Практичне заняття №7 Техніко-економічне обгрунтування технології використання нізкопотенциальной теплової енергії вугільних шахт

Мета заняття: вивчення способів використання геотермальної енергії для потреб гірничодобувного підприємства, визначення еколого-економічного ефекту при використанні геотермальної енергії для потреб гірничодобувного підприємства.

7.1. Провітрювання гірничих виробок з використанням геотермальної енергії

Для оценки возможности применения способа проветривания шахты с помощью геотермальной энергиинеобходимоего сопоставление с существующим в условиях донецкой шахты «Октябрьский рудник». При этомможет быть применен для определения тепловой депрессии в шахте простой и достаточно точный и наглядный метод индикаторных диаграмм. Использование в этом методе пьезометрической высоты связано с необходимостью определения депрессий разных выработок вентиляционной сети. В святи с этим, при необходимости учета влияния работы вентилятора на естественную тягу, было бы более удобно рассчитать общую величину естественной тяги в виде суммы двух величинh_е.т. иh_е.в, обусловленных соответственно различием в выработках температуры (тепловая депрессия) и созданного вентилятором разряжения воздуха.

h_{е. общ}. = h_е.т + h_е.в (7.1)

Первая составляющая естественной тяги, обусловленная различием в выработках температуры воздуха, определяется термодинамическим методом. В этом случае при расчете первой составляющей удобнее пользоваться не пьезометрической, а геодезической высотой.

Для определения ее на графике в координатах глубина (H,м) - температура (T,К) строится плоская фигура. Она представляет собой фрагмент схемы проветривания горных выработок шахты, а именно маршрут движения воздуха от устья воздухоподающего ствола до забоя лавы в которой будет сооружен ШГТ и обратно, до устья вентствола (рис.7.1).

Рис.7.1. Диаграмма для определения естественной тяги шахты «Октябрьский рудник» при существующей схеме проветривания: Н – глубина , м; Т – температура воздуха,К; 1,2…11 - точки сопряжения выработок различных типов, в которых определена температура воздуха.

Исходными данными для построения служат разность маркшейдерских (геодезических) отметок горных выработок по которым движется воздух от воздухоподающего ствола до забоя и от него к вентиляционному стволу, а также результаты температурной съемки в начале и конце, по ходу вентиляционной струи, этих выработок

По площади этой фигуры определяется h_е.т по формуле

(7.2)

где S_к - площадь фигуры на графике, м²;Т_ц- температура в центре тяжести фигуры, К;p_ср- средняя плотность воздуха, кг/м³.

Площадь многоугольника, который имеет nвершин, определяется по формуле

S_к= 0,5(7.3)

По формулам (7.2-7.3) можно определить не только общую величину естественной тяги шахты, но и ее значение для отдельных контуров вентиляционной сети. Например, для определения естественной тяги в контуре 3-4-8-9 (рис.7.1) в формулу (7.2) необходимо подставить значение площади, полученное из выражения (7.3) по координатам точек 3,4,8 и 9.

Для действующих шахт температура воздуха в характерных точках вентиляционной сети определяется измерением. Для проектируемых шахт она рассчитывается по специальной методике.

Что касается другой составляющей (вторая составляющая в формуле (7.1)),тотепловая депрессия, созданная работой вентилятора,можнорассчитать по формуле

h_е.в= 8,7_*10⁵_*H_*h(7.4)

где H- глубина шахты, м;h- депрессия шахты, Па.

Для того, чтобы определить эффективность использования геотермального теплообменника рассчитаем значения депрессии на шахте (h_е.т), а потом сравним со значением депрессии шахты после оборудования ШГТ (h_е.т¹).

Геотермальный теплообменник, представляющий собой лабиринт выработок-каналов в выработанном пространстве лавы обеспечивает нагрев вентиляционного потока до температуры массива на данной глубине ведения горных работ – 318К (45⁰С). Схема движения воздуха при этом изменяется, Участок движения в ШГТ обозначен как ветвь 7-7¹(рис.7.2).

Рис.4.3 Диаграмма для определения естественной тяги шахты «Октябрьский рудник» после создания ШГТ: пунктир – движение воздуха в теплообменнике (7-71) и тепловом тракте (71-81); остальные обозначения как на рис.7.1.

Обособленный тепловой тракт, по которому выдается на поверхность горячий воздух (7¹-8¹) переоборудован из ранее погашенных выработок, снижение температуры в нем обусловлено более низкой температурой окружающих пород, а также расширением воздуха из-за снижения барометрического давления при поднятии с глубины.

На рисунке 7.2представлена диаграмма в координатах H-T для определения естественной тяги шахты "Октябрьский рудник" при работе геотермального теплообменника. Фигура 1-2-3-4-5-6-7-7¹-8¹- это графическое изображение депрессии естественной тяги шахты, где пунктиром обозначен новый маршрут движения воздуха и соответствующая ему температура после создания ШГТ. Дополнительный элемент общей диаграммы, фигура – 11-10-9-8-7-7¹-8¹- это добавочная часть, обусловленная работой ШГТ.

Работа вентиляционных установок главного проветривания принята неизменной в обоих вариантах. Поэтому при сопоставлении рассчитывали только одну составляющую формулы (7.1) - для определения общей депрессии, второй (h_ев) пренебрегали.

По формуле 7.2 рассчитывалиh_е.т иh_е.т¹.S_к- как для первой, так и для второй фигуры определяли планиметром:S¹_к=111,4 иS¹¹_к=239,7 см² соответственно;р_ср- 0,12 кг*сек²/м⁴;Т_ц1=290К; Т_ц2= 300 К.

h_е.т= 9, 8 * 111, 4 *10^-4* 0, 12/290 = 0, 4366 Па

h_е.т¹ = 9, 8 * 239, 7 *10^-4*0, 12/300 = 0, 9396 Па.

= 0, 9396/0, 4366 = 2,15.

Определяли количество воздуха поступающего в шахту при работе теплообменника. При турбулентном движении воздуха: h = RQ², откуда следует, что, из справочных данных [44] приняли для шахты с вертикальными стволамиR= 33_*10^-4

Q= =17,5 м³с^-1

Такой расход составляет более половины от необходимого для проветривания шахты «Октябрьский рудник», согласно расчетам участка ВТБ, при существующей производственной нагрузке. Следовательно, для проветривания очистных и подготовительных забоев шахты достаточно оборудовать два геотермальных теплообменника.

Проведена ориентировочная оценка разности в затратах на электроэнергию, расходуемую вентиляторами и которая будет использована в предлагаемом способе проветривания шахты:

ΔВ_эл = В_{эл.пред} - В_эл.сущ (7.5)

Расчет затрат на электроэнергию при использовании геотермальных теплообменников, с применением вспомогательной вентиляционной установки мощностью 30 квт:

В_{эл.пред} = М * t_см * n_см * n_р * Ц, грн./год,

где:

М = 30 – мощность установки, квт-ч;

t_см = 8 – время работы оборудования в смену, час;

n_см = 3 – количество рабочих смен в сутки, шт.;

n_р = 365 – количество рабочих дней в году, дней;

Ц = 0,30 – цена на кВт электроэнергії, грн./кВт.

В_{эл.пред} = 30 * 8 * 3 * 365 * 0,30 = 78840 грн./год

Для проветривания шахты с помощью геотермального теплообменника надо оборудовать два геотермальных теплообменника,:

В_{эл.пред} = 2 * 78840 = 157 680 грн./год

Расчет затрат на электроэнергию для работы вентиляторов

В_эл.сущ = В_{эл.сущ(1)} + В_{эл.сущ(2)}, грн./год,

где:

В_{эл.сущ(1)} и В_{эл.сущ(2)} – затарты на электроэнергию действующих на шахте вентиляторов, мощностью 1600 и 250 квт-час соответственно;

В_{эл.сущ(1)} = М₁ * t_см * n_см * n_р * Ц, грн./год

В_{эл.сущ(2)} = М₂ * t_см * n_см * n_р * Ц, грн./год

где: М₁ = 1600, М₂ = 250 – мощности двигателей вентиляторных установок, квт-ч; t_см = 8 – время работы оборудования в смену, час; n_см = 3 – количество рабочих смен в сутки, шт.; n_р = 365 – количество рабочих дней в году, дней; Ц = 0,30 – цена на кВт электроэнергии, грн./кВт; В_{эл.сущ(1)} = 1600 * 8 * 3 * 365 * 0,3 = 4 204 800 грн/год; В_{эл.сущ(2)} = 250 * 8 * 3 * 365 * 0,3 = 657 000 грн/год; В_эл.сущ =4204 800 + 657 000 = 4 861 800 грн./год

Таким образом, ожидаемая экономия электроэнергии составит

ΔВ_эл = 157680 – 4861800 = - 4704120 грн./год.

Экологический эффект от использования геотермальной энергии складывается из двух составляющих, во-первых сокращается расходование невосполнимых энергетических ресурсов, таких как уголь, природный газ, мазут и т.п., во-вторых снижаются экологические платежи.

Результаты расчетов показывают, что если оборудовать на шахте «Октябрьский рудник» два геотермальных теплообменника, то можно отказаться от использования вентиляторов главного проветривания и тем самым сократить затрат электроэнергии на проветривание шахты не менее чем на 4,7 млн. грн. в год. За счет использования геотермальной энергии для нагревания воздуха существенным образом снижается расход природного газа или угля, что обеспечивает экологический эффект от использования способа. Применение данного способа проветривания горных выработок шахты следует считать целесообразным и экологически эффективным.

Завдання 10: Исходя иззаданныхусловий (Приложение Б), рассчитать экономический эффект от использования геотермальной энергии при проветривании шахт.