Analiza efektywności transportu chłodu w układzie centralnej klimatyzacji kopalni podziemnej

Transkrypt

1 BORKOWSKI Paweł 1 SKOWROŃSKI Marek 2 SZULC Przemysław 3 MACHALSKI Artur 4 Analiza efektywności transportu chłodu w układzie centralnej klimatyzacji kopalni podziemnej WSTĘP Kopalnie podziemne należą do jednych z najbardziej wymagających miejsc wykonywania pracy. W wyrobiskach podziemnych poza zagrożeniami litologicznymi (tąpnięcia, zawały wyrzuty gazów i skał) występują również zagrożenia aerologiczne (pożary, wybuchy gazów i pyłów oraz zagrożenia temperaturowe). Głównym sposobem na przeciwdziałanie skutkom tych zagrożeń jest odpowiednie planowanie wydobycia, zastosowanie technik wykrywania i monitoringu występujących zagrożeń oraz odpowiednia organizacja pracy. W celu uzyskania niezbędnych warunków klimatycznych w głębokich kopalniach używane są systemy chłodnicze, które zapewniają bezpieczne oraz komfortowe środowisko pracy. W przypadku eksploatacji złóż na poziomie 1200 m temperatury odkrytego górotworu, mogą osiągać wartości 46 C, co w połączeniu z dużą ilością maszyn wykorzystywanych w trakcie wydobycia rud, które są dodatkowymi źródłami ciepła stwarza niezwykle trudne warunki dla pracy systemów klimatyzacji. Według Polskich przepisów górniczych, zgodnie z rozporządzeniem Ministra Gospodarki z dnia 28 czerwca 2002 roku przy wykonaniu pomiarów termometrem suchym temperatura powietrza w miejscu pracy nie powinna przekraczać 28 C a intensywność chłodzenia nie powinna być mniejsza od 11 katastopni wilgotnych. Jeżeli zalecana wartość temperatury zostaje przekroczona, niezbędne jest skrócenie czasu pracy do 6 godzin. Maksymalna temperatura pracy przy skróconym czasie wynosi 33 C, powyżej tej wartości dozwolone jest tylko przeprowadzanie akcji ratowniczych. W celu spełnienia powyższych warunków niezbędne jest, aby systemy klimatyzacji działały niezawodnie oraz z wysoką sprawnością. W artykule przedstawiona została analiza efektywności transportu wody lodowej na przykładzie układu centralnej klimatyzacji w Zakładach Górniczych Rudna. Weryfikacja sprawności transportu chłodu pozwala na określenie głównych źródeł strat występujących w badanym systemie. Analiza efektywności została wykonana w oparciu o pomiary wykonane na rzeczywistym układzie oraz symulacje numeryczne przeprowadzone w aplikacji KlimaNET. 1 OPIS BADANEGO SYSTEMU KLIMATYZACJI Przeprowadzoną analizę transportu chłodu oparto na układzie centralnej klimatyzacji Zakładów Górniczych Rudna. Powierzchniowa stacja klimatyzacyjna wykorzystana w badanym systemie posiada 13.5 MW mocy chłodniczej, która wykorzystywana jest na obniżanie temperatury wody lodowej. Przy założeniu stałej wartości temperatury wody powrotnej na poziomie 26 C możliwe jest schłodzenie 490 m 3 /godz wody do temperatury 2 C. W skład elementów chłodzących stacji powierzchniowej wchodzą wieże freecoolingu, które pracują, gdy temperatura otoczenia spada poniżej 17 C, bromo-litowe agregaty absorpcyjne działające bez wsparcia freecolingu oraz pracujące przez cały rok amoniakalne agregaty sprężarkowe. Wytworzona woda lodowa tłoczona jest rurociągiem do trójkomorowego podajnika hydrostatycznego, który umożliwia rekuperację energii 1 KGHM, Zakłady Górnicze Rudna, Polkowice ul. Dąbrowskiego 50, p.borkowski@kghm.pl 2 Politechnika Wrocławska, Wydział Mechaniczno Energetyczny; Wrocław; ul. Wybrzeże Wyspiańskiego 27. Tel: , marek.skowronski@pwr.edu.pl 3 Politechnika Wrocławska, Wydział Mechaniczno Energetyczny; Wrocław; ul. Wybrzeże Wyspiańskiego 27. Tel: , przemyslaw.szulc@pwr.edu.pl 4 Politechnika Wrocławska, Wydział Mechaniczno Energetyczny; Wrocław; ul. Wybrzeże Wyspiańskiego 27. Tel: , artur.machalski@pwr.edu.pl 2529

2 ciśnienia, kosztem niewielkiej straty podmieszania wody zasilającej z powrotną. W części podziemnej woda transportowana jest zaizolowanymi rurociągami do punktów klimatyzacyjnych a następnie do chłodnic wentylatorowych, które obniżają temperaturę powietrza w wyrobiskach. Dodatkowo w części podziemnej kopalni używane są wspomagające maszyny chłodnicze, które wspierają pracę powierzchniowej stacji klimatyzacyjnej. Analiza efektywności transportu wody lodowej została wykonana na podziemnej części systemu klimatyzacji i obejmuje główne rurociągi. Rys. 1. Schemat układu klimatyzacji centralnej ZG Rudna 2 METODYKA BADAŃ 2.1 Metodyka pomiarów Pomiary przeprowadzono w kluczowych miejscach sieci klimatyzacyjnej ZG Rudna, głównym ich celem była kalibracja informatycznego systemu obsługi i nadzoru KlimaNET, Dodatkowo uzyskane wyniki pozwoliły na pozyskanie cennych informacji o efektywności transportu wody lodowej w aktualnej sieci klimatyzacyjnej. Podstawowym źródłem danych są pomiary wykonywane przez pracowników Politechniki Wrocławskiej w przedstawionych na schematycznym rysunku 2 węzłach (W4, W5, W7, W8, W10, W12, W13, W14). Pomiary wykonane zostały na rurociągach zasilających (transport wody lodowej do węzłów oraz punktów klimatyzacyjnych) oraz powrotnych (transport wykorzystanej wody lodowej do naziemnej stacji klimatyzacyjnej oraz podziemnych maszyn chłodniczych). Mierzone parametry to: temperatura: otoczenia, wody zasilającej, wody powrotnej, powierzchni rurociągów, powierzchni izolacji prędkość powietrza wilgotność powietrza Parametry takie jak: strumienie przepływów wody lodowej oraz ciśnienia w poszczególnych węzłach pomiarowych zostały pobrane z dziennych raportów zmianowych oraz z sieci pomiarowej ZG Rudna. 2530

3 Rys. 2. Lokalizacja węzłów pomiarowych (W węzeł pomiarowy, PK Punkt klimatyzacyjny) W związku z tym, że pomiary wykonywane w celu kalibracji obliczeń programu KlimaNET zostały przeprowadzane w ciągu 2 lat, dla przeprowadzonej analizy efektywności transportu chłodu wybrane zostały tylko pomiary wykonywane w okresie letnim. Warunki pracy układu klimatyzacji w tym czasie są najbardziej wymagające. 2.2 Symulacja w programie KlimaNET Program KlimaNET, który został wykorzystany do przeprowadzenia symulacji pracy systemu klimatyzacji jest wyspecjalizowanym narzędziem projektowo-analitycznym przeznaczonym do wspomagania bieżących prac przy obsłudze i planowaniu rozbudowy centralnej sieci klimatyzacyjnej kopali. System powstał przy współpracy Instytutu Inżynierii Lotniczej Procesowej i Maszyn 2531

4 Energetycznych Politechniki Wrocławskiej oraz pracowników Działu Klimatyzacji i Rurociągów ZG Rudna KGHM Polska Miedź. System KlimaNET działa wykorzystując dwa moduły obliczeniowe: a) Hydrauliczny oparty o procedury obliczeniowe metody gradientowej. b) Termodynamiczny oparty o metody obliczeniowe opracowane przez pracowników Politechniki Wrocławskiej dla ZG Rudna Rys. 3. Model rurociągów sieci klimatyzacji wykorzystany w programie KlimaNET Aplikacja KlimaNET pozwala również na przeprowadzenie analizy istniejącej sieci rurociągów. Po odpowiedniej kalibracji modelu z wykorzystaniem danych pomiarowych możliwe jest wyznaczenie strat ciepła na poszczególnych odcinkach. Model sieci zaprezentowany na rysunku 3 został stworzony w oparciu o rzeczywiste plany sieci systemu rurociągów układu klimatyzacji Zakładów Górniczch Rudna. Wyniki pomiarów wykonanych na badanym obiekcie służyły do ustalenia warunków brzegowych układu oraz do kalibracji stworzonego modelu. Parametrami zadanymi w programie poza topografią układu rurociągów są: a) Prędkości powietrza w wyrobiskach b) Temperatury otoczenia c) Wilgotności względne powietrza d) Bazowe strumienie przepływu wody lodowej e) Temperatura wody zasilającej 3 ANALIZA WYNIKÓW Analizowane rurociągi zostały podzielone na odcinki pomiędzy węzłami pomiarowymi. Numeracja węzłów jest analogiczna do przedstawionej na rysunku

5 Opisane rurociągi zasilające są zaizolowane. Rodzaj zastosowanych rur przedstawiono w tabeli 1. W związku z ciągłym rozwojem sieci klimatyzacji stan izolacji jest bardzo zróżnicowany. Dodatkowo części rurociągów zasilających przy punktach pomiarowych nie posiadają izolacji. W analizie wzięto również pod uwagę rurociągi powrotne, które w większości są niezaizolowane. Tab. 1. Rodzaj izolacji dla danych odcinków rurociągów Odcinek rurociągu Podajnik wody lodowej Węzeł pomiarowy 4 i 5 Węzeł pomiarowy 4 i 5 - Węzeł pomiarowy 7 Węzeł pomiarowy 4 i 5 - Węzeł pomiarowy 8 i 12 Węzeł pomiarowy 8 i 12 - Węzeł pomiarowy 10 Węzeł pomiarowy 8 i 12 - Węzeł pomiarowy 13 Rura zasilająca 323/450 PE-ST-PU-PE 323/450 PE-ST-PU-PE 323/450 PE-ST-PU-PE 280/355 PE-PU-PE 315/400 PE-PU-PE 273/400 PE-ST-PU-PE Wybrane odcinki rurociągów znajdują się w obszarze wyrobisk, gdzie temperatura powietrza wynosi mniej niż 28 C (Rysunek 4). Są to rejony, w których wymagana temperatura jest zapewniona, czyli oddawanie chłodu do powietrza z rurociągów jest traktowane, jako całkowita strata. Rury te stanowią około 15% całości rurociągów systemu transportu wody lodowej. Dla rurociągów w obszarze wyrobisk o temperaturze powietrza powyżej 28 C straty chłodu częściowo można traktować, jako właściwą prace systemu klimatyzacji. Wadą takiego rozwiązania jest brak uwzględnienia zasadności chłodzenia danych odcinków, na których np. niewykonywane są prace. Rys. 4. Temperatura powietrza w wyrobiskach dla poszczególnych rurociągów. Wartości strumieni wymiany ciepła wyznaczonych przy wykorzystaniu programu KliamNET na poszczególnych wyodrębnionych fragmentach przedstawiono w tabeli 2. Wartości dodatnie oznaczają oddawanie chłodu do otoczenia. Dla zadanej wartości temperatury powietrza w odcinku pomiędzy 2533

6 węzłami pomiarowymi 8/12 a 13 woda powrotna jest dodatkowo chłodzona. W związku z niskimi temperaturami powietrza oraz względnie dużą prędkością powietrza na odcinku pomiędzy węzłami 8/12 a 13 powrotna woda lodowa jest dodatkowo ochładzana. Tab. 2. Wartości strumienia ciepła traconego dla poszczególnych odcinków. Odcinek rurociągu Q zasilanie, kw Q powrot, kw Podajnik wody lodowej Węzeł pomiarowy 4 i 5 52,7 14,7 Węzeł pomiarowy 4 i 5 - Węzeł pomiarowy 7 57,6 107,8 Węzeł pomiarowy 4 i 5 - Węzeł pomiarowy 8 i 12 28,9 9,9 Węzeł pomiarowy 8 i 12 - Węzeł pomiarowy 10 48,5 73,9 Węzeł pomiarowy 8 i 12 - Węzeł pomiarowy 13 11,5-13,1 Razem: 199,3 193,3 Rysunek 5 przedstawia rozkład strat na wykresie Sankeya, ilość chłodu tracona na głównych rurociągach zasilających jest zbliżona do strat na podajniku trójkomorowym. Biorąc pod uwagę odcinki rurociągów, które znajdują się w wyrobiskach o temperaturze powietrza powyżej 28 C oraz stratę na podajniku trójkomorowym suma strat mocy chłodniczej wynosi około 4,5 MW, co stanowi 33% całości mocy dostarczanej przez powierzchniową stację klimatyzacyjną. Rys. 5. Wykres Sankeya, strat występujących w układzie transportu chłodu. WNIOSKI Straty chłodu w trakcie transportu wody lodowej głównymi rurociągami zasilającymi dla odcinków rurociągów znajdujących się w wyrobiskach o temperaturze powietrza poniżej 28 C oraz przy założeniu 13,5 MW mocy chłodniczej naziemnej stacji klimatyzacyjnej wynoszą około 400 kw, co stanowi 3% dostarczanej mocy chłodniczej. Dodatkowo biorąc pod uwagę rurociągi w pozostałej części kopalni całkowite straty podczas transportu chłodu wynoszą około 4 MW, czyli 30% całości dostarczanej mocy chłodniczej. Bazując na opisanych wynikach badań oraz analiz numerycznych przeprowadzonych w programie KlimaNET określone zostały główne czynniki, które powodują występowanie strat energii oraz zmniejszenie efektywności systemu klimatyzacji: 1. Występowanie niezaizolowanych odcinków rurociągów zasilających: 2534

7 a) rury zasilające przy węzłach rozdzielających, b) rury przy maszynach chłodniczych, c) rury przy punktach klimatyzacyjnych zasilających chłodnicze. 2. Mechaniczne zniszczenia izolacji rurociągów zasilających: a) mechaniczne zniszczenie zewnętrznej warstwy polietylenowej izolacji chroniącej przed zawilgoceniem części poliuretanowej izolacji, b) mechaniczne zniszczenie części poliuretanowej izolacji. 3. Zawilgocenie części poliuretanowej izolacji. 4. Niski strumień przepływu wody lodowej (duże średnice rur). Fragmenty niezaizolowanego rurociągu powrotnego Przy wykonaniu analizy nie uwzględniono transportu wody lodowej pomiędzy rozdzielaczami punktów klimatyzacyjnych a chłodnicami, gdzie woda transportowana jest wężami bez izolacji o małych średnicach. Brak izolacji oraz względnie wysokie prędkości przepływu mogą powodować występowanie dużych strat (wzrost temperatury wody lodowej), dlatego w przyszłych analizach zalecane jest wzięcie pod uwagę tych elementów. Streszczenie W artykule omówiono analizę efektywności energetycznej transportu chłodu w systemie klimatyzacji kopalni podziemnej o głębokości poniżej 1000 m. Analiza oparta została na wynikach badań przeprowadzonych w Zakładach Górniczych Rudna. Bazując na wynikach pomiarów przeprowadzonych w latach 2012/2013 oraz wykorzystując wyniki obliczeń wykonanych w programie KlimaNET, określone zostały główne źródła strat występujące podczas transportu wody lodowej. Słowa kluczowe: transport, woda lodowa, klimatyzacja, efektywność, izolacja, chłodnictwo. Analisys of cold transport efficiency in the central air conditioning system of an underground mine Abstract In this article the analysis of energy efficiency of chilled water transport in an underground mine (with depth below 1000 m) air conditioning system has been described. The analysis has been based on the research data carried out at Zakłady Górnicze Rudna (Mining Industry Rudna). Main sources of losses during chilled water transportation have been determined on the basis of measurements taken in the years 2012, 2013 respectively. Additionally, calculations made in KlimaNET software have been used. Keywords: transport, chilled water, air conditioning, efficiency, insulation, refrigeration. BIBLIOGRAFIA 1. Skowroński M., Szulc P., Machalski A., Rozbudowa systemu Klimatyzacji Centralnej w rejonie szybu R IX wraz z utworzeniem informatycznego systemu obsługi i nadzoru. Raport PWr Madeja-Strumińska B., Zgrzebski P., Gola S., Zmiany temperatury górotworu w świetle badań promieniowania podczerwonego. Prace Naukowe Instytutu Górnictwa Politechniki Wrocławskiej Nr 106, Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia , W sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy oraz prowadzenia ruchu i specjalistycznego zabezpieczenia przeciwpożarowego w podziemnych zakładach górniczych 4. Hobler T..Ruch ciepła i wymienniki. PWT, Warszawa Kalinowski E., Przekazywanie ciała i wymienniki. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław Kostowski E., Zbiór zadań z przepływu ciepła. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice