Введение к работе
Актуальность темы. Во многих отраслях промышленности наряду с электрической энергией широко используется пневматическая энергия или энергия сжатого воздуха.
Сжатый воздух является одним из основных видов энергии на шахтах и рудниках для приведения в действие бурильных, буросбоечных, добычных, проходческих и погрузочных машин, вентиляторов местного проветривания, насосов, а также в эрлифтных установках при откачке воды и пульпы.
Кроме того, сжатый воздух находит применение для пневмозакладки горных выработок, для приведения в действие толкателей, стопоров, затворов и других устройств технологического комплекса предприятия.
Такое широкое применение пневматической энергии обусловлено высокой степенью безопасности пневматического оборудования, что особенно важно для шахт, опасных по газу или пыли, где применение электрической энергии при подземной разработке ископаемых является опасным при внезапных выбросах угля и газа.
Но вместе с тем пневматическая энергия имеет ряд серьезных недостатков. И, прежде всего, это высокая стоимость по сравнению с электрической энергией, что объясняется большим потреблением электрической энергии компрессорами при производстве сжатого воздуха.
Транспортирование сжатого воздуха от компрессорной станции до пневмоприемников осуществляется по длинным и разветвленным трубопроводам. При этом происходят значительные энергетические потери за счет гидравлических сопротивлений, температурных изменений, колебаний давления в питающих сетях и за счет утечек сжатого воздуха.
Для осуществления конкретных мер, направленных на сокращение прямых энергозатрат и снижение материально-технических ресурсов при использовании пневматической энергии, в том числе при распределении сжатого воздуха, необходимо иметь ясное представление о процессах, происходящих при транспортировании сжатого воздуха, и о факторах, определяющих эффективность работы отдельных элементов и пневмоустановок в целом.
Поэтому несомненна актуальность вопросов энергосбережения, реализация которых осуществляется применением новых энергосберегающих технологий при эксплуатации компрессорных установок, в том числе и при транспортировании сжатого воздуха.
Объект исследований: рудничные компрессорные установки, в том числе пневматические сети с позиции оптимизации режимов их работы по критерию минимума потерь энергии на транспортирование сжатого воздуха.
Предмет исследований: тепловые, гидравлические и объемные потери энергии при транспортировке сжатого воздуха.
Цель работы: повышение энергетической эффективности работы пневматических сетей рудничных компрессорных установок, с учетом внутренних и внешних эксплуатационных факторов.
Идея работы: обоснование рациональных энергосберегающих режимов работы пневматических сетей целесообразно на основе разработки математической модели функционирования комплексов рудничных компрессорных установкок.
Основные задачи исследований:
1. Выявление факторов, влияющих на эффективность работы пневматической сети, в конкретных условиях эксплуатации рудничных компрессорных установок.
2. Построение математической модели рудничной компрессорной установки, описывающей взаимосвязь технологических и эксплуатационных факторов, формирующих процесс пневмопотребления, и показателей, характеризующих возможности регулирования выработки сжатого воздуха.
3. Исследование тепловых, гидравлических и объемных потерь энергии при транспортировке сжатого воздуха и установление минимизации этих потерь в функции наиболее значимых факторов.
4. Обоснование основных параметров гидропневматических аккумуляторов как средств снижения потерь энергии при транспортировании воздуха и влияния их на качество сжатого воздуха.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Математическая модель функционирования рудничных компрессорных установок, описывающая взаимосвязь технологических и эксплуатационных факторов, формирующих процесс энергопотребления.
2. Потери энергии при транспортировании сжатого воздуха зависят от ряда внутренних и внешних эксплуатационных факторов, исследование которых позволит аналитически установить минимум этих потерь.
3. Разрядка гидрокамеры гидропневматического аккумулятора до минимально допустимого рабочего давления пневмоприемников позволит снизить капитальные затраты на его сооружение.
4. Использование гидропневматического аккумулятора в качестве потребителя-регулятора мощности в условиях ограниченного потребления электроэнергии позволит снизить затраты на производство сжатого воздуха.
Научная новизна заключается:
- в разработке математической модели функционирования рудничных компрессорных установок;
- оптимизации режимов работы пневматической сети, по критерию минимума потерь энергии при транспортировании сжатого воздуха;
- разработке методики расчета основных параметров гидропневматического аккумулятора;
- обосновании методики планирования режимов работы рудничных компрессорных установок в условиях ограниченного электропотребления.
Методы научных исследований включают: анализ опыта эксплуатации конкретных компрессорных установок в реальных условиях орнодобывающих предприятий в процессе выработки и распределения сжатого воздуха, метод математического моделирования, метод лексикографического подхода (последовательного применение критериев), аналитические методы определения оптимальных условий работы пневматической сети.
Достоверность научных положений, выводов и результатов исследования: научные положения, выводы и рекомендации обоснованы корректным использованием теоретических и практических основ математики, физики и термодинамики, а также удовлетворительной сходимостью (90 %) результатов аналитических исследований с результатами полученных экспериментов и данными практики.
Практическая значимость работы состоит в разработке методики определения различных видов потерь энергии сжатого воздуха при его транспортировке и в разработке рекомендаций для снижения этих потерь; установлении рациональных режимов работы пневматической сети, влияющих на процесс распределения сжатого воздуха по различным параметрам.
Личный вклад автора состоит в разработке математической модели функционирования рудничных компрессорных установок и методики расчета основных параметров гидропневматического аккумулятора; в оптимизации режимов работы пневматической сети по критерию минимума потерь энергии при транспортировании сжатого воздуха; в обосновании методики планирования режимов работы рудничных компрессорных установок в условиях ограниченного электропотребления.
Реализация выводов и рекомендаций работы: основные научные положения и рекомендации диссертации использованы при децентрализации при снабжении сжатым воздухом потребителей на шахтах ОАО «Севуралбокситруда». Экономический эффект от внедрения передвижных винтовых компрессоров 6ВВ-32/7 составил 2,016 млн. руб.
Апробация работы. Результаты и основные положения диссертационной работы докладывались на Всероссийской студенческой олимпиаде, научно-практической конференции и выставке аспирантов и молодых ученых «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2003 г.); всероссийских совещаниях по энергосбережению (Екатеринбург, 2004-2005 гг.); международной научно-технической конференции «Технологическое оборудование для нефтегазовой промышленности» (Екатеринбург, 2007 г.); ежегодных научно-практических конференциях в УГГУ в рамках Горнопромышленной декады (Екатеринбург, 2003-2008 гг.)
Публикации по теме диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, в том числе 5 статей в ведущих рецензируемых научных журналах.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 95 наименований, приложений и содержит 161 стр. машинописного текста, 27 рисунков, 13 таблиц.
