автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.14, диссертация на тему:Повышение эффективности буровых работ за счет совершенствования тепло-обеспечения их технологических потребителей

ударственный комитет РСФСР по делам науки и высшей школы

московский ордена трудового красного знамени геологоразведочный институт имени серго орджоникидзе

РГ6 ОД

- Ц ЛПР «ЮЭ На пРавах рукописи

3 ЛИГ ШЗ УДК 550.822:622.005

Тихонов Юрий Валентинович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ БУРОВЫХ РАБОТ ЗА СЧЕТ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕПЛО-ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

Специальность 05.15.14 - Технология и техника

геологоразведочных работ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1992

Работа выполнена на кафедре Энергетики Московского

ордена Трудового Красного Знамени геологоразведочного института имени Серго Орджоникидзе.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор * A.M. Лимитовский

Официальные оппоненты : доктор технических наук, профессор,

Б.Б. Кудряшов кандидат технических наук, А.П. Жернаков

Ведуща51 организация - ПГО " Центргеология "

Защита состоится " & " 1993 г.'

в Ш час на заседании специализированного совета

в Московском ордена Трудового Красного Знамени геологоразведочном институте им. С.Орджоникидзе.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке

института.

Автореферат разослан " " ^вР.К?.. 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор технических наук,

профессор -1 A.M. Лимитовский

к-у/ ггл t f t './si *

Бумага множительная. Печать офсетная. Объем 1 п.л. Тираж 110 экз.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из основных видов геологоразведочных работ, определяющих сроки, качество и стоимость разведки месторождений, является бурение скважин, затраты па которое составляют свыше 30% отраслевых ассигнований.

Увеличение темпов роста производства и расширение минерально-сырьевой базы страны возможно не только благодаря совершенствованию технических средств и технологии бурения, но и за счет интенсификации буровых работ, увеличения времени годового использования бурового оборудования и проведения работ в труднодоступных районах с суровыми климатическими условиями. В этой связи, обеспечение эксплуатационной надежности является важным требованием, предъявляемым к современным буровым установкам. Решение этой задачи возможно только при нормальном теплообеспечении технологических потребителей объектов буровых работ.

Вопросы, связанные с использованием энергосберегающей техники и тех-юлогии, всегда актуальны. Особенно сейчас, когда повсеместно сокращаются тимиты на поставку топлива, в том числе и в геологоразведочной отрасли. 3 условиях перехода страны к рыночной экономике и удорожания топлива, 1атраты на которое достигают 30% расходов на проведение геологоразведоч-1ых работ, очевиден факт удорожания и самих ГРР. И это, прежде всего, кажется объектов буровых работ, поскольку их энергопотребление осуществляет-:я в основном за счет дизельных электростанций (ДЭС) и двигателей внут-¡еннего сгорания (ДВС) самоходных буровых установок. Но это лишь одна ча-:ть общей проблемы. Другая - вопросы экологии и охраны окружающей среды, 160 сотни ДЭС, самоходных буровых установок и транспортных средств постояп-ю выбрасывают в атмосферу вредные вещества: окиси углерода и азота, кисло-ы, сажу и масло. Видимый выход из создавшейся ситуации в широком исполь-овании в отрасли энергосберегающего оборудования, в первую очередь, утилизами тепла ДВС с применением теплообменной техники, позволяющей не только меньшить удельное потребление топлива, расходуемого на теплообеспечение бъектов ГРР, в том числе и буровых, но и производить очистку выхлопных азов. Таким образом, задача теплообеспечения технологических потребителей бъектов буровых работ за счет комплексной утилизации тепла приводных 1.ВС, создание на этой основе систем теплоснабжения (СТО буровых установок, редставляется вполне актуальной и своевременной, решение которой позво-ит повысить эффективность буровых работ, снизить энергозатраты на их про-зводство и обеспечить необходимый уровень условий труда рабочих.

Работа выполнялась на основе научных и экспериментальных исследова-ий, проводимых в 1985-1992 г.г. в плане ОКР МинГео.

Целью диссертационной работы является повышение эффективн буровых работ за счет совершенствования теплообеспечения их технологическ потребителей путем создания и промышленного внедрения систем теплоснабж ния буровых установок на основе комплексной утилизации тепла ДВС и оптимизации их режимных и конструктивных параметров.

Основные задачи исследований. Выполнение поставленной це учетом тенденций развития энергосберегающей техники и технологии, осуще! лось решением задач исследований:

- анализа состояния теплообеспечения технологических потребителей буров установок и объектов;

- анализа теоретических положений методики определения тепловой нагру: буровых установок;

- анализа использования контактных теплообменных аппаратов (Т.А.) для т обеспечения потребителей в системах утилизации тепла ДВС и изучения можности их применения на объектах буровых работ посредством экспер тальных исследований технико-экономических характеристик данных апп тов, их влияния на эксплуатационные параметры первичных двигателей оценки их экологической эффективности;

разработки систем теплообеспечения самоходных, передвижных и стацион ( буровых установок на основе комплексной утилизации тепла ДВС, эксп ментальных исследований их теплотехнических параметров и характерно выбора оптимальных режимов работы теплового оборудования;

- разработки методов автоматизированного проектирования систем теплооб печения самоходных буровых установок;

- теоретических исследований процесса контактного тепломассообмена для оценки величины теплового потока, передаваемого отходящими газами в тактный теплообменник, в зависимости от режимных характеристик ДВС параметров окружающей среды и математическое моделирование данного процесса.

Методика исследования. Поставленные в работе задачи решались комплексным методом, основанном на анализе отечественного и зарубежного та работ в данной области по литературным источникам, проведением теорет: ких и экспериментальных исследований на стендах и в производственных ус виях. Обработка результатов производилась с использованием методов числен; го моделирования, теории подобия и математической статистики с применени электронной вычислительной техники.

Научная новизна работы состоит в том, что на основании провед ных теоретических и эксперементальных исследований автором впервые:

определены зависимости тепловой мощности систем теплообеспечения основе утилизации тепла приводных ДВС самоходных буровых устано!

от типов и мощности привода и обосновано положение о полном обеспечении тепловой нагрузки данных установок за счет утилизированного тепла энергоисточников;

разработан метод автоматизированного проектирования СТС самоходных буровых установок, в основу которого положен симплекс-метод задачи линейного программирования, позволяющий определить оптимальное сочетание теплового оборудования и укрытий буровых установок по фактору универсальности их применения в различных климатических зонах; установлено, что энергозатраты на приготовление и подогрев технической воды в холодное время года для технологических нужд и вспомогательных операций на объектах ударно-канатного . бурения могут быть полностью компенсированы за счет комплексной утилизации тепла передвижных ДЭС и использования в качестве нагреваемых теплоносителей снега и природного льда; для разработанной на этой основе системы теплообеспе-чения определены оптимальные режимные параметры;

обоснована и практически подтверждена зависимость величины теплового потока СТС, использующих контактные теплообменники, от режимных параметров ДВС и нагреваемого теплоносителя, а также от конструктивных параметров теплообменника;

определена степень влияния системы теплообеспечения с использованием контактных т.а. на эксплуатационные характеристики знергоисточннка и дана оценка экологической эффективности предложенной СТС по показа7 телю степени очистки выхлопных газов от вредных элементов; создана математическая модель определяющая величину теплового потока, поступающего в контактный теплообменник, в зависимости от мощности энергоисточника и начального влагосодержания воздуха, поступающего в цилиндры ДВС.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций боснована достаточным объемом теоретических, экспериментальных и производ-твенных исследований, удовлетворительной сходимостью их результатов, под-вержденной проверкой в производственных условиях по данным предиаритель-ых, приемочных и установочных серийных испытаний систем теплообеспече-ия буровых установок.

Практическая значимость работы заключается в следующем: разработаны схемы теплообеспечения самоходных буровых установок, основанные на принципе использования утилизированного теплового потока приводных транспортных или автономных ДВС, по одной из которых был изготовлен опытный образец, испытания которого практически подтвердили обоснованность и перспективность предлагаемых способов теплообеспечения указанных объектов;

на основе разработанных . схем предложен метод автоматизирование проектирования СТС самоходных буровых установок, позволяющий опрс! лить оптимальные сочетания схем теплообеспечения и буровых укрыт! практически для любых из действующих и^и проектируемых буров! установок для различных условий их эксплуатации; - разработан и прошел серийные испытания универсальный комплекс тепл обеспечения (ТУК-1) объектов ударно-канатного бурения, позволяющи обеспечить потребности в технической воде для технологических нуж; бурения и вспомогательных операций не менее двух буровых установ< Практическое использование данного теплоагрегата позволяет получит] экономию топлива в размере кг ут/ч, повысить кпд энергоисточш

ка в 1.6 раза и нормализовать микроклимат в помещении передвижно! дизельной электростанции;

разработана и испытана система водяного отопления производственны потребителей ГРР, основанная на использовании контактного теплообмен ника в утилизационных системах ДЭС, обеспечивающая качественнук очистку выхлопных газов от вредных веществ и улучшающая эксплуат; ционные характеристики энергоисточника, как то снижение расхода ди зельного топлива на 0.2-0.3 кг/ч, сопротивления выхлопа на 500 Па и уровня шума;

' - разработаны рекомендации по выбору оптимальных режимов работы перс численных энергетических установок, их рациональному комплектовании тепловым и силовым оборудованием.

Реализация работ В промышленности. Экспериментальные обр! цы установок и систем теплообеспечения объектов буровых работ использова в экспедициях ПГО "Севвостгеология", "Центргеология". Комплексный утили: ционный агрегат ТУК-1, прошедший серийные испытания, принят к внедрению. Его использование на объектах ударно-канатного бурения в Берелехско ГРЭ ПГО "Севвостгеология" позволило получить экономический эффект в ра мере 5147 руб/год (по нормам и расценкам 1990 г).

Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждались заседаниях технической секции НТС объединений "Севвостгеология", "Центрг логия", производственных совещаниях Луганского СПКБ НПО "Геотехника1 и в геологоразведочных экспедициях, а также на научных конференциях прс фессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов секций Автоматизации и Энергетики МГРИ в 1986-92г.г.

По теме диссертации опубликование 4 печатные работы. Результаты иссл( дований вошли составными частями в 7 научно-исследовательских отчетов.

Объем И структура работы. Диссертационная работа состоит из В1 дения, 5 глав и заключения, содержит страниц машинописного текста, 37 рисунков, Г таблиц, библиографию из 82 наименований и приложений.

По введении дана краткая характеристика выполненной работы, обоснована ктуальность проводимых исследований и приведены их общие результаты.

В первой главе дан анализ состояния теплообеспечения технологических отребитслей буровых установок. Рассмотрены особенности теплоснабжения бъектоп буровых работ, с учетом которых предложена классификация буровых становок по способам и условиям их теплообеспечения. На основании прове-енного анализа сформулирована цель и поставлены задачи исследований.

Во второй главе рассматриваются вопросы теплообеспечения самоходных бу-овых установок. Предложены рекомендации по оценке теплопотерь данных объ-ктов. Обоснованы выбор теплоисточников и методика расчета СТО самоходных становок на основе комплексного использования приводных транспортных и втономных ДВС. Разработаны принципиальные схемы теплообеспечения, приведе-ы результаты испытаний одной из них. Предложен метод автоматизированного роектирования СТС самоходных установок.

В третьей главе приведены результаты испытаний разработанной системы зплообеспечения технологических потребителей объектов ударно-канатного буре-ия. Определены производительность комплекса, тепловая мощность элементов г1Стемы и установки в целом в зависимости от режимов работы энергоисточни-а (ПДЭС) и параметров окружающей среды. Выявлены оптимальные режимы ра-эты теплоагрегата. Приведена оценка экономической, экологической и социаль-ой эффективности применения комплекса теплообеспечения на объектах ГРР.

В четвертой главе анализируется опыт применения контактных теплообменника для теплообеспечения потребителей в системах утилизации тепла ДВС. На :нове выводов и рекомендаций разработана отопительная система с использо-шием контактного т.а. Приведены результаты испытаний по оценке ее тепло-:хнических характеристик и экологической эффективности.

В пятой главе выполнены теоретические исследования процесса контактного :пломассообмена в СТС утилизации тепла ДВС. Определены условия оптимиза-гЮнной задачи, ограничения области задаваемых параметров. Создана математи-:ская модель, позволяющая определить величину теплового потока, передавае-эго отходящими газами в контактный Т.Л. и зависимости от мощности энерго-:точника (ДВС) и начального влагосодержания воздуха, поступающего в цилин->ы ДВС.

В заключении сформулированы основные выводы по работе, втор выражает глубокую признательность научному руководителю диссертациоп-)й работы, профессору A.M. Лимитовскому и сотрудникам кафедры Энергетики

советы и реальную помощь в проведении работы. Автор благодарит также ру-шодство и сотрудников ПГО "Севвостгеология", ОМПНТ ПГО "Центргеология", ПКБ НПО "Геотехника" (г.Луганск) за помощь по организации и участию в юведении исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Краткие сведения ПО изучаемому вопросу. Изучение вопросо! состояния теплообеспечения объектов буровых работ строилось на основе анализа исследований теплофизических процессов в системах отопления промышленных объектов,отраслевых научных и опытно-конструкторских раб по созданию СТС буровых установок. Этой проблеме посвящены работы В.Н. Богословского, Л.Д. Богуславского, П.Я. Богинского, В.Н. Денисова, Д.М. Кураса, М.А. Михеева, В.И. Муравейника, Ф.В. Ушкова и др. В результате анализа их исследований, обобщений производственного опыта и собственных наблюдений было установлено:

1. Теплообеспечение самоходных буровых установок находится на низком т

ническом уровне, что предопределяет не только снижение эксплуатаци пых характеристик технологического оборудования, создание зачастую г рийных ситуаций, но и предполагает рост простудных заболеваний об< живающего персонала. Существующие СТС и схемы распределения Tei вого потока не обеспечивают необходимой тепловой нагрузки и комфор микроклимата в буровом укрытии. Значительные по величине (25 кВт более) инфильтрационные теплопотери могут быть компенсированны ист пиками теплоты конвективного и радиационо-конвективного типов.

2. Имеется опыт положительных решений по созданию эффективных СТС

движных установок колонкового бурения, связанный с использованием ; ленных ограждений буровых зданий и отопительных систем радиащ конвективного обогрева (СКБ "Союзгеотехника"). Перспективным направ ем, обеспечивающим снижение материальных затрат на отопление, явля создание систем теплообеспечения данных объектов на основе использо! утилизированного тепла ПДЭС.

Обеспечение технологических и вспомогательных операций в холодное мя года на объектах ударно-канатного бурения связано с энергозатрата на процесс приготовления и подогрева технической воды. Традиционны собы решения этой проблемы приводят к массовой вырубке леса, больи расходу дефицитного жидкого и твердого топлива.

3. При теплообеспечении объектов глубокого бурения используются достиж

отечественной теплоэнергетики, в т.ч. промышленные теплообменные ап ты. Основным недостатком СТС указанных потребителей является низке чество очистки греющих теплоносителей от вредных элементов и прим! что существенно ухудшает экологическую обстановку в местах проведе! буровых работ.

Повышения эффективности буровых работ, надежности технологического рудования, и увеличения сроков годового использования буровых установок можно добиться путем широкого внедрения СТС на основе использования у зировампого тепла приводных ДВС. Это позволит снизить затраты топливно

гических ресурсов на теплообеспечеиие объектов буровых работ и обеспечить обходимый уровень труда рабочих.

просами утилизации тепла ДВС, применения п С'ГС теплообменной техники нимались исследователи В.В. Алексеев, П.И. Бажан, A.M. Бакластов, В.А. Гор-нко, П.А. Копачинский, A.M. Лимитооский, В.А. Савицкий и др., отечествен-ie и зарубежные объединения и фирмы, в т.ч. "Wartsila" и "Valmct" (Финлян-|я), "Dynatherm Corporation" (США), "Mitsubishi" (Япония) и другие, результате анализа исследований были сформулированы цель и задачи, наболенные на создание, внедрение и анализ работы систем теплообеспсчения ъектов буровых работ, определения их оптимальных режимов. Решение данных тросов осуществлялось в комплексе с исследованиями влияния СТС на экплуа-ционные характеристики приводных ДВС, разработкой мероприятий по охране :ружающей среды, в частности, использовании в отопительных системах контак-[ых теплообменных аппаратов.

Основные защищаемые положения. Обобщение результатов анали-шсских, экспериментальных .и опытно-промышленных исследований по изу-1Смому вопросу позволило сформулировать защищаемые положения.

Конвективные и раднациоино-конвективные системы тсплообсспеченин на эснове утилизации тепла приводных ДВС по разработанным схемам способны обеспечить необходимую тепловую нагрузку и повысить время годового использования самоходных буровых установок на 25%. Определена _ . -зависимость тепловой мощности СТС от типов и мощности привода и на этой основе предложен метод автоматизированого проектирования систем тепло-обеспечения самоходных буровых установок.

стаиовленно, что тепловая нагрузка самоходных буропых установок, определимая по величине теплопотерь объекта с учетом тепловыделений от привода и ехнологического оборудования, составляет в холодное время года от 25 до 50 Вт. Основную долю в общем балансе занимают ин'фнльтрационные теплопоте-и (50-70%), связанные с замещением теплого воздуха помещения буровой про-икающим снаружи холодным воздухом вследствие естественной конвекции че-ез технологические проемы и щели укрытия. В результате этого микроклимат

укрытии характеризуется низкой стабильностью, значительными перепадами емператур, что отрицательно влияет на работоспособность технологического (борудования, контрольно-измерительной аппаратуры и производительность руда персонала. Для нормализации микроклимата, повышения надежности ра-¡оты оборудования необходима изоляция помещения , буровой установки от про-шкновения холодного воздуха средствами теплового душирования и создания юздушных завес в зонах возможной инфильтрации, что обеспечивается конвективными и радиационио-конвективными СТС.

Величина теплового потока, вырабатываемого при сгорании топлива в цилш приводного транспортного или автономного ДВС, превышает механическую 1 ность данного энергоисточника примерно в 3 раза. Утилизация тепловой ЭН1 привода в созданных на этой основе СТС самоходных установок, с учетом и мощности приводного ДВС, условий эксплуатации технологического обору ния и использования современных конструкций теплоэнергетических устано! обеспечивает следующие тепловые потоки: 1. Тепловая мощность системы, утилизирующей энергию выхлопных газов дву теля.

Рц^Т, ¿п,6

<2ут.г -К,, К2 К3-л---ТР ), кВт [1]

Ц Тц 601ч

где

К<| - коэффициент, учитывающий степень загрузки бурового технологич)

кого оборудования К) -0.65 т 0.75; ;

Кг - коэффициент, учитывающий ограничение механической мощности, редапасмой технологическому оборудованию от транспортного двип теля, определяемый по паспортным данным буровой установки (Кг' -0.6). Дли установок с автономным приводом К -1.0; Кз - коэффициент, учитывающий потери тепла в подводящем газовом т) проводе и от несовершенства применяемого отопительного оборудов (Кз -0.7 :- 0.9);

Т^,!^ ,Т, - технические характеристики привода (соответственно да ние, объем, температура газов в цилиндрах и в момент выпуска) в номинальном режиме его работы; па£ - число оборотов двигателя 1/мин;

плотность и теплоемкость выхлопных газов , кг/м, кДж/кг.'С Тр - приведенная температура газов на выпуске из СТС, принимаемая р

о „

нои температуре точки росы, С; Тц- число тактов двигателя;

Чч- коэффициент наполнения цилиндров ДВС. 4

2. Тепловая мощность системы охлаждения двигателя, которую возможно ути. зировать

()е ^н-МьС,^- 1р*)], кВт [2]

где

К ц - коэффициент, учитывающий потери тепла через поверхности радиг

ров ДВС при их размещении вне зоны укрытия (К4-0.8-0.9); Мм - расходы теплоносителей, соответственно воздуха, пропускаемого Мб через радиаторы вентилятором воздушного охлаждения двигателя, - температура воды в радиаторе, на выходе из него и поступающей в (¿Лр рубашку охлаждения цилиндров ДВС, "С;

о

1ан - температура воздуха внутри помещения 11и-13 С; с„и св - средние теплоемкости воздуха и воды, кДж/кг'С.

Теоретически, величина (}р составляет 30-35% вырабатываемой ДВС тепловой энергии, поскольку воздух пропускаемый через радиаторы охлаждения, дополнительно нагревается при взаимодействии с поверхностью'двигателя. Таким образом, с учетом приведенных зависимостей и обоснованных выше способов теплообеспечения, автором предложены схемы СТС, основанные на использовании утилизированного тепла привода самоходных буровых установок (рис. 1) Представленные на рисунке схемы СТС могут быть использованы для теплообеспечения самоходных буровых установок с транспортным (а,б) или автономным (б,в) приводным двигателем. Организация теплового душирования и создание воздушных завес производится конвективным способом-подачей по вентиляционным рукавам (б) нагреваемого в теплообменнике (2) воздуха в технологические зоны, проемы и на рабочие места.

Обоснованность предложенных схем теплообеспечения подтверждена результатами экспериментальных исследований. По схеме 1.а был изготовлен и испытан в производственных условиях опытный образец системы обогрева (уст-ка УРБ-2Л-2ГК). Величина тепловой мощности СТС составила 25 кВт. С учетом повышения расхода вторичного теплоносителя (Ме1 ) и увеличения поверхности взаимодействия теплообменных сред до расчетных (форм. 1) значений ее величина возрастет в 1.7 раза. Разработанный на основе представленных схем метод автоматизированного проектирования СТС самоходных буровых установок (рис.2) является частным решением задачи линейного программирования симплекс-методом. Многовариантный анализ СТС учитывает перебор сравниваемых вариантов бурового укрытия (I) и базисных переменных - климатических зон Ш эксплуатации буровой установки. По фактору унификации (множественности) использования 1 выбирается рациональное сочетание схемы теплообеспечения и укрытия буровой установки. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований, предложенных новых технических решений и методов можно утверждать, что возможна круглогодичная эксплуатация самоходных буровых установок с :облгоденисм необходимых технических требований работы технологического оборудования и санитарных норм для обслуживающего персонала.

2. Теплообеспсченнс технологических процессов и вспомогательных операций при бурении ударно-канатным способом может быть осуществлено с помощью разработанной комплексной теплоутилизационной установки, использующей в качестве нагреваемых телоносителей снег и природный лед, в определенных оптимальных режимах ее работы.

4а основе анализа энергопотребления объектов ударно-канатного бурения в условиях Крайнего Севера был разработан энергетический комплекс, обес-ючивающий необходимую электрическую и тепловую нагрузку 2 буровых уста-ювок и вспомогательного технологического оборудования. Тепло-

техн. зоны и

Рис.1 Принципиальные схемы СТС самоходных буровых устано

а) воздушно-отопительная

б) радиационно-конвективная

в) радиационно-конвективная с ис

зованием системы охлаждения 1-вептил.ятор, 2-теплообменник, 3-насос, 4-радиаторные отопители,

5-перепускные клапаны,

6-вентиляционные рукава.

/Схемл I / /схема, у / /схемл /У

Рое ^¿7- СГС гге> ыгме X

пег

faever СГС /го апг/+е Т

г oerer С во ейгел*е

Рис.2. Блок-схема программы самоходных буровых

А' Б~ Рлмёг re/T/to/roreai oipa*<c>eMui) ' по j/cyroffu/o теtT/roäotr ноеемЗ#сг<-Л/

12)S Supo&oto y*fli/rv/) ___

схем*/ сrc.- Г коыец „<, crocoS* ^/»J -

по uc/ioSvso cpaSj/глим Wjots^tr/paij- те/глолог, 22-"О Типу при&сда/дилыми, ха^Ъюротернь/и/ автоматизированного проектирования СТС установок.

энергетическая система комплекса осуществляет полную утилизацию теплового потока энергоисточника, полезно используя тепло выхлопных газов, системы охлаждения и нагреваемой поверхности ДВС,. потребляемое на процесс приготовления и подогрева технической воды, необходимой для бурения и опробования, способами поверхностного и контактного теплообмена. В результате экспериментальных и опытно-промышленных исследований комплекса установлено, что его производительность (получение и нагрев технической воды до 1-30° С) при рабочей нагрузке буропого оборудования 1^-35 кВт составляет 7-10 м/сутки, а тепловая мощность равна 0^-38 кВт. Учитывая, что суточная потребность в технической поде объектов ударно-канатного бурения • равна 5-8 м*, можно утверждать, что теплоагрегат обеспечивает необходимую производительность. Представленные на рис.3 графики зависимостей тепловой мощности элементов комплекса от нагрузки генератора ПДЭС и параметров теплоносителей позволяют определить оптимальные режимы работы теплоагрегата.

35 30 25 20 15 ЛО

5

0В .кбт

^з=35,7кЬт

Ов" кВт

5;

1000% 1Ь 0£?ИД

сй%

? 10 15 £0 <?5" 20 35 40

Р3

кВт

Рис.3. Зависимость величины тепловой мощности водяной (а) и воздушной (б) систем комплекса телообеспечения ТУК-1 от нагрузки (I]) генератора ДЭС, расходов теплоносителей (воды - Сь и воздуха - См) и их параметров (1).

На основе анализа экспериментальных данных можно сделать вывод, что в режимах рабочих нагрузок технологического оборудования (1^—32^40 кВт) повышение тепловой мощности комплекса возможно за счет увеличения подачи теплоносителей до верхних предельных значений ( СЬ5-3000 г^/ч ,

Об-5.6 м%), регламентированных их отрицательным воздействием на эксплуатационные характеристики ДЭС (снижение температуры охлаждающей « 3

жидкости ДВС до 1£70 С и повышение сопротивлеления выхлопа, до 1^>3'Ю

Па). Использование в качестве нагреваемых теплоносителей снега и природного льда, при условии их циклической загрузки в аккумулирующий емкость с временем цикла Гц-1.5-2 часа, обеспечивает постоянный высокий перепад температур между теплоносителями в емкости и теплообменнике ( Д^. -300^350°С), что определяет стабильную и эффективную работу комплекса ( -0.70v0.73) п течение всей смены.

Социальная и экологическая эффективность от использования предложенного комплекса, по сравнению с традиционными способами теплообеспечс-ния, заключается в нормализации микроклимата в помещении ПДЭС (^-20 С, Уен-1-2 м/с) за счет перераспределения теплового потока от энергоисточника, экономии 300 м/год дров и сохранения от вырубки не менее 25 га леса на 1 буровой отряд.

3. Использование контактных теплообменников в системах теплообеспечени объектов ГРР на основе утилизации тепла ДВС способствует повышению э фективности указанных систем по показателям утилизированного тепловогс потока и степени очистки отходящих газов от вредных элементов и улучшению эксплуатационных характеристик привода.

Применение контактных теплообменных аппаратов в системах теплообсспе-чения на основе утилизации тепла ДВС имело место как в машиностроении, так и в геологоразведочной отрасли. Однако, проблема их использования до сих пор носит частный характер (предложения, авторские заявки, использование на отдельных объектах), поскольку не производилось качествен ной оценки теплотехнических характеристик указанных установок, их экологической эффективности и влияния на работу эпергоисточника. С этой целью была предложена, разработана и испытана система водяного отопления потребителей ГРР на основе утилизации тепла ДВС с применением контактного теплообменника.

Полученные результаты показали, что величина утилизированного теплового потока предложенной СТС достигает 45 кВт (при Рэ -32 кВт) и выше в среднем па 10-12 кВт чем у аналогичных СТС, использующих поверхностные т.а. Повышение тепловой мощности системы происходит за счет увеличения коэффициента теплопередачи (Ку) между теплоносителями вследствие отсутствия разделительной поверхности.

На эффективность процесса тепломассообмена СТС, использующей контактный теплообменник, влияют режимные параметры обоих теплоносителей (давление, расход и температура) и конструктивные параметры теплообменника. Увеличение нагрузки (Рэ") на генераторе ДЭС приводит к повышению расхода (Мг) и давления (1'ст) выхлопных газов, поступающих в теплообменник, а также увеличению перепада температур между газами (Т^ ) и питательной водой (111), что в итоге предопределяет рост величины теплового потока ). Конструктивные параметры теплообменника в значительной степени влияют на эффективность его работы (рис.4). В результате исследований было установлено, что величина теплового потока от высоты активной части т.а. (Ц)ми его внутреннего диаметра (с1 ), определяющих полезный объем взаимодействия теплоносителей, находится в зависимости

-2 степени (рис.4 ). Объемный коэффициент теплопередачи (Ку), составляемый такими параметрами, как диаметр капель (с!) и их поверхность (Г), зависит от перепада давления в форсунке распыления питательной воды. При использовании форсунки низкого давления на эффективность процесса тепломассообмена влияет высота (И) перемещения диска-распылителя относительно сопла форсунки (рис.4.б).

ОЛ о,?$ о.з Ц35 г.о г.5 40 з/ 4,0

■ Нсм,н Ь, ми

Рис.4. Зависимость величины теплового потока ((} ) теплоутилизационной системы от высоты активной части (а), и перемещения диска-распылителя (б) относительно сопла форсунки теплообменника при переменных нагрузках ДЭС(Р ) и постоянном расходе питательной воды Мв-0.6 кг/с

По результатам экспериментов установлены оптимальные параметры системы теплообеспечения; расход воды Мв-1.6г2.0 кг/с, высота перемещения диска 11-2.0-2.5 мм, высота смесительной камеры 1^0.35-0.5 м. Увеличение высоты активной части т.а. приводит к повышению теплопотерь через поверхность теплообменника.Верхние пределы параметров СТС соответствуют номинальным нагрузкам ДЭС (Р^-бОкВт). В указанных режимах и условиях СТС, использующая контактный теплообменник, имеет широкую область эффективной работы ( 1£то~0.75-0.81) практически во всем интервале нагрузки генератора ДЭС (Р9 -ЮтбО кВт).

Исследование экологической эффективности от использования контактного теплообменника осуществлялось по изменению химического состава питательной воды, пропускаемой через т.а., а также по количеству полученных в результате эксплуатации СТС осадков (зола, масла и т.д.), продуктов неполного сгорания топлива. Установлено снижение вредных пыбро-:ов в атмосферу 2 и 3 атомных газов (СО.СО^ ,N0,80^ ), осаждающихся на юверхности распыляемых капель питательной воды в теплообменнике и зступающих с ними в химическое взаимодействие с образованием кислот-1ых соединений (Н^БО^, НгС015и др.). При этом химический состав питательной воды в отопительной системе по показателю рН изменился с : рН-7.06-7.08 до рН-б.93-6.97. Пусковой режим ДВС сопровождается зна-

чительным выбросом ядовитых газов (рН-4.5-5.5 -кислая среда). Наибольшая экологическая эффективность СТС с контактным т.а. наблюдалась в период запуска и прогрева ДВС ( при 1Р-40°С, рН—ф, Iр—60°С, рН-5,6), поскольку данные режимы характеризуются некачественным сгоранием топлива в цилиндрах двигателя.

За исследуемый период эксплуатации СТС (200 часов) на поверхности отстойника осело до 0.5 кг органического масла и сажи. Осадок несгорев-шего углерода в виде золы составил 0.08-0.12 г на 1кг выпускаемых газов. Исследование влияния работы СТС с использованием контактного теплообменника на эксплуатационные характеристики энергоисточника показало, что указанная система способствует снижению сопротивления выхлопа (рп-) и экономии дизельного топлива (табл.1). Таблица 1.

1 Характеристики работы ¡ДЭС без исп. СТС | с исп-ем СТС 1 | Нагрузка ДЭС, Рэ кВт 1 1 1

1 1 о 1 1 1 1 ю | 1 1 20 1 30 | 1 40 | 1

Сопротивление выхлопа, 1 лРс„ к Па 1 1 1.60 1 1.15 1 1 1 | 2.30 | 1 1л5 1 1 1 2.56 2.10 3.20 | 2.65 | 1 3.60 | 3.08 | 1

(Расход дизельного топ- 1 | 5.76 1 1 |б.00 | 8.05 9.92 | 1 11.20 |

лива, Сг, кг/ц 1 | 5.75 1 ¡5.86 ) 1 1 8.80 9.65 | 1 10.92 ¡ 1

Снижение сопротивления выхлопа происходит вследствие значительного охлаждения газов в теплообменнике (л1^-150-250 С). В свою очередь, снижение сопротивления обеспечивает качественное сгорание топлива в цилиндрах ДВС и понижение его расхода.

Таким образом, использование контактных теплообменников в системах теплообеспечения объектов буровых работ, применяющих в качестве энергоисточника ДЭС, является перспективным направлением энергетики отрасли, способствующим повышению эффективности СТС объектов ГРР.

4. Величина теплового потока, передаваемого от энергоисточника в контактный теплообменник с отходящими газами ДВС, может быть определена по разработанной математической модели, для которой в качестве переменных параметров принята текущая нагрузка на генераторе ДЭС и начальное влаго-содержание воздуха, поступающего в цилиндры двигателя внутреннего сгорания.

!еличина теплового потока, передаваемого с отходящими газами от энерго-1Сточника (ДВС) нагреваемому теплоносителю, является основой характеристикой теплоэнергетической системы по которой определяются ее тепло-;ая мощность, конструктивные и режимные параметры. Она оценивается по 13вестной формуле:

Ог - От (I, -12) .кВт [3]

де

Ст - расход топлива ДВС, кг/с

энтальпии продуктов сгорания соответственно на входе и выходе энергетического устройства (в данном случае-контактного теплообменника) кДж/кг ! свою очередь энтальпия продуктов сгорания равна:

К+а-ШГ, кДж/кг [4]

де

о

1Г- энтальпия продуктов сгорания при коэффициенте избытка воздуха Ь-1. 1е5- энтальпия воздуха, поступившего в цилиндры ДВС.

доставляющие компоненты топлива и воздуха, их объемные содержания и |араметры, входящие в формулы [3] и [4], широко изучены в теории сгорания оплива и представляются в виде числовых значений или характерных уравне-[ий - полиномов п -степени по 1-2 переменным. Однако, определение величи-[ы теплового потока (ф являются достаточно трудоемкой операцией при пере-1енной нагрузке ДВС(1р, поскольку именно она определяет значения перечис-[енных выше переменных параметров Ют-щр, 1—Г(и т.д.)

1редлагаемая математическая модель, основанная на анализе эксперимента-[ьных данных и известных теоретических зависимостей, позволяет выразить 1еличину теплового потока (ф через нагрузку энергоисточника и параметры жружающего воздуха в помещении машинного зала ДЭС. )бласть задаваемых значений задачи ограничивалась условиями: частота вращения вала ДВС принималась постоянной;

коэффициент избытка воздуха, поступающего в цилиндры двигателя также принимался постоянным;

о

температура газов на выходе из контактного т.а. равна 50 С,т.е. соответствует температуре питательной воды на входе в т.а, нормированной для обратных магистралей систем водяного отопления. ^ учетом принятых положений и условий формулу [3] можно выразить через функцию 2 переменных;

0г-<3г<1э> +д<Зг0э:с1) , кВт [5]

где

(2Г(Р5) - зависимость теплового потока от нагрузки ДЭС при начальном влагосодержании воздуха, поступающего в цилиндры двигател: равном (1-0,кг/кг

лдг(1'3 ;с)) - приращение теплового потока по переменным Рэ-уаг и (1-уаг. Первое слагаемое формулы [5] гипотетически было выражено в виде показательной функции:

<2г(Рэ)-а+в" [6]

где и -Р3

Приведение указанной функции к линейному виду и ее аппроксимация по данным экспериментальных исследований позволили получить следующию эмпирическую формулу: Оо,4э

0г(Рэ)-1.82 + 1.683 ,кВт [7]

Оценка коэффициентов регрессии нелинейной модели функции приращения теплового потока по 2 факторам, производилась методом ортогонального планирования. Функция была представлена в виде:

а<Зг- в0+ в^+вгхг+ в1гх, кг [8]

где

х1 и хг- независимые переменные ц,..в,г- искомые коэффициенты регрессии.

При решении матрицы планирования эксперимента,составленной в соответствии с выражением [8], получилось аппроксимирующее уравнение:

д<Зг- 15.78(1 + г-ю"4!! +1.698 й-Р3 - 0.67 [9]

Общее уравнение математической модели теплового потока, передаваемого и контактный теплообменник с отходящими газами ДВС п соответствии с формулами [7] и [9] приняло вид: р0,13

0Г- 1.15 +1.68 +2-10",<Р3 +1.698 сЩ +15.78(1 кВт [10]

Оценка адекватности разработанной математической модели реальному изуча емому процессу по критерию Фишера показала высокую сходимость результг (Р -0.00123). Расчетный множественный коэффициент корреляции Я-0.9995 подтверждает адекватность модели экспериментальным данным. Таким образом, разработанная математическая модель, определяющая величш теплового потока, передаваемого в теплообменник с отходящими газами ДВС по факторам нагрузки эпергоисточпика и начального влагосодержания во духа М), позволяет быстро и качественно оценить тепловую мощность СТС для различных климатических зон се эксплуатации во всем диапазоне режт работы ДЭС и прогнозировать мощности утилизационных систем теплообеспе ния в зависимости от типов и классов ДЭС.

сновные положения диссертационной работы нашли отражение в следующих аботах:

Электро- и теплоснабжение геологоразведочных работ. Справочное пособие под общ. редакцией проф. Лимитовского A.M. М."Недра" 1988 /Соавторы A.M. Лимитовский, Ю.А. Марков, М.В. Меркулов и др./

Вопросы и перспективы теплообеспечения технологических потребителей па участках ударно- канатного бурения в условиях Крайнего Севера. Межвузовский сборник научных трудов "Технология и техника геол.--развед.работ М:изд.МГРИ 1988

/Соавторы A.M. Лимитовский, М.В. Меркулов, В.И. Лузганов/

Теплообеспечение потребителей геологоразведочных работ и охрана окружающей среды за счет использования вторичных энергоресурсон на базе контактных теплообменников.

Геэдетия и р&.ьйедкз. N 10 1991

/Соавтор A.M. Лимитовский/

1Дтоги конкурса, ло рз.ърз.Ъо~?\*.£ аоЪоа техники...

Разведка и охрана недр N X 1990 /Соавторы

&М. РеЪр^с ¿/./7. JfiycroS и Эр.