Оптимизация режимов работы рудничных пневматических сетей при транспортировании сжатого воздуха

Актуальность работы. Во многих отраслях промышленности наряду с электрической энергией широко используется пневматическая энергия, или энергия сжатого воздуха.

Сжатый воздух является одним из основных видов энергии на шахтах и рудниках для приведения в действие бурильных, буросбоечных, добычных, проходческих и 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, для приведения в действие толкателей, стопоров, затворов и других устройств технологического комплекса предприятия.

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 ископаемых является опасным при внезапных выбросах угля и газа.

Но вместе с тем пневматическая энергия имеет ряд серьезных недостатков. И прежде всего — это высокая стоимость по сравнению с электрической энергией, что объясняется большим потреблением электрической энергии компрессорами при производстве сжатого воздуха.

Рудничные компрессорные установки являются энергоемким оборудованием. Их удельный вес в электропотреблении горных предприятий с подземным способом добычи полезного ископаемого составляет значительную долю, особенно для рудных шахт.

Поэтому пневматическая энергия, вырабатываемая компрессорами общего назначения — самый дорогой вид энергии современного промышленного производства. Так 1 килоджоуль энергии, получаемый в пневмоприводах различных машин и механизмов, использующих сжатый воздух, обходится в 7−10 раз дороже, чем тот же килоджоуль, получаемый при работе электропривода.

Транспортирование сжатого воздуха от компрессорной станции до пневмоприемников осуществляется по длинным и разветвленным трубопроводам. При этом происходят значительные энергетические потери за счет гидравлических сопротивлений, температурных изменений, колебаний давления в питающих сетях и за счет утечек сжатого воздуха.

Для осуществления конкретных мер, направленных на сокращение прямых энергозатрат и снижение материально-технических ресурсов при использовании пневматической энергии, в том числе при распределении сжатого воздуха, необходимо иметь ясное представление о процессах, происходящих при транспортировании сжатого воздуха, и о факторах, определяющих эффективность работы отдельных элементов и пневмоустановок в целом.

Поэтому несомненна актуальность вопросов энергосбережения, реализация которых осуществляется применением новых энергосберегающих технологий в эксплуатации компрессорных установок, в том числе и при транспортировании сжатого воздуха.

Объект исследований: рудничные компрессорные установки, в том числе пневматические сети с позиции оптимизации режимов их работы по критерию минимума потерь энергии на транспортирование сжатого воздуха.

Предмет исследований: тепловые, гидравлические и объемные потери энергии при транспортировке сжатого воздуха.

Цель работы: повышение энергетической эффективности работы пневматических сетей рудничных компрессорных установок, с учетом внутренних и внешних эксплуатационных факторов.

Идея работы: обоснование рациональных энергосберегающих режимов работы пневматических сетей целесообразно на основе разработки математической модели функционирования комплексов рудничных компрессорных установкок.

Основные задачи исследований:

1. Выявление факторов, влияющих на эффективность работы пневматической сети, в конкретных условиях эксплуатации рудничных компрессорных установок.

2. Построение математической модели рудничной компрессорной установки, описывающей взаимосвязь технологических и эксплуатационных факторов, формирующих процесс пневмопотребления, и показателей, характеризующих возможности регулирования выработки сжатого воздуха.

3. Исследование тепловых, гидравлических и объемных потерь энергии при транспортировке сжатого воздуха и установление минимизации этих потерь в функции наиболее значимых факторов.

4. Обоснование основных параметров гидропневматических аккумуляторов как средств снижения потерь энергии при транспортировании воздуха и влияния их на качество сжатого воздуха.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель функционирования рудничных компрессорных установок, описывающая взаимосвязь технологических и эксплуатационных факторов, формирующих процесс энергопотребления.

2. Потери энергии при транспортировании сжатого воздуха зависят от ряда внутренних и внешних эксплуатационных факторов, исследование которых позволит аналитически установить минимум этих потерь.

3. Разрядка гидрокамеры гидропневматического аккумулятора до минимально допустимого рабочего давления пневмоприемников позволит снизить капитальные затраты на его сооружение.

4. Использование гидропневматического аккумулятора в качестве потребителя-регулятора мощности в условиях ограниченного потребления электроэнергии позволит снизить затраты на производство сжатого воздуха.

Научная новизна заключается: в разработке математической модели функционирования рудничных компрессорных установок;

— оптимизации режимов работы пневматической сети, по критерию минимума потерь энергии при транспортировании сжатого воздухаразработке методики расчета основных параметров гидропневматического аккумулятора;

— обосновании методики планирования режимов работы рудничных компрессорных установок в условиях ограниченного электропотребления.

Методы научных исследований включают: анализ опыта эксплуатации конкретных компрессорных установок в реальных условиях орнодобывающих предприятий в процессе выработки и распределения сжатого воздуха, метод математического моделирования, метод лексикографического подхода (последовательного применение критериев), аналитические методы определения оптимальных условий работы пневматической сети.

Достоверность научных положений, выводов и результатов исследования: научные положения, выводы и рекомендации обоснованы корректным использованием теоретических и практических основ математики, физики и термодинамики, а также удовлетворительной сходимостью (90%) результатов аналитических исследований с результатами полученных экспериментов и данными практики.

Практическая значимость работы состоит в разработке методики определения различных видов потерь энергии сжатого воздуха при его транспортировке и в разработке рекомендаций для снижения этих потерьустановлении рациональных режимов работы пневматической сети, влияющих на процесс распределения сжатого воздуха по различным параметрам.

Личный вклад автора состоит в разработке математической модели функционирования рудничных компрессорных установок и методики расчета основных параметров гидропневматического аккумуляторав оптимизации режимов работы пневматической сети по критерию минимума потерь энергии при транспортировании сжатого воздухав обосновании методики планирования режимов работы рудничных компрессорных установок в условиях ограниченного электропотребления.

Реализация выводов и рекомендаций работы: основные научные положения и рекомендации диссертации использованы при децентрализации при снабжении сжатым воздухом потребителей на шахтах ОАО «Севуралбокситруда». Экономический эффект от внедрения передвижных винтовых компрессоров 6ВВ-32/7 составил 2,016 млн руб.

Апробация работы. Результаты и основные положения диссертационной работы докладывались на Всероссийской студенческой олимпиаде, научно-практической конференции и выставке аспирантов и молодых ученых «Энергои ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2003 г.) — всероссийских совещаниях по энергосбережению (Екатеринбург, 20 042 005 гг.) — международной научно-технической конференции «Технологическое оборудование для нефтегазовой промышленности» (Екатеринбург, 2007 г.) — ежегодных научно-практических конференциях в УГГУ в рамках Горнопромышленной декады (Екатеринбург, 2003;2008 гг.).

Публикации по теме диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, в том числе 5 статей в ведущих рецензируемых научных журналах.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 95 наименований, приложений и содержит 161 стр. машинописного текста, 27 рисунков, 13 таблиц.

4.3. Выводы.

1. Разработана программа и методика эксплуатационных испытаний компрессоров 6ВВ-25/9 и 6ВВ-32/7, в результате которой были определенны: концентрации паров масла в воздухе рабочей зоны компрессоровтермодинамический режим компрессоровконцентрации масляной аэрозоли в рабочей зоне компрессоров при их работевозможность применения компрессоров в подземных условиях ОАО «Севуралбокситруда».

2. Проведены испытания компрессоров для определения возможности их использования в подземных условиях ОАО «Севуралбокситруда». В результате испытаний Госгортехнадзор России выдал разрешение на применение винтовых воздушных компрессоров 6ВВ-25/9 и 6ВВ-32/7 изготавливаемых ОАО «Казанькомпрессормаш» в подземных условиях шахт ОАО «СУБР», при этом камеры для размещения компрессоров должны быть оборудованы вентилятором местного проветривания, включение которого должно предшествовать включению компрессоров.

3. Рассчитан экономический эффект от внедрения винтовых компрессоров на шахте 14−14 бис ОАО «Севуралбокситруда». При расчете годовой стоимости электроэнергии на производство сжатого воздуха использовались два варианта:

— производство сжатого воздуха поршневым компрессором 4ВМ10−100/8, установленным в компрессорной станции и питанием от линии среднего напряжения (СН).

— производство сжатого двумя винтовыми компрессорами 6ВВ-32/7, установленными под землей на гор. — 740 м. шахты 14−14 бис и питаемыми от линии высокого напряжения (ВН).

Экономический эффект от внедрения винтовых компрессоров на шахте 14−14 бис ОАО «Севуралбокситруда» составил 2016 тыс. руб.

4. Разработана методика испытания пород гидропневматического аккумулятора на водои воздухопроницаемость, в результате которой определены: водопроницаемость породневидимые тектонические нарушения и трещины в стенках и кровле выработокутечки сжатого воздуха из пневмокамеры и их количественная оценка в сравнении с производительностью шахтной компрессорной станциивыбор способа гидроизоляции пород.

5. Разработана методика планирования работы рудничных компрессорных установок в условиях ограничения электропотребления совместно с гидропневматическим аккумулятором, в результате которой предусмотрено, что аккумулятор заряжается в период между утренним и вечерним максимумами нагрузки электроснабжающей организации, а разрежается в периоды утреннего и вечернего максимума.

6. Исследовано влияние гидропневматического аккумулятора на качество сжатого воздуха, в том числе на давление его в пневматической сети и на процесс осушения. Диаграммы давлений, снятые при включенном в сеть гидропневматическом аккумуляторе (рис. 4.5), носят стабильный характер, и, в отличие от опыта без использования гидропневматического аккумулятора, давление совершенно не зависит от коэффициента одновременности, т. е. от количества потребления приемниками сжатого воздуха. Постоянство давления сжатого воздуха в сети является важным достоинством работы гидропневматического аккумулятора. При анализе относительной влажности и влагосодержания до и после гидропневматического аккумулятора показал, что количество влаги в сжатом воздухе с использованием гидропневматического аккумулятора уменьшается почти в 2,5 раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В настоящей работе решена научно-техническая проблема функционирования рудничных компрессорных установок при транспортировании сжатого воздуха с позиций энергосбережения.

Для осуществления конкретных энергосберегающих мер, направленных на сокращение прямых энергозатрат и снижение материально-технических ресурсов при использовании пневматической энергии, в том числе при распределении сжатого воздуха, необходимо иметь ясное представление о процессах, происходящих при транспортировании сжатого воздуха, и о факторах, определяющих эффективность работы отдельных элементов и пневмоустановок в целом.

Несомненна актуальность вопросов энергосбережения при транспортировании сжатого воздуха, реализация которых осуществляется применением новых энергосберегающих технологий при эксплуатации компрессорных установок, в том числе и при транспортировании сжатого воздуха.

Диссертация представляет собой комплексную научную работу, сочетающую в себе исследования методического и прикладного характера, направленные на повышение эффективности эксплуатации рудничных компрессорных установок.

Для достижения данной цели рассмотрены следующие вопросы:

1. математическое моделирование функционирования работы рудничных компрессорных установок;

2. аналитические исследования тепловых, гидравлических и объемных потерь при транспортировании сжатого воздуха;

3. минимизация потерь энергии сжатого воздуха при его транспортировании;

4. аналитические исследования охлаждения и осушения сжатого воздуха при его транспортировании;

5. методика расчета основных параметров гидропневматических аккумуляторов для распределения сжатого воздуха;

6. экспериментальные исследования при распределении сжатого воздуха и возможности применения децентрализации снабжения пневматической энергией потребителей сжатого воздуха;

7. разработка рекомендаций по снижению потерь энергии сжатого воздуха при его транспортировании.

Основные научные и практические результаты заключаются в следующем:

1. Разработана математическая модель функционирования рудничных компрессорных установок, которая описывает взаимосвязь технологических и эксплуатационных факторов, формирующих процесс пневмопотребления и показателей, характеризующих возможности регулирования выработки сжатого воздуха.

2. Произведена минимизация потерь энергии при транспортировании сжатого воздуха, для этого выведены уравнения гидравлических, тепловых и объемных потерь, зависящие от основных параметров (температуры, давления и геометрических размеров трубопровода) с целью оптимизации, что позволяет определить минимум потерь.

3. Произведен анализ изменения относительной влажности воздуха при сжатии и последующем охлаждении, который показывает, что при сжатии, когда относительная влажность меньше единицы, процесс протекает в одной газовой фазепри последующем охлаждении, когда относительная влажность равна единице, процесс протекает в двух фазах газовой и жидкой.

4. Разработана методика расчета основных параметров гидропневматического аккумулятора с позиции снижения капитальных затрат на его сооружение.

5. Проведены гидравлические и тепловые испытания при распределении сжатого воздуха с применением радиаторной установки естественного охлаждения, которые показали, что радиаторная установка естественного охлаждения является устройством, обеспечивающим охлаждение сжатого воздуха без затрат воды и электроэнергии на перекачку этой воды.

6. Разработана программа и методика эксплуатационных испытаний винтовых компрессоров 6ВВ-25/9 и 6ВВ-32/7, с целью определения возможности применения их в подземных условиях ОАО «Севуралбокситруда».

7. Проведены испытания компрессоров для определения возможности их использования в подземных условиях ОАО «Севуралбокситруда». В результате испытаний Госгортехнадзор России выдал разрешение на применение винтовых воздушных компрессоров 6ВВ-25/9 и 6ВВ-32/7 в подземных условиях ОАО «Севуралбокситруда».

8. Экономический эффект от внедрения винтовых компрессоров на шахте 14−14 бис ОАО «Севуралбокситруда» составил 2016 тыс. руб.

9. Разработана методика планирования работы рудничных компрессорных установок в условиях ограничения электропотребления совместно с гидропневматическим аккумулятором, в результате которой предусмотрено, что аккумулятор заряжается в период между утренним и вечерним максимумами нагрузки электроснабжающей организации, а разрежается в периоды утреннего и вечернего максимумов.