Введение к работе
Актуальность темы. В условиях рыночных отношений и структурной пе-
«стройки отраслей топливно-энергетического комплекса Российской Федерати требуются новые подходы к ресурсосбережению и экологизации производ-тва. При жесткой конкуренции с иностранными фирмами сегодня на первый :лан выходят вопросы снижения расхода теплоэнергетических ресурсов. Быст-ый рост затрат на добычу и переработку энергоносителей, сопровождаемый бщим снижением объемов их производства, ставит экономию топливно-нергетических ресурсов и энергосбережение в ряд важнейших народнохозяй-твенных задач, В связи с этим приняты федеральный закон РФ «Об энергосбе-ежении» № 28-ФЗ от 3.04.96 и постановление правительства РФ «О неотлож-ых мерах по энергосбережению» № 1087 от 2.11.97.
Современная экономика, характеризующаяся крупномасштабными струк-урными изменениями, вынуждена интенсивно искать новые пути взаимодей-гвия хозяйственной деятельности человека и окружающей среды. Предпри-гия ставят цель понизить общую стоимость производства, в том числе, за счет нижения расхода топливно-энергетических ресурсов. Результат производст-енного процесса достигается при минимальном расходе электроэнергии, а это,
свою очередь, уменьшает степень загрязнения окружающей среды. По оцен-ам специалистов эффективность капитальных вложений в производство энер-аи при использовании вторичных энергетических ресурсов в 2-3 раза выше, ем в топливно-энергетической отрасли промышленности. Себестоимость теп-а от утилизационных установок в 4-6 раз ниже, чем от энергосистем, и в 8-12 аз ниже, чем от котельных установок.
Шахтные стационарные компрессорные и котельные установки являются рупными потребителями энергии и загрязнителями окружающей среды. Фак-ические расходы энергии шахтными стационарными и котельными установами превышают установленные нормативы, а выбросы загрязняющих веществ
атмосферу от шахтных котельных велики, что резко ухудшает окружающую дологическую обстановку. Среди источников вредных выбросов угольной
промышленности основным загрязнителем атмосферы являются промышле ные и коммунально-бытовые котельные, на долю которых приходится свьц 60% всех выбросов отрасли. Всего эксплуатируется около 1,5 тыс. промышле ных котельных, оборудованных почти 5 тыс. единиц котлоагрегатов. Из ш котлы производительностью более 2 т пара в час составляют лишь немного больше половины. Почти две трети всех котлов имеют устаревшую констру цию. Помимо промышленных котельных, на балансе производственных объ динений отрасли находится свыше 2 тыс. коммунально-бытовых котельных, которых эксплуатируется 7,7 тыс. котлов, в основном маломощных. Среди ні котлы производительностью более 2 т пара в час составляют всего 5 %.
Для улавливания летучей золы шахтных котельных в основном применяю ся сухие инерционные пылеуловители, которые не улавливают летучую золу дисперсным составом меньше 10 мкм и эффективность их не превышает Ъ 85%. Остаточная запыленность после циклонов составляет 0,4-0,7 г/м3, что і удовлетворяет санитарным нормам. Более 60% пыли, уловленной в котельнь установках, при погрузо-разгрузочяых работах, складировании и хранении ее отвалах возвращается в атмосферу и попадает в водоемы, почву вследстві водной и ветровой эрозии. При сжигании угля в атмосферу выделяются соеді нения серы, хлора, фтора, микроэлементы - цинк, свинец, никель, медь, хрої кадмий, ртуть и другие элементы, а также значительное количество полициклі ческих ароматических углеводородов, являющихся источниками раковых заб< леваний. Котельные не оборудованы аппаратами для улавливания газообразіш вредных выбросов. Поэтому повышение эффективности работы шахтных ст; ционарных и котельных установок является одним из основных вопросов в де; тельности шахт, научно-исследовательских и проектных организаций.
При эксплуатации шахтных стационарных и котельных установок имеютс не использованные резервы и возможности, реализация которых позволит зн; чительно повысить эффективность и экологичность производства. '
Важным резервом повышения эффективности шахтных стационарных уст; новок является локальная оптимизация их работы, утилизация низкопотенці
альной теплоты оборотной воды компрессорных станций, сбросной воды шахтного водоотлива, исходящей вентиляционной струи. Однако утилизация низкопотенциального тепла сдерживается отсутствием чистых энергосберегающих технологий и специального утилизационного оборудования. Защита же атмосферного воздуха от вредных выбросов сдерживается из-за отсутствия надежных и эффективных фильтров.
Современный уровень развития науки и вычислительной техники позволяет подойти к- решению проблемы оптимизации режима работы шахтных стационарных и котельных установок на новом уровне. Эффективность охлаждения компрессорных установок существенно влияет на расход электроэнерпш на выработку сжатого воздуха, а стоимость оборотной воды выросла за два последних десятилетия в несколько раз и составляет в приведенных затратах на производство сжатого воздуха приблизительно 15%. В шахтных компрессорных установках до 30% потребляемой энергии преобразуется в теплоту, которая выделяется в окружающую среду в градирнях при охлаждении оборотной зоды.
Необходимость выполнения настоящей работы продиктована требованиями улучшения использования энергетических ресурсов и роста энергети-іеской эффективности шахтных стационарных установок путем разработки и шедрения в них технологий энергосбережения, утилизации тепла и средств запиты окружающей среды. В отрасли имеются резервы снижения расхода тои-іива за счет привлечения нетрадицийнных источников энергии для производст-га тепла: использование низкопотенциальной тепловой энергии исходящей .труи вентиляционного воздуха и шахтной воды, а также тепла оборотной воды цахтных компрессорных установок и хозбытовых стоков для отопления произ-юдственных и иных зданий и сооружений.
-., В диссертации использованы материалы научно-исследовательских работ, іьіполнєнньіх в Пермском государственном техническом университете и ин-титуте ВНИИОСуголь, в которых автор был ответственным исполнителем и [аучным руководителем. Эти работы выполнены по координационным планам
6 АН СССР (1986-1990 гг.) и АН РФ (1991-1997 гг.), а также Федеральной нау*
но-технической подпрограмме «Экологически чистая энергетика. Направлени
- новые технологии в энергетике».
Объект исследования - стационарные компрессорные, вентиляторные, вс доотливные и котельные установки угольных шахт.
Предмет исследования - технологии и технические средства защиты ок ружающей среды методами энергетической оптимизации работы стацис нарных компрессорных, вентиляторных и водоотливных установок шахт, также очистки отходящих дымовых газов шахтных котельных.
Цель и задачи исследований - разработка научно-методических принци пов, технологий и технических средств защиты окружающей среды и рацио нального использования природных ресурсов при эксплуатации шахтных ста ционарных и котельных установок. Для достижения цели решались следующи основные задачи:
— установление энергетических и экологических закономерностей функцио
нирования шахтных стационарных и котельных установок [9,13,16, 33];
разработка методов и математических моделей оптимизации энерго сбережения при эксплуатации стационарных установок шахт [5];
разработка технологий и технических средств оптимизации процесс; энергосбережения при эксплуатации стационарных компрессорных, вентиля торных и водоотливных установок [6,18, 20,22, 26];
разработка методов, технологий и технических средств знергетическоі опримизации при эксплуатации котельных установок [25,33];
разработка методов, технологий и технических средств защиты окружаю щей среды от пылегазовых выбросов и теплового загрязнения при эксплуата ции котельных установок [12,21,25,38,43].
Методы исследования. Научные положения диссертационной работы ус тановлены с помощью комплексного метода исследовашш, включающего ана лиз опыта работы энергоемких шахтных стационарных компрессорных, венти ляторных и водоотливных установок шахт, а также шахтных котельных и оцен
ки их эффективности; теоретическое обобщение, математическое моделирование закономерностей функционирования установок; копструкторско-поисковые разработки и эксперименты на промышленном оборудовании. Научные положения диссертации, выносимые на защиту.
-
Методы интенсивного энергосбережения при эксплуатации шахтных стационарных компрессорных, вентиляторных и котельных установок, включающие: оптимизацию температурного режима компрессоров и предельно полное ^пользование теплоты; применение рациональных схем их охлаждения; оптимизацию режимов работы шахтных насосов и вентиляторов; утилизацию тепла «ходящих дымовых газов шахтных котельных.
-
Математическая модель оптимизации энергосбережения при эксплуата-ити шахтных стационарных компрессорных установок и локальная оптимиза-щя энергопотребления вентиляционных и водоотливных установок, обеспечи-шощие определение экстремального значения принятого критерия оптимиза-ши, прогнозирование поведения системы в различных эксплуатационных си-уациях, подбор сочетания эксплуатационных параметров, позволяющих дос-игнуть высоких технико-экономических показателей.
3. Технологии и технические средства защиты окружающей среды и рацио-
іального использования природных ресурсов методами энергетической опти-
гизации работы стационарных установок, включающие:
систему оптимального управления процессом охлаждения компрессорной становки, в которой регулирование режимных параметров достигается путем зменения расхода охлаждающей воды;
способ и схему регулирования степеней повышения давления по ступеням жатия двухступенчатого компрессора с учетом неполноты промежуточного хлаждения воздуха и меняющегося давления на стороне нагнетания;
конструкции теплообменных аппаратов с дискретными турбулизаторами, оторые эффективно работают при утилизации низкопотенциальной теплоты нрязненных жидкостей.
4. Технологии и технические средства защиты окружающей среды от пыле-
газовых выбросов и теплового загрязнения при эксплуатации шахтных котельных.
Научная новизна.
1. Разработаны методы оптимизации интенсивного энергосбережения, в том
числе:
снижения потребления электроэнергии приводом компрессорных установок шахт, вентиляторных установок главного проветривания, главных водоотливных установок;
энергетической оптимизации компрессорных установок;
оптимального охлаждения компрессорной установки с утилизацией низкопотенциальной теплоты охлаждающей воды;
системы охлаждения компрессора с применением теплового насоса, учитывающей влияние примесей, содержащихся в охлаждающей воде, на процесс теплообмена и расход электроэнергии;
определения оптимального времени работы воздухоохладителя между чистками;
системы оптимального перераспределения давления по ступеням сжатия и схемы системы автоматического регулирования степеней повышения давления по ступеням сжатия двухступенчатого компрессора;
энергосберегающая схема эксплуатации турбокомпрессорных установок, включающая в себя систему регулирования давления воздуха на выходе двухступенчатого турбокомпрессора;
схема оборотного водоснабжения и использования тепла сжатого воздуха турбокомпрессора.
2. Созданы математические модели и разработаны методики для расчета,
рационального проектирования и эксплуатации стационарных установок,
включающие: .
- выбор базовой схемы для моделирования и изучение ее физических осо
бенностей;
.-. формализацию процессов, происходящих в элементах стационарной уста-
9 овки;
формирование блока определения электромеханических и термодинами-гских параметров;
программную реализацию вычислительного алгоритма.
-
Предложена формула, которая позволяет определить оптимальную вели-пну температуры воздуха на выходе из промежуточного воздухоохладителя, эеспечивающую минимальный суммарный расход электроэнергии на сжатие эздуха в двухступенчатом компрессоре и циркуляцию оборотной охлаждаю-;ей воды.
-
Разработаны технологии и технические средства для защиты окружаю-;ей среды и рационального использования природных ресурсов при эксплуа-іции шахтных стационарных установок, включающие:
утилизацию низкопотенциальной теплоты сбросных шахтных вод и хоз-атовых стоков;
оптимальное охлаждение компрессорной установки с утилизацией низко-этенциальной теплоты охлаждающей воды;
оптимальное перераспределение давления по степеням сжатия двухсту-знчатого поршневого компрессора;
регулирование давления воздуха на выходе двухступенчатого турбоком-эессора;
использование (утилизацию) тепла сжатого воздуха и охлаждающей воды гстемы охлаждения турбокомпрессора;
5. Предложена конструкция устройства для автоматической продувки водо-
делителей как средства энергосбережения при эксплуатации воздухопровод-
>гх сетей при низких температурах; разработаны технологии и технические
іедства защиты окружающей среды от пылегазовых выбросов и теплового за-
іязнения при эксплуатации шахт, включающие:
технологию очистки дымовых газов с гранулирование уловленной пыли;
технологию утилизации теплоты отходящих дымовых газов со схемами тематического регулирования температуры дымовых газов перед рукавным
фильтром;
технологическую схему двухступенчатой комбинированной очистки ДІ мовых газов с замкнутым циклом водоснабжения;
эффективный зернистый фильтр для очистки агрессивных дымовых газе повышенной температуры;
два вихревых пылеуловителя; ...
рукавный фильтр.
Обоснованность и достоверность предлагаемых методов, технологий технических средств защиты окружающей среды и рационального исйользов; ния природных ресурсов подтверждается: достаточной (более 90%) сходимі стью результатов теоретических исследований с испытаниями на промьншш ных установках; двумя серебряными медалями на ВДНХ СССР и ВВЦ Р<] двумя дипломами на Всесоюзных конкурсах; двумя почетными грамотам Пермского областного правления НТО энергетики и электротехнической прс мышленности; 7 авторскими свидетельствами и 4 патентами.
Научное значение результатов исследований состоит в обосновании п< вышения экологичное и энергетической эффективности шахтных стационаї ных компрессорных, вентиляторных, водоотливных и котельных установок,
- также в разработке средств энергосбережения и защиты окружающей среды с
пылегазовых выбросов и теплового загрязнения.
Практическая значимость результатов исследований. На основани проведенных исследований разработаны: методика, позволяющая рассчитыват основные оптимальные параметры, характеризующие работу стационарных у>
- тановок при минимальном расходе энергии; технологии по утилизации низк<
потенциального тепла оборотной воды компрессорных установок, сброснь
шахтных вод и хозбытовых стоков, позволяющие на стадии их проектирован!
и при модернизации обеспечить значительное снижение расхода энергии; кої
струкции эффективных теплообменных аппаратов; эффективные технологии
средства для утилизации теплоты отходящих дымовых газов котельных уста»
вок и технические средства по улавливанию пылегазовых выбросов.
Реализация результатов исследований. Результаты проведенных исследо-ний внедрены в промышленности: энергосберегающая природоохранная тех-їлогия охлаждения компрессоров с утилизацией теплоты оборотной воды на іхте «Ключевская» ПО «Кизелуголь»; технические средства и технология илизации теплоты сбросной шахтной воды в рабочем проекте «Технологиче-ий комплекс утилизации вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) шахты енковская» и «5-6» АО Угольная компания «Прокопьевскуголь».
Личный вклад автора. Материалы, представленные в диссертации, явля-гся результатом двадцатилетних исследований автора в области повышения іфективности эксплуатации шахтных стационарных установок, экономии то-ивно-энергетических ресурсов и защиты окружающей среды от вредных вы-осов и теплового загрязнения предприятиями угольной промышленности; ав-р сформулировал задачи исследований и участвовал в выполнении теорети-ских и экспериментальных разработок, в обобщении их результатов, разра-тке и апробации технологий и технических средств.
Апробация работы. Результаты исследований представлены и обсуждены:
IX областной научно-технической конференции «Химия и химическая про-шгленность Западного Урала в решении Продовольственной программы» ермь, 1983); на научно-технических конференциях Свердловского горного статута (1987, 1988); на научно-технических конференциях Пермского политического института (1986-1988); на научно-технической конференции по просам развития стационарных установок угольных шахт (Донецк, 1988); на жотраслеврй научно-технической конференции «Экологическая безопас-сть ТЭК: проблемы, пути решения» (Пермь, 1994); на научно-технической нференции, посвященной 100-летию со дня рождения проф. А.Я. Веселова катеринбург, 1995); на первой межрегиональной научно-технической конфе-нции «Энергопотребление и энергосбережение: проблемы, решения» ермь, 1997); на международной научно-практической конференции «Энерго-гребление и энергосбережение: проблемы, решения» (Пермь, 1998).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 статей, 8 тезисов док-
ладов, получено 7 авторских свидетельств и 4 патента.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пя-глав, заключения, списка использованной литературы из 231 наименования. Р бота .изложена на 218 страницах машинописного текста. В ней содержится '. рисунка, 6 таблиц и 7 текстовых приложений.