KARTA SCENARIUSZY ROZWOJU TECHNOLOGICZNEGO MECHANIZACJA TECHNLOGIE PODSTAWOWE MECHANIZACJA TECHNOLOGII KLIMATYZACJA KOPALŃ SYMBOL IK/S 1. WYRÓśNIKI SYSTEMU MASZYNY I URZĄDZENIA: klimatyzacja lokalna, klimatyzacja grupowa, klimatyzacja centralna. 2. SZKIC Przykład klimatyzacji lokalnej 3. OPIS TECHNOLOGII Przykład klimatyzacji centralnej Charakterystyka stanu obecnego /w Polsce i za granicą/ Górnictwo światowe Obecnie stosuje się urządzenia klimatyzacyjne w wielu kopalniach podziemnych na całym świecie. Najbardziej zaawansowaną technikę klimatyzacji kopalń reprezentuje górnictwo złota w Republice Południowej Afryki oraz górnictwo węglowe w Niemczech. W początkowym okresie wprowadzania klimatyzacji do kopalń stosowano urządzenia lokalne o małych mocach chłodniczych. Znajdowały one głównie zastosowanie do chłodzenia powietrza w poszczególnych przodkach drąŝonych wyrobisk korytarzowych i w przodkach eksploatacyjnych. JeŜeli zachodzi konieczność chłodzenia duŝej ilości miejsc pracy na dole kopalni to coraz częściej znajdują zastosowanie centralne urządzenia chłodnicze, których maszyny chłodnicze ustawione są
centralnie pod ziemią lub na powierzchni. W technice klimatyzacji kopalń występują obecnie dwie tendencje: stosowanie klimatyzacji lokalnej lub centralnej kombinowanej, stosowanie klimatyzacji centralnej poprzez instalowanie duŝych maszyn klimatyzacyjnych na powierzchni i transportujących zimno na dół. Z doświadczeń niemieckich wynika, Ŝe w kopalniach o duŝym zagroŝeniu temperaturowym proces wprowadzania klimatyzacji przechodzi zasadniczo przez trzy etapy: 1. Klimatyzacja indywidualna W pierwszym etapie klimatyzacji zapotrzebowanie na moc chłodniczą w kopalni na ogół nie przekracza 2 MW. Stosuje się wówczas niestacjonarne urządzenia chłodnicze bezpośredniego działania, których moc jednostkowa nie przekracza 300 kw. 2. Klimatyzacja zdecentralizowana W drugim etapie klimatyzacji zapotrzebowanie na moc chłodniczą w kopalni na ogół wynosi od 2 MW do 6 MW. Dla wytworzenia takiej mocy chłodniczej stosuje się stacjonarne agregaty o mocy 0,5 do 3 MW chłodzące wodę, która rurociągami przesłana jest do lokalnych chłodnic powietrza. Zapotrzebowanie takiego rozwiązania w kopalniach o duŝym zapotrzebowaniu mocy chłodniczej obniŝa w znaczny sposób koszt wytworzenia 1 kw mocy chłodniczej. 3. Klimatyzacja scentralizowana W trzecim etapie klimatyzacji, gdy zapotrzebowanie na moc chłodniczą przekracza wartość 6 MW w kopalni jest stosowana klimatyzacja centralna. Jest to połączenie agregatów pracujących dotychczas w układzie zdecentralizowanym, w jeden system który za pomocą sieci rurociągów izolowanych dostarcza zimną wodę do urządzeń chłodzących powietrze w całej kopalni. Ciepło z wyrobisk odprowadzane jest wodą do wysokociśnieniowego wymiennika lub trójkomorowego podajnika rurowego. Stąd rurociągiem szybowym za pośrednictwem powierzchniowych chłodnic wody ciepło oddawane jest do powietrza atmosferycznego. Zastosowanie takiego rozwiązania obniŝa w znaczny sposób koszt wytworzenia jednostkowej mocy chłodniczej, a w szczególności poprzez moŝliwość zastosowania skojarzonej gospodarki energetyczno-cieplnej. Górnictwo węgla kamiennego dysponuje obecnie rozwiązaniami zapewniającymi stosunkowo efektywne chłodzenie wyrobisk, jednakŝe schodzenie na niŝsze poziomy z eksploatacją wiąŝe się z intensyfikacją zagroŝenia temperaturowego. Wobec powyŝszego naleŝy zintensyfikować i przyspieszyć badania nad skutecznymi urządzeniami klimatyzacyjnymi i doprowadzić je do szybkiego wdroŝenia.
Górnictwo polskie W ostatnich latach zaobserwowano w niektórych kopalniach zainteresowanie zapewnienia załogom górniczym ścianowym i wykonującym wyrobiska korytarzowe normalnego czasu pracy, to jest temperatury powietrza poniŝej 28ºC, co wymaga zastosowania urządzeń chłodniczych o wysokich mocach chłodniczych. Bardzo duŝe zagroŝenia klimatyczne występują w kopalniach: Bielszowice, Pokój, Szczygłowice, Wujek Śląsk, Borynia, Halemba, Zofiówka, Budryk, Sośnica- Makoszowy, Rydułtowy Anna, Pniówek, Knurów i JAS-MOS. Obecnie łączna moc urządzeń chłodniczych pracujących w kopalniach węgla kamiennego wynosi ponad 50 MW. Największą ilość stanowią lokalne urządzenia chłodnicze dostarczone przez niemieckie firmy GFW (obecnie WAT) przede wszystkim typu DV-290, nieistniejącą firmę Wende-Malter przede wszystkim typu LKM 290 oraz polskie firmy: Termospec przede wszystkim typu TS-300 oraz Wytwórnię Urządzeń Chłodniczych w Dębicy oferującą urządzenia typu GUC. Całkowita moc lokalnych urządzeń chłodniczych będąca do dyspozycji kopalń węgla kamiennego wynosi ponad 42 MW. Oprócz lokalnych urządzeń chłodniczych od 2000 r. w KWK Pniówek istnieje klimatyzacja centralna o mocy chłodniczej 5 MW (6,4 MW energii elektrycznej i 7,4 MW energii cieplnej), wyposaŝona w nowoczesny energetyczny układ trigeneracyjny, polegający na wytwarzaniu trzech róŝnych form energii (cieplnej, chłodniczej i elektrycznej z jednego głównego gazowego źródła metanu). Instalacja skojarzonego układu energetyczno-chłodniczego w KWK Pniówek jest pierwsza tego typu instalacją w Polsce z zastosowaniem silnika gazowego, który umoŝliwia wytwarzanie tzw. ciepła nisko i wysokotemperaturowego. NaleŜy równieŝ nadmienić, Ŝe w 2004 r. w KWK Zofiówka oddano do eksploatacji klimatyzację grupową o mocy 3 tys. kw. Scenariusz rozwoju mechanizacji do roku 2020, w tym: Ewolucja od stanu obecnego do docelowego W oparciu o analizę stanu aktualnego i doświadczenia światowego górnictwa, prognozuje się następujące perspektywy w zakresie rozwoju klimatyzacji w polskich kopalniach węgla kamiennego: dalszy wzrost zastosowania w kopalniach urządzeń chłodniczych o zdolności chłodniczej do 300 350 kw o działaniu bezpośrednim i zasięgu obejmującym pojedyncze wyrobiska chodnikowe i ścianowe, dynamiczny wzrost stosowania w kopalniach urządzeń chłodniczych o zdolności chłodniczej od 400 2000 kw o działaniu pośrednim i zasięgu obejmującym grupy
wyrobisk chodnikowych i ścianowych, ograniczone wprowadzanie klimatyzacji centralnej o róŝnych konfiguracjach w zaleŝności od potrzeb i moŝliwości inwestycyjnych kopalń, zdecydowane podjęcie działań w kierunku klimatyzacji stanowisk pracy np. wprowadzanie chłodnic powietrza do ścian, kabin klimatyzacyjnych, coraz szersze wprowadzanie urządzeń chłodniczych specjalnych takich jak: komory zraszania, lutniociągi chłodnicze, pneumatyczne urządzenia chłodnicze i urządzenia chłodnicze wykorzystujące mieszaniny lodowo-wodne, które posiadają nieraz bardzo duŝą efektywność chłodniczą. Czynniki warunkujące rozwój Na mikroklimat na stanowisku pracy w górnictwie podziemnym istotny wpływ mają następujące czynniki: temperatura powietrza, wilgotność powietrza, prędkość powietrza, promieniowanie cieplne. W ostatnich latach w polskim górnictwie podziemnym, zwłaszcza węgla kamiennego, wystąpiło znaczne pogorszenie cieplnych warunków pracy spowodowane przede wszystkim: pogarszającymi się warunkami geologiczno-górniczymi wraz ze wzrostem głębokości eksploatacji i przyrostem temperatury pierwotnej skał, koncentracją produkcji powodującą zwiększenie strumienia ciepła z urobku i górotworu oraz od skumulowanej duŝej mocy urządzeń, współwystępującymi zagroŝeniami naturalnymi (metanowe, poŝarowe), niedostatecznym zakresem zastosowania kompleksowej prewencji wentylacyjnochłodniczej. Opanowanie trudnych warunków klimatycznych w kopalniach podziemnych będzie moŝliwe jedynie poprzez kompleksowe zastosowanie wielu środków technicznych, w tym szczególnie: ograniczenia wilgotności powietrza kopalnianego, intensywnej wentylacji wyrobisk, stosowania klimatyzacji (lokalnej, grupowej, centralnej). Wprowadzenie do kopalń klimatyzacji jest przedsięwzięciem kosztownym, zarówno w zakresie
nakładów inwestycyjnych i kosztów ruchowych. Dlatego problem klimatyzacji odgrywa bardzo istotna rolę przy podejmowaniu decyzji o celowości eksploatacji złóŝ na duŝych głębokościach z zastosowaniem klimatyzacji. Odniesienie do kryteriów ogólnych i szczegółowych, tj.: Bezpieczeństwo ZagroŜenia klimatyczne w polskich kopalniach węgla kamiennego w najbliŝszych latach będzie wzrastać, co wiąŝe się przede wszystkim z: wzrostem głębokości na jakiej prowadzone są roboty górnicze, gdzie występuje coraz wyŝsza temperatura pierwotna skał, rosnącą koncentracją produkcji i związaną z tym większą mocą zainstalowanych urządzeń energo-mechanicznych. W związku z tym, Ŝe polskie kopalnie węgla kamiennego będą prowadziły eksploatację na duŝych głębokościach, zapewnienie prawidłowych warunków klimatycznych będzie podstawowym czynnikiem decydującym o wynikach techniczno-ekonomicznych i bezpieczeństwie pracy. Ochrona środowiska NaleŜy dąŝyć do wycofywania z eksploatacji tych urządzeń chłodniczych, których freony zawierają chlor, zastępując je urządzeniami, w których zastosowano freony ekologiczne (np. azotropowe lub zeotropowe). ZrównowaŜony rozwój Rozwój technologiczny urządzeń chłodniczych wpisuje się w zrównowaŝony rozwój regionu. Zastosowanie zaawansowanych technologii przyjaznych środowisku naturalnemu i poprawiających warunki pracy wymaga zatrudnienia specjalistów o wysokich kwalifikacjach. RównieŜ prowadzenie prac badawczo-rozwojowych przyczyni się do wzrostu konkurencyjności polskich urządzeń, przez co zwiększą się obroty producentów. W dalszej konsekwencji nastąpi wzrost zatrudnienia. Skuteczność MoŜliwość zastosowania klimatyzacji grupowej w przypadku pogarszających się warunków geotermicznych w drąŝonych chodnikach i eksploatowanych wyrobiskach ścianowych umoŝliwia: większą elastyczność w dysponowaniu mocą chłodniczą (agregaty chłodnicze zlokalizowane w jednym miejscu umoŝliwiają dystrybucję mocy chłodniczej do
odpowiednich partii złoŝa), eksploatację agregatów chłodniczych, przy załoŝonej mocy chłodniczej w dłuŝszym okresie czasu (bez konieczności zmiany lokalizacji tych agregatów), zrzut ciepła skraplania z agregatów chłodniczych bezpośrednio do szybu wentylacyjnego z pominięciem innych wyrobisk. Efektywność Efektem ekonomicznym stosowania klimatyzacji w kopalniach jest obniŝenie średniego jednostkowego kosztu wydobycia w wyniku wydłuŝenia efektywnego czasu pracy i związanego z tym zwiększenia wydobycia. Poprawę efektywności ekonomicznej uzyskuje się w przodkach eksploatacyjnych i przygotowawczych wyposaŝonych w układy klimatyzacyjne, w których prognozuje się wystąpienie temperatury wyŝszej od 28ºC. Parametry technologiczne charakteryzujące rozwój, tj.: Potencjał techniczny na poszczególnych etapach rozwoju 1) Wprowadzenie nowych rozwiązań urządzeń chłodniczych w górnictwie zwanych urządzeniami specjalnymi; takich jak: komory zraszania, lutniociągi chłodnicze, pneumatyczne urządzenia chłodnicze i urządzenia chłodnicze wykorzystujące mieszaniny lodowo-wodne, które posiadają nieraz bardzo duŝą efektywność chłodniczą (2008 2015 r.) 2) Poprawa efektywność urządzeń chłodniczych pracy poprzez racjonalne wykorzystanie mocy chłodniczej oraz wprowadzenie nowoczesnych rozwiązań w zakresie optymalnego rozprowadzenia ochłodzonego powietrza w wyrobiskach górniczych (2008 2020 r.) 3) Prowadzenie prac nad kompaktowym systemem klimatyzacji (2010 2020 r.) ze szczególnym uwzględnieniem: moŝliwości stopniowej rozbudowy i likwidacji w zaleŝności od zapotrzebowania na moc chłodniczą i moŝliwości finansowania inwestycji przez kopalnię, szerokiej moŝliwości w zakresie regulacji mocy chłodniczej oraz charakteryzującą się wysoką pewnością ruchu, Poprawa bezpieczeństwa W wielu kopalniach podziemnych zachodzi potrzeba stosowania urządzeń chłodniczych centralnych duŝej mocy od kilku do nawet kilkudziesięciu MW. Przed podjęciem decyzji o zastosowaniu klimatyzacji grupowej bądź centralnej naleŝy: wykonać prognozę klimatyczną,
określić zapotrzebowanie na moc chłodniczą ścian i drąŝonych wyrobisk korytarzowych, opracować koncepcje klimatyzacji kopalń. W kopalniach charakteryzujących się bardzo trudnymi warunkami klimatycznymi posiadającymi lokalne urządzenia chłodnicze o łącznej mocy ok. 2 MW w oparciu o harmonogramy biegu ścian i drąŝenia wyrobisk korytarzowych oraz zapotrzebowania na moc chłodniczą naleŝy rozwaŝyć zastosowanie klimatyzacji grupowej. Przewiduje się, Ŝe do 2015 roku zapotrzebowanie kopalń na moc chłodniczą zwiększy się o ponad 60%. Kierunki prac badawczo-rozwojowych gwarantujące rozwój technologii 1. Dalsze prace nad opracowaniem i wdroŝeniem sposobu przewietrzania wyrobisk eksploatacyjnych, sprzyjającego korzystnym warunkom wentylacyjnym i klimatycznym w tej części wyrobiska, gdzie prowadzone są roboty. 2. Poprawa gospodarki powietrzem, próby określenia niezbędnej ilości powietrza w celu zapewnienia wymaganych warunków klimatycznych i wentylacyjnych przy mniejszych wydatkach powietrza przepływającego przez szyby i przez wyrobiska. 3. Opracowanie koncepcji przewietrzania i klimatyzacji w obrębie wyrobisk eksploatacyjnych zmierzającej do uzyskania zakładanych efektów przy moŝliwie małej mocy chłodniczej. 4. Opracowanie koncepcji i projektu centralnego układu klimatyzacji ze szczególnym uwzględnieniem energetycznej i ekonomicznej optymalizacji układu.