автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Повышение эффективности рудничных компрессорных установок за счет утилизации вторичных энергоресурсов

На правах рукописи

ЖАТКИН Александр Николаевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РУДНИЧНЫХ

КОМПРЕССОРНЫХ УСТАНОВОК ЗА СЧЕТ УТИЛИЗАЦИИ ВТОРИЧНЫХ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ

05.05.06 - «Горные машины»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 АПР 2015

005566697

Екатеринбург - 2015

005566697

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» на кафедре горной механики.

Научный руководитель - Попов Юрий Владимирович,

доктор технических наук, доцент.

Официальные оппоненты: Рыбин Александр Аркадьевич,

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры горной электромеханики ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»;

Ташлыков Олег Леонидович,

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры атомных станций и возобновляемых источников энергии ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина».

Ведущая организация - Научно-исследовательский и проектный

институт обогащения и механической обработки полезных ископаемых ОАО «Механобр».

Защита состоится «29» апреля 2015 г. в 10й часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.03, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет», в зале заседаний Ученого совета по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» http//www.ursmu.ru.

Автореферат разослан «-f 9 » марта 2015 г.

Ученый секретарь ^^

диссертационного совета Хазин Марк Леонтьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Во многих отраслях промышленности наряду с электрической энергией широко используется пневматическая энергия, или энергия сжатого воздуха. Рудничные компрессорные установки (РКУ), генерирующие эту энергию, являются наиболее энергоемким оборудованием предприятия, с удельным весом в балансе горных предприятий с подземным способом добычи полезного ископаемого, который составляет 20-35 %.

Широко известно, что компрессорные установки наряду с выработкой сжатого воздуха являются и генераторами тепловой энергии. Наибольшее распространение получили рудничные компрессорные установки с системой охлаждения, основанной на применении градирен с замкнутым циклом охлаждения. При эксплуатации РКУ производится большое количество вторичных энергоресурсов (ВЭР), представляющих собой оборотную воду системы охлаждения РКУ, которые, в свою очередь, не находят дальнейшего применения и сбрасываются в атмосферу.

Одним из эффективных энергосберегающих способов, повышающих эффективность эксплуатации РКУ, позволяющих экономить органическое топливо, снижать загрязнение окружающей среды, удовлетворять нужды потребителей в технологическом тепле, является применение энергосберегающих систем на основе теплонасосных технологий производства тепловой энергии.

Для осуществления конкретных мер, направленных на повышение эффективности работы РКУ, необходимо иметь ясное представление о процессах, происходящих при производстве ВЭР, и о факторах, определяющих эффективность процесса утилизации ВЭР в сочетании с внешними условиями эксплуатации РКУ. Поэтому несомненна актуальность вопросов повышения эффективности РКУ, реализация которых осуществляется применением новых теплонасосных технологий производства тепловой энергии при эксплуатации рудничных компрессорных установок.

Объект исследования. Рудничные компрессорные установки, во взаимосвязи со вторичными энергоресурсами, с целью их утилизации по критерию минимума затрат при производстве тепловой энергии.

Предмет исследования. Рудничные компрессорные установки с позиции утилизации вторичных энергоресурсов, в сочетании с внешними условиями работы.

Цель работы. Повысить эффективность работы рудничных компрессорных установок на основе комплексной утилизации вторичных энергоресурсов.

Идея работы. Эффективность работы РКУ может быть достигнута утилизацией вторичных энергоресурсов, на основе разработки модели мониторинга режима работы и технического состояния при производстве тепловой энергии посредством использования тепловых насосов.

Методы научных исследований. Анализ опыта эксплуатации рудничных компрессорных установок в реальных условиях горнодобывающих предприятий в процессе выработки вторичных энергоресурсов, использовании энергетического анализа термодинамических процессов утилизации ВЭР, метод системного анализа и математического оптимизационного моделирования.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Повышение эффективности рудничных компрессорных установок обеспечивается увеличением коэффициента преобразования утилизации вторичных энергоресурсов за счет применения двухступенчатого сжатия современных рабочих агентов в теплонасосной установке.

2. Повышение эффективности рудничных компрессорных установок достигается увеличением степени утилизации вторичных энергоресурсов за счет определения границ параметров, установленных на основе моделирования потерь в теплонасосной установке.

3. Рабочий тепловой режим рудничных компрессорных установок при утилизации вторичных энергоресурсов определяется посредством предложенного поправочного коэффициента Кты, учитывающего изменение температуры окружающего воздуха, температуры вторичных энергоресурсов и скорости ветра.

Научная новизна.

1. Предложен метод использования теплонасосного комплекса совместно с рудничными компрессорными установками, определяющий наиболее рациональную их работу.

2. Разработана система мониторинга основных рабочих параметров процесса утилизации вторичных энергоресурсов, рассматривающая функционирование комплекса теплонасосной установки совместно с рудничными компрессорными установками.

3. Значительное повышение эффективности рудничных компрессорных установок достигается посредством применения нового метода двухступенчатого сжатия рабочего агента, определенного на основе обобщенных критериев эффективности утилизационной теплонасосной установки.

4. Предложен коэффициент, учитывающий влияние параметров внешней среды на эффективность производства . тепловой энергии посредством утилизации вторичных энергоресурсов рудничных компрессорных установок.

Достоверность и обоснованность основных научных положений, выводов и результатов исследования подтверждается конкретным использованием методов математического моделирования, выводы и рекомендации обоснованы применением теорий и методов исследования энергетического анализа термодинамических циклов процесса утилизации вторичных энергоресурсов, методов системного анализа с применением современного компьютерного оборудования и программного обеспечения.

Практическое значение работы.

1. Установлены величины наибольших потерь, определены современные методы и средства повышения эффективности рудничных компрессорных установок при утилизации вторичных энергоресурсов.

2. Разработана математическая и физическая модель теплонасосной установки, позволяющая определить экономическую эффективность процесса утилизации вторичных энергоресурсов рудничных компрессорных установок в зависимости от влияния внешних параметров.

3. Разработана комплексная система мониторинга процесса утилизации вторичных энергоресурсов конкретных рудничных компрессорных установок.

Реализация результатов работы. Предложенная комплексная система утилизации вторичных энергоресурсов рудничных компрессорных установок, с целью получения высокопотенциального источника тепловой энергии, повышения энергоэффективности компрессорных установок, рекомендуется предприятиям, использующим значительное количество рудничных компрессорных установок, например ОАО «Гайский ГОК».

Система утилизации вторичных энергоресурсов рудничных компрессорных установок совместно с комплексом мониторинга процесса производства высокопотенциального источника тепловой энергии принята к внедрению на подземном руднике ОАО "Гайский ГОК" с ожидаемым экономическим эффектом 12735,5 тыс. руб/год. При этом эффективность рудничных компрессорных установок при утилизации вторичных энергоресурсов повышается на 12 %.

Личный вклад автора. Работа содержит результаты многолетних исследований, выполненных лично автором, а также при его непосредственном участии. Личное участие состоит в постановке и разработке основной идеи и темы работы, в проведении системного анализа процесса утилизации вторичных энергоресурсов рудничных компрессорных установок, разработке обобщенных критериев эффективности процесса производства высокопотенциального источника тепловой энергии, анализе и обобщении полученных результатов, формулировании выводов.

Апробация работы. Результаты работы, ее основные положения докладывались на ежегодных научно-практических конференциях в У11 У в рамках Горнопромышленной декады (Екатеринбург, 2009 г.), на ежегодных Международных научно-технических конференциях "Чтения памяти В .Р. Кубачека" (Екатеринбург, 2011, 2012 гг.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ, в том числе 2 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах. Зарегистрирована модель ЭВМ «Мониторинг рабочих параметров теплового насоса».

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 93

наименований и содержит 150 стр. машинописного текста, 59 рисунков, 37 таблиц.

Во введении отображена общая характеристика работы.

В главе 1 проведен общий анализ вторичных энергоресурсов рудничных компрессорных установок, рассмотрен способ повышения эффективности РКУ за счет применения современных теплонасосных технологий, рассмотрены современные тепловые насосы и способы повышения их эффективности, сформулированы цели и задачи исследования.

В главе 2 проведена оценка влияния параметров теплонасосной установки (ТНУ) на эффективность утилизации ВЭР РКУ. Определена методика выявления коэффициента преобразования |лта в зависимости от AT при работе на разных рабочих агентах. Определены пути повышения эффективности утилизации ВЭР РКУ за счет применения теплонасосных установок.

В главе 3 проведено моделирование и аналитическое исследование работы ТНУ при утилизации ВЭР РКУ. Разработана схема алгоритма расчета параметров совместной работы элементов ТНУ. Определена зависимость, влияющая на совместную работу ТНУ и РКУ с учетом влияния скорости ветра, температуры наружного воздуха и вторичных энергоресурсов, с учетом различных схем обеспечения тепловой энергии.

В главе 4 произведена технико-экономическая оптимизация ТНУ с учетом переменных нагрузок и вариантов утилизации ВЭР РКУ. Определена величина капиталовложений в ТНУ.

В главе 5 проведено определение технико-экономических показателей утилизации ВЭР РКУ с учетом вариантов теплоснабжения подземного рудника ОАО «Гайский ГОК». Разработана система мониторинга рабочих параметров утилизации ВЭР РКУ для подземного рудника ОАО «Гайский ГОК».

В заключении обобщены результаты исследований и даны рекомендации по повышению эксплуатации рудничных компрессорных установок за счет комплексной утилизации вторичных энергоресурсов, образующихся в процессе эксплуатации.

Состояние исследуемого вопроса. Постановка задачи

Количество образующихся вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) при эксплуатации рудничных компрессорных установок достаточно велико. Поэтому полезное их использование - одно из важнейших направлений экономии энергетических ресурсов и повышения эффективности РКУ. Утилизация этих ресурсов связана с определёнными затратами, в том числе и капитальными, поэтому возникает необходимость экономической оценки целесообразности такой утилизации. В зависимости от типа рудничных компрессорных станций различаются структура ВЭР и их температурный уровень. При эксплуатации РКУ производятся высокопотенциальные ВЭР (оборотная вода системы охлаждения РКУ), которые, в свою очередь, не находят дальнейшего применения и сбрасываются в атмосферу. Одним из важнейших направлений решения указанной проблемы является

использование энергосберегающих технологий на основе применения тепловых насосов. На рис. 1 представлена структурная схема процесса утилизации вторичных энергоресурсов рудничных компрессорных установок на основе применения тепловых насосов. Теплонасосные установки, основной задачей которых является замещение органического топлива, должны работать в чрезвычайно широком поле условий их применения.

Рис.1. Структурная схема процесса утилизации БЭР РКУ

Основным показателем, отображающим эффективность утилизации ВЭР РКУ с помощью ГНУ, является коэффициент преобразования, который представляет собой отношение произведенной тепловой энергии к работе привода компрессора ТНУ:

Ц™ = <2™^» (1)

где бтн - количество тепловой энергии, отдаваемое теплопотребителю, кВт-час; Ах - работа привода компрессора ТНУ, кВт-час. Значение цта всегда больше единицы; примените ТНУ совместно с РКУ эффективно при выполнении условия рта>4,0. Теория и вопросы практического использования ТНУ изложены в работах Рыбина А.А., Закирова Д.Г, Бродянского В.М., Проценко В.П.., Литовского Е.И. Хайнрика Г. и др. Выполненные ими исследования и разработки являются научной основой настоящей работы.

Анализ используемых литературных источников показал, что проблемы повышения эффективности РКУ являются актуальными. Одним из путей их решения является процесс утилизации ВЭР, образующихся при эксплуатации РКУ. Однозначно, что теплонасосная установка в схеме утилизации позволяет существенно повысить эффективность использования РКУ, снизить затраты на энергоресурсы. В работе проведены исследования способов повышения энергоэффективности при эксплуатации РКУ.

Цели и задачи диссертационной работы

Основной целью диссертационной работы является повышение эффективности эксплуатации рудничных компрессорных установок.

При этом основные цели и задачи диссертационной работы можно сформулировать следующим образом:

1. Разработать методику расчёта основных характеристик ТНУ, работающей совместно с РКУ, учитывающую влияние температуры наружного воздуха, температуру ВЭР, оказывающую значительное влияние на энергетические и эксплуатационные характеристики энергоустановки.

2. Провести расчётно-теоретический анализ утилизации ВЭР РКУ с включением в схему ТНУ. Определить границы эффективного использования ТНУ для каждого рассмотренного типа энергетических установок в зависимости от температуры наружного воздуха.

3. Исследовать влияние на энергетическую эффективность ТНУ типа рабочего агента, совершенства теплообменников ТНУ, параметров ВЭР и теплопотребителя.

4. Разработать рациональную модель и программу расчёта основных показателей ТНУ при работе на различных рабочих агентах, для сложных схем включения ТНУ, учитывающих ее работу в течение определенного временного интервала в сочетании с изменением тепловой нагрузки.

5. Разработать методику мониторинга определения основных параметров работы ТНУ при утилизации ВЭР РКУ. Произвести расчет технико-экономических показаний системы.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Повышение эффективности рудничных компрессорных установок обеспечивается увеличением коэффициента преобразования утилизации вторичных энергоресурсов за счет применения двухступенчатого сжатия современных рабочих агентов в теплонасосной установке.

Основным показателем, отображающим эффективность утилизации ВЭР РКУ с помощью ТНУ, является коэффициент преобразования ртн, существенное влияние на который оказывает тип рабочего агента (РА), используемого в ТНУ. Сравнительный анализ применения рабочих агентов (РА) в литературе освещен незначительно. По этой причине был проведен расчет характеристик ТНУ для двух наиболее распространенных вариантов работы: №1- среднетемпературная ТНУ, использующая в качестве ВЭР РКУ сбросную воду системы охлаждения с /[=+15°, №2 - высокотемпературная ТНУ, использующая в качестве ВЭР РКУ сбросную воду системы охлаждения с /,=+35°. Исследовалось применение в качестве РА разнообразных веществ. Результаты проведенного анализа представлены на графиках (рис. 2, 3).

Рис. 2. Зависимость ц™ от типа РА Рис. 3. Зависимость ц™ от типа РА

при ВЭР +15 °С при ВЭР +35 "С

Наиболее перспективными из альтернативных рабочих агентов представляются вещества К142Ь, КбООа, 11717. Предложенная модель функционирования ТНУ совместно с РКУ при утилизации ВЭР представлена рис. 4.

Кондрнг-ягор

II

2 * 1> о

ЯЛЛГу

Теплообменник

Исп;

□¿хеО

ВЭР га системы охлаждения РКУ

В систему охлаждения РКУ

Сетевой насос

Насос ВЭР

Рис. 4. Принципиальная схема процесса утилизации ВЭР РКУ при использовании ТНУ

Одним из наиболее эффективных способов уменьшения мощности, потребляемой компрессором ТНУ, увеличения коэффициента преобразования процесса утилизации вторичных энергоресурсов является использование

двухступенчатого сжатия РА. Расчёт ТНУ с двухступенчатым сжатием имеет важные особенности по сравнению с расчётом цикла единичной однотипной ТНУ. Основные параметры цикла являются такими же, как и для единичной ТНУ. Дополнительно приводится величина наименьшего переохлаждения РА после первого процесса сжатия (Агпср) РА. Результаты расчета представлены на рис. 5, 6.

Рис. 5. Сравнение р™ 1- ст.сж. с 2 - ст.сж. Рис. 6. Сравнение ц™ 1 - ст.сж. с 2 - ст.сж. при при Л,,р=+35 °С гвэр=+15 °С

Анализ полученных данных показывает, что использование двухступенчатого сжатия существенно увеличивает коэффициенты преобразования утилизации для рабочих агентов - Я717 (12 и 18 %), ЯбООа (16 и 26 %) соответственно для среднетемпературных и высокотемпературных ВЭР РКУ.

2. Повышение эффективности рудничных компрессорных установок достигается увеличением степени утилизации вторичных энергоресурсов за счет определения границ параметров, установленных на основе моделирования потерь в теплонасосной установке.

В идеальном цикле ТНУ учитываются величины, свойственные только процессам данного цикла, но не учитывается количество потерь, которые отображаются степенью совершенства технологических элементов установки. Все потери в ТНУ возможно разделить на внешние и внутренние. Внутренние потери связаны с изменениями состояния РА в установке. Внешние потери подразделяются на процессы теплообмена РА с источниками тепла. Величины внешних и внутренних потерь определяются характеристикой и техническим состоянием оборудования, функционированием его основных элементов, а также сопутствующими условиями, возникающими в процессе эксплуатации ТНУ. В общем виде задача, решаемая в математическом определении эффективности теплонасосной установки, снижении потерь в ее элементах, может быть

сформулирована следующим образом: для конкретного набора внутренних и внешних параметров ТНУ необходимо установить все его выходные энергетические характеристики, такие как теплопроизводительность, мощность электродвигателя компрессора и другие.

Эта задача может быть формализована в следующем виде. Основные функциональные зависимости для модели ТНУ:

/•-т(ТНУ)= /•",„( Э л)+ ^т(Вэ), (2)

где ,Рт(Эл)-математическая модель основных составных элементов ТНУ; Р„,(Вэ)-математическая модель процесса взаимодействия элементов ТНУ.

С учетом массовой производительности компрессора ТНУ (С*, кг/мин), а так же решая совместные уравнения баланса по воде для конденсатора и испарителя ТНУ и уравнение теплопередачи получим базовые уравнения модели функционирования ТНУ в сочетании с РКУ:

в^Х-УМ (3)

г Л

(4)

/ ( (г ^ \

V V Гк1) -1

V ) У

= С. «V

К -К/

в.-с- 1п

-1

(5)

где X - коэффициент подачи; Ут - производительность компрессора ТНУ, м3/с; У1 - удельный объем пара рабочего вещества на всасывании, м3/кг; ^-удельная производительность цикла, кДж/кг; (?„ - массовый расход воды через конденсатор, кг/с; св - удельная массовая теплоемкость воды, кДж/(кг-К); гК|,2 -температура воды на входе и выходе в конденсатор, °С; - внутренняя площадь поверхности теплопередачи, м2, кт - коэффициент теплоотдачи.

Схема алгоритма программы расчета параметров режима совместной работы элементов ТНУ состоит из трех этапов:

1-й этап. На этом этапе принимаются грубые значения температур кипения и конденсации/к2 и гк].

2-й этап. Рассчитываются значения <2* и £2кд- Далее определяется уточненная температура конденсации. При расхождении между принятым значением ?„, и расчетным превышает допустимое, то принимают полученное значение гК2 и повторяют расчет. Этот этап заканчивается определением точного значения /к] при котором <2к=бкд.

3-й этап. Определяется значение <2и> после чего производится сравнение ()К и ()к. В случае если разность тепловых потоков <2К и ()„ не превышает допустимых пределов (5 %), то последние значения 1к2 и Г„1 определяют режим работы ТНУ, и таким образом выявляются все рабочие параметры ТНУ в составе РКУ, с учетом минимизации потерь в ее элементах.

Задача оптимизации потерь ТНУ при утилизации ВЭР РКУ в общем виде может быть сформулирована следующим образом: необходимо определить такой набор параметров теплонасосной установки, при которых обеспечивается требуемая производительность тепловой энергии и достигается максимальная экономическая эффективность утилизации ВЭР РКУ (минимальная себестоимость производства тепловой энергии). В режимах работы проводятся поверочные расчеты установки. В качестве критерия экономической эффективности для ТНУ может быть использована внутренняя норма доходности (IRR). Критериями оптимизации являются: требуемая величина тепловой энергии при минимальной себестоимости на производство единицы тепловой энергии. Условие для выполнения критерия оптимизации выглядит следующим образом:

Данный критерий выполняется при соблюдении следующих условий:

Вк =fk(xk,yk) гДе К-ту - капиталовложения в теплонасосную

t »

установку, тыс.р.; U ™л - годовые затраты на электроэнергию, тыс.р.; i/rr°°-годовые затраты на органическое топливо (газ), тыс.р.; U ™° - годовая прибыль от продажи тепловой энергии, тыс.р.; U,'°л - годовая прибыль от применения ТНУ, тыс.р.; xt- независимые оптимизируемые параметры, конструктивные характеристики установки (исходные данные для расчета); ук -вычисляемые параметры при конструкторском расчете; Вк - расход топлива ТНУ, т.у.т.; Sk-оптимизационные характеристики установки; dctl - удельные стоимости элементов оборудования ТНУ, тыс.р./кВт; Рк - мощность привода компрессора, кВт.

Экономическая эффективность ТНУ в сочетании с РКУ отображается следующими зависимостями:

■J 7 год 7 гпш

и™=О С и'™= гиа" м -100% (6)

^выр JMTJfl выр ж JJ

Метод решения данной задачи, который позволяет получить решение, достаточно близкое к оптимальному, сводится к последовательности решения более простых задач, в каждой из которых рассматривается только один представительный режим работы ТНУ с РКУ и проводится поверочный расчет установки. В работе представлены зависимости капиталовложений в установку при различных значениях цены электроэнергии и органического топлива.

Определение технико-экономических показателей процесса утилизации ВЭР РКУ с учетом вариантов теплоснабжения подземного рудника ОАО «Райский ГОК» производилось с учетом исходных данных работы предприятия.

Тепловая нагрузка указанных потребителей подземного рудника составляет 10 Гкал/час (зимний период), по данным баланса расхода тепловой энергии на 2014 г. В качестве источника низкопотенциального тепла ТНУ используются вторичные энергоресурсы рудничных компрессорных установок подземного рудника КС 1,2 (сбросная вода системы охлаждения компрессоров).

С целью проведения анализа эффективности использования ТНУ при совместной работе с РКУ проведено экономическое сравнение получения тепловой энергии по трем предложенным вариантам:

1) ТНУ с целью утилизации ВЭР РКУ;

2) ТНУ с целью утилизации ВЭР РКУ в сочетании с ТЭЦ (паровой котел);

3) теплоснабжение от ТЭЦ (паровой котел).

Проведенный анализ трех схем получения тепловой энергии представлен на рис. 7.

Наиболее оптимальным вариантом теплоснабжения подземного рудника ОАО «Гайский ГОК» является вариант 1 (ТНУ в сочетании с ВЭР РКУ), при всех изменениях цен на электроэнергию.

120000

с, ii.ic.pyo.

SOOOO

-ТНУ ЮР РКУ

40000 ;

—^—ТЧ JV+ООДОгрейный КО I С/1

-Паровой подо грей ны»Ч ко тел

20000

1- я неновая категория 2-я ценовая категория 3-я ценовая категория

Рис. 7. Анализ затрат на производство тепловой энергии в год (тыс.р./год.), в зависимости от способа получения высокопотенциального источника тепла

3. Рабочий тепловой режим рудничных компрессорных установок при утилизации вторичных энергоресурсов определяется посредством предложенного поправочного коэффициента К„3„, учитывающего изменение температуры окружающего воздуха, температуры вторичных энергоресурсов и скорости ветра.

Одним из основных факторов, влияющих на эффективность процесса утилизации ВЭР РКУ при использовании теплового насоса, является разность температур между ВЭР и теплопотребителем Д?. Для определения степени влияния Аг на коэффициент преобразования тепловой энергии цтн был проведен расчет характеристик ТНУ. В качестве рабочих агентов для ТНУ, на основании полученных сравнений результатов были выбраны К142Ь, 11717. Полученная зависимость рт„ от Лг, в сочетании с теоретически возможным коэффициентом преобразования рид, представлена на рис. 8. Данный график показывает, что Ртн действительно зависит от разности температур между потребителем тепловой энергии и ВЭР и лишь в малой части зависит от типа применяемого рабочего агента. Использование. ТНУ более эффективно при небольшой разности температур между потребителем тепловой энергии и температурой ВЭР.

Далее в работе предлагается система расчета ТНУ в составе РКУ, которая включает в себя следующие этапы:

- расчет тепловых потерь с поверхностей производственных отапливаемых зданий, теплоподающих магистралей при изменении значений скорости ветра и наружной температуры;

- отображение зависимости влияния скорости ветра на тепловые потери.

Ргк

Рис, 8. Зависимость и™от Д(

Анализ и обобщение результатов исследования позволяют принять в качестве математической модели влияние скорости ветра на изменение потребления тепловой энергии производственным зданием. Определение

дополнительных тепловых потерь отапливаемых производственных зданий, применительно к условиям ОАО «Гайский ГОК», при различных скоростях ветра предложено производить по формуле:

<2Д„ = («2». + еб8) • С. - ) / <«. - ) • (Я + (1 - а) • (V, / Урасч )2) - £6В);

где б„, - расход тепловой энергии при расчетных температуре наружного воздуха, кВт-час;

<2б> - внутренние тепловыделения, кВт-час;

Ути Урас., - текущая и расчетная скорости ветра, м/с;

температуры атмосферного воздуха в помещении, на улице и средняя за сезон, °С;

а - коэффициент, отображающий величину отношения расхода тепловой энергии для условий подземного рудника ОАО «Гайский ГОК».

Максимальную тепловую нагрузку теплопотребителя £>т (кВт-час) при расходе сетевой воды Са (кг/с), с учетом графика отопительной нагрузки можно вычислить по формуле:

бот" ^св'^св'С^пв'^ов) (8)

где ссв - удельная теплоемкость сетевой воды, кДж/(кг-К); Тпл Гов -температура прямой и обратной сетевой воды, К. Полученные значения дополнительных потерь тепловой энергии для различных скоростей ветра систематизируются, выводится поправочный коэффициент (Кты) и определяется конечное значение потребляемой тепловой энергии <2Р„:

к - 'с""~т-) + + - Ц / (г. -г,,Нд+(1 - д) ■ (Ут 'К-}') - 0,.)

в„-са-(Тт-Тт)~ ; (9)

брп бот ^„3М ^от (10)

После определения поправочного коэффициента, характеризующего зависимость дополнительных теплопотерь от скорости ветра, определяем реальное теплопотребление с учетом скорости ветра V, м/с.

Для расчета теплоснабжающей установки были приняты следующие исходные данные: график отопительной нагрузки принят для подземного рудника ОАО «Гайский ГОК». С помощью вычисленного коэффициента определяется максимум потерь, вызванных ветровой нагрузкой при заданном расходе сетевой воды Ссв=277 кг/с (1000 т/ч) для температурного графика при конкретных значениях скоростей ветра. С возрастанием скорости ветра до \/ветра=8 м/с тепловая нагрузка потребителя возрастет согласно коэффициенту тепловых потерь до <2рп=88,72 МВт. Дополнительная тепловая энергия на ТНУ для покрытия тепловых потерь, вызванных ветром: <2дп = 16,59 МВт. Зависимость максимального потребления тепловой энергии от скорости ветра

при различных температурных режимах на подземном руднике ОАО «Гайский ГОК» приведена на рис. 9.

й МВт

гл ________-..........................

»'¡г*."V--.V -V #»> »>» -Л»■> *# *>•» »»^ лV1 >,» "• # •> 4> *

Рис. 9. Зависимость максимального расхода тепловой энергии (МВт) от текущей скорости ветра при заданной температуре наружного воздуха: 1 - Уветра=8 м/с, 2- Уветра=4 м/с, 3 - Уветра=3 м/с, 4 - Уветра=0 м/с

До настоящего времени анализ эффективности способов получения тепловой энергии как за счет работы парового водогрейного котла на ТЭЦ, так и посредством утилизации вторичных энергоресурсов рудничных компрессорных установок с применением ТНУ в литературе не представлен. С целью определения эффективности получения тепловой энергии, за счет работы РКУ в сочетании с ТНУ или же работы ТЭЦ как отдельной единицы, необходимо провести сравнение данных методов получения высокопотенциального источника тепла. По результатам такого сравнения был построен обобщенный график (рис.10) зависимости коэффициента преобразования ц™ и К„р (коэффициент преобразования парового котла) от температуры наружного воздуха гн,°С для РА ЯбООа, К717.

Эффективная мощность, произведенная в результате использования ТНУ в совокупности с РКУ, определится по сравнению со способом получения тепловой энергии на ТЭЦ:

^ = = (11) пр Итн

где - количество энергии котла ТЭЦ на производство тепловой энергии, кВт-час; Ытиу - мощность теплонасосной установки на производство тепловой энергии, кВт-час; £)и - количество произведенной тепловой энергии, кВт-час. Таким образом, условие для эффективной работы ТНУ в сочетании с РКУ выглядит следующим образом: ртн >К„р. Из полученной зависимости видно,

что при использовании рабочих агентов ЯбООа и 1171,7 совместная работа РКУ с ТНУ, в сочетании со схемой обеспечения тепловой энергией от ТЭЦ, эффективна в диапазоне температур, характерных для географической местности подземного рудника ОАО «Гайский ГОК».

Рис.10. Зависимость коэффициента преобразования | от температуры наружного воздуха г„, °С: 1 - ЯбООа, 2 - Я717, 3 - Кпр

, Кт

Совместно с утилизацией тепла компрессорной станции за счет использования ТНУ разработана система мониторинга производства тепловой энергии с учетом основных характеристик окружающей среды и работы системы в целом. Были разработаны микропроцессорный измеритель количества производимой тепловой энергии (МТЭ) и система измерения и оперативного производственного учета для работы теплонасосной установки. На рис. 11 представлен интерфейс программы в «рабочем режиме».

- х|

ОрЪпе- Н«2>р ТЕМПЕРАТУРА ВОДЫ

80

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ

132,00

КВТ/ч

Рис. 11. Интерфейс программы учета тепловой энергии в «рабочем режиме»

Разработанная программа микропроцессорного измерения производимой тепловой энергии (МТЭ) позволяет в режиме реального времени

контролировать производимую мощность теплонасосной установки с точностью до 1 кКал (кВт).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе содержится научно обоснованное техническое решение задачи утилизации вторичных энергоресурсов рудничных компрессорных установок при производстве сжатого воздуха. В результате проведенных в рамках диссертации исследований получены следующие основные результаты:

1. Зависимость и модель определения основных параметров совместной работы РКУ с ТНУ, при двухступенчатом сжатии вещества в ТНУ, показывает, что использование двухступенчатого сжатия существенно увеличивает коэффициент преобразования для РА от 12 до 26 %. В свою очередь, зависимость между температурой ВЭР РКУ и потребителем тепловой энергии отображает необходимое условие для экономически оправданной работы РКУ совместно с ТНУ (рта>4).

2. Разработанная модель функционирования РКУ в сочетании с ТНУ позволяет определять их теплотехнические, энергетические и технико-экономические характеристики в зависимости от температур ВЭР и температуры окружающей среды. Сочетание данных характеристик может быть использовано для целей оптимизации внутренних параметров ТНУ.

3. Взаимозависимость, влияющая на совместную работу РКУ и ТНУ, отображающая максимальную величину расхода тепловой энергии с учетом воздействия внешних условий, оказывает значительное влияние на процесс утилизации ВЭР РКУ.

4. Определены рациональные конструктивные сочетания эксплуатации и сопутствующие им цены отпускаемого установками тепла в большом диапазоне изменения цены на газ и электроэнергию, для варианта работы ТНУ с электроприводом, использующую в качестве источника ВЭР сбросную воду системы охлаждения РКУ, и для ТНУ в сочетании с водогрейным котлом на жидком органическом топливе (газ).

5. Разработана методика определения технико-экономических характеристик РКУ в сочетании с ТНУ, с учетом изменяемого характера тепловой нагрузки, проведены исследования РКУ с ТНУ для теплоснабжения подземного рудника ОАО «Гайский ГОК». Проведено сравнение экономической эффективности трех вариантов теплоснабжения подземного рудника ОАО «Гайский ГОК». Доказано, что наилучшие технико-экономические показатели имеет вариант теплоснабжения подземного рудника от ТНУ в сочетании с РКУ, использующей в качестве источника ВЭР сбросную воду системы охлаждения рудничных компрессорных установок.

6. Разработана система мониторинга процесса утилизации ВЭР РКУ, позволяющая контролировать теплопроизводительность ТНУ с точностью до 1 кКал (кВт), температуру нагреваемого сетевого источника тепла, визуализировать режим работы ТНУ, производить регулировку необходимой

загруженности электродвигателя компрессора ТНУ, а также имитировать режим работы с целью проверки правильности измерений данных о работе.

7. Ожидаемый экономический эффект от использования системы ТНУ совместно с ВЭР РКУ при определенном оптимизационном варианте на подземном руднике ОАО «Гайский ГОК» составит 12735,5 тыс. руб/год.

При этом эффективность эксплуатации рудничных компрессорных установок увеличится на 12 %, при снижении удельной нормы на производство 1 м3 сжатого воздуха с 0,51 до 0,45 руб./м3.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах н изданиях, входящих в Перечень ВАК Минобрпаукп России

1. Жаткин А. Н. Оценка эффективности утилизации вторичных энергоресурсов рудничных компрессорных установок с учетом несовершенства тепловых насосов // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2014. - №7. - С. 388-392.

2. Попов Ю. В., Жаткин А. Н. Влияние параметров теплового насоса на эффективность утилизации вторичных энергоресурсов рудничных компрессорных установок.// Известия вузов. Горный журнал. - 2014. - №6. - С. 102-106.

Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ

3. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Мониторинг рабочих параметров теплового насоса»/ А.Н. Жаткин. Заявка №2012612892 от 13.04.2012. - Зарегистрировано в реестре программ ЭВМ №2012615324 от 13.06.2012 г.

Работы, опубликованные в других изданиях

4. Миняев Ю. Н., Жаткин А. Н. Эффективность получения высокопотенциального тепла за счет использования теплового насоса // Известия Урал. гос. горного ун-та. - 2012. - Вып. 27-28. - С. 113-116.

5. Миняев Ю. Н., Жаткин А. Н. Система утилизации вторичных энергоресурсов компрессорной станции ОАО «Гайский ГОК» // Чтения памяти В.Р. Кубачека: сборник докладов IX Международной научно-технической конференции. - Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2012. - С. 216-219.

6. Миняев Ю. Н., Жаткин А. Н. Утилизация вторичных энергоресурсов с применением абсорбционного теплового насоса // Чтения памяти В.Р. Кубачека: сборник докладов IX Международной научно-технической конференции. - Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2011. - С. 93-97.

7. Миняев Ю. Н., Жаткин А. Н. Утилизация вторичных энергоресурсов с применением парокомпрессионного теплового насоса // Молодежная научно-практическая конференция молодых ученых и студентов УГГУ. Екатеринбург, 2009. - С. 180-183.

Подписано в печать 20.02.2015 г. Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная. Печать на ризографе. Печ . л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 11 Изд-во УГГУ 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30

Отпечатано с оригинал-макета в лаборатории множительной техники УГГУ.