Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,252

РАЙОНИРОВАНИЕ ГОРНОДОБЫВАЮЩИХ РЕГИОНОВ РОССИИ ПО ЗАТРАТАМ НА КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ РУДНИЧНОГО ВОЗДУХА

Наумов А.А. 1 Николаева Д.В. 1
1 Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»
Значительная часть предприятий горной промышленности России находится в регионах с длительными холодными периодами года, когда температура воздуха ниже + 2 °С, что обуславливает дополнительное потребление энергии на регулирование теплового режима. В статье определяются горнодобывающие регионы, для которых актуально использовать «безэнергетические» системы регулирования теплового режима. Разработан критерий оценки энергопотребления систем кондиционирования для обоснованного проведения выбора способов и средств снижения энергетических и экономических затрат на регулирование теплового режима. Критерий представляет собой отношение затрат на кондиционирование рудничного воздуха. Результатом работы является районирование территории Российской Федерации по затратам на кондиционирование рудничного воздуха, а также определение областей, где применение «безэнергетических» систем наиболее актуально.
тепловой режим
кондиционирование воздуха
критерий
энергопотребление
шахты
рудники
районирование
1. Галкин А.Ф. Тепловой режим подземных сооружений Севера. – Новосибирск: ВО Наука, 2000. – 305 с.
2. Галкин А.Ф. Горнотехнические системы регулирования теплового режима. «Горная промышленность». – 2008. – № 3. – С. 14–17.
3. Галкин А.Ф., Хохолов Ю.А. Теплоаккумулирующие выработки. – Новосибирск: ВО «Наука», Сибирская издательская фирма, 1992 – 133 с.
4. Гудыма Н.Б., Галкин А.Ф. Определение риска производственно–обусловленных простудных заболеваний горнорабочих. – Неделя науки СПбГПУ: материалы научно-практической конференции c международным участием. Институт военно-технического образования и безопасности СПбГПУ. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2014. – С/ 73–75.
5. Горбунов Н.И. Теория и практика аэрологии горных предприятий: учеб. пособие. – Алчевск: ДГМИ, 2003. – 116 с.
6. Дядькин Ю.Д. и др. Тепловой режим рудных, угольных и россыпных шахт Севера / Ю.Д. Дядькин, А.Ф. Зильберборд, П.Д. Чабан. – М.: Изд-во «Наука», 1968. – 172 с.
7. Дядькин Ю.Д., Шувалов Ю.В., Тимофеевский Ю.С. Горная теплофизика. Регулирование теплового режима шахт и рудников. – Л.: Изд. ЛГИ, 1976. – 159 с.
8. Казаков Б.П. Ресурсосберегающие технологии управления климатическими параметрами рудников: На примере калийных рудников: дис. … д-ра техн. наук. – Пермь, 2001. – 315 с.
9. Осодоев М.Т., Шерстов В.А. К экономической оценке эффективности регулирования теплового режима шахт Севера // Исследования по физико-техническим проблемам Севера. – Якутск, 1974. – С. 11–14.
10. Петрачкова Н.М., Хорхордина Е.М., Галкин А.Ф. Анализ средств индивидуальной защиты органов дыхания для работы в зимних условиях. – Неделя науки СПбГПУ: материалы научно-практической конференции c международным участием. Институт военно-технического образования и безопасности СПбГПУ. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2014. – С. 99–102.
11. Строительный нормы и правила: СНиП 23-01-99. Строительная климатология. – М., 2003.
12. Строительный нормы и правила: СаНПиН – 2.2.4.548-96 Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений. – М., 1996.

В основном горнодобывающие предприятия России находятся в субарктическом поясе, в области континентального и резко-континентального климата, что обуславливает дополнительное потребление энергии на регулирование теплового режима, которое зависит от длительности холодного периода года, когда температура воздуха ниже + 2 °С.

Вопросами регулирования теплового режима шахт и рудников Севера занимались многие ученые горные теплофизики: Ю.Д. Дядькин, П.Д. Чабан, А.Ф. Зимбельборд, В.А. Шерстов, Ю.В. Шувалов, Б.П. Казаков, А.Ф. Галкин и др. [1, 2, 3, 6, 7, 8, 9]. Ими обоснованы и разработаны различные способы и средства для регулирования теплового режима шахт и рудников. Создана фундаментальная теоретическая база для прогноза и выбора оптимальных параметров теплотехнических систем кондиционирования рудничного воздуха. Предложены новые технические решения, позволяющие существенно снизить энергетические и экономические затраты на создание комфортных и безопасных условий труда подземных рабочих.

Согласно классификации Ю.Д. Дядькина [6] системы регулирования теплового режима шахт и рудников Севера могут быть разделены на две большие группы «энергетические» и «безэнергетические». Например, подогрев рудничного воздуха при помощи калориферных установок, который наиболее часто используется на горных предприятиях, относится к «энергетическим» системам, а регулирование теплового режима с помощью теплоаккумулирующих выработок – к «безэнергетическим». Перспектива использования горнотехнических систем, к которым относятся теплоаккумулирующие выработки, наряду с другими «безэнергетическими» системами, представляет несомненный интерес, поскольку они позволяют существенно снизить затраты на кондиционирование рудничного воздуха [2, 3].

Можно констатировать, что накоплен достаточный научный и инженерный потенциал по проектированию и внедрению энергетически и экономически эффективных способов регулирования теплового режима шахт и рудников. Однако в настоящий период применение подобных систем не носит обязательного характера и скорее является исключением, чем правилом. Более того, при проектировании современных рудников Севера, например золотодобывающих, вообще не предусматривается регулирование теплового режима. Это позволяет получить значительную экономию капитальных и эксплуатационных затрат, но создает проблемы для подземных рабочих. Анализ показал, что практически для всех современных рудников, эксплуатирующихся с естественным (нерегулируемым) тепловым режимом, жесткость микроклимата большую часть времени года превышает допустимую. Соответственно и риски производственно обусловленных простудных заболеваний для подземных рабочих существенно увеличиваются [1, 4, 6, 10].

Целью данной работы является определение горнодобывающих регионов, для которых использование оптимальных режимов регулирования теплового режима шахт и рудников с использованием «безэнергетических» систем наиболее актуально.

Для решения поставленной задачи введем критерий, который показывает, насколько увеличиваются общие затраты на кондиционирование рудничного воздуха (подогрев плюс вентиляция) по сравнению с использованием нерегулируемого теплового режима (только вентиляция):

naumov01.wmf (1)

где naumov02.wmf – затраты на подогрев 1 м3/с воздуха в год, руб./год; naumov03.wmf – затраты на вентиляцию 1 м3/с воздуха в год, руб./год.

Исходя из формулы (1), очевидно, что для нерегулируемого режима KQ = 1. При подогреве воздуха критерий KQ показывает степень увеличения затрат при подогреве подаваемого в рудник воздуха до +2 °С [11].

Стоимость потребляемой электроэнергии работы вентилятора в течение года будет равна

naumov04.wmf (2)

где NВ – эксплуатационная мощность вентилятора, кВт; τВЕНТ – длительность работы вентилятора в год, ч; СЭ – стоимость электроэнергии, руб/кВт∙ч.

Эксплуатационная мощность вентилятора определяется как

naumov05.wmf (3)

где R – аэродинамическое сопротивление рудника, R = 9,81 Н∙с2/м4 [9]; Q – количество подаваемого воздуха, м3/с.

Стоимость потребляемой тепловой энергии за зимний период будет равна

naumov06.wmf (4)

где τi – длительность i-го месяца, с; i – количество месяцев со средней температурой ниже температуры подогрева, tПОД – температура подогрева, tПОД = + 2 °С; tВ(τi) – среднестатистическая температура воздуха в i-й месяц зимнего периода, °С; СП – стоимость тепловой энергии, руб./Гкал; Ср – удельная теплоемкость воздуха, Ккал/кг∙°С.

G = Qγ(ti), кг/с, (5)

где γ(ti) – плотность воздуха при i-й температуре, кг/м3; Q – объем подаваемого воздуха, м3/с.

Так как Q = 1 м3/с, то

G = γ(ti), кг/с. (6)

Для районирования были рассмотрены 53 основных горнодобывающих региона России с различными климатическими условиями и определены стоимости 1 Гкал тепловой энергии и стоимость 1 кВт/ч электроэнергии в каждом конкретном регионе, в табл. 1 показаны результаты расчета критерия KQ для Уральского федерального округа. По формулам (2) и (4) были проведены многовариантные расчеты и по полученным результатам по формуле (1) рассчитан критерий удорожания процесса кондиционирования за счет регулирования теплового режима – KQ.

По результатам, полученным в ходе расчетов, можно сделать вывод, что среднемесячная температура зимнего периода является одним из основных факторов, влияющих на критерий удорожания процесса кондиционирования за счет регулирования теплового режима. При этом стоимость 1 Гкал теплоэнергии в регионе является главным фактором, влияющим на рассчитываемый критерий KQ.

Расчет критерия KQ рассмотрим более подробно на примере Мурманской области.

В Мурманской области добыча полезных ископаемых подземным способом ведется на предприятиях в городах Кировск и Оленегорск.

Таблица 1

Критерий KQ для Уральского федерального округа

Регион

Населенный пункт

τ, дней

tср, °С

KQ

Уральский федеральный округ

Курганская область

г. Далматово

166

–10,7

1,18

Свердловская область

г. Березовский

158

–10,8

1,10

г. Карпинск

176

–10,9

1,08

г. Кушва

161

–9,3

1,08

Челябинская область

г. Копейск

162

–10,1

1,12

пгт. Вишневаторск

172

–10,6

1,06

пгт. Южный

170

–11,1

1,09

Ямало-Ненецкий АО

г. Лабытнанги

228

–15,5

1,32

pic_149.wmf

Рис. 1. Климатические параметры для Северо-Западного, Центрального, Уральского, Южного и Приволжского федеральных округов

pic_150.wmf

Рис. 2. Климатические параметры для Северо-Западного, Центрального, Уральского, Южного и Приволжского федеральных округов

Таблица 2

Значения среднемесячной температуры и удельной плотности воздуха в зимний период года

   

январь

февраль

март

апрель

май

июнь

сентябрь

октябрь

ноябрь

декабрь

Кировск

t, °С

–12,2

–12,6

–10,9

–6,9

–1,9

+ 1,5

–4,1

–7,7

–10,4

γ, кг/м3

1,35

1,35

1,35

1,33

1,3

1,28

1,31

1,33

1,34

Оленегорск

t, °С

34

–35

–33

–20

–12

0

–5

–18

–28

γ, кг/м3

1,48

1,48

1,47

1,4

1,35

1,29

1,32

1,38

1,44

Таблица 3

Стоимость 1 Гкал теплоэнергии и 1 кВт/ч электроэнергии

 

Ср, руб./ Гкал

Сэл, руб./кВт∙ч

Кировск

2786,92

2,34

Оленегорск

3609,3

1,64

Расчет стоимости потребляемой тепловой энергии в течение января по формуле (4):

В Кировске:

naumov07.wmf

В Оленегорске:

naumov08.wmf

Результаты расчетов стоимости потребляемой тепловой энергии по формуле (4) в течение зимнего периода для Мурманской области представлены в табл. 4.

Таблица 4

 

январь

февраль

март

апрель

май

июнь

сентябрь

октябрь

ноябрь

декабрь

ΣЭПОД, руб.

Кировск

34342,6

31892,9

31198,56

20521,6

9082,78

1109,5

14315,7

22366,3

29767,2

194597,3

Оленегорск

123615,8

114754,4

119369,9

64154,4

43850,1

5792,8

21437,9

61969,5

100229

660174

Расчет стоимости потребляемой электроэнергии работы вентилятора в течение года по формуле (2).

В Кировске:

naumov09.wmf

В Оленегорске:

naumov10.wmf

Определение критерия зависимости стоимости кондиционирования рудничного воздуха от затрат на регулирование теплового режима рудничного воздуха шахт и рудников в Мурманской области.

Для Кировска:

naumov11.wmf

Для Оленегорска:

naumov12.wmf

pic_151.tif

Рис. 3. Районирование России по критерию KQ

По полученным результатам видно, что критерий KQ в городе Оленегорске выше, чем в городе Кировске, почти в 2 раза, что вызвано повышенной стоимостью 1 Гкал тепловой энергии в Оленегорске.

По результатам расчетов, представленных в табл. 1, было проведено районирование горнодобывающих регионов России (рис. 1).

На карте зеленым цветом отмечены области с незначительным увеличением затрат на кондиционирование рудничного воздуха, желтым цветом обозначены области с существенным увеличением затрат. Оранжевым цветом отмечены области с большим увеличением затрат и красным цветом отмечен регион со значительным увеличением затрат на кондиционирование рудничного воздуха (при подогреве и вентиляции).

Таким образом, можно сделать вывод, что применение «безэнергетических» систем при регулировании теплового режима наиболее актуально в Красноярском и Камчатском краях, а также в отдельных районах Забайкальского края и Мурманской области. В областях, отмеченных на карте районирования желтым цветом, следует уделять более тщательное внимание выбору систем регулирования теплового режима.

Авторы выражают благодарность научному руководителю, профессору А.Ф. Галкину за идею работы и помощь при написании статьи.

Рецензенты:

Коршунов Г.И., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой безопасности производств, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», г. Санкт-Петербург;

Галкин А.Ф., д.т.н., профессор кафедры безопасности производств, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», г. Санкт-Петербург.


Библиографическая ссылка

Наумов А.А., Николаева Д.В. РАЙОНИРОВАНИЕ ГОРНОДОБЫВАЮЩИХ РЕГИОНОВ РОССИИ ПО ЗАТРАТАМ НА КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ РУДНИЧНОГО ВОЗДУХА // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 8-2. – С. 312-317;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=38892 (дата обращения: 16.12.2017).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252