*112789*
Галкин А.Ф.
Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»,
г.
Санкт-Петербург, Россия
Эффективные системы регулирования теплового режима
шахт и рудников Севера.
Для шахт и рудников Севера проблема
энергосбережения является одной из первостепенных задач. Вызвано это не только
высокой стоимостью энергии, но и недостатком энергетических мощностей по ее
производству. При наметившейся тенденции к росту стоимости тепловой энергии,
которая и теперь уже на Северо-востоке в несколько раз выше, чем средняя по
стране, следует ожидать существенного увеличения долевого вклада затрат на
создание нормативных параметров микроклимата в эксплуатационные расходы, как
горных предприятий, так и подземных объектов,
не связанных с горным производством. Одним из путей решения этой
проблемы является использование горнотехнических систем регулирования теплового
режима.
При
переходе горных выработок на глубокие горизонты и применении технологии
разработки с закладкой выработанного пространства на рудниках Севера,
энергетический потенциал исходящей вентиляционной струи достаточно высок и
последняя может рассматриваться как
стабильный, вторичный источник
энергии. Выполненные расчеты для строящегося
глубокого алмазного рудника Севера показывают, что потенциал исходящей
струи в среднем будет составлять I,0*103кДж/с.
Затраты энергии на создание начального потенциала входящей вентиляционной струи
составят в среднем 2,5*103кДж/с. Очевидно, что использование даже
половины энергетической мощности вторичного источника позволит на 20 %
сократить первоначальные затраты энергии на обеспечение заданного потенциала
вентиляционной струи.
По классификации Ю.Д. Дядькина [1], системы регулирования, использующие
геотермический нагрев вентиляционной струи, относятся к «без энергетическим»
системам, т.к. основные затраты энергии в них связаны с преодолением
аэродинамического сопротивления выработок.
Подогрев и охлаждение воздуха происходит за счет природных выработок
(энергетический потенциал горных пород, атмосферного воздуха) и техногенных
(энергетический потенциал исходящий вентиляционной струи) источников энергии.
По способам подачи вентиляционной струи в горные выработки, рассматриваемые
системы могут быть разделены на три класса: обыкновенные системы;
рекуперативные системы; регенеративные
системы. Все указанные системы могут быть как прямоточными, так и
противоточными. Основой всех трех систем является сеть теплообменных выработок,
которые могут быть соединены последовательно, параллельно, либо по
комбинированной схеме. Отличие заключается в том, что в системах второго и
третьего класса дополнительно используется энергетический потенциал исходящей
вентиляционной струи. Причем в рекуперативных системах теплообмен исходящей и
свежей вентиляционной струй происходит через разделительную поверхность,
которой в общем случае может быть и горный массив, разделяющий две параллельные
выработки, а в регенеративных системах горный массив вокруг единичной выработки
служит промежуточным аккумулятором энергии, который при подаче исходящей
вентиляционной струи накапливает энергию, а при подаче свежей струи отдает ее,
нагревая воздух до заданных значений. Очевидно, что рекуперативные системы
могут работать в регенеративном режиме [2].
Для тепловых расчетов параметров вентиляционной струи в
горнотехнических системах нельзя однозначно применить методы, используемые в
теплотехнике для расчета подобных систем . Принципиальным различием является
то, что в теплотехнике рекуперативные и регенеративные системы обычно
моделируются как системы с сосредоточенными параметрами, в то время как
горнотехнические системы такого класса относятся к системам с распределенными
параметрами, характеристики которых переменны по координатам и во времени. В
связи с этим, сохраняя общую идеологию моделирования, принятую в теплотехнике,
и учитывая особенности теплообмена, происходящего в горных выработках, был разработан комплекс программ по выбору
оптимальных параметров горнотехнических систем всех трех классов[2,3], включающий
численные методы прогноза теплового режима, методы оптимального планирования
вычислительного эксперимента и поиска оптимума функций многих переменных. Для
инженерных расчетов предложены регрессионные зависимости, позволяющие
оперативно, не прибегая к численному моделированию, оценить эффективность
использования горнотехнических систем, различного класса в конкретных условиях.
В основу расчетных моделей заложена
методика прогноза температуры в горных выработках, включающая численное решение
системы дифференциальных уравнений, а именно двухмерного уравнения энергии для
воздуха и двух уравнений Фурье для описания теплового поля в талой и мерзлой
зоне, записанных в цилиндрических координатах, которые дополнены
дифференциальным уравнением Стефана на движущейся границе раздела фаз и
уравнением Ньютона на границе воздух - порода. Начальные условия предполагают
произвольное распределение температур по координатам и во времени, причем
функция изменения температуры воздуха на входе в выработку учитывает не только
сезонные, но и суточные колебания, что позволяет более полно учесть особенности
климата северных регионов. В отличие от существующих методик, разработанная
нами позволяет учесть также и изменение основных факторов, влияющих на
интенсивность теплообмена во времени, а именно изменение влажности (льдистости)
горных пород. И, как следствие, изменение теплофизических свойств:
коэффициентов теплопроводности, теплоемкости, плотности породного массива в
пределах зоны теплового влияния. Модель позволяет учесть переменность
термического сопротивления по длине выработки и наличие произвольно
распределенных нестационарных абсолютных источников тепловыделений. Наличие
подобной модели позволило впервые исследовать влияние иссушения горных пород на
формирование тепловых условий в горных выработках шахт Севера и рекомендовать
способы повышения теплоаккумулирующих свойств пород.
Для
выбора оптимальных параметров горнотехнических систем минимизировалась целевая
функция приведенных затрат, которая включала в себя затраты на проведение и
крепление (реконструкцию для случая вторичного использования) выработок,
затраты на вентиляцию и затраты на кондиционирование. Для минимизации
полученной целевой функции многих переменных, использовался метод Хука и Дживса
[4], который не требует знания производных функций, что очень удобно в
рассматриваемом случае, так как температура воздуха определена не явно, а
ищется из численного решения соответствующей системы дифференциальных
уравнений. Результаты расчетов позволяют определить для конкретных условий
эксплуатации обыкновенных горнотехнических систем такие параметры, как
оптимальное сечение и длину выработок, оптимальное количество параллельных
выработок и расход воздуха в них, годовой экономический эффект от использования
системы и целесообразность строительства специальных теплоаккумулирующих
выработок.
Обобщая
сказанное, можно сделать вывод, что горнотехнические системы являются
эффективным средством регулирования теплового режима на шахтах и рудниках
Севера и при правильном проектировании их параметров могут существенно
сократить энергозатраты на кондиционирование рудничного воздуха.
Литература.
1.
Дядькин Ю.Д. Основы
горной теплофизики. М.: Недра,1968.-256с.
2. Галкин А.Ф.,
Хохолов Ю.А.. Теплоаккумулирующие выработки. Новосибирск: Наука, 1992.-133 с.
3. Галкин. А.Ф. Тепловой
режим подземных сооружений Севера. Новосибирск: ВО Наука, 2000. -304 с.
4. Базара М., Шетти К.
Нелинейное программирование. Теория и алгоритмы.: Пер. С англ.- М.: Мир, 1983.-583с.