Научный журнал

Фундаментальные исследования

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Наумов А.А. 1 Николаева Д.В. 1

---

1 Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

Значительная часть предприятий горной промышленности России находится в регионах с длительными холодными периодами года, когда температура воздуха ниже + 2 °С, что обуславливает дополнительное потребление энергии на регулирование теплового режима. В статье определяются горнодобывающие регионы, для которых актуально использовать «безэнергетические» системы регулирования теплового режима. Разработан критерий оценки энергопотребления систем кондиционирования для обоснованного проведения выбора способов и средств снижения энергетических и экономических затрат на регулирование теплового режима. Критерий представляет собой отношение затрат на кондиционирование рудничного воздуха. Результатом работы является районирование территории Российской Федерации по затратам на кондиционирование рудничного воздуха, а также определение областей, где применение «безэнергетических» систем наиболее актуально.

Статья в формате PDF

835 KB

тепловой режим

кондиционирование воздуха

критерий

энергопотребление

шахты

рудники

районирование

1. Галкин А.Ф. Тепловой режим подземных сооружений Севера. – Новосибирск: ВО Наука, 2000. – 305 с.

2. Галкин А.Ф. Горнотехнические системы регулирования теплового режима. «Горная промышленность». – 2008. – № 3. – С. 14–17.

3. Галкин А.Ф., Хохолов Ю.А. Теплоаккумулирующие выработки. – Новосибирск: ВО «Наука», Сибирская издательская фирма, 1992 – 133 с.

4. Гудыма Н.Б., Галкин А.Ф. Определение риска производственно–обусловленных простудных заболеваний горнорабочих. – Неделя науки СПбГПУ: материалы научно-практической конференции c международным участием. Институт военно-технического образования и безопасности СПбГПУ. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2014. – С/ 73–75.

5. Горбунов Н.И. Теория и практика аэрологии горных предприятий: учеб. пособие. – Алчевск: ДГМИ, 2003. – 116 с.

6. Дядькин Ю.Д. и др. Тепловой режим рудных, угольных и россыпных шахт Севера / Ю.Д. Дядькин, А.Ф. Зильберборд, П.Д. Чабан. – М.: Изд-во «Наука», 1968. – 172 с.

7. Дядькин Ю.Д., Шувалов Ю.В., Тимофеевский Ю.С. Горная теплофизика. Регулирование теплового режима шахт и рудников. – Л.: Изд. ЛГИ, 1976. – 159 с.

8. Казаков Б.П. Ресурсосберегающие технологии управления климатическими параметрами рудников: На примере калийных рудников: дис. … д-ра техн. наук. – Пермь, 2001. – 315 с.

9. Осодоев М.Т., Шерстов В.А. К экономической оценке эффективности регулирования теплового режима шахт Севера // Исследования по физико-техническим проблемам Севера. – Якутск, 1974. – С. 11–14.

10. Петрачкова Н.М., Хорхордина Е.М., Галкин А.Ф. Анализ средств индивидуальной защиты органов дыхания для работы в зимних условиях. – Неделя науки СПбГПУ: материалы научно-практической конференции c международным участием. Институт военно-технического образования и безопасности СПбГПУ. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2014. – С. 99–102.

11. Строительный нормы и правила: СНиП 23-01-99. Строительная климатология. – М., 2003.

12. Строительный нормы и правила: СаНПиН – 2.2.4.548-96 Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений. – М., 1996.

В основном горнодобывающие предприятия России находятся в субарктическом поясе, в области континентального и резко-континентального климата, что обуславливает дополнительное потребление энергии на регулирование теплового режима, которое зависит от длительности холодного периода года, когда температура воздуха ниже + 2 °С.

Вопросами регулирования теплового режима шахт и рудников Севера занимались многие ученые горные теплофизики: Ю.Д. Дядькин, П.Д. Чабан, А.Ф. Зимбельборд, В.А. Шерстов, Ю.В. Шувалов, Б.П. Казаков, А.Ф. Галкин и др. [1, 2, 3, 6, 7, 8, 9]. Ими обоснованы и разработаны различные способы и средства для регулирования теплового режима шахт и рудников. Создана фундаментальная теоретическая база для прогноза и выбора оптимальных параметров теплотехнических систем кондиционирования рудничного воздуха. Предложены новые технические решения, позволяющие существенно снизить энергетические и экономические затраты на создание комфортных и безопасных условий труда подземных рабочих.

Согласно классификации Ю.Д. Дядькина [6] системы регулирования теплового режима шахт и рудников Севера могут быть разделены на две большие группы «энергетические» и «безэнергетические». Например, подогрев рудничного воздуха при помощи калориферных установок, который наиболее часто используется на горных предприятиях, относится к «энергетическим» системам, а регулирование теплового режима с помощью теплоаккумулирующих выработок – к «безэнергетическим». Перспектива использования горнотехнических систем, к которым относятся теплоаккумулирующие выработки, наряду с другими «безэнергетическими» системами, представляет несомненный интерес, поскольку они позволяют существенно снизить затраты на кондиционирование рудничного воздуха [2, 3].

Можно констатировать, что накоплен достаточный научный и инженерный потенциал по проектированию и внедрению энергетически и экономически эффективных способов регулирования теплового режима шахт и рудников. Однако в настоящий период применение подобных систем не носит обязательного характера и скорее является исключением, чем правилом. Более того, при проектировании современных рудников Севера, например золотодобывающих, вообще не предусматривается регулирование теплового режима. Это позволяет получить значительную экономию капитальных и эксплуатационных затрат, но создает проблемы для подземных рабочих. Анализ показал, что практически для всех современных рудников, эксплуатирующихся с естественным (нерегулируемым) тепловым режимом, жесткость микроклимата большую часть времени года превышает допустимую. Соответственно и риски производственно обусловленных простудных заболеваний для подземных рабочих существенно увеличиваются [1, 4, 6, 10].

Целью данной работы является определение горнодобывающих регионов, для которых использование оптимальных режимов регулирования теплового режима шахт и рудников с использованием «безэнергетических» систем наиболее актуально.

Для решения поставленной задачи введем критерий, который показывает, насколько увеличиваются общие затраты на кондиционирование рудничного воздуха (подогрев плюс вентиляция) по сравнению с использованием нерегулируемого теплового режима (только вентиляция):

(1)

где – затраты на подогрев 1 м3/с воздуха в год, руб./год; – затраты на вентиляцию 1 м3/с воздуха в год, руб./год.

Исходя из формулы (1), очевидно, что для нерегулируемого режима KQ = 1. При подогреве воздуха критерий KQ показывает степень увеличения затрат при подогреве подаваемого в рудник воздуха до +2 °С [11].

Стоимость потребляемой электроэнергии работы вентилятора в течение года будет равна

(2)

где NВ – эксплуатационная мощность вентилятора, кВт; τВЕНТ – длительность работы вентилятора в год, ч; СЭ – стоимость электроэнергии, руб/кВт∙ч.

Эксплуатационная мощность вентилятора определяется как

(3)

где R – аэродинамическое сопротивление рудника, R = 9,81 Н∙с2/м4 [9]; Q – количество подаваемого воздуха, м3/с.

Стоимость потребляемой тепловой энергии за зимний период будет равна

(4)

где τi – длительность i-го месяца, с; i – количество месяцев со средней температурой ниже температуры подогрева, tПОД – температура подогрева, tПОД = + 2 °С; tВ(τi) – среднестатистическая температура воздуха в i-й месяц зимнего периода, °С; СП – стоимость тепловой энергии, руб./Гкал; Ср – удельная теплоемкость воздуха, Ккал/кг∙°С.

G = Qγ(ti), кг/с, (5)

где γ(ti) – плотность воздуха при i-й температуре, кг/м3; Q – объем подаваемого воздуха, м3/с.

Так как Q = 1 м3/с, то

G = γ(ti), кг/с. (6)

Для районирования были рассмотрены 53 основных горнодобывающих региона России с различными климатическими условиями и определены стоимости 1 Гкал тепловой энергии и стоимость 1 кВт/ч электроэнергии в каждом конкретном регионе, в табл. 1 показаны результаты расчета критерия KQ для Уральского федерального округа. По формулам (2) и (4) были проведены многовариантные расчеты и по полученным результатам по формуле (1) рассчитан критерий удорожания процесса кондиционирования за счет регулирования теплового режима – KQ.

По результатам, полученным в ходе расчетов, можно сделать вывод, что среднемесячная температура зимнего периода является одним из основных факторов, влияющих на критерий удорожания процесса кондиционирования за счет регулирования теплового режима. При этом стоимость 1 Гкал теплоэнергии в регионе является главным фактором, влияющим на рассчитываемый критерий KQ.

Расчет критерия KQ рассмотрим более подробно на примере Мурманской области.

В Мурманской области добыча полезных ископаемых подземным способом ведется на предприятиях в городах Кировск и Оленегорск.

Таблица 1

Критерий KQ для Уральского федерального округа

Рис. 1. Климатические параметры для Северо-Западного, Центрального, Уральского, Южного и Приволжского федеральных округов

Рис. 2. Климатические параметры для Северо-Западного, Центрального, Уральского, Южного и Приволжского федеральных округов

Таблица 2

Значения среднемесячной температуры и удельной плотности воздуха в зимний период года

Таблица 3

Стоимость 1 Гкал теплоэнергии и 1 кВт/ч электроэнергии

Расчет стоимости потребляемой тепловой энергии в течение января по формуле (4):

В Кировске:

В Оленегорске:

Результаты расчетов стоимости потребляемой тепловой энергии по формуле (4) в течение зимнего периода для Мурманской области представлены в табл. 4.

Таблица 4

Расчет стоимости потребляемой электроэнергии работы вентилятора в течение года по формуле (2).

В Кировске:

В Оленегорске:

Определение критерия зависимости стоимости кондиционирования рудничного воздуха от затрат на регулирование теплового режима рудничного воздуха шахт и рудников в Мурманской области.

Для Кировска:

Для Оленегорска:

Рис. 3. Районирование России по критерию KQ

По полученным результатам видно, что критерий KQ в городе Оленегорске выше, чем в городе Кировске, почти в 2 раза, что вызвано повышенной стоимостью 1 Гкал тепловой энергии в Оленегорске.

По результатам расчетов, представленных в табл. 1, было проведено районирование горнодобывающих регионов России (рис. 1).

На карте зеленым цветом отмечены области с незначительным увеличением затрат на кондиционирование рудничного воздуха, желтым цветом обозначены области с существенным увеличением затрат. Оранжевым цветом отмечены области с большим увеличением затрат и красным цветом отмечен регион со значительным увеличением затрат на кондиционирование рудничного воздуха (при подогреве и вентиляции).

Таким образом, можно сделать вывод, что применение «безэнергетических» систем при регулировании теплового режима наиболее актуально в Красноярском и Камчатском краях, а также в отдельных районах Забайкальского края и Мурманской области. В областях, отмеченных на карте районирования желтым цветом, следует уделять более тщательное внимание выбору систем регулирования теплового режима.

Авторы выражают благодарность научному руководителю, профессору А.Ф. Галкину за идею работы и помощь при написании статьи.

Рецензенты:

Коршунов Г.И., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой безопасности производств, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», г. Санкт-Петербург;

Галкин А.Ф., д.т.н., профессор кафедры безопасности производств, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», г. Санкт-Петербург.

Библиографическая ссылка