Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Технические и технологические основы повышенияэкологической эффективности эксплуатации шахтныхэнергетических установок

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Технические и технологические основы повышенияэкологической эффективности эксплуатации шахтныхэнергетических установок"

РГБ ОД

-о ямя

На правах рукописи

Рыбин Александр Аркадьевич

Технические и технологические основы повышения экологической эффективности эксплуатации шахтных энергетических установок

Специальность 11.00.11 — Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Пермь - 2000

Работа выполнена на кафедре горной электромеханики Пермского государст венного технического университета

Научный консультант:

заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Степанов А.Г.

Официальные оппоненты:

доктор экономических наук, доцент Петров И.В.

доктор технических наук, профессор Барях А. А.

доктор технических наук, старший научный сотрудник Алыменко Н.И.

Ведущая организация: Институт УралНИИэкология, г. Пермь

Защита диссертации состоится « 22 » июня 2000 г. в 11 час 00 мин на заседании диссертационного совета Д.063.59.06 в Пермском государственно!* университете по адресу: Пермь, ул. Букирева, 15, в зале заседаний ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государст венного университета.

Телефакс ПГУ: (3422) 33-39-83

Автореферат разослан « 19 » мая 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор геолого-минералогических наук (^¿¿^¿¿¿^¿¿¿^ Дублянская Г.1-

\АЪ 1-424.2,0

Общая характеристика работы Актуальность темы. В условиях рыночных отношений и структурной пе-

-естройки отраслей топливно-энергетического комплекса Российской Федера-\ш требуются новые подходы к ресурсосбережению и экологизации производ-тва. При жесткой конкуренции с иностранными фирмами сегодня на первый :лан выходят вопросы снижения расхода теплоэнергетических ресурсов. Быст-ый рост затрат на добычу и переработку энергоносителей, сопровождаемый бщим снижением объемов их производства, ставит экономию топливно-нергетических ресурсов и энергосбережение в ряд важнейших народнохозяй-твенных задач, В связи с этим приняты федеральный закон РФ «Об энергосбе-ежении» № 28-ФЗ от 3.04.96 и постановление правительства РФ «О неотлож-ых мерах по энергосбережению» № 1087 от 2.11.97.

Современная экономика, характеризующаяся крупномасштабными струк-урными изменениями, вынуждена интенсивно искать новые пути взаимодей-гвия хозяйственной деятельности человека и окружающей среды. Предпри-гия ставят цель понизить общую стоимость производства, в том числе, за счет нижения расхода топливно-энергетических ресурсов. Результат производст-енного процесса достигается при минимальном расходе электроэнергии, а это, свою очередь, уменьшает степень загрязнения окружающей среды. По оцен-ам специалистов эффективность капитальных вложений в производство энер-Ш1 при использовании вторичных энергетических ресурсов в 2-3 раза выше, ем в топливно-энергетической отрасли промышленности. Себестоимость тепа от утилизационных установок в 4-6 раз ниже, чем от энергосистем, и в 8-12 аз ниже, чем от котельных установок.

Шахтные стационарные компрессорные и котельные установки являются рупными потребителями энергии и загрязнителями окружающей среды. Фак-ические расходы энергии шахтными стационарными и котельными установ-ами превышают установленные нормативы, а выбросы загрязняющих веществ атмосферу от шахтных котельных велики, что резко ухудшает окружающую дологическую обстановку. Среди источников вредных выбросов угольной

промышленности основным загрязнителем атмосферы являются промышле ные и коммунально-бытовые котельные, на долю которых приходится свыт 60% всех выбросов отрасли. Всего эксплуатируется около 1,5 тыс. промышле ных котельных, оборудованных почти 5 тыс. единиц котлоагрегатов. Из ш котлы производительностью более 2 т пара в час составляют лишь немного больше половины. Почти две трети всех котлов имеют устаревшую констру цию. Помимо промышленных котельных, на балансе производственных объ динений отрасли находится свыше 2 тыс. коммунально-бытовых котельных, которых эксплуатируется 7,7 тыс. котлов, в основном маломощных. Среди ш котлы производительностью более 2 т пара в час составляют всего 5 %.

Для улавливания летучей золы шахтных котельных в основном применяю ся сухие инерционные пылеуловители, которые не улавливают летучую золу дисперсным составом меньше 10 мкм и эффективность их не превышает Ъ 85%. Остаточная запыленность после циклонов составляет 0,4-0,7 г/м3, что I удовлетворяет санитарным нормам. Более 60% пыли, уловленной в котельнь установках, при погрузо-разгрузочных работах, складировании и хранении ее отвалах возвращается в атмосферу и попадает в водоемы, почву вследстш водной и ветровой эрозии. При сжигании угля в атмосферу выделяются соед) нения серы, хлора, фтора, микроэлементы - цинк, свинец, никель, медь, хрот кадмий, ртуть и другие элементы, а также значительное количество полицикш ческих ароматических углеводородов, являющихся источниками раковых заб< леваний. Котельные не оборудованы аппаратами для улавливания газообразпь вредных выбросов. Поэтому повышение эффективности работы шахтных ст. ционарных и котельных установок является одним из основных вопросов в де; тельности шахт, научно-исследовательских и проектных организаций.

При эксплуатации шахтных стационарных и котельных установок имеютс не использованные резервы и возможности, реализация которых позволит зш чительно повысить эффективность и экологичность производства. -

Важным резервом повышения эффективности шахтных стационарных уст< новок является локальная оптимизация их работы, утилизация низкопотенщ

альной теплоты оборотной воды компрессорных станций, сбросной воды шахтного водоотлива, исходящей вентиляционной струи. Однако утилизация низкопотенциального тепла сдерживается отсутствием чистых энергосберегающих технологий и специального утилизационного оборудования. Защита же атмосферного воздуха от вредных выбросов сдерживается из-за отсутствия надежных и эффективных фильтров.

Современный уровень развития науки и вычислительной техники позволяет подойти к решению проблемы оптимизации режима работы шахтных стационарных и котельных установок на новом уровне. Эффективность охлаждения компрессорных установок существенно влияет на расход электроэнергии на выработку сжатого воздуха, а стоимость оборотной воды выросла за два последних десятилетия в несколько раз и составляет в приведенных затратах на производство сжатого воздуха приблизительно 15%. В шахтных компрессор-дых установках до 30% потребляемой энергии преобразуется в теплоту, которая выделяется в окружающую среду в градирнях при охлаждении оборотной зоды.

Необходимость выполнения настоящей работы продиктована требова-шями улучшения использования энергетических ресурсов и роста энергети-гсской эффективности шахтных стационарных установок путем разработки и шедрения в них технологий энергосбережения, утилизации тепла и средств за-циты окружающей среды. В отрасли имеются резервы снижения расхода тоя-шва за счет привлечения нетрадицийнных источников энергии для производст-га тепла: использование низкопотенциальной тепловой энергии исходящей .труи вентиляционного воздуха и шахтной воды, а также тепла оборотной воды цахтных компрессорных установок и хозбытовых стоков для отопления произ-юдственных и иных зданий и сооружений.

В диссертации использованы материалы научно-исследовательских работ, ¡ыполненных в Пермском государственном техническом университете и ин-тнтуте ВНИИОСуголь, в которых автор был ответственным исполнителем и [аучным руководителем. Эти работы выполнены по координационным планам

АН СССР (1986-1990 гг.) и АН РФ (1991-1997 гг.), а также Федеральной нау* но-технической подпрограмме «Экологически чистая энергетика. Направлени - новые технологии в энергетике».

Объект исследования - стационарные компрессорные, вентиляторные, вс доотливные и котельные установки угольных шахт.

Предмет исследования - технологии и технические средства защиты ок ружающей среды методами энергетической оптимизации работы стацис нарных компрессорных, вентиляторных и водоотливных установок шахт, также очистки отходящих дымовых газов шахтных котельных.

Цель и задачи исследований - разработка научно-методических принци пов, технологий и технических средств защиты окружающей среды и рацио нального использования природных ресурсов при эксплуатации шахтных ста ционарных и котельных установок. Для достижения цели решались следующи основные задачи:

— установление энергетических и экологических закономерностей функцио шарования шахтных стационарных и котельных установок [9,13,16, 33];

— разработка методов и математических моделей оптимизации энерго сбережения при эксплуатации стационарных установок шахт [5];

— разработка технологий и технических средств оптимизации процесс; энергосбережения при эксплуатации стационарных компрессорных, вентиля торных и водоотливных установок [6,18, 20,22, 26];

— разработка методов, технологий и технических средств энергетическтн опримизации при эксплуатации котельных установок [25,33];

— разработка методов, технологий и технических средств защиты окружаю щей среды от пылегазовых выбросов и теплового загрязнения при эксплуата ции котельных установок [12,21,25,38,43].

Методы исследования. Научные положения диссертационной работы ус тановлены с помощью комплексного метода исследований, включающего ана лиз опыта работы энергоемких шахтных стационарных компрессорных, венти ляторных и водоотливных установок шахт, а также шахтных котельных и оцен

ки их эффективности; теоретическое обобщение, математическое моделирование закономерностей функционирования установок; конструкторско-поисковые разработки и эксперименты на промышленном оборудовании.

Научные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Методы интенсивного энергосбережения при эксплуатации шахтных стационарных компрессорных, вентиляторных и котельных установок, включающие: оптимизацию температурного режима компрессоров и предельно полное ^пользование теплоты; применение рациональных схем их охлаждения; оптимизацию режимов работы шахтных насосов и вентиляторов; утилизацию тепла угходящих дымовых газов шахтных котельных.

2. Математическая модель оптимизации энергосбережения при эксплуата-щи шахтных стационарных компрессорных установок и локальная оптимиза-щя энергопотребления вентиляционных и водоотливных установок, обеспечи-шощие определение экстремального значения принятого критерия оптимиза-щи, прогнозирование поведения системы в различных эксплуатационных си-уациях, подбор сочетания эксплуатационных параметров, позволяющих дос-игнуть высоких технико-экономических показателей.

3. Технологии и технические средства защиты окружающей среды и рацио-[ального использования природных ресурсов методами энергетической опти-гизации работы стационарных установок, включающие:

- систему оптимального управления процессом охлаждения компрессорной становки, в которой регулирование режимных параметров достигается путем зменения расхода охлаждающей воды;

- способ и схему регулирования степеней повышения давления по ступеням жатия двухступенчатого компрессора с учетом неполноты промежуточного хлаждения воздуха и меняющегося давления на стороне нагнетания;

- конструкции теплообменных аппаратов с дискретными турбулизаторами, оторые эффективно работают при утилизации низкопотенциальной теплоты »грязненных жидкостей.

4. Технологии и технические средства защиты окружающей среды от пыле-

газовых выбросов и теплового загрязнения при эксплуатации шахтных котельных.

Научная новизна.

1. Разработаны методы оптимизации интенсивного энергосбережения, в том числе:

- снижения потребления электроэнергии приводом компрессорных установок шахт, вентиляторных установок главного проветривания, главных водоотливных установок;

- энергетической оптимизации компрессорных установок;

- оптимального охлаждения компрессорной установки с утилизацией низкопотенциальной теплоты охлаждающей воды;

- системы охлаждения компрессора с применением теплового насоса, учитывающей влияние примесей, содержащихся в охлаждающей воде, на процесс теплообмена и расход электроэнергии;

- определения оптимального времени работы воздухоохладителя между чистками;

- системы оптимального перераспределения давления по ступеням сжатия и схемы системы автоматического регулирования степеней повышения давления по ступеням сжатия двухступенчатого компрессора;

- энергосберегающая схема эксплуатации турбокомпрессорных установок, включающая в себя систему регулирования давления воздуха на выходе двухступенчатого турбокомпрессора;

- схема оборотного водоснабжения и использования тепла сжатого воздуха турбокомпрессора.

2. Созданы математические модели и разработаны методики для расчета, рационального проектирования и эксплуатации стационарных установок, включающие: .

- выбор базовой схемы для моделирования и изучение ее физических особенностей;

.-. формализацию процессов, происходящих в элементах стационарной уста-

овки;

- формирование блока определения электромеханических и термодинами-гских параметров;

- программную реализацию вычислительного алгоритма.

3. Предложена формула, которая позволяет определить оптимальную вели-пну температуры воздуха на выходе из промежуточного воздухоохладителя, Зеспечивающую минимальный суммарный расход электроэнергии на сжатие мдуха в двухступенчатом компрессоре и циркуляцию оборотной охлаждаю-;ей воды.

4. Разработаны технологии и технические средства для защиты окружаю-;ей среды и рационального использования природных ресурсов при эксплуа-|ции шахтных стационарных установок, включающие:

- утилизацию низкопотенциальной теплоты сбросных шахтных вод и хоз-атовых стоков;

- оптимальное охлаждение компрессорной установки с утилизацией низко-угенциальной теплоты охлаждающей воды;

- оптимальное перераспределение давления по степеням сжатия двухсту-;нчатого поршневого компрессора;

- регулирование давления воздуха на выходе двухступенчатого турбоком-эессора;

- использование (утилизацию) тепла сжатого воздуха и охлаждающей воды гстемы охлаждения турбокомпрессора;

5. Предложена конструкция устройства для автоматической продувки водо-делителей как средства энергосбережения при эксплуатации воздухопровод->1Х сетей при низких температурах; разработаны технологии и технические >едства защиты окружающей среды от иылегазовых выбросов и теплового за-1язнения при эксплуатации шахт, включающие:

- технологию очистки дымовых газов с гранулирование уловленной пыли;

- технологию утилизации теплоты отходящих дымовых газов со схемами ¡тематического регулирования температуры дымовых газов перед рукавным

фильтром;

- технологическую схему двухступенчатой комбинированной очистки Д1 мовых газов с замкнутым циклом водоснабжения;

- эффективный зернистый фильтр для очистки агрессивных дымовых газе повышенной температуры;

- два вихревых пылеуловителя; ...

- рукавный фильтр.

Обоснованность и достоверность предлагаемых методов, технологий технических средств защиты окружающей среды и рационального ибйользов; ния природных ресурсов подтверждается: достаточной (более 90%) сходим« стью результатов теоретических исследований с испытаниями на промышлез ных установках; двумя серебряными медалями на ВДНХ СССР и ВВЦ Р<1 двумя дипломами на Всесоюзных конкурсах; двумя почетными грамотам Пермского областного правления НТО энергетики и электротехнической прс мышленности; 7 авторскими свидетельствами и 4 патентами.

Научное значение результатов исследований состоит в обосновании п< вышения экологичности и энергетической эффективности шахтных стациона[ ных компрессорных, вентиляторных, водоотливных и котельных установок,

- также в разработке средств энергосбережения и защиты окружающей среды с пылегазовых выбросов и теплового загрязнения.

Практическая значимость результатов исследований. На основани проведенных исследований разработаны: методика, позволяющая рассчитыват ■основные оптимальные параметры, характеризующие работу стационарных у

- тановок при минимальном расходе энергии; технологии по утилизации низк< потенциального тепла оборотной воды компрессорных установок, сброснь шахтных вод и хозбытовых стоков, позволяющие на стадии их проектирован! и при модернизации обеспечить значительное снижение расхода энергии; ко) струкции эффективных теплообменных аппаратов; эффективные технологии средства для утилизации теплоты отходящих дымовых газов котельных устал, вок и технические средства по улавливанию пылегазовых выбросов.

Реализация результатов исследований. Результаты проведенных исследо-ний внедрены в промышленности: энергосберегающая природоохранная тех-1Логия охлаждения компрессоров с утилизацией теплоты оборотной воды на 1хте «Ключевская» ПО «Кизелуголь»; технические средства и технология илизации теплоты сбросной шахтной воды в рабочем проекте «Технологиче-ий комплекс утилизации вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) шахты енковская» и «5-6» АО Угольная компания «Прокопьевскуголь». Личный вклад автора. Материалы, представленные в диссертации, явля-гся результатом двадцатилетних исследований автора в области повышения |фективности эксплуатации шахтных стационарных установок, экономии то-ивно-энергетических ресурсов и защиты окружающей среды от вредных вы-осов и теплового загрязнения предприятиями угольной промышленности; ав-р сформулировал задачи исследований и участвовал в выполнении теорети-ских и экспериментальных разработок, в обобщении их результатов, разра-тке и апробации технологий и технических средств.

Апробация работы. Результаты исследований представлены и обсуждены: IX областной научно-технической конференции «Химия и химическая про-Iтленность Западного Урала в решении Продовольственной программы» ермь, 1983); на научно-технических конференциях Свердловского горного статута (1987, 1988); на научно-технических конференциях Пермского политического института (1986-1988); на паучно-техничсской конференции по просам развития стационарных установок угольных шахт (Донецк, 1988); на жотраслевой научно-технической конференции «Экологическая безопас-сть ТЭК: проблемы, пути решения» (Пермь, 1994); на научно-технической нференции, посвященной 100-летию со дня рождения проф. А.Л. Веселова катеринбург, 1995); на первой межрегиональной научно-технической конфе-нции «Энергопотребление и энергосбережение: проблемы, решения» ермь, 1997); на международной научно-практической конференции «Энерго-требление и энергосбережение: проблемы, решения» (Пермь, 1998). Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 статей, 8 тезисов док-

ладов, получено 7 авторских свидетельств и 4 патента.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пя: глав, заключения, списка использованной литературы из 231 наименования. Р бота .изложена на 218 страницах машинописного текста. В ней содержится I рисунка, 6 таблиц и 7 текстовых приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Состояние вопроса

Большой вклад в решение проблемы охраны окружающей среды

рационального использования природных ресурсов при эксплуатащ энергетических установок угольной промышленности вносят научные школ] Московского горного университета, Санкт-Петербургского горного институт Уральской горно-геологической академии, Кузбасского технического униве ситета и др., а также научно-исследовательские институты: горный инстиг АН РФ им. акад. A.A. Скочинского, МНИИЭКО ТЭК (г. Пермь) и др. В разр ботку проблем энергосбережения топливно-энергетического комплекса знач: тельный вклад внесли ученые. B.JI. Кириллин, JI.C. Хрилев, A.A. Макаров, JI.< Попырин, А.М. Леонтьев, В.И. Доброхотов, А.Д. Ключников, Б.А. Носыре Л.Л. Моисеев, Н.Г. Картавый, А.Н. Кабаков, М.И. Френкель, В.И. Ушаков, В Л Парфенов и др. В их работах приводятся данные о больших потерях энергии значительных резервах экономии топливно-энергетических ресурсов; рассма риваются отдельные мероприятия энергосбережения; приводятся методш нормирования и экономии топливно-энергетических ресурсов; и методы опт: мйзации основных энергетических параметров стационарных установок шахт.

Анализ патентной и технической литературы показывает, что все горяь предприятия вынуждены заниматься проблемами энергосбережения и охран окружающее среды, так как это связано с жесткой конкуренцией и экологич скими нормами. Однако в опубликованной научно-технической литературе ) решен ряд теоретических и научно-практических вопросов по снижению эне гопотребления и сохранению окружающей среды; а именно: не установлю: энергетические и экологические закономерности функционирования шахтнь

стационарных и котельных установок; не разработана концепция и методы интенсивного энергосбережения для шахтных стационарных установок; не разработаны технологии энергетической оптимизации и технические средства для ее реализации; в отрасли недостаточно применяют безвредные технологии; недостаточно исследованы методы снижения пылегазовых выбросов мелких котлов; не используется низкопотенциальная теплота большого количества сбросных шахтных вод; не утилизируется и не используется тепло вентиляционного воздуха при эксплуатации вентиляторных установок.

Таким образом, становится очевидным, что даже в ситуации, наиболее' благоприятной с точки зрения имеющихся запасов топлива, вопросы рационального использования топливно-энергетических ресурсов стоят в нашей стране достаточно остро и представляют несомненный научный и практический интерес. Интенсивное энергосбережение, потенциально обеспечивая крупномасштабное снижение расхода топлива (и тем самым, сокращая выход продуктов его сгорания в окружающую среду), стимулируя безотходное использовать сырьевых материалов и конечных продуктов (и тем самым, уменьшая отходы произвол-:тва), выступает как мощный фактор возможной глубокой нейтрализации вредного воздействия производственных систем на окружающую среду.

2. Методы оптимизации энергосбережения при эксплуатации энергетических установок угольной промышленности

Анализ научно-техничексой литературы свидетельствует, что наибольшие

тотери энергии приходятся на основные энергоемкие технологические троцессы угольного производства, в том числе на шахтные, стационарные сомпрессорные, водоотливные и вентиляционные установки, а значительное агрязнение окружающей среды вызывает эксплуатация шахтных котельных. Троблема энергосбережения связана со значительным кругом задач, взаимовязь которых создает сложную систему и требует такой координации подходе к ее решению, которая может обеспечить наиболее эффективный результат направлении снижения энергозатрат. Основным инструментом системного нализа является математическая модель - приближенное отображение функ-

ционирования моделируемой системы с помощью уравнений и ограничений задачей построения которой является получение вариантных решений при раз личных исходных данных.

Автор, опираясь на разработки, приведенные в научно-технической литера туре, предлагает схему оптимизации энергосбережения и защиты окружающее среды при эксплуатации энергетических установок угольной промышленное« (рис.1). В соответствии с ней оптимизация энергосбережения достигается: пр! эксплуатации компрессорных установок - методами оптимизации системы и? охлаждения, перераспределения давления по ступеням сжатия, утилизации теп лоты сбросных шахтных вод, а также применением эффективных теплообмен-ных аппаратов; при эксплуатации водоотливных установок - оптимизацией ре жимов работы насосов главного водоотлива и утилизацией теплоты оборотной воды; при эксплуатации вентиляторных установок - утилизацией теплоты вен тиляционпого воздуха, применением эффективных теплообменных аппаратов г оптимизацией режимов работы вентиляторов.

Снижение вредного воздействия шахтных котельных установок на окру жающую среду достигается путем применения технологий очистки дымовьп газов с гранулированием уловленной пыли, использованием эффективных пылеулавливающих аппаратов, применением комбинированной двухступенчатое очистки дымовых газов с замкнутым циклом водоснабжения.

При разработке параметров управления энергосбережением с использованием технических средств, исследования выполняются в следующей последовательности: разрабатывается математическая модель с целью оптимизации энергопотребления; определяются технологические и эксплуатационные факторы, влияющие на энергетические показатели стационарных установок; производится количественная оценка резервов экономии и снижения энергозатрат разрабатывается схема взаимодействия энергетических и технологических фак торов при исследовании энергопотребления; разрабатываются параметрь управления и банк соответствующих алгоритмов. Итогом реализации предлагаемых методов будет создание энергосберегающих технологий, отличающихся

:ньшим уровнем затрат энергии внешнего источника и снижением техноген->й нагрузки на окружающую среду.

Для оценки эффективности предлагаемых методов используется эконо-пеский критерий оптимальности, который формулируется как некоторая /•нкция -

Я - ГХВ.ФДК), _ (1)

е В - производительность, Ф - объем капитальных вложений, Э - эксплуа-ционные затраты, К — качественные показатели выпускаемого продукта^

Конкретный вид зависимости может быть различным для различных вари-:тов постановки задачи оптимизации энергосбережения (например, мини-итьные эксплуатационные затраты, связанные с расходом топливно-энерге-ческих ресурсов) с учетом конструктивных технологических и эксплуатации [них особенностей энергетических установок. Общим для всех случаев вы-жения критерия оптимальности (1) является то, что его записи в конкретной >рме должен предшествовать всесторонний экономический анализ оптимизи-емого процесса.

При эксплуатации шахтных стационарных установок производительность амортизационные отчисления (зависящие от Ф) и качественные показатели ¡пускаемого продукта К с достаточной для практических расчетов точностью >жно принять постоянными. Поэтому критерий оптимальности процесса >жно записать в виде (2) И=Р(Э) ; (2)

В эксплуатационных затратах основной составляющей при эксплуатации яхтных стационарных установок является стоимость энергии, которая состав-ет около 70% всех эксплуатационных затрат. Поэтому оптимизацию режима боты шахтных стационарных установок целесообразно рассматривать по итерию расхода электроэнергии.

Рис.1. Схема оптимизации энергосбережения и защиты окружающей среды при эксплуатации энергетических устано-

3. Научно-методические основы защиты окружающей среды средствами энергосбережения при эксплуатации шахтных стационарных установок

При математическом моделировании любой процесс, исходя из внешних шзнаков, может быть условно изображен так, как показано на рис. 2, где выданы основные группы параметров, определяющих его течение. Х](0).

J к 4 к А

и, и2 и3

Рис. 2. Основные группы параметров, определяющих течение процесса. Х,(0), Х2(0), X/) - входные параметры; ХЬХ2 Хп - выходные параметры; и|,и2,Из - управляющие параметры.

Выходные параметры Х$=1, ..., т), величины которых определяются жимом процесса, характеризующего эффективность работы установок в ре-льтате воздействия входных параметров X и управляющих параметров и.

Таким образом, процесс управления шахтными стационарными установ-ми относится к детерминированному процессу, для которого предполагается, о выходные параметры однозначно определяются заданием входных и управ-ющих воздействий. Для описания совокупности входных, управляющих и кодных параметров применяется следующая векторная форма записи.

и = (и„и2,...иг) (2)

х==(х,,х2,...х„).

Зависимость выходных параметров от входных и управляющих можно писать в виде

х = ф(х(0),и). (3)

Величина ф также рассматривается как вектор-функция, поэтому

х( = ф,(х(0),и), ¡=1,...,п. (4)

Если вид соотношения X; = ф;(х(0\ и) известен, то известна математическая

модель процесса.

Критерий оптимальности детерминированного процесса представляете как функция входных, выходных и управляющих параметров.

...... К = 11(х(0),х,и), ■ (5

которая в общем случае может иметь вид функционала

од

I = |Кхк. (б

о

Необходимо минимизировать на временном интервале (0, г) функциона: суммарных затрат электроэнергии компрессорами и насосами, имеющий в об щем случае следующий вид:

Щ,М,Т) - |ХЕЙ(1,Г ,У1,К,)Р,МД)с11 + '¿Е2ЛМ>11, (7

о "-1 о ¡=1

при всех допустимых значениях входных параметров

Т'е{Т'},Ре{Р},К;е{К},У,6{У}, (8;

и ограничениях на область изменения управляющих параметров

{М} = {Мдап} Г) {Мр}, {Т} = {ТД0„}П{ТР}, (9;

где: Т', Р - температура и давление воздуха соответственно, {Т'}, {V} {Р}, {К} - множества изменений входных параметров; V/ - подача 1-го компрессора; К, - коэффициент теплопередачи воздухоохладителей, {Млсш}, {Тд0ц} - множества технологически допустимых параметров режима охлаждения: {Мр}, {Тр} - множества параметров, получаемых при регулировании расхода ь температуры воды; А, В - количество работающих машин.

Компрессорные установки. Решение задачи статической оптимизации режимов охлаждения шахтных компрессоров при наступившем равновесии требует математического описания процессов потребления энергии приводом компрессоров и насосов. Определяя мощность компрессора и насоса оборотного водоснабжения по известным классическим формулам, а расход воды на охлаждение компрессорной установки через количество отводимой теплоты при сжатии воздуха, получаем математическую модель системы охлаждения шахтной компрессорной установки, представляющую собой систему уравнений. При

:шении задачи, возникающей при управлении' статическими объектами с со-»едоточенными параметрами осуществим параметризацию функционала Е, эедставив его в заданные моменты времени в виде дискрет Е (М). В каждый из их моментов времени будем искать параметры оптимального режима Мопт ж различных начальных условиях, используя методы решения задач матема-гческого программирования.

Автором получено уравнение (10), которое позволяет найти оптимальную личину температуры воздуха на выходе нз промежуточного воздуоохладите-г, обеспечивающую минимальный суммарный расход энергии на сжатие воз-гха в двухступенчатом компрессоре и циркуляцию оборотной охлаждающей >ды.

Г , — 1, <

где Рн - давление, создаваемое циркуляционным насосом, Па; т|к -ЛД компрессора; т|н - КПД насоса; п - показатель политропы сжатия; Ы - га-вая постоянная, Дж/кг-К; Ро - давление газа в начале сжатия, Па; Р) — давле-ш газа в конце сжатия, Па; ТУ - температура газа на выходе ПВО, К; Р2 - давние газа в конце сжатия во второй ступени компрессора, Па; Ср - удельная плоемкость воздуха, Дж/кг-К; Т1 - температура газа на выходе цилиндра пер-|й ступени, К; Т„; Тх - температура воды на входе и выходе ПВО, К.

Результаты расчетов оптимальной эффективной мощности для компрес-ра типа 4М10-100/8 от расхода охлаждающей воды приведены на рис. 3.

'п-1УР,

тЦ*С(Т,-Т.) п-1

чР.у

^ М -1

(10)

Ь(кВт) 669 668 667 666 665 664 66 3

Рис. 3. Зависимость суммарной эффективной мощности 1ИКУ с компре< сором типа 4М10-100/8 от расхода охлаждающей воды. Мх - расход охлаждающей воды в промежуточном воздухоохлад! теле; М - суммарный расход охлаждающей воды

По результатам экспериментальных исследований установлено, что пр смешанной схеме, когда вся охлаждающая вода сначала пропускается чсрс промежуточный охладитель, затем делится на потоки, расход охлаждающей вс ды уменьшается в 1,3 раза по сравнению с расходом воды при параллельно схеме (рис. 4,5).Эта зависимость выполняется для различных типов стадиона! пых компрессоров.

Приведенные графики показывают, что шахтные компрессорные устг новки эксплуатируются в режимах, не являющихся оптимальными, что ведет перерасходу электроэнергии на привод компрессоров. Предложенная матем; тическая модель и разработанные на ее основе технологии и технические сре; ства энергетической оптимизации позволят обеспечить более высокие техник« энергетические показатели работы компрессорных установок, что в свою оч< редь приведет к уменьшению расхода топлива на производство энергии, и, ка следствие, снижению техногенной нагрузки на окружающую среду.

\ I

\ 1 1

\ Мх 1 ✓

1 1 \ / / ✓

\ \ \ / ✓

\ \ \ / /

V /ч \ »

123456789 10 11 М(и/с)

6?0

-20 -15 -10 3 0 5 ГО ¡5 20Тк5да.

("С)

А

_

<<ф

-20 -15 -Ю -5 О 10 15 211 1

, Рис 4. Зависимость мощности, потребляемой приводом компрессора 4М10-100/8 от температуры атмосферного воздуха при различных температурах ох-гаждающей воды.

А-параллельная схема охлаждения; В- смешанная схема охлаждения. Температура охлаждающей воды: 1 - 10°С; 2 - 15°С; 3 - 20°С; 4 -25°С

В

3 30' 3 20 310 ЗОО

гчч 280-

^ ^ о 5Л) 15 20 ио1д,.яод.

та

-15 -10 -5 о 5 10 15 20

1*>

Рис 5. Зависимость мощности, потребляемой приводом компрессора ВП-10/8 от температуры атмосферного воздуха при различных температурах охла-кдающей воды.

^.-параллельная схема охлаждения; В- смешанная схема охлаждения Температура охлаждающей воды: 1-10°С;2- 15°С;3-20;'С;4-25оС

Экспериментальная проверка математической модели системы охлажде-

ния шахтной компрессорной установки с компрессором производительность! 100 м3/мин была проведена на компрессорной станции шахты «Ключевская ПО «Кизелуголь». Отклонение результатов расчетов от экспериментальны данных не превысило 10%.

Вентиляторные установки являются одним из самых энергоемких токе приемников современной шахты. Потребление электроэнергии ими сс ставляет 15-20 %, а по некоторым шахтам более 30 % от общешахтного расхс да. Мощность электродвигателей главных вентиляторных установок по данньи О.М.Колышкина достигает 1000 - 1200 кВт. Поэтому при такой мощности непрерывной работе вентилятора потребление электроэнергии в значительно степени зависит от того, на сколько правильно выбран режим работы самой ус тановки. Поскольку эквивалентное отверстие шахты в процессе эксплуатаци изменяется, а количество потребного для проветривания воздуха, как правил увеличивается, то соответственно изменяется и мощность, потребляемая элеь тродвигателем вентилятора. Может случиться, что вентиляторная установк; находящаяся в выгодном режиме в определенный момент, в последующем 6} дет работать в неэкономичном режиме и наоборот. Более того, при значител! ном изменении эквивалентного отверстия вентиляторная установка не сможе обеспечить подачу воздуха без дополнительного регулирования.

В настоящее время считается, что в качестве привода крупных шахта вентиляторных установок следует применять синхронный двигатель, а регу: рование подачи воздуха следует производить изменением угла поворота Л01 стей рабочего колеса или лопаток направляющего аппарата. Однако при этом учитываются в достаточной мере такие недостатки нерегулируемой по скорое вращения вентиляторной установки с синхронным двигателем, как снижен КПД до 0,6 и ниже, малая глубина регулирования без изменения числа оборот! трудности запуска синхронного двигателя под нагрузкой, недостаточная экот мичность работы незагруженного двигателя в качестве компенсатора. Эти ) достатки приводят к тому, что на некоторых этапах периода эксплуатации ус новки она работает с низким КПД или не обеспечивает режимов проветривай

Снижение КПД вентиляторных установок на 15-17%, т.е. даже в пределах зоны экономичной работы, только по угольной промышленности приводит к потерям электроэнергии 220-250 млн.кВт.ч.

Нерегулируемая вентиляторная установка выбирается таким образом, чтобы обеспечивалось нормальное проветривание при минимальном эквивалентном отверстой. В этом случае при работе на большое эквивалентное отверстие установка будет работать с избытком дебита и иметь низкий КПД. Для того, чтобы обеспечить наименьший расход электроэнергии за весь период эксплуатации установки, по мнению автора необходимо решить следующие вопросы: выбора параметров, обеспечивающих наивыгоднейший режим работы за весь период эксплуатации; наивыгоднейших способов регулирования электропривода, обеспечивающего необходимые режимы работы вентиляторной установки; регулирование установки при минимальных суммарных затратах на расход электроэнергии за весь период эксплуатации и капитальные затраты. В тоследнее время при эксплуатации вентиляторных установок главного провет-эивания появилась возможность экономить электрическую энергию средствами электропривода.

Водоотливные установки. При эксплуатации главных водоотливных установок вопрос об энергосбережении тесно связан с правильным выбором шергетических характеристик насосных агрегатов и установок. Кроме того, три их эксплуатации возможны изменения режимов работы насосов вследствие увеличения сопротивления трубопроводов (рост отложений на стенках труб), :нижения эксплуатационных напоров при износе оконечностей лопастей рабо-шх колес и др. При этих условиях режим работы может выйти из рабочей зо-ш. Это обстоятельство вызывает необходимость изменять индивидуальные характеристики насосов, т.е. увеличивать число их оборотов.

4. Технологии и технические средства эпергстнческой оптимизации стационарных установок

В работе предложены технологии энергетической оптимизации шахтных

стационарных установок и технические средства их реализации. На компрес сорных установках наибольшее применение находят открытые водооборотны системы охлаждения. Промежуточным теплоносителем в таких системах явля ется вода, которая охлаждается путем контакта ее с воздухом в градирнях с ее тественной тягой. Вода, охлажденная в градирне, подается затем в рубашки ци линдров, а также в промежуточный и концевой воздухоохладители. Основны преимущества открытых водооборотных систем связаны с высоким коэффици ентом теплоотдачи со стороны воды, определяющим сравнительно небольшие размеры воздухо- и маслоохладителей, возможность их размещения в непо средственной близости от компрессоров. Предложенная автором технолога [20] энергетической оптимизации шахтной компрессорной установки с исполь зованием теплоты оборотной воды иредстайлена на рис. 6 (на рисунке исполь зованы следующие обозначения): 1,2- цилиндры первой и второй ступени; 3 -промежуточный воздухоохладитель; 4 - концевой воздухоохладитель; 5 - теп ловой насос; 6 - циркуляционный насос; 7-13, 29, 32 - датчики температуры 14-16, 26- датчики давления; 17-20, 30, 33 - регуляторы температуры; 21-24 31, 34 - исполнительные устройства с регулирующими органами; 25 — функ циональный блок.

Экономия топлива при применении тепловых насосов для охлаждения обо ротной воды и утилизации низкопотенциальной теплоты по сравнению с полу чением теплоты в шахтных котельных приведена в таблице 1. Установлено, чт< при смешанной схеме, когда вся охлаждающая вода сначала пропускается чере промежуточный охладитель, затем делится на потоки, расход охлаждающей вс ды уменьшается в 1,3 раза по сравнению с расходом воды при параллельно: схеме.

Таблица

Основные энергетические и экономические показатели работы теплонасосных установок

Компрессор ВП- Компрессор

50/8, холодильная 4М10-100/8,

машина 1ХМ-ФУУ холодильная машин;

Показатели 80/1 МКТ-350-2-1

температура конден- температура конден-

сации хладона, °С сации хладона, °С

60 70 60 70

Годовая выработка теплоты, 9417 9763 18835 19612

ГДж

Расход топлива в котельной,

: ту.т./год 242 221 488 446

Расход топлива на производст-

во электроэнергии, затрачивае-

мой на привод теплового насо- 161;'" 198 323; , 397

са, т у.т./год

Экономия топлива в сравнении

с котельной, % 60 52 60 52

Шахтные поршневые компрессоры часто эксплуатируются при давлент всасываемого и нагнетаемого воздуха, отличающемся от номинальных для дан ных типов компрессоров. При эксплуатации имеет место также нарушение теп лового режима компрессора и недоохлаждение воздуха в ПВО. Эти обстоятель ства приводят к нерациональному перераспределению степеней повышенш давления по ступеням сжатия и перерасход электроэнергии на выработку ежа того воздуха. При неполном охлаждении воздуха в промежуточном воздухоох ладителе для обеспечения экономичной работы компрессора, степень повыше ния давления на первой ступени должна быть увеличена,, а на второй ступеш соответственно уменьшена. Следовательно, для обеспечения экономичной ра боты компрессора при изменяющемся тепловом режиме и давлении воздуха н; стороне нагнетания степени повышения давления по ступеням сжатия необхо димо регулировать.

Автором получено уравнение (11) для определения оптимального давления на промежуточном воздухоохладителе двухступенчатого компрессора в функции температуры воздуха на входе в первую ступень, температуры после промежуточного воздухоохладителя и давления воздуха на выходе второй ступени. [8].

— ~

Рхор,=^)Л">0-Р2), (II)

Предложена система рационального автоматического регулирования степеней повышения давления по ступеням сжатия двухступенчатого поршневого компрессора с учетом неполноты промежуточного охлаждения и меняющегося давления воздуха на стороне нагнетания с целью снижения расхода энергии на сжатие, более равномерной нагрузки на коренной вал и подшипники компрессора и, как следствие, снижения аварийности. Данный способ управления защищен авторским свидетельством [36].

Критерий оптимальности работы многоступенчатого компрессора, исходя из минимума энергии, затрачиваемой на сжатие газа, является аддитивной функцией энергии по отдельным ступеням сжатия. Поэтому для оптимизации использован метод динамического программирования для многоступенчатых процессов. Основное расчетное соотношение, а именно рекуррентная формула Беллмана, являющаяся математической формулировкой принципа оптимальности и позволяющая решать задачу оптимизации последовательно, имеет вид

где N - число стадий процесса; 1-*(х(М),и(1)) — значение критерия оптимальности ¡-той стадии.процесса;

- значение суммы критериев оптимальности последних N-(¡-1)

стадий.

Экономичный режим работы шахтной компрессорной установки определяется оптимизацией каждой из стадий, составляющих процесс. Разработана так же система регулирования давления по ступеням сжатия для двухступенчатого турбокомпрессора, ступени которого снабжены регуляторами скорости. Как показывают расчеты, реализация системы на трех работающих компрессорах обеспечит годовую экономию электроэнергии около 180000 кВт-ч.

чатого турбокомпрессора.

Представленная на рнс.7. система работает следующим образом.

При изменении давления газа на выходе турбокомпрессора, сигнал датчика 3 поступает на регулятор 6 давления, который формирует сигнал управления, поступающий на регулятор 4 скорости первой ступени 14 компрессора и изменяющий скорость вращения привода 17 первой ступени в результате чего изменяется производительность компрессора.

Одновременно сигналы 1 и 3 давления газа на входе в первую ступень и на выходе из компрессора поступают на входы первого блока 7 умножения, с выхода которого сигнал поступает на первый функциональный преобразователь 8, реализующий функцию извлечения квадратного корня. На выходе первого функционального преобразователя 8

формируется сигнал, пропорциональный Л>/Р)Р2, где Р) - давление на входе первой ступени; Р2 - давление газа на выходе из компрессора.

Сигналы датчиков 10 и 11 температуры газа на входах первой и второй ступеней компрессора поступают на второй функциональный пре-

Т/5

образователь, реализующий функцию ^[ду > гДе -температура газа

на входе первой ступени; Тг - температура газа на входе второй ступени компрессора. Сигналы с выходов первого и второго функциональных преобразователей поступают на второй блок 13 умножения, на выходе

V5

которого формируется сигнал пропорциональный , который

сравнивается с сигналом датчика 2 в блоке 9, причем разность сигналов поступает на регулятор 5 скорости второй ступени компрессора, обеспечивая изменение скорости вращения привода 18 и слежение за давлением газа на выходе первой ступени, что, в свою очередь, оптимизирует степень сжатия и повышает экономичность.

Анализ существующих способов утилизации тепла в шахтных турбокомпрессорах показал необходимость разработки технологии охлаждения с утилизацией тепла сжатого воздуха с помощью теплового насоса и водовоздушного теплообменника. Автором разработаны технология и средства ее реализации для компрессора ТК-250, которые позволят утилизировать 7,2 МДж/ч (рис.7). С целью защиты рудничных воздухопроводных сетей от обмерзания при низких температурах проведено теоретическое исследование влияния охлаждения сжатого воздуха в трубопроводной сети на изменение его термодинамических параметров. В результате исследования установлено, что для защиты рудничных воздухопроводных сетей от обмерзания при низких температурах й снижении энергетических потерь сжатого воздуха при его транспортировании на воздухопроводе следует устанавливать водоотделители, оснащенные конденсатоотводчиками предложенной конструкции, и опре-

делятъ расстояния между ними по разработанной автором методике [36].

Места установки водоотделителей рекомендуется определять для нескольких температур, близких к 0°С, по формуле

1п

Т -Т

Ч 1 2 О

, ДТ, КтсБЬ = 1п—^ =-, (13)

дт в-с 4 }

где ЛТ) - разность между температурой сжатого воздуха при выходе его из воздухосборника и окружающей среды, К; ДТ - текущая разность температур, К; К - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2-К); Т)( Т2 - температура воздуха в начале и конце трубопровода, К; То - температура всасываемого воздуха, К; О - массовый расход воздуха по трубопроводу, кг/с; Ср - теплоемкость воздуха при постоянном давлении, Дж/(кг-К); О, Ь - диаметр и длина расчетного участка трубопровода, м.

Разработаны энергосберегающие технологам для утилизации низкопотенциальной тепловой энергии воды шахтного водоотлива, хозбы-товых стоков и отходящих дымовых газов котельных. В разработанных технологиях использованы технические решения, защищенные авторским свидетельством и патентом [40,45]. С целью создания эффективного устройства для отбора низкопотенциального тепла от загрязненных потоков разработан теплообменник с дискретными турбулизаторами. Теплообменник может использоваться для утилизации низкопотенциального тепла шахтных вод и хозбытовых стоков. Технические и технологические решения по утилизации низкопотенциального тепла источников горного производства внедрены в проекте «Технологический комплекс утилизации тепловых ВЭР шахты «Зенковская» АО Угольная компания «Прокопьевскуголь» в 1994 году. Реализация проекта предотвратит сжигание в котельной 300 т угля в год и позволит снизить количество вредных выбросов.

Для разработки эффективных конструкций теплообменных аппаратов в работе проведены исследования конвективного теплообмена и физико-математическое описание задачи теплопереноса в рабочих средах. Любое физико-математическое описание требует предварительного определения некоторых экспериментальных величин, характеризующих процесс. Во многих инженерных задачах представляют интерес тепло1 вые потоки на границах обменивающихся сред. Распространение тепла в разделяющей стенке характеризуется уравнением

^ = (14)

от Эх2 к ;

где г - температура; т - время; х - координата по оси х (стенки);

а = —; (15)

с-р

X — коэффициент теплопроводности рассматриваемой среды;' с — теплоемкость вещества; р - плотность.

Для решения этого уравнения заданы краевые условия задачи:

граничные -1(0,т) = 0 и ф,т) = 0, т > 0

начальные

1

1(х,0) =

х при 0 < х < - ,

, 2 (16) 1-х при — <х<1,

где 1 - толщина разделяющей стенки в теплообменнике, мм. На базе предложенного метода составлено физико-математическое описание процесса теплопередачи через разделяющую стенку в промежуточном воздухоохладителе шахтной компрессорной установки, позволяющее интенсифицировать процесс охлаждения сжатого воздуха и, как следствие, снизить расход электроэнергии на его производство.

Автором разработана методика оптимального проектирования теплообменных аппаратов [5]. При оптимальном проектировании теплообменника задается некоторая целевая функция, которая зависит от тем-

пературных режимов, поверхности теплообмена и т.д. Задача оптимального проектирования теплообменника состоит в том, чтобы выбрать такой теплообменник, при котором удовлетворяются необходимые ограничения, а функция принимает минимальное (максимальное) значение. Оценка эффективности работы теплообменника определяется термодинамической эффективностью теплообмена е.

где = (Зг-Сг; \\7Х = Ох Сх - массовая теплоемкость (водяной эквивалент) горячего и холодного потоков; \Угащ - минимальная массовая теплоемкость одного из потоков; Т) и Тг - начальная и конечная температура горячего потока; и 12 - начальная и конечная температура холодного потока (°С).

Предлагаемый метод расчета теплообменных аппаратов позволяет уменьшить трудоемкость расчетов. С целью разработки эффективных теплообменников для утилизации низкопотенциальной теплоты из загрязненных потоков, проведены исследования по интенсификации процесса теплообмена. Для интенсификации теплоотдачи искусственной турбулизацией потока в каналах, необходимо выбрать спосотурбулиза-ции, т.е. передачи дополнительной энергии от среднего потока к пульса-ционному. Тепловой поток в пристенном слое зависит от величины катального напряжения в пристенном слое т„ и определяется по формуле

Проведенный анализ показывает, что турбулизировать поток надо таким образом, чтобы пульсации, а следовательно касательное напряжение увеличивалось именно в пристенном слое, так как в остальном потоке турбулентная проводимость и без того значительна. Выполненные исследования позволили выбрать наиболее рациональные методы интенсификации теплообмена в каналах с искусственной турбулизацией и разработать эффективные теплообменники с завихрителем потока и с

е =

д = ТУД-.Т,) = \У (1,-0 Я™ Wmш(т,-t,),

(17)

(18)

дискретными турбулизаторами, защищенные авторскими свидетельствами и патентом [37].

5. Технологии и технические средства для очистки пылегазовых выбросов шахтных котельных

Радикальное решение задачи снижения уровня тепловых воздействий заключается в совершенствовании технологии производства. Вторичные тепловые энергетические ресурсы являются результатом энергетического несовершенства технологических процессов, поэтому необходимо стремиться к всемерному снижению их выхода за счет более полного использования энергии топлива в самом технологическом агрегате. Пределом идеальной организации теплотехнологических процессов является создание безотходной по материалам и энергии технологии.

Для утилизации теплоты дымовых газов за котлом автор предлагает устанавливать эффективные экономайзеры с локальными турбулизаторами [14]. В дымовых газах, образующихся при сжигании различных видов топлива, обычно содержатся окислы серы, азота и углерода. Содержание окислов серы в газах зависит от сернистости сжигаемого топлива, условий его горения в топке, а также от степени поглощения (адсорбции) этих окислов летучей золой при их совместном движении по газоходам. Вследствие высокой химической активности серного ангидрида он при растворении в воде, даже в больших количествах, полностью реагирует с ней, образуя разбавленную серную кислоту. При очень интенсивном охлаждении дымовых газов может наступить конденсация водяных паров, находящихся в них, и, как следствие, появление серной кислоты. С другой стороны, недостаточное охлаждение дымовых газов ведет к непроизводительным потерям теплоты и снижает эффективность работы котельной установки. Температура охлажденных дымовых газов во избежание коррозии газового тракта от экономайзера до дымовой трубы и самой трубы, а также разрушения фильтровальной ткани рукавного фильтра должна быть по крайней мере на 15-20°С выше точки росы

этих газов. Последняя (по данным И.А. Пейсахова) зависит от содержания водяных паров и серного ангидрида в дымовых газах.

Таким образом, для обеспечения эффективной, надежной и длительной работы рукавного фильтра температура дымовых газов перед ним должна автоматически поддерживаться в оптимальных пределах. Однако, в отечественной литературе практически отсутствуют сведения по данному вопросу.

В целях поддержания оптималыюй температуры дымовых газов перед рукавным фильтром и предотвращения конденсации паров в нем автором предлагается схема автоматического регулирования температуры, показанная на рис.8. По этой схеме перед фильтром устанавливается водяной экономайзер с устройством для регулирования количества охлаждающей воды и корректировки температуры дымового газа после экономайзера в зависимости о измеренных значений количества водяных паров, оксидов серы и фактической температуры газа после экономайзера в соответствии с соотношением

^=186+201^20+26^803+15, (19)

где Н20 и 803 - содержание Н20 и БОз в % (объемных) в газе. Автором предлагается технологическая схема очистки дымовых газов от пыли (рис.9.), которая исключает вторичное пыление при выгрузке пыли из бункера фильтра, при ее транспортировке и складировании. Гранулированная пыль может быть использована при производстве бетонов, различных утеплителей и др. Поставленная задача решается так, что уловленная пыль из бункера фильтра питателем подается в смеситель, где перемешивается со связующим и затем влажная масса подается в гранулятор. После гранулятора влажные гранулы поступают в печь кипящего слоя, в которую от калорифера подается горячий воздух с температурой 200-250°С, где и происходит сушка. Из печи кипящего слоя отработанный воздух поступает в дымовую трубу, а высушенные гранулы выгружаются в вагонетку.

газов перед рукавным фильтром.

1 - экономайзер; 2 - газовый тракт; 3 - датчик температуры; 4 - датчик содержания паров воды; 5 - датчик содержания 803;6 - функциональный блок; 7 - регулятор температуры; 8 - исполнительное устройство с регулирующим органом; 9 - рукавный фильтр.

Проведенные лабораторные исследования гранулирования летучей золы каменных углей шахт ПО "Кизелуголь" показали высокую эффективность предлагаемой технологии. Для гранулирования применяется гранулятор валкового типа, в качестве связующего'использовалось жидкое стекло в количестве около 250 миллилитров на один кг сухой массы, можно также в качестве связующего применять отходы бумажного производства (бражку), а также глинистый раствор. Горячий воздух в печь кипящего слоя подавался от электрокалорифера. Газоочистные установки, как правило, не дают прибыли. Возможность использовать уловленный гранулированный продукт частично окупит их сооружение и эксплуатацию. Так в результате замены гранитного щебня гранулированной золой себестоимость 1м3 изделий из бетона уменьшается на 15%.

V

Тсж

сжатый воздух

1 .Котел 2. Циклон

- 3.Рукавный фильтр

4. Дымосос

5. Дьмовая труба

6. Смеситель

7. Гранулятор

8. Печь КС

9. Вентилятор

10. Калорифер

11. Вагонетка

12. Бак с раствором ■ связующего

- 13.Устройство возврата пыли

Рис.9. Схема очистки дымовых газов с гранулированием уловленной пыли.

Автором разработан комбинированный двухступенчатый фильтр для очистки дымовых газов типа ФК-6 (на конструкцию фильтра получено положительное решение № 5024983 от 13.10.95 г.). Фильтр предназначен для последовательной сухой и мокрой очистки дымовых газов от пыли, оксидов серы и азота, выбрасываемых в атмосферу шахтными котельными. Фильтр имеет меньшее аэродинамическое сопротивление по сравнению с двумя последовательно соединенными циклонами (при двухступенчатой схеме очистки) примерно на 50 мм водяного столба и значительно меньшее количество жпдкотекучего шлама, образующегося при его эксплуатации. В первой (сухой) ступени фильтра улавливается до 75-80% пыли, а во второй (мокрой) - мелкодисперсная пыль, а также вредные газы......

Фильтр представляет собой двухступенчатый аппарат, на первой ступени которого с помощью группы циклонов производится сухое улавливание основной массы пыли и ее накопление в бункере с периодической выгрузкой через шлюзовый питатель для последующие утилизации. На второй ступени, выполненной в виде скрубберов, происходит улавливание остальных мелких фракций и растворение в воде содержащихся в дымовых газа оксидов серы. При этом каждый скруббер установлен над выхлопной трубой циклона с помощью шламоприемника, снабженного разеткой с лопастями для закручивания газового потока. Такое техническое решение обеспечит эффективную очистку дымовых газов, позволит значительно сократить объем жидкотекучего агрессивного шлама, уменьшит расход воды, позволит сохранить основную часть уловленной пыли и уменьшит аэродинамическое сопротивление за счет ликвидации сложных по конфигурации связующих газоходов между (сухой) и второй (мокрой) ступенями очистки.

Технологическая схема двухступенчатой комбинированной очистки дымовых газов с применением фильтра ФК-6 представлена на рис.10. Из котла 1 дымовые газы через экономайзер поступают в циклон 4, где улавливается основная масса пыли, затем газы поступают в скруббер 15. В

скруббере происходит улавливание мелкодисперсных частиц и далее проходя через дымосос газы направляются в дымовую трубу. Жидкотекучий шлам после скрубберов поступает в отстойники, отстоявшаяся вода насосом подается в бак смесителя, где перемешивается с известковым раствором и свежей подпиточной водой, после чего поступает в напорный бак. Из напорного бака вода под давлением (не менее 200 мм водяного столба) через форсунки поступает в скруббер, где происходит улавливание мелкодисперсной пыли и оксидов серы. Образующийся жидкотекучий шлам после отстаивания может быть использован для тушения высокотемпературного шлака при периодической выгрузке его из топок, тем самым снимая проблему дальнейшего его использования и очистки шламовых вод.

Комбинированный фильтр ФК-6 смонтирован и проходит промышленные испытания на шахте "Пионерская" АО БеловоУголь. Предварительные испытания показали его хорошую работу. Для улавливания летучей золы шахтных котельных в основном применяются сухие инерционные пылеуловители которые не улавливают летучую золу с дисперсным составом меньше 10 мкм и эффективность их не превышает 70-80%. Для эффективной очистки дымовых газов от вредных выбросов и снижения расхода электроэнергии на привод дымососов на основе конструкторско-поисковых разработок автором разработаны четыре типа пылегазовых фильтров (рис. 11-14), отличающихся эффективностью пылеулавливания и компактностью, которые могут решить проблему реконструкции неэффективных систем очистки действующих котельных без увеличения строительных объемов. Конструкции фильтров защищены авторскими свидетельствами [42,43,44].

1. Котел

2. Экономайзер

3. Газоходы

4. Циклон

5. Отстойник

6. Бак-смеситель

7. Бак для известкового молока

8. Насос для откачки шлама

9. Насос циркуляционный

10. Бак напорный

11. Труба дымовая

12. Водопровод

13. Трубопровод для шлама

14. Дымосос

15. Скруббер

на тушение шлака

Рис.10. Технологическая схема двухступенчатой комбинированной очистки дымовых газов с замкнутым циклом водоснабжения.

Пылеуловитель работает следующим образом.

Запыленный газовый поток подают через тангенциальный патрубок 5, где он, пройдя патрубок 3, с вытеснителем 4 закручивается и поступает во внутреннее пространство между лопатками отбойника-завихрителя 2. Здесь за счет действия вытеснителя 4 с обтекателем запыленный газовый поток образует расширяющийся вверх конус. Поступающий через тангенциальный патрубок 6 газовый поток образует внешний пристеночный поток, направленный вниз, навстречу внутреннему потоку. Из внешнего потока частицы пыли под действием центробежных сил отбрасываются к стенкам аппарата и устремляются в нижнюю часть аппарата. Направляющие лопасти нижней части отбойника установлены под положительным углом атаки к тангенциальной составляющей вектора скорости наружного потока и способствуют увеличению тангенциальной составляющей внутреннего потока, что приводит к увеличению эффективности пылеотделеция. Оставшаяся часть вторичного газа в нижней части аппарата, отразившись от подпорной шайбы 8, переходит во внутренний поток, увеличивая тем самым скорость его закручивания. Под действием центробежных сил частицы пыли внутреннего потока отбрасываются к лопастям отбойника-завихрителя, попадают в межлопастное пространство и под действием вторичного потока в нижней части отбойника устремляются вниз. Направляющие лопасти верхней части отбойника-завихрителя установлены под отрицательным углом атаки к тангенциальной составляющей вектора скорости наружного потока и создают эффект эжекции твердых частиц из периферийного слоя внутреннего потока в наружный, что обеспечивает высокую степень очистки газа, который удаляется из пылеуловителя через выхлопную трубу 7. Уловленный материал через зазоры, образованные подпорной шайбой 8 и корпусом 1, удаляется в пылесборник 9. Уклон подпорной шайбы 8 выбирается не менее величины угла естественного откоса материала.

"Та

А-А

Б-Б

Рис. 11. Зернистый фильтр

B-B

А-А

11

Рис. 14. Рукавный фильтр

Заключение

Диссертационная работа посвящена решению важной проблемы защиты окружающей среды и энергосбережения при эксплуатации шахтных энергетических установок. Основные научные результаты работы заключаются в следующем:

1. Разработаны методы интенсивного энергосбережения при эксплуатации шахтных стационарных компрессорных, вентиляторных и котельных установок, включающие: оптимизацию температурного режима компрессоров и предельно полное использование теплоты; применение рациональных схем их охлаждения; оптимизацию режимов работы шахтных насосов и вентиляторов; утилизацию тепла отходящих дымовых газов шахтных котельных.

2. Создана математическая модель с программным обеспечением системы охлаждения стационарной компрессорной установки, обеспечивающая определение экстремального значения принятого критерия оптимизации, прогнозирование поведения этой системы в различных эксплуатационных ситуациях, подбора такого сочетания эксплуатационных параметров, которое позволяет обеспечить высокие технико-экономические показатели. Преложенная модель применима как при проектировании, так и при эксплуатационных расчетах.

3. Разработана система оптимального управления процессом охлаждения шахтной стационарной компрессорной установки, включающая регулирование режимных параметров путем изменения расхода охлаждающей воды. Температура воздуха на выходе из промежуточного воздухоохладителя регулируется в соответствии с предложенным алгоритмом оптимизации. Система, испытана и внедрена на шахте «Ключевская» ПО «Кизелуголь». Она позволила интенсифицировать процесс охлаждения и снизить расход энергии на привод компрессора. Разработанный способ позволил для одного компрессора типа 4М10-100/8 снизить мощность, расходуемую на сжатие воздуха на 3,5 %, что дало возможность сэкономить 765 т угля в год. При этом экономический эффект с учетом

снижения объема вредных выбросов в атмосферу составил около 900 тыс. руб. в год (в ценах 1991 года).

4. Разработан способ и схема регулирования степеней повышения давления по ступеням сжатия двухступенчатого компрессора с учетом неполноты тромежуточного охлаждения воздуха в промежуточном охладителе и меняющемся давлении на стороне нагнетания с целью снижения расходов энергии,

а

обеспечения нормального теплового режима, более равномерной нагрузки на адренной вал и подшипники компрессора.

5. Разработана методика по предотвращению обмерзания внутренних утенок воздухопроводов в зимний период обеспечивает снижение падения дав-хения сжатого воздуха при его транспортировке, что положительно сказывается ía производительное ш пневмомеханизмов.

6. Экспериментальная проверка, выполненная в производственных усло-)иях, показала, что наиболее рациональной для двухступенчатых поршневых сомпрессоров является смешанная система охлаждения, при которой весь водя-гой поток сначала подается в промежуточный воздухоохладитель, затем он шделяется на параллельные потоки, подаваемые в ЦНД, ЦВД и концевой воз-(ухоохладитель.

7. Разработаны энергосберегающие технологии по утилизации низкопо-енциальной теплоты оборотной воды'турбокомпрессорных установок, сброс-[ых шахтных вод главного водоотлива, хозбытовых стоков и отходящих дымо-¡ых газов котельных, обеспечивающие экономию топливно-энергетических юсурсов и служат эффективным средством защиты окружающей среды от редных выбросов.

8. На основании конструкторско-поисковых исследований с целью интен-ификации теплообмена в установках с тепловыми насосами разработаны теп-ообменники с завихрителями я дискретными турбулизаторами, которые могут ффективно работать при утилизации низкопотенциальной теплоты загрязнении жидкостей.

9. Созданы три типа пылегазовых фильтров, отличающихся эффективно-тью пылеулавливания и компактностью, которые могут решить проблему ре-

конструкции неэффективных систем очистки выбросов действующих котель ных без увеличения строительных объемов.

10. Технические и технологические решения по утилизации низкопотен циального тепла шахтных вод внедрены в 1994 г. в проекте «Технологически! комплекс утилизации тепловых БЭР шахты «Зенковская» АО Угольная компа ния «Прокопьевскуголь», которые предотвращают сжигание в котельной 3095 • угля в,год и позволяют сократить количество вредных выбросов в окружаю щую среду.

11. Разработаны, энергосберегающие технологии и технические средств; для очистки дымовых газов котельных от вредных выбросов.

12. Внедрение результатов исследования по энергосбережению и эколо газации шахтных стационарных и котельных установок только на одной шахте средней мощности позволяет получить в год экономию электроэнергии околс 800 тыс. кВт-ч, 1500 т у.т. и снижение вредных выбросов в атмосферу: золы -на 60 тонн; СОх - на 36,4 тонны; БО*- на 12,8 тонны; N0* - на 10,7 тонны.

Содержание работы изложено в следующих публикациях:

1. Периодичность очистки промежуточных холодильников шахтны> поршневых компрессоров Н Известия ВУЗов. Горный журнал. 1984, № 1. - С 75-76 (соавторы Д.Г. Закиров, А.Г. Шумихин).

2. Повышение экономичности поршневых компрессоров путем перераспределения давления по ступеням сжатия // Известия ВУЗов. Горный журнал

1985, № 12.-С. 58-59.

3. Повышение эффективности работы шахтных компрессоров // Уголь.

1986, № 12. - С. 16-18 (соавтор Д.Г. Закиров).

4. Динамика образования накипи в трубках холодильников шахтных поршневых компрессоров // Известия ВУЗов. Горный журнал. 1986, № 5. - С, 72-74 (соавторы Д.Г. Закиров, А.Г. Шумихин).

5. Математическое моделирование систем охлаждения шахтных компрессорных установок. // Известия ВУЗов. Горный журнал. 1987, № 5. - С. 82-86 (соавтор Б.А. Носырев).

6. Совершенствование системы охлаждения поршневых компрессоров общего назначения // Промышленная энергетика. 1987, № 10. - С. 19.

7. Применение тепловых насосов в целях утилизации теплоты оборотной воды и охраны окружающей среды // Уголь. 1988, № 3. - С. 19-21 (соавтор Д.Г. Закиров).

8. Система автоматического оптимального регулирования степеней повышения давления по ступеням сжатия двухступенчатого поршневого компрессора. // Известия ВУЗов. Горный журнал. 1988, № 7. - С. 118-120 (соавтор А.Г. Шумихин).

9. Основные направления контроля и защиты окружающей среды при эксплуатации стационарных установок поверхностного комплекса шахт // Организация отраслевого контроля за выбросами вредных веществ с атмосферу и водоемы на предприятиях угольной промышленности. Пермь, 1988. - С. 17-18 (соавтор Д.Г. Закиров).

10. Применение тепловых насосов в целях утилизации теплоты, оборотной воды и охрана окружающей среды // Доклады, научно-технического семинара. Кизел, 1987. —С. 3 (соавтор Д.Г. Закиров).

11. Система оптимального автоматического управления процессом охлаждения поршневого двухступенчатого компрессора // Доклады научно-технической конференции. Свердловск, 1988. - С. 21. .;

12. Применение тепловых насосов в целях утилизации теплоты оборотной воды и охрана окружающей среды // Доклады Всесоюзной научно-технической конференции. Донецк, 1988. - С. 14 (соавтор Д.Г. Закиров).

13. К вопросу создания энергосберегающих технологий на основе утилизации тепловых выбросов // Актуальные вопросы охраны окружающей среды в гопливно-энергетических и угольных компрессорах. Пермь, 1991. - С, 101-104 (соавторы Д.Г. Закиров и др.).

14. Защита тканевых фильтров от агрессивных химических примесей при эчистке дымовых газов // Совершенствование технологий и оборудования для природоохранных работ в угольной промышленности. Пермь, 1991. - С. 24-29 'соавтор Д.Г. Закиров).

15. Системы охлаждения воздушных компрессорных установок //. Экономия электроэнергии при эксплуатации воздушных компрессорных установок. VI.: Энергоатомиздат, 1988. - С. 72 (соавтор Д.Г. Закиров).

16. Снижение удельного расхода электроэнергии при эксплуатации торшиевых компрессоров общего назначения // Промышленная энергетика. 1998,№9.-С. 4-6.

17. Повышение долговечности рукавных фильтров // Промышленная шергетика. 1991, №3. - С. 25-26.

18. Природоохранная, ресурсосберегающая технология с применением тепловых насосов П Уголь. 1991, № 12. — С. 53-55 (соавторы Д,Г, Закиров, Б.З-Морозов). , ,

19. Система оптимального охлаждения компрессора и утилизации теплоты оборотной воды // Промышленная энергетика. 1991, № 12. - С. 34-37.

20. Энергосберегающая технология эксплуатации компрессорных устано-зок // Известия ВУЗов. Горный журнал. 1992, № 1. - С. 92-95 (соавтор Б.А. Но-:ырев).

21. Очистка дымовых газов с гранулированием уловленной пыли // Промышленная энергетика. 1994, № 4. - С. 12.

22. Энергосберегающая технология с утилизацией низкопотенциально! теплоты // Промышленная энергетика. 1994, № 6. - С. 6-7 (соавтор Д.Г. Заки ров).

23. Оздоровление атмосферы в условиях современного энергетической обеспечения угольных шахт и рабочих поселков // Экология горного произвол ства и человек. Пермь, 1993. - С. 19 (соавтор Д.Г. Закиров).

24. Экономия энергетических ресурсов при биологической очистке сточ ных вод с помощью тепловых насосов // Промышленная энергетика. 1995, № 8 -С. 51-52. •

25. Повышение энергетической и экологической эффективности устано вок для очистки пылегазовых выбросов шахтных котельных Н Промышленнш энергетика.1996, № 6. - С. 37-38. -

26. Энергосбережение и экологические проблемы при эксплуатацш шахтных стационарных компрессорных установок // Известия ВУЗов. Горны! журнал. 1996, № 7. - С. 107-110..

27. Конструкция устройства для охлаждения оборотной воды в шахтньи компрессорных станциях // Информационный листок Пермского ЦНТИ, № 74 96. Пермь, 1996. - 2 с. (соавторы Д.Г. Закиров и др.).

28. Вихревой пылеуловитель // Информационный листок Пермскогс ЦНТИ, № 81-96. Пермь ,1996. - 2 с. (соавторы Д.Г. Закиров и др.).

29. Энергосберегающая схема эксплуатации турбокомпрсссорных уста новок // Промышленная энергетика. 1997, № 2. - С. 26-27.

30. Эффективный.теплообменник для работы на загрязненных промышленных и хозяйственно-бытовых стоках // Промышленная энергетика. 1997, № 6. - С. 39-40 (соавтор Д.Г. Закиров).

31. Эффективная конструкция теплообменника для систем теплоснабжения // Энергопотребление и энергосбережение: проблемы, решения. Пермь 1997. - С. 76-77 (соавтор Д.Г. Закиров).

32. Применение тепловых насосов для теплоснабжения при использовании нетрадиционных источников тепла. Там же. - С. 74-76 (соавтор Д.Г. Заки-ров) ,

33. Теплоутилизирующая энергетика - основа экономии органическогс топлива // Промышленная энергетика. 1998, № 2. - С. 2-4.

34. Энергосбережение при эксплуатации шахтных насосных и вентиляторных установок средствами электропривода // Энергопотребление и энергосбережение: проблемы, решения. Пермь, 1998. - С. 86-88.

35. А. с. 1430706, МКИ Р28В 1/00. Устройство для охлаждения оборотное воды (соавторы Д.Г. Закиров и др).

36. А. с. 1393932, МКИ Г040 27/00. Способ регулирования давления газе на выходе двухступенчатого компрессора (соавторы Б. А. Носырев и др.).

37. А с. 1383083, МКИ Б28Р 1/40. Теплообменная труба (соавторы Б.А Носырев. и др.).

38. А .с. 71719025, МКИ ВОЮ 46/02. Рукавный фильтр (соавторы Д.Г Закиров и др.).

39. А. с. 71756897, МКИ ВОШ 47/06. Установка для очистки дымовых газов от пыли (соавтор Д.Г. Закиров).