Optimization of forced air flow by the comparison of positive and negative regulations in mine ventilation network

• Autorzy: Pach G.

Identyfikatory

DOI

10.24425/ams.2018.124980

Warianty tytułu

PL

Optymalizacja wymuszonego rozpływu powietrza w kopalnianych sieciach wentylacyjnych - porównanie regulacji dodatniej i ujemnej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Mining ventilation should ensure in the excavations required amount of air on the basis of determined regulations and to mitigate various hazards. These excavations are mainly: longwalls, function chambers and headings. Considering the financial aspect, the costs of air distribution should be as low as possible and due to mentioned above issues the optimal air distribution should be taken into account including the workers safety and minimization of the total output power of main ventilation fans. The optimal air distribution is when the airflow rate in the mining areas and functional chambers are suitable to the existing hazards, and the total output power of the main fans is at a minimal but sufficient rate. Restructuring of mining sector in Poland is usually connected with the connection of different mines. Hence, dependent air streams (dependent air stream flows through a branch which links two intake air streams or two return air streams) exist in ventilation networks of connected mines. The zones of intake air and return air include these air streams. There are also particular air streams in the networks which connect subnetworks of main ventilation fans. They enable to direct return air to specified fans and to obtain different airflows in return zone. The new method of decreasing the costs of ventilation is presented in the article. The method allows to determine the optimal parameters of main ventilation fans (fan pressure and air quantity) and optimal air distribution can be achieved as a result. Then the total output power of the fans is the lowest which makes the reduction of costs of mine ventilation. The new method was applied for selected ventilation network. For positive regulation (by means of the stoppings) the optimal air distribution was achieved when the total output power of the fans was 253.311 kW and for most energy-intensive air distribution it was 409.893 kW. The difference between these cases showed the difference in annual energy consumption which was 1 714 MWh what was related to annual costs of fan work equaled 245 102 Euro. Similar values for negative regulation (by means of auxiliary fans) were: the total output power of the fans 203.359 kW (optimal condition) and 362.405 kW (most energy-intensive condition). The difference of annual energy consumption was 1 742 MWh and annual difference of costs was 249 106 Euro. The differences between optimal airflows considering positive and negative regulations were: the total output power of fans 49.952 kW, annual energy consumption 547 MWh, annual costs 78 217 Euro.

PL

Przewietrzanie podziemnej kopalni powinno zapewnić dostarczenie odpowiedniej do poziomu zagrożeń i zgodnej z przepisami prawa ilości powietrza do wyrobisk górniczych w których znajdują się miejsca pracy górników. Takimi wyrobiskami są np. ściany i komory funkcyjne. Ze względów finansowych korzystne jest, aby takie przewietrzanie odbywało się przy jak najmniejszym koszcie. Z tego powodu celowe jest poszukiwanie optymalnego rozpływu powietrza uwzględniającego bezpieczeństwo pracy górników jak i minimalizującego moc wentylatorów głównego przewietrzania. Podczas prowadzonej w Polsce restrukturyzacji górnictwa często dochodzi do łączenia kopalń. Z tego powodu w sieciach wentylacyjnych połączonych kopalń występują zależne prądy powietrza, zarówno w strefie powietrza doprowadzanego (świeżego) jak i odprowadzanego (zużytego). W takich sieciach występują również szczególne prądy powietrza łączące podsieci wentylatorów głównego przewietrzania. Pozwalają one na manewrowanie (kierowanie) rozdziałem powietrza odprowadzanego (zużytego) na poszczególne wentylatory, a poprzez to uzyskiwanie różnych rozpływów powietrza w strefie zużytej. W artykule ukazano rezultaty badań nad takimi sieciami. Wskazano nową metodę pozwalającą na obniżenie kosztów wentylacji. Przedstawiona w pracy metoda pozwala na wyznaczenie parametrów wentylatorów głównego przewietrzania (spiętrzenia i wydajności), przy których uzyskuje się optymalny rozpływ powietrza. Wartość sumarycznej mocy użytecznej wentylatorów głównego przewietrzania jest wtedy najniższa, efektem czego jest obniżenie kosztów wentylacji kopalni. Według nowej metody wykonano obliczenia dla przykładowej sieci wentylacyjnej. Przy regulacji dodatniej (za pomocą tam regulacyjnych) optymalny rozpływ powietrza uzyskiwany był przy sumarycznej mocy użytecznej wentylatorów wynoszącej 253 311 W, zaś dla najmniej korzystnego rozpływu powietrza wartość ta wynosiła 409 893 W. Różnica pomiędzy tymi rozpływami przekładała się na roczną różnicę w zużyciu energii wynoszącą 1714 MWh oraz na roczna różnicę kosztów pracy wentylatorów 245 102 Euro. Analogiczne wartości dla regulacji ujemnej (z uwzględnieniem pracy wentylatorów pomocniczych) wynosiły: sumaryczne moce użyteczne wentylatorów 203 359 W (stan optymalny) i 362 405 W (stan najmniej korzystny), roczna różnica zużycia energii 1742 MWh i roczna różnica kosztów 249 106 Euro. Różnice pomiędzy rozpływami optymalnymi przy regulacji dodatniej i ujemnej wynosiły: dla sumarycznej mocy użytecznej 49 952 W, dla rocznego zużycia energii 547 MWh, dla rocznych kosztów 78 217 Euro.

Słowa kluczowe

PL

kopalniana sieć wentylacyjna; rozpływ wymuszony powietrza; koszty przewietrzania; optymalizacja rozpływu powietrza w sieci kopalnianej; bezpieczna wentylacja kopalni; zależne prądy powietrza

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2018
• Tom: Vol. 63, no. 4
• Strony: 853--870
• Opis fizyczny: Bibliogr. 31 poz., tab., wykr.

Twórcy

autor

Pach G.

• Silesian University of Technology, Faculty of Mining and Geology, Akademicka 2, 44-100 Gliwice, Poland

Bibliografia

• [1] Carvalho M., Millar D., 2012. Concept development of optimal mine site energy supply. Energies 5, 4726-4745. doi:10.3390/en5114726.
• [2] Crittenden P. for Australian Government, 2016. Energy management in mining. Australian Government Department of Industry, Innovation and Science. September 2016.
• [3] Du Plessis J.J.L., Marx W.M., Nell C., 2014. Efficient use of energy in the ventilation and cooling of mines. The Journal of The Southern African Institute of Mining and Metallurgy 114, December 2014, 1033-1037. DOI: 10.13140/2.1.4123.6803.
• [4] Dziurzyński W., Krach A., Pałka T., 2017. Airflow Sensitivity Assessment Based on Underground Mine Ventilation Systems Modeling. Energies 10 (10), 1451. doi:10.3390/en10101451.
• [5] Dziurzyński W., Krawczyk J., 2012. Możliwości obliczeniowe wybranych programów symulacyjnych stosowanych w górnictwie światowym, opisujących przepływ powietrza, gazów pożarowych i metanu w sieci wyrobisk kopalni. Przegląd Górniczy 68 (5), 1-11.
• [6] Dziurzyński W., Krawczyk J., Krach A., Pałka T., 2012. Simulation of flow of fire gases in a ventilation network of a mine with a application of mathematical models of a different complexity implemented in the ventgraph software. Miting and Geoengineering 36 (3), 115-126. https://journals.agh.edu.pl/mining/article/view/442/332.
• [7] Dziurzyński W., Kruczkowski J., 2007. Validation of the mathematical model used in the VENTGRAPH programme on the example of the introduction of new headings to the ventilation network of mine. Archives of Mining Sciences 52 (2), 155-169. ttp://archiwum.img-pan.krakow.pl/index.php/AMS/article/view/489/498.
• [8] Jeswiet J., Archibald J., Thorley U., De Souza E., 2015. Energy use in premanufacture. The 22nd CIRP Conference on Life Cycle Engineering. Elsevier, Procedia CIRP 2015, 29, 816-821. doi.org/10.1016/j.procir.2015.01.071.
• [9] Jeswiet J., Szekeres A., 2016. Energy Consumption in Mining Comminution. The 23nd CIRP Conference on Life Cycle Engineering. Elsevier, Procedia CIRP 2016, 48, 140-145. doi.org/10.1016/j.procir.2016.03.250.
• [10] Jha A. K., 2017. Possible Ways for Reducing the Ventilation Cost. In book „Selection of Main Mechanical Ventilators” for Underground Coal Mines”. pag. 25-41. SpringerBriefs in Environmental Science, 2017. DOI 10.1007/978-3-319-56859-1_4 Online ISBN 978-3-319-56859-1.
• [11] Kicki J., Jeziorowska D., 2015. Wybrane aspekty zarządzania efektywnością energetyczną w przedsiębiorstwach sektora górnictwa podziemnego. Przegląd Górniczy 8, 30-34.
• [12] Knechtel J., 2011. Thermal hazard prevention in longwalls run under extreme geothermal conditions. Archives of Mining Sciences 56, 2 265-280. http://archiwum.img-pan.krakow.pl/index.php/AMS/article/view/306/310.
• [13] Kolarczyk M., 1993. Wpływ struktury kopalnianej sieci wentylacyjnej na wrażliwości prądów powietrza przy zmianach oporów bocznic. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, s. Górnictwo, z. 214, Gliwice 1993.
• [14] Krach A., 2014. Determining diagonal branches in mine ventilation networks. Archive Mining Science 59, 4, 1097-1105, DOI 10.2478/amsc-2014-0076.
• [15] Liu, H., Wu, X., Mao, S., Li, M., Yue, J., 2017. A Time Varying Ventilation and Dust Control Strategy Based on the Temporospatial Characteristics of Dust Dispersion. Minerals 7 (4), 59, Doi:10.3390/min7040059.
• [16] Madeja-Strumińska B., Strumiński A., 2004a. Projektowanie naturalno-wymuszonych rozpływów powietrza w kopalniach podziemnych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, 2004.
• [17] Madeja-Strumińska B., Strumiński A., 2004b. Optymalizacja wymuszonych rozpływów powietrza w warunkach skrępowanych oraz ocena wybranych zagrożeń w kopalniach podziemnych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, 2004.
• [18] McPherson M., 1993. Subsurface Ventilation and Environmental Engineering. Springer-Science + Business Media, BV1993. DOI 10.1007/978-94-011-1550-6.
• [19] Mieli F., Bongiovanni M., 2013. Production energy optimization in mining. World Mining Congress, Montreal, Canada. 11-15 August 2013.
• [20] Nikolaev A., Alymenko A., Kamenskih A., Nikolaev V., 2017. The results of air treatment process modeling at the location of the air curtain in the air suppliers and ventilation shafts. E3S Web of Conferences 15, 02004. The 1st International Innovative Mining Symposium, 2017. DOI: 10.1051/e3sconf/20171502004.
• [21] Pawiński J., Roszkowski J., Strzemiński J., 1979. Przewietrzanie kopalń. Wydawnictwo „Śląsk”, Katowice, 1979.
• [22] Polskie Sieci Elektroenergetyczne (PSE), 2016. Raport KSE for 2016 year. http://www.pse.pl/index.php?did=3335.
• [23] Sałustowicz A., 1930a. Obliczanie oporu ogólnego i regulacji ilości powietrza w złożonych systemach wentylacyjnych. Przegląd Górniczo-Hutniczy 1930/6, 287-295.
• [24] Sałustowicz A.,1930b Regulacja odjemna i mieszana w złożonych systemach wentylacyjnych. Przegląd Górniczo-Hutniczy 1930/9, 426-436.
• [25] Sałustowicz A., 1931. Przewietrzanie kopalń za pomocą kilku szybów wentylacyjnych. Przegląd Górniczo-Hutniczy 1931/11, 614-617.
• [26] Souza E. D., 2017. Application of ventilation management programs for improved mine safety. International Journal of Miting Science and Technology, Available only online 15 May 2017, version in press. doi.org/10.1016/j.ijmst.2017.05.018.
• [27] Szlązak N., Kubaczka C., 2012. Impact of coal output concentration on methane emission to longwall faces/Wpływ koncentracji wydobycia na wydzielanie metanu do wyrobisk ścianowych. Archives of Mining Science 57, 1, 3-21.DOI:ttps://doi.org/10.2478/v10267-012-0001-x.
• [28] Szlązak N., Obracaj D., 2017. Analysis of connecting a forcing fan to a multiple fan ventilation network of a real-life mine. Process Safety and Environmental Protection. April 2017, 107, 468-479, Doi.org/10.1016/j.psep.2017.03.001.
• [29] Szlązak N., Obracaj D., Borowski M., Swolkień J., Korzec M., 2013. Monitoring and controlling methane hazard In excavations in hard coal mines. AGH Journal of Mining and Geoengineering 37 (1), 105-116. DOI: http://dx.doi. org/10.7494/mining.2013.37.1.105.
• [30] Wilson R.J., 2017. Wprowadzenie do teorii grafów. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 2017.
• [31] Zhong, M., Xing, W., Weicheng, F., Peide, L., & Baozhi, C., 2003. Airflow optimizing control research based on genetic algorithm during mine fire period. Journal of Fire Sciences 21 (2), 131-153. http://journals.sagepub.com/doi/abs/10.1177/0734904103021002003?journalCode=jfse.

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019)