Costs reduction of main fans operation according to safety ventilation in mines – a case study

• Autorzy: Pach G. , Sułkowski J. , Różański Z. , Wrona P.

Identyfikatory

DOI

10.24425/118884

Warianty tytułu

PL

Redukcja kosztów pracy wentylatorów głównego przewietrzania przy zachowaniu bezpiecznej wentylacji – studium przypadków

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Considering the various hazards present in an underground mine, safe ventilation entails maintaining a certain airflow rate in the mining workings. The air velocity, airflow rate and air composition must be regulated in a ventilation network by operation of the main fans. On the other hand, ventilation costs must be minimized. Thus, the optimal solution is when the requisite safety features are fulfilled and the power output of the fans is at a minimal yet sufficient rate. In real-world mines, it is common to have airstreams interlinking subnets of the main fans. The current restructuring of the mining sector commonly involves the connection of different mines, which leads to an increase in the number of such cases. This article presents the results of research into ventilation networks containing these kind of airstreams and introduces a new method for reducing ventilation costs. The method is based on an algorithm which allows the determination of the resistance of a stopping, the head of the fans and the air quantity for which air distribution is optimal. As a result, the total power output of the fans is at the lowest level that yields a reduction in ventilation costs. The method was applied for two theoretical examples and a practical one which was taken from a real ventilation network. In the first example, fan power output was reduced by 17.252 kW, which gave an annual reduction of 188.909 MWh, and an annual electricity cost reduction of €27014. Therefore, optimization enabled a saving of approximately 14% of the costs. In the second example, power output was reduced by 106.152 kW, which produced an annual reduction of 1162.364 MWh, and an annual electricity cost reduction of €166218. In this case, optimization allowed a reduction in costs of approximately 40%. Considering both examples, the cost reductions did not affect the safe airflow rate. For the real-world mine, the annual savings were 2343 MWh, which corresponds to approximately €335000.

PL

Ze względu na zagrożenia występujące w podziemnej kopalni bezpieczna wentylacja powinna zapewniać dostarczenie właściwego wydatku objętościowego powietrza do wyrobisk górniczych. Wentylatory głównego przewietrzania powinny zapewnić w wyrobiskach bezpieczną prędkość powietrza oraz jego skład chemiczny . Jednocześnie ze względów ekonomicznych istotna jest minimalizacja jej kosztów. Celem więc jest znalezienie optymalnego rozpływu powietrza uwzględniającego bezpieczeństwo górników i minimalizującego zużycie energii przez wentylatory. W istniejących kopalniach występują prądy powietrza łączące podsieci wentylatorów głównego przewietrzania. Aktualnie prowadzona restrukturyzacja górnictwa polegająca także na łączeniu kopalń przyczynia się do zwiększenia liczby takich prądów. W artykule zaprezentowano wyniki badań nad sieciami wentylacyjnymi zawierającymi wspomniane prądy powietrza. Przedstawiono nową metodę pozwalającą na obniżenie kosztów wentylacji. Przedstawiony w pracy algorytm pozwala na wyznaczenie wartości oporu tamy regulacyjnej oraz spiętrzenia i wydajności wentylatorów, przy których rozpływ powietrza jest optymalny. Uzyskiwana przy nim wartość sumarycznej mocy użytecznej wentylatorów jest najniższa, co przyczynia się do obniżenia kosztów związanych z wentylacją. W artykule przedstawiono wyniki optymalizacji przeprowadzonej według nowej metody dla dwóch przykładów teoretycznych oraz dla rzeczywistej sieci wentylacyjnej kopalni. W pierwszym przykładzie uzyskano zmniejszenie mocy użytecznej wentylatorów o 17 252 W, rocznego zużycia energii 188 909 kWh, rocznych kosztów za energię elektryczna 113 345 zł. Oszczędności wyniosły 14% względem stanu przed optymalizacja. Dla drugiego przykładu uzyskano odpowiednio spadki: mocy o 106 152 W, rocznego zużycia energii o 1 162 364 kWh, rocznych kosztów 697 418 zł. W tym przykładzie zastosowanie metody pozwoliłoby uzyskać oszczędności na poziomie 40%. Dla rzeczywistej kopalni roczne oszczędności wyniosły 2 343 MWh, co odpowiada w przybliżeniu 335 000 Euro.

Słowa kluczowe

EN

mine ventilation network; forced airflow; dependent air streams; ventilation costs; airflow optimization; safe mining ventilation

PL

kopalniana sieć wentylacyjna; rozpływ wymuszony powietrza; prądy zależne; koszty wentylacji; optymalizacja rozpływu powietrza; bezpieczna wentylacja kopalni

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2018
• Tom: Vol. 63, no. 1
• Strony: 43--60
• Opis fizyczny: Bibliogr. 29 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Pach G.

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

autor

Sułkowski J.

• Uczelnia Jana Wyżykowskiego, 6b Skalników Str., 59-101 Polkowice, Poland

autor

Różański Z.

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

autor

Wrona P.

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

Bibliografia

• [1] Chatterjee A., Zhang L., Xia X., 2015. Optimization of mine ventilation fan speeds according to ventilation on demand and time of use tariff. Applied Energy, 146, 65-73. doi.org/10.1016/j.apenergy.2015.01.134.
• [2] Crittenden P. for Australian Government, 2016. Energy management in mining. Australian Government Department of Industry, Innovation and Science. September 2016.
• [3] Dylong A., Knapczyk J., Musioł D., 2013. Wizualizacja bieżącego rozpływu powietrza w sieci wentylacyjnej wraz z jej monitoringiem gazowym. Górnictwo i Geologia, Wyd. Politechniki Śląskiej, 8, (4) 5-18. https://www.polsl.pl/Wydzialy/RG/Wydawnictwa/Documents/kwartal/8_4_1.pdf.
• [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. Mining 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. http://archiwum.img-pan.krakow.pl/index.php/AMS/article/view/489/498.
• [8] Jeswiet J., Szekeres A., 2016. Energy Consumption in Mining Comminution. Procedia CIRP, 48, 140-145. https://doi.org/10.1016/j.procir.2016.03.250.
• [9] Jeswiet J., Archibald J., Thorley U., De Souza E., 2015. Energy Use in Premanufacture (Mining). Procedia CIRP, 29, 816-821, https://doi.org/10.1016/j.procir.2015.01.071.
• [10] Knechtel J., 2011. Thermal hazard prevention in longwalls run under extreme geothermal conditions. Archives of Mining Sciences, 56, 2, p. 265-280. http://archiwum.img-pan.krakow.pl/index.php/AMS/article/view/306/310.
• [11] Kolarczyk M., 1993. Wpływ struktury kopalnianej sieci wentylacyjnej na wrażliwości prądów powietrza przy zmianach oporów bocznic. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice (in Polish).
• [12] 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.
• [13] Madeja-Strumińska B., Strumiński A., 2004b. Optymalizacja wymuszonych rozpływów powietrza w warunkach skrępowanych oraz ocena wybranych zagrożeń w kopalniach podziemnych. Publishing house of Wroclaw University of Science and Technology, Wroclaw (in Polish).
• [14] Madeja-Strumińska B., Strumiński A., 2004a. Projektowanie naturalno-wymuszonych rozpływów powietrza w kopalniach podziemnych. Publishing house of Wroclaw University of Science and Technology, Wroclaw (in Polish).
• [15] McPherson M.J., 2012. Subsurface ventilation and environmental engineering. Springer Science & Business Media, ISBN 94-011-1550-8.
• [16] Mielli F., Bongiovanni M., 2013. Production energy optimization in mining. In World Mining Congress, Canada, Montreal.
• [17] PN-G-05204, 1999. Polish Standard. Przewietrzanie podziemnych wyrobisk górniczych. Wytyczne obliczania niezbędnej ilości powietrza. Polish Committee for Standardization, Warsaw (in Polish).
• [18] Regulation 2002a. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 28 czerwca 2002 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy, prowadzenia ruchu oraz specjalistycznego zabezpieczenia przeciwpożarowego w podziemnych zakładach górniczych. Dz. U. Nr 139, poz. 1169 z 2006 r. Nr 124, poz. 863 oraz z 2010 r. Nr 126, poz. 855. Available online:http://www.wug.gov.pl/prawo/ujednolicone (in Polish).
• [19] Regulation 2002b. Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 14 czerwca 2002 r. w sprawie zagrożeń naturalnych w zakładach górniczych. Dz. U. Nr 94, poz. 841, z 2003 r. Nr 181, poz. 1777 oraz z 2004 r. Nr 219, poz. 2227. Available online: http://www.wug.gov.pl/prawo/ujednolicone (in Polish).
• [20] Sałustowicz A., 1930. Obliczanie oporu ogólnego i regulacji ilości powietrza w złożonych systemach wentylacyjnych. Przegląd Górniczo-Hutniczy, 6 (in Polish).
• [21] Sui J., Yang L., Zhu Z., Fang H., Hua Z., 2011. Mine Ventilation Optimization Analysis and Airflow Control Based on Harmony Annealing Search. Journal of Computers, 6 (6), 1270-1277. https://pdfs.semanticscholar.org/0dbc/6cfaaa183dc6825a6992b4b22a97bb282b77.
• [22] Sułkowski J., 1971. Rozwiązalność podstawowych zagadnień teorii kopalnianej sieci wentylacyjnej w zależności od jej struktury. Silesian University of Technology, Gliwice, 191, (in Polish, unpublished).
• [23] Szlązak N., Borowski M., Obracaj D., 2008. Kierunki zmian w systemach przewietrzania ścian eksploatacyjnych z uwagi na zwalczanie zagrożeń wentylacyjnych. Gospodarka Surowcami Mineralnymi, 24, 1/2, 201-214. https://www.min-pan.krakow.pl/Wydawnictwa/GSM2412/szlazak-borowski-obracaj.pdf.
• [24] 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: https://doi.org/10.2478/v10267-012-0001-x.
• [25] Szlązak N., Obracaj D., Borowski M., Swolkień J., Korzec M., 2013. Monitoring and controlling methane hazard In excavation 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.
• [26] Turek M., 2013. System zarządzania kosztami w kopalni węgla kamiennego w cyklu istnienia wyrobiska wybierkowego. Difin. Warsaw. ISBN 83-7930-041-6 (in Polish).
• [27] Wacławik J., 2010. Wentylacja kopalń. Wydawnictwa AGH, Cracow, 2010 (in Polish).
• [28] Wilson R.J., 2012. Wprowadzenie do teorii grafów. PWN, Warsaw, ISBN 83-01-15066-1 (in Polish).
• [29] 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 (2018)