для проветривания шахт и рудников достигают 40% от всех затрат электроэнергии, значительная часть которой приходится на подогрев приточного воздуха в системах вентиляции.

Общая схема подачи-удаления воздуха через вертикальные шахтные стволы представлена на рисунке 1.

Статья

Рис.1. Схема подачи-удаления воздуха через вертикальные шахтные стволы.

При установлении температуры окружающей среды ниже 2°С, воздух, подаваемый в шахту или рудник, должен подогреваться. При подаче не подогретого воздуха в шахтном стволе имеют место такие неблагоприятные эффекты, как обмерзание армировки стволов, что препятствует нормальной работе шахтных подъемных механизмов; обмерзание стенок, кровли и конструкций транспортных установок в сбойках стволов. Нагрев воздуха в шахтах и рудниках — жизненная необходимость для обеспечения ее функционирования и обеспечения комфортных условий труда шахтерам.

Существует две принципиальные схемы подачи в ствол подогретого воздуха: первая, когда нагревается весь подаваемый в шахту или рудник объем воздуха, и вторая, когда подогревается только часть воздуха. Во втором случае температура нагрева воздуха калорифером должна быть значительно выше, чем в первом, поскольку нужной температуры общий объем подаваемого в шахту или рудник воздуха будет достигаться путем смешивания подогретого и холодного воздуха. Обычно подогревается порядка 20-25% от общешахтного расхода воздуха и температура нагрева составляет 60-70°С. Смешивание объемов рассчитывается таким образом, чтобы температура подаваемого в шахту или рудник воздуха была бы не ниже 2 °С {М}.

Различают теплогенераторы с конденсационным режимом работы воздухонагревателей и газовые теплогенераторы без конденсационного режима работы . В последних, полезное тепло может достигать 92%. Потери тепла определяются по формуле: 7% с отходящими газами и 1% на воздуховоде.

∆Т = Твн - Тнар = [(QN•ƞ)•3600]/[V•ρ•CP], оС,

где, Твн = температура воздуха подогретого, оС;

Тнар = температура наружного воздуха, оС;

QN – мощность нагрева, кВт;

(QN•ƞ) - полезная тепловая мощность, кВт;

V – объем нагреваемого (калорифером, теплообменником) воздуха, м3/ч;

ρ - плотность воздуха (при Тнар =+20оС, ρ= 1,2 ), кг/м3;

CP – теплоемкость воздуха (при Тнар =+20оС, CP=1,006), кДж/кгоС,

и в среднем составляют 7% с отходящими газами и 1% на воздуховоде.

При расчетах учтем, что удельная теплота сгорания метана (составляющего основу природного газа) равна 36000 кДж/м3.

По оценкам специалистов проектно-сметных организаций, себестоимость строительства на 1 Гкал тепловой мощности воздухо-нагревательных установок (ВНУ), в состав которых входят котельные, составляет ~ 9,5 млн руб., что соответствует общепринятым нормам в промтеплоэнергетике (8-10 млн руб/Гкал, в зависимости от вида топлива, установленной мощности и т. д.). При использовании теплогенераторов с сухими теплообменниками себестоимость строительства на 1 Гкал тепловой мощности воздухонагревательных установок снижается в два раза, до 4-5 млн руб/Гкал. По расчетным оценкам достаточно сжигать 1 м3 метана для подогрева 500 м3 воздуха на 60 градусов. На крупные шахты и рудники требуются теплогенераторы общей установленной мощностью до 30МВт, которые потребляют в среднем за отопительный период 10 МВт или 8,6 Гкал/ч.

По данным доктора технических наук Левина Л,Ю.{2}, итоговая стоимость 1Гкал, подаваемой в ствол в зависит от принятой системы воздухоподогрева (см. рисунок 2).

Статья

Рис.2. Стоимость 1Гкал, подаваемой в ствол (евро).

Российские горные предприятия массово расстаются с традиционной схемой воздухоподготовки, включающей котельную, тепловые сети, насосы и калориферы, и переходят на схемы с установкой газовоздушных нагревателей. Подогрев воздуха в них осуществляется за счет сжигания природного газа или шахтного метана, причем продукты сгорания не смешиваются с воздухом, а подогрев воздуха осуществляется через теплообменник из нержавеющей стали. После теплообменника дымовые газы отводятся в атмосферу.

Воздух забирается вне помещений и направляется в воздухонагреватели, которые установлены по ходу воздуха. Температура воздуха на выходе поддерживается постоянной независимо от наружной температуры. Подача воздуха может осуществляться как индивидуальными вентиляторами на всас вентилятора главного проветривания, так и за счет разряжения, создаваемого самим вентилятором главного проветривания, то есть, может реализовываться как напорная, так и безнапорная схемы. Напорная схема обеспечивает подпор в надшахтном здании и практически исключает подсосы холодного воздуха в процессе эксплуатации.

Преимущества газовоздушных нагревателей перед водяными калориферами

  • Отсутствует котельная с насосной, системой водоподготовки и дополнительным обслуживаемым зданием, отсутствует дежурный персонал;
  • Исключаются потери тепла при транспорте теплоносителя. Тепло получается непосредственно в месте его потребления, прямая связь между передачей тепловой энергии в ствол и потреблением газа, больший КПД.
  • Обеспечивается возможность дистанционного и автоматического включения и выключения модуля в любое время без риска разморозки.

ООО НПФ «ТеплоЭнергоПром» (Пермский край) в сотрудничестве с фирмами ООО «Старко и К» и ООО «Феникс» (г.Пермь), предлагает технические решения по проектированию, изготовлению и сооружению систем приточной вентиляции именно для шахт и рудников. Всё основное оборудование изготавливается в соответствии с проектными решениями и техническими характеристиками для конкретного объекта, то есть, индивидуально. Размещение заказа на заводе-производителе возможно на стадии разработки проекта на основании заключенного Договора поставки, что позволяет значительно ускорить процесс выполнения комплекса работ в целом.

В качестве основного оборудования предлагаются модули с инновационной конструкцией теплообменника. в котором все элементы обдуваются наиболее холодным воздухом. Набор необходимой тепловой мощности осуществляется путем установки типовых модулей вертикально, что значительно снижает сопротивление воздушному потоку.

В этих агрегатах используются также бесфутерованные топки высокой тепловой мощности (с типоразмером топки до 20 МВт) с низким сопротивлением потоку воздуха, с короткофакельными горелками, что обеспечивает значительное снижение капитальных и эксплуатационных затрат, а так же увеличивает надежность работы системы в целом. На рисунке 3 представлена схематический эскиз предлагаемого модуля, включающего вышеописанное оборудование.

Статья

Рис.3. Схематичный эскиз модуля (разрез)

Наши модули имеют ряд преимуществ перед устройствами, используемыми отечественными и иностранными производителями, которые как правило используют универсальное оборудование, применяемое для воздухоподогрева зданий. Кроме того, воздухоподогреватели и топки сравнимой мощности иностранных производителей имеют габариты, затрудняющие их транспортировку по дорогам общего пользования и не поставляются в РФ.

В итоге, импортные устройства с единичной мощностью до 1 МВт имеют вид и «этажерок» или контейнерных агрегатов с небольшими проходными сечениями и высоким сопротивлением потоку чистого воздуха (более 600Па). Попытки составить систему воздухоподогрева достаточной мощности, выливаются в очень сложную раздробленную сеть со сложной системой газоснабжения, автоматизации и регулирования, к тому же требующую огромной суммарной мощности для продува ее воздухом.

Преимущества модулей ООО НПФ «ТеплоЭнергоПром» перед импортными и отечественными газовоздушными аналогами:

  • Обеспечивают минимальное сопротивление потоку воздуха (до 200 Па), не требуют применения мощного вентилятора для продува воздуха через теплообменники, обеспечивают экономию электроэнергии до 30%.
  • Обладают высокой единичной мощностью до 5 МВт. Минимальное количество газовой аппаратуры и автоматики обеспечивает снижение капитальных затрат еще на 10-15% и повышение надежности каждой единицы оборудования.
  • Требуется меньшая поверхность теплообмена на единицу тепловой мощности и меньшая масса конструкции из нержавеющей стали.

Заключение:

Шахтные газовоздушные нагревательные модули производства НПФ «ТеплоЭнергоПром» обеспечивают подачу в стволы чистого контролируемого воздуха с минимальными капитальными и экплуатационными затратами на обустройство системы.

Нагревательные модули оснащены автоматической защитой от перегрева, имеют в наличии алгоритм розжига, постоянный контроль качества воздуха, оснащены горелками с полным комплектом автоматики безопасности, включая контроль пламени и отключение подачи газа при отклонении давления газа от заданного значения на недопустимую величину.

Автоматический контроль работы вентилятора, как гарантия стабильного потока воздуха через установку, автоматический контроль продуктов сгорания на наличие газов (CO и NO2) обеспечивает высокую надежность и полную безопасность установок.

Использование отечественных нагревательных модулей производства «ТеплоЭнергоПром» на собственных производственных мощностях (рисунок 4) вносит существенный вклад в программы импортозамещения страны и повышения энергоэффективности промышленных и горнодобывающих предприятий.

Статья

Рис.4. Общий вид производственной площадки (Пермский край)

Черных О.Л., Мартемьянов С.А. Применение газовых калориферов мощностью до 5МВт для обогрева стволов шахт и рудников//Техсовет премиум, февраль 2019, с.10-12.

Список используемой литературы:

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

2. Левин Л.Ю. Исследование и разработка энергосберегающих систем воздухоподготовки для рудников: дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук : Пермь, 2004. - 143c.