ОАО «Апатит» (Мурманская область)

Расвумчоррский рудник ОАО «Апатит» (Мурманская область)

Детальное описание процесса модернизации системы отопления рудника, опыт эксплуатации, схемы и фотографии.

Местность и условия

Расвумчоррский рудник ОАО «Апатит» основан в 1954 году в предгорьях плато РасвумчоррХибинского массива. Основной способ добычи руды — подземный, небольшие карьеры рудника к 2004 году полностью отработаны и подлежат ликвидации. Рудник расположен в 7 километрах на Северо-Восток от г. Кировска со значительными перепадами высот, как на промплощадке рудника, так и между рудником и городской котельной.

Местоположение рудника (в 200 км севернее полярного круга) и горная местность объясняютсложные климатические условия ведения работ: среднегодовая температура в период работыкалорифера — 8,1°С, суточные колебания температур — до 20°С, отопительный сезон для ГВКУ начинается в сентябре и заканчивается в мае (280 дней), бураны зачастую делаюттруднодоступными удаленные объекты рудника из-за заносов.

Энергетика области

Основу генерации «Колэнерго» составляют гидростанции, выработка собственной энергии системы — 50-60% от общего объема потребления по региону и зависит от влажности. Недостаток покрывается покупкой энергии от Кольской атомной электростанции. Система практически закрытая, единственная линия 330 кВ, связывающая регион с единой системой, полностью загружена перетоком в Карелию. Энергоизбыточность Мурманской области иструктура генерирующих мощностей объясняют один из самых низких тарифов наэлектроэнергию в стране, и как следствие, другие подходы по ее использованию.

К середине 90-х годов прошлого века на объединении «Апатит» сложилась крайне тяжелаяэкономическая ситуация, связанная с падением платежеспособного спроса на продукцию предприятия и трехкратному снижению производства. Возникла острая потребность вмероприятиях, направленных на снижение издержек, при этом не требующих крупных капитальных вложений и дающих быструю, реальную отдачу. Поэтому неудивительно, что вчасти энергозатрат внимание в первую очередь было обращено на ГВКУ ВЦ-5 — крупнейший вентилятор Расвумчоррского рудника — производительностью 180-220 м3/сек, расположенный на отметке +610 м над уровнем моря. Притом, собственная котельная рудника была закрыта в1996 году, и доставка тепловой энергии до калориферов ВЦ-5 велась по паропроводу протяженностью 12 км без возврата конденсата. Более того, по причине крайней важности объекта для жизнеобеспечения подземных работ и значительных колебаний наружных температур в течение суток, большую часть времени калориферы работали без конденсации пара в полезной зоне. Энергетикам не нужно объяснять, что при таком режиме работы потери энергии превышали ее полезное использование.

Варианты решения проблем

В силу названных выше причин были начаты работы по поиску вариантов, устраняющих гигантские потери при транспортировке и преобразовании энергии пара. Учитывая низкий уровень цен на электроэнергию, она была принята в качестве основного критерия. Однако первоначально прорабатывались схемы с применением локальных электрическихпарогенераторов, так как отсутствовал опыт использования электрокалориферов большой мощности (более 4 МВт). Усложнила ситуацию и принятая при проектировании система расчета мощности ГВКУ, следуя которой необходимо было установить нагреватели на 12 и более Гкал. Такие показатели были недоступны для питающих ВЦ-5 линий электропередач, а глобальная реконструкция системы электроснабжения резко снижала экономическую привлекательность проекта.

В это время специалистами российской фирмы «ГорПромСнаб» были предложены электрокалориферы прямого действия с установкой в воздушные каналы ГВКУ. Естественно, разморозить и вывести из строя на длительное время такие нагреватели невозможно, что ипозволило пересмотреть подходы к расчету их мощности. Изучение температурного графика за15 лет показало, что фактические температуры в районе рудника не опускались ниже −28°С (при заданных нормами −41°С), кроме того, такие низкие температуры фиксировались в течение 3-5дней в году, да и то неполные сутки. Потому было решено принять для расчета среднюю температуру самой холодной декады за последние 15 лет.

Проект разрабатывался ПКО ОАО «Апатит». На ГВКУ ВЦ-5 были смонтированы восемь секций по 600 кВт каждая (из четырех групп по 150 кВт), фирма «Объединенная Энергия» разработала иизготовила преобразователь теристорный управления электрокалориферами для автоматического поддержания заданной температуры в канале ствола. Первые комплекты калориферов поставлялись в специальной раме из нержавеющей стали, а в качестве источников питания 660 В применялись масляные трансформаторы (2500 кВ), установленные наконструкциях (для избежания попадания снега и строительства стандартных маслосборников) наулице около здания ГВКУ.

Первый год эксплуатации

Первый год эксплуатации, хотя и принес не мало трудностей, однозначно подтвердил правильность основных решений. Причем горняки в первую очередь отметили не экономичность новых установок, а их надежность и стабильность температуры подаваемого воздуха. Следует сразу отметить, что попытки установить температуру воздуха на уровне +2°С в соответствии стребованиями ЕПБ привели к началу обмерзания ствола в местах сопряжения с выработками, поэтому в дальнейшем используется установка на уровне +4°С. Об экономической стороне вопроса достаточно сказать одно: затраты окупились за 4,5 месяца.

Основными проблемами первого года эксплуатации стали необходимость создания минимальной скорости потока в 7 м/сек на всех ТЭНах и надежность работы контакторов при высокой частоте переключений секций в автоматическом режиме.Первые секции были установлены во вспомогательных каналах взамен паровых калориферов комплектами по 4×600кВт, однако при первых же включениях начала работать защита от перегрева ТЭНов. Замеры скорости воздуха через электрокалориферы показали крайнюю неоднородность воздушного потока, так через первую секцию скорость достигла 12 м/сек, и в то же время на четвертой секции не доходила до 5 м/сек. Для увеличения объемов воздуха через вспомогательные каналы пришлось установить дополнительные шторки на воздухозаборной шахте главного канала. Это позволило стабилизировать работу системы.

Вторая проблема была вызвана попыткой норвежских специалистов решить задачу автоматического поддержания температуры воздуха в стволе при помощи простейшего контроллера и сложной диаграммы переключений элементов, в некоторых случаях для увеличения (снижения) мощности установки на одну ступень (150 кВт) приходилось переключать до 12 контакторов. В сочетании с малой постоянной времени системы это приводило к раскачке и выходу из строя контакторов, работающих в основной зоне переключений. Учитывая то, что изменить диаграмму без значительной переделки схемы управления не представлялось возможным, была значительно (в 10 раз) увеличена постоянная времени, что устранило раскачку системы и создало условия для стабильной работы.

Тем не менее, в летний период 2000 года для улучшения обдува ТЭНов была изменена геометрия боковых каналов и увеличена общая мощность ГВКУ до 6000 кВт с установкой четырех секций в главный канал на входе в вентиляторы, при этом специальные кассеты для установки калориферов уже не заказывались. В таком виде ВЦ-5 отработал без сбоев в течение пяти лет.

 

 

Установка ВЦ-32

Следующим этапом внедрения описываемой схемы подогрева воздуха была установка ВЦ-32,длительное время находившаяся в резерве. За период простоя водяные калориферы итрубопроводы пришли в негодность из-за коррозии и, учитывая положительный опыт эксплуатации ВЦ-5, подогрев воздуха на ВЦ-32 решили осуществлять на электрокалориферах 4800 кВт. При этом трансформаторы были заказаны на мощность 2×3000 кВт для замены наВЦ-5. Однако по окончании отопительного сезона 2000-2001 годов стало ясно, что замена непотребуется, так как нагрузки, превышающие номинал трансформаторов, возникают только при темпера-туре окружающего воздуха ниже −20°С. В таких условиях трансформаторы предусматривают 25% перегрузку сколь угодно долго, что и подтвердилось на практике. При максимальной загрузке температура масла не поднималась выше 45°С. Учитывая то, что наВЦ-32 проектом была предусмотрена установка трансформаторов в камерах, т. е. с худшими условиями охлаждения, там были применены трансформаторы с запасом мощности.

ВЦ-32 преподнес и еще один урок. Принимая во внимание трудности, возникшие с выравниванием воздушных потоков на ВЦ-5, здесь изначально были запроектированы воздушные каналы с классическими пропорциями: постоянное сечение на длине перед электрокалориферами 2,8 гидравлического диаметра и 1,2 этого диаметра после. Такое решение дало прекрасный результат в вопросе выравнивания потока по всему сечению: скорость воздуха по секциям различалась не более чем на 15-20%.

 

 

Однако при выходе вентилятора на максимальную производительность в каналах возниклиакустические колебания на низких частотах мощностью до 120 дБ, которые оказывали крайненегативное воздействие на людей. Проведенные исследования показали, что резонансные явления возникают на скоростях 8-10 м/сек. Конфигурация ГВКУ ВЦ-32 позволила выбрать режимы, исключающие возникновение резонансных явлений за счет регулируемого подсоса, носложности настройки аэродинамики при работе с электрокалориферами заставили искать другие решения, и они были найдены.

Совершенствование схемы управления

Учитывая то, что основные проблемы возникли из-за необходимости обеспечить скорость воздушной струи не менее 7 м/сек для обеспечения теплосъема с ТЭНов при работе наноминальном напряжении, то и поиски решения были сосредоточены на совершенствовании схемы управления. По заданию специалистов ОАО «Апатит» московская компания «Объединенная энергия» разработала и изготовила специальные устройства УТУК1-600-815 (сертификат соответствия РОСС RU. ГБ05.00156), одобренные к применению Госгортехнадзором России.

Все контуры управления в устройстве выполнены на современной микропроцессорной основе, что позволило добиться точности поддержания температуры в стволе ?0,1°С. При этом, была решена основная проблема за счет постоянной работы всех элементов калориферов — регулирование осуществляется за счет изменения среднего уровня напряжения на ТЭНах. При таком регулировании номинальная мощность на них выделяется только при сверхнизких температурах, что делает скорость обдува не критичной. Эти решения максимально упростили конструкцию электрокалориферной на ВОД-21 (см. рис 3). Здесь, на месте демонтированных водяных калориферов была изготовлена простая конструкция для установки комплектов нагревателей. Трансформаторы устанавливаются на улице и не требуют специального исполнения (Хмельницк). Наиболее полным объем реконструкции получался на последней ГВКУ Расвумчоррского рудника ВОКД-1.8. При сравнительно небольшой мощности (2400 кВт) был применен весь опыт, приобретенный на предыдущих объектах, и опробована новая установка.

По техническому заданию специалистов рудника и с их непосредственным участием компанией«Объединенная энергия» разработана и изготовлена микропроцессорная установка управлениявентиляторами главного проветривания, которая имеет небольшие габариты и многократно превышает стандартные по возможностям и надежности. НКУ сертифицирована и одобрена Госгортехнадзором.

 

 

Объем реконструкции ВОКД-1.8 включал в себя замену калориферов, монтаж трансформаторов питания ВКУ 2×600/6/660, замену РУ-6 кВ (19 ячеек), замену РУ-0.4 и трансформаторов собственных нужд, полную замену схемы управления вентиляторами, вспомогательными механизмами и калориферами, киповской аппаратуры, включение ГВКУ в общую систему телеметрии рудника.

Все эти работы были выполнены в летний период, причем остановка вентиляторов была разрешена только на 40 дней, а электрокалориферы устанавливались в главный канал. Такие результаты стали возможны благодаря высокой заводской готовности компонентов, подготовкой их непосредственно для установки на ВОКД-1.8.

На всех ГВКУ Расвумчоррского рудника установлены электрокалориферы ВЭР 2*300/660 российской фирмы «ГорПромСнаб», они хорошо зарекомендовали себя. Никаких недостатков впроцессе эксплуатации не выявлено.

Выводы

1. Применение электрокалориферов для подогрева рудничного воздуха выгодно по сокращению: прямых затрат энергии, капитальных затрат при строительстве и реконструкции непосредственно ГВКУ и инженерных сетей.

2. Переход на электрокалориферы многократно повышает надежность работы ГВКУ, одобрен органами Госгортехнадзора.

3. Подготовка технических решений по конкретному ГВКУ невозможна на основании общепринятых норм проектирования и требует использования эмпирических формул и опыта расчетов по фактическим данным эксплуатации систем. Для примера можно обратиться к «приложению 1» для ВКУ ВС-1. Проектом предусмотрены калориферы на 15 гКал («18 мВт), первоначальный расчет электрокалориферов проектировщиками 14 мВт, уточненный 12 мВт, мнение эксплуатации 9,6 мВт, что и реализовано на первом этапе в 2005 году. Для грубой оценки необходимой мощности электрокалориферной ГВКУ можно исходить из того, что для нагрева на один °С одного м3/сек рудничного воздуха, необходим 1 кВт установленной мощности электрокалорифера.

Например:
— производительность ГВКУ: 200 м3/сек;
— минимальная температура за 15 лет наблюдений в районе ГВКУ: −28°С;
— заданная температура в стволе: +2°С

 

 

4. При проектировании внешних систем электроснабжения необходимо учитывать перегрузочную способность главных трансформаторов при минимальных температурах периода максимальной нагрузки на калориферы, внимательно рассматривать графики фактических и ожидаемых нагрузок. Так, например, максимальные нагрузки на ГВКУ никогда не совпадают с основными нагрузками водоотливов.

5. Аэродинамическое сопротивление электрокалориферов многократно ниже сопротивления стандартных водяных калориферов, особенно при многорядной схеме установки, что может быть определяющим при реконструкции ГВКУ с целью увеличения производительности (см. рис. 4, 5).

6. Сформировалась группа российских компаний, способная выполнить весь комплекс работ от технико-экономического обоснования до сдачи объекта органам Госгортехнадзора, включая весь комплекс работ: проектирование, изготовление cпециального оборудования, поставка серийного, монтаж и наладка электрокалориферных «под замок» с интеграцией в общерудничные системы телеметрии.