Текст книги "История электрификации горной промышленности"

Ветровые электростанции. Ветровые электростанции (рис. 2.14) используют энергию ветра и представляют собой преобразование энергии солнца, вызывающее движение неравномерно нагретых масс.

Теоретические запасы энергии ветра в 100 раз превышают запасы гидроэнергии всех рек земного шара. Принято считать, что возможно реально использовать для нужд энергетики до 10 % теоретических запасов энергии ветра.

Строительство данных электростанций имеет многовековую историю ‒ с ветряных мельниц и до современных установок. Энергия ветра используется человечеством уже несколько тысячелетий, но для выработки электроэнергии – в основном в ХХ в. Чаще всего изготавливают ветродвигатели крыльчатого типа. Диаметр крыльев бывает от 8 до 30 м и более, а мощность таких установок – от 1 до 1000 кВт и более.

Дизельные электростанции. В местах (отдаленные районы Сибири и Крайнего Севера при относительно небольшой потребляемой мощности ), где нет возможности использовать электроэнергию, полученную одним из выше названных способов, находят широкое применение дизельные электростанции ( рис. 2.15).

Они состоят из двигателя внутреннего сгорания (дизельного или бензинового) и синхронного генератора, соединенного с двигателем.

На горных работах они используются в качестве резервных независимых источников при наличии потребителей первой категории.

2.4. Возобновляемые источники энергии

К возобновляемым источникам энергии (ВИЭ) относятся солнечная энергия, энергия ветра, энергия рек и водотоков, приливов, волн, энергия биомассы (дрова, бытовые и сельскохозяйственные отходы, отходы животноводства, птицеводства, лесной, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности), геотермальная энергия, а также рассеянная тепловая энергия воздуха, воды, океанов, морей, водоемов.

ВИЭ сводятся к трем глобальным видам источников: энергии Солнца; тепла Земли; энергии орбитального движения планет.

Повсеместный переход на ВИЭ не происходит лишь потому, что промышленность, машины, оборудование и быт людей на Земле сориентированы в основном на органическое топливо. Кроме того, некоторые виды ВИЭ непостоянны и имеют небольшую плотность энергии.

Основные преимущества ВИЭ по сравнению с невозобновляемыми источниками энергии (газ, нефть, уголь и т. п.) – неисчерпаемость и экологическая чистота, использование ВИЭ не изменяет энергетического баланса планеты. Кроме того, они играют значительную роль в решении трех основных задач, стоящих перед человечеством: энергетика, экология, экономика.

Рассмотрим динамику использования ВИЭ в мире на рубеже ХХ – ХХI вв.

Ветроэнергетика (ВЭС). Установленная мощность в мире: 1996 г. – 6172 МВт; 2000 г. – 17 824 МВт; 2006 г. – 36 000 МВт. Лидирующие страны в этом направлении: Германия (6025 МВт), США (2495 МВт), Дания (2364 МВт), Испания (2538 МВт), Индия (1214 МВт). Россия – 7,5 МВт.

Геотермальная энергетика (ГТЭС). Установленная мощность в мире: 1970 г. – 678 МВт; 2000 г. – 8000 МВт. Страны-лидеры: США (2228 МВт), Филиппины (1908 МВт), Италия (785 МВт), Индонезия (589 МВт). Россия – 23 МВт.

Солнечная энергетика (ГЛЭС). Установленная мощность в мире на 2000 г. – 260 МВт. Страны-лидеры: Япония (80 МВт), США (60 МВт), Германия (50 МВт). Россия – 0,5 МВт.

Энергия биомассы (БЭ). Использование энергии биомассы идет по нескольким направлениям: производство биогаза и биомассы на малых установках (Китай, Индия – 6 млн установок); на больших установках по переработке городских сточных вод (10 000 установок) и на комбинированных установках сбраживания городских и промышленных сточных вод (более 100 новейших установок); на мощных комбинированных установках (фабриках) по переработке отходов продукции сельского хозяйства, животноводства и пр. (в Дании находится 18 таких установок из 50 во всей Европе).

Биогаз используется в быту, в водонагревателях, паровых котлах, дизель-генераторах, производящих электроэнергию, и др.

Широкое распространение получили электростанции, на которых сжигаются твердые бытовые производственные отходы (ТБО) городов (США, Дания), а также электростанции, работающие на биогазе свалок (Италия, Франция).

Начинают внедряться электростанции, в топках которых сжигается древесина, отходы лесопереработки (страны Скандинавии) как при прямом сжигании этих отходов, так и через их газификацию с последующим сжиганием полученного газа.

2.5. Невозобновляемые источники энергии

К нетрадиционным невозобновляемым источникам энергии в первую очередь относят термоядерную энергетику и магнитогидродинамические генераторы.

Термоядерная энергетика. В процессе исследования ядерных реакций было обнаружено, что целесообразно не только делить атомное ядро урана или плутония, но также и соединять тяжелые атомы водорода (дейтерий, тритий). При этом образуется благородный газ – гелий. При слиянии (синтезе) тяжелых ядер водорода высвобождается громадная тепловая энергия, превышающая энергию деления атомного ядра в расчете на 1 кг атомов.

На рис. 2.16 показана схема основных технологических контуров термоядерного реактора, работающего на смеси дейтерия (D) и трития (Т).

Энергия термоядерных реакций, происходящих в плазме, выделяется в виде энергичных нейтронов (14,1 МэВ) и энергичных ионов гелия – альфа-частиц (3,5 МэВ), поглощается специальным устройством, окружающим плазму, – бланкетом, снимается теплоносителем первого контура охлаждения и используется для получения электроэнергии. Реактор требует снабжения дейтерием и литием. Тритий нарабатывается из лития в процессе работы реактора.

Магнитогидродинамические генераторы. Область науки, изучающая взаимодействие между магнитным полем и токопроводящими жидкостями и газами, называется магнитной гидродинамикой. Поэтому генераторы, работающие на плазменном проводнике, получили название магнитогидродинамических генераторов – МГД-генераторов (рис. 2.17).

Интерес к МГД-генераторам заключается в том, что с их помощью можно получать электроэнергию без движущихся машин. Газы нагреваются в камере сгорания 3 МГД-генератора до температуры 5000–7000 °С, т.е. до состояния плазмы, способной к электропроводимости, и проходят с огромной скоростью через магнитное поле магнита 2, в результате чего возбуждается электродвижущая сила. С помощью электродов генератора 1 электрический ток поступает во внешнюю цепь 9.

Однако до реализации в промышленных целях необходимо выполнить ряд специфических требований.

Энергопоезд. Учитывая тот факт, что разработка месторождений открытым способом интенсивно начала развиваться в начале ХХ в., в местах с дефицитом источников электроэнергии применялись и другие источники получения электроэнергии.

Так, для питания потребителей горных работ в 1945 г. в поселке Урал (Бородинское угольное месторождение) для получения электроэнергии использовался локомотив с установленной мощностью 1 МВт, а в 1950 г. установлен энергопоезд фирмы «Дженерал мо-торс». Энергопоезд Б-4 (брянского завода ) мощностью 4 МВТ применялся и на разрезе «Назаровский».

Необходимо отметить, что наряду с увеличением энергопотребления на горных работах интенсивно развивалась и инфраструктура района размещения мест отработки месторождений.

Рис. 2.1. Блок-станция с двумя генераторами для освещения одного дома

Рис. 2.2. Основные узлы тепловых электростанций

Рис. 2.3. Паровая турбина

Рис. 2.4. Технологическая схема КЭС

Рис. 2.5. Схема плотины ГЭС

Рис. 2.6. Гидротурбина ГЭС

Рис. 2.7. Общий вид Саяно-Шушенской ГЭС

Рис. 2.8. Схема приливной электростанции: 1 – капсульный агрегат; 2 – повышающий трансформатор; 3 – козловой кран; 4 – кабельный коридор; 5 – мостовой кран машинного зала

Рис. 2.9. Гидроаккумулирующая электростанция

Рис. 2.10. Атомная электростанция

Рис. 2.11. Упрощенная схема АЭС

Рис. 2.12. Упрощенная схема геотермальной электростанции

Рис. 2.13. Гелиоэлектростанция

Рис. 2.14. Ветровые электростанции

Рис. 2.15. Дизельная электростанция

Рис. 2.16. Основные технологические контуры термоядерного реактора

Рис. 2.17. Схема МГД-генератора: 1 ‒ генератор; 2 ‒ магнит; 3 ‒ камера сгорания; 4 ‒ сопло; 5 ‒ подача топлива; 6 ‒ подача воздуха; 7 ‒ подача присадки (ионизирующей); 8 ‒ выход газов; 9 ‒ внешняя электрическая цепь

3. Электроснабжение горных работ

3.1. Особенности эксплуатации электрооборудования на открытых горных работах

Современные карьеры относят к категории промышленных предприятий, основные технологические процессы которых механизированы и электрифицированы. Применение машин и комплексов большой мощности позволяет вести горные работы широким фронтом и обеспечивать высокую производительность труда.

Создание рациональных схем электроснабжения различных электропотребителей карьеров представляет собой сложную задачу, решение которой требует учета специфических особенностей технологии, механизации и электрификации. К числу специфических особенностей электрификации относятся следующие [3]:

− эксплуатация большей части электроустановок на открытом воздухе, что предъявляет высокие требования в части обеспечения надежности линий электропередачи и электрооборудования и безопасности при их обслуживании;

− большая площадь разработок и децентрализация рабочих мест, что усложняет схемы электроснабжения машин и механизмов, участвующих в различных производственных процессах;

− непрерывное или периодическое передвижение машин и установок из-за перемещения фронта горных работ, что требует применения специальных устройств для подвода электрической энергии к передвижным машинам. Частое перемещение гибких кабелей, включая волочение по почве, приводит к повреждениям изоляции и, как следствие, к замыканию на землю, что обусловливает аварии и представляет опасность для обслуживающего персонала, постоянно работающего с кабелями, электрооборудованием, металлическими конструкциями;

− различное состояние почвы и уступов на рабочих площадках, непостоянство рабочих горизонтов, что предполагает проведение специальных мероприятий при прокладке и монтаже воздушных линий и гибких кабелей с учетом их частых перемещений и ремонтов;

− ведение взрывных работ, что создает опасность повреждений машин и установок. Это вызывает необходимость перед производством взрывов горной массы перемещать машины и установки в безопасное место, а также прокладывать воздушные линии и кабели вне зоны взрывных работ или же демонтировать и вновь их монтировать.

Кроме того, на систему электроснабжения карьера оказывают влияние такие факторы, как способ вскрытия месторождения, принятая система разработки, число и глубина рабочих горизонтов, условия экскавации и транспортирования вскрышных пород и полезного ископаемого, число, типы и режимы работы машин и установок, порядок ведения взрывных работ, организация работ и т.д. Условия эксплуатации карьерных электроустановок в разных горнопромышленных районах характеризуются крайним разнообразием. В условиях северо-востока страны в зимние месяцы наблюдаются низкие температуры. В этих условиях электроустановки должны эксплуатироваться с особой осторожностью и продуманностью. Между тем при разработке россыпных месторождений открытым способом производится вскрыша торфов, более 50 % объемов которой осуществляется с применением буро-взрывных работ, требующих, в свою очередь, работы значительного количества землеройной техники, и именно в зимний период. В условиях Средней Азии необходимо считаться с горноклиматическими факторами (труднодоступность районов и их расположение, высокие летние температуры, резкие колебания параметров атмосферы, наличие области пониженного давления, повышенная интенсивность солнечной радиации и низкая влажность). Так, в условиях высокогорья температура почвы в местах прокладки экскаваторных кабелей достигает 333 К. Как показывает практика, при температурах выше 318 К наблюдается заметное увеличение числа отказов кабелей, причем зависимость числа отказов из-за температуры близка к линейной.

Увеличение глубины карьеров также отрицательно сказывается на санитарно-гигиенических условиях труда и технико-экономических показателях предприятий. Интенсификация горных работ, увеличение глубины карьеров и ослабление вследствие этого эффективности естественного проветривания приводит к увеличению загрязнении атмосферы пылью и ядовитыми газами. Одновременно с этим при высокой запыленности воздуха на поверхности изоляторов образуется устойчивый слой пыли (грязи). Во время дождя, мокрого снега сопротивление увлажненных изоляторов резко снижается, появляются утечки тока вплоть до однофазных замыканий на землю.

При выборе и построении системы электроснабжения карьера необходимо учитывать систему разработки и горно-геологические параметры карьера; наличие мощных электроприемников и потребителей первой категории; погодно-климатические условия и перспективы развития карьера.

Схему электроснабжения карьера рекомендуется принимать согласно [4]: при транспортной системе разработки ‒ продольную с расположением передвижных ВЛ напряжением 6−10 кВ на уступах; при бестранспортной системе разработки – поперечную, построенную по принципу блока «ВЛ 35−110 кВ – ПКТП 35−110/6−10 кВ» с бортовыми магистральными и радиально-поперечными ВЛ 6−10 кВ; при применении техники непрерывного действия (поточная технология) – магистрально-радиальную с расположением кабельных линий электропередачи (КЛ) на уступах; при комбинированной системе разработки – комбинации схем электроснабжения разрезов с циклической и поточной технологией.

При наличии потребителей первой категории последние должны получать питание от двух независимых друг от друга источников питания.

При построении схемы распределения электроэнергии на карьере к одной передвижной ВЛ напряжением 6−10 кВ рекомендуется присоединять не более трех экскаваторов с ковшом вместимостью до 5 м³ и 1−2 ПКТП мощностью до 630 кВА; двух экскаваторов с ковшом вместимостью до 15 м³ и двух ПКТП единичной мощностью до 630 кВА; одного экскаватора с ковшом вместимостью до 20 м³ и более двух ПКТП единичной мощностью до 630 кВА; двух роторных (многочерпаковых) экскаваторов с теоретической производительностью до 1300 м³ и двух ПКТП единичной мощностью до 630 кВА; одного роторного экскаватора с теоретической производительностью свыше 1300 м³ и двух ПКТП, единичной мощностью до 630 кВА; пяти ПКТП единичной мощностью до 630 кВА для питания силовых потребителей или не более десяти ПКТП единичной мощностью до 100 кВА для питания осветительных установок.

Схемы распределительных сетей карьера подразделяют на радиальные, магистральные и комбинированные. Последние имеют наибольшее применение [5].

Радиальные схемы выполняют одноступенчатыми – при непосредственном питании мощных электроприемников от ГПП или ЦРП; магистральные схемы выполняют с одиночными магистралями, имеющими одностороннее или двустороннее питание; с кольцевыми магистралями, имеющими одностороннее или двустороннее питание.

ЛЭП подразделяют на продольные и поперечные в зависимости от расположения их относительно фронта горных работ (вдоль или поперек) (рис. 3.1). Продольную линию, проложенную за пределами рабочих горизонтов, например вдоль технической границы карьера, называют бортовой линией, а поперечные спуски от нее на рабочие горизонты – поперечными.

При использовании продольных линий приключательные пункты (ПП) располагают вдоль линии через 200–300 м. По мере удаления от приключательных пунктов на расстояние, определяемое длиной гибкого кабеля, передвижные электроприемники присоединяют к следующему ближайшему приключательному пункту. Длина гибкого кабеля, питающего одноковшовые экскаваторы, составляет 100–250 м по условиям удобства их подтягивания и переноски. Экскаватор должен перемещаться в обе стороны от приключательного пункта на расстояние, соответствующее длине разрабатываемого блока. При большой длине блока экскаватор переключают к следующему по направлению продвижения приключательному пункту. Продольное расположение воздушных линий не создает помех при перемещении экскаватора вдоль уступа и при работе;

упрощается подключение прочих электроприемников на рабочих площадках. Недостатки продольных линий – необходимость частой передвижки и высокая повреждаемость при взрывных работах.

Поперечные воздушные или кабельные линии, отходящие от РП или ГПП, подводят к борту карьера, откуда спускают на уступы. На рабочей площадке уступа размещают ПП или КРП, к которым присоединяют ближайшие электроприемники. Число линий, пересекающих уступ, и приключательных пунктов зависит от длины уступа, числа рабочих машин, длины разрабатываемых блоков. Чтобы исключить при работе задевание стрелой экскаватора поперечной воздушной линии, питание осуществляется попеременно от двух ближайших ПП, расположенных на границах блока. Достоинство поперечных линий – отсутствие передвижки.

Для уменьшения длины передвижных внутрикарьерных ЛЭП широкое применение получили схемы с применением КРП. На рис. 3.2 приведена такая схема.

При наличии подземных выработок – наклонных стволов с конвейерными установками или дренажных штреков ‒ можно осуществить глубокий ввод с помощью кабельной линии, проложенной по подземной выработке (рис. 3.2). При такой схеме электроснабжения уменьшается длина передвижных карьерных ЛЭП и повышается надежность электроснабжения.

Схемы распределительных сетей карьера выбирают в зависимости от требуемой надежности электроснабжения, территориального размещения и величины расчетных нагрузок, технологии горных работ и других факторов. Сравнение намеченных вариантов производят по технико-экономическим показателям, учитывающим не только факторы, относящиеся к системе электроснабжения, но и простои горнотранспортного оборудования при переключениях, передвижке ЛЭП, аварийных отключениях и т. п.

Схема электроснабжения экскаватора с использованием электросетевых устройств, применяемых в начале ХХ в. представлена на рис. 3.3. Экскаватор с помощью кабельной линии через приключательный пункт подключается к линии электропередачи, выполненной на передвижных опорах.

Такие же схемы электроснабжения, но с использованием новых электросетевых устройств применяются и в настоящее время.

3.2. Особенности эксплуатации электрооборудования на подземных горных работах

Специфические условия, в которых работает электрооборудование в подземных выработках, характеризуются следующими условиями [6]:

– наличием во многих случаях взрывоопасной атмосферы в виде метана в смеси с воздухом в угольных шахтах, водорода и метана в смеси с воздухом в калийных шахтах, угольной и других видов пыли во взвешенном состоянии;

− размещением электрооборудования в выработках, подверженных воздействию горного давления;

− ограниченным пространством, обусловленным размерами горных выработок;

‒ наличием влаги за счет подземных вод;

− недостаточным освещением;

− перемещением машин и оборудования по неровной почве выработок вслед за продвижением забоя;

− широким применением взрывных работ, вызывающих опасность повреждения машин;

− повышенной опасностью поражения электрическим током;

− разобщенностью горных работ, ведущихся на значительных территориях.

Способ питания электроприемников шахт, при котором предусматривается электрическое разделение подземных кабельных сетей от сетей поверхности, называется обособленным и является одной из мер повышения безопасности и надежности электроснабжения подземных электроприемников.

Обособленное питание является обязательным при проектировании новых и реконструкции действующих систем электроснабжения шахт напряжением 6(10) − 220 кВ, а также в случаях, предусмотренных «Правилами безопасности в угольных и сланцевых шахтах».

На способ электроснабжения влияют горно-технологические, технические и технологические факторы, а также условия окружающей среды. В зависимости от глубины залегания угля разрабатываемых горизонтов различают два основных способа питания электроэнергией добычных и подготовительных участков от ГПП: при глубоком залегании пластов (свыше 300−350 м) – кабелями, проложенными по стволу, а при неглубоком залегании (до 300 м) – кабелями, проложенными в скважинах, специально пробуренных для этой цели, или в шурфах. При любом способе питания неизбежна прокладка кабелей, питающих водоотлив и приемники околоствольного двора через ствол.

Выбор величины напряжения зависит от количества, мощности и назначения электроприемников. В настоящее время для распределения электроэнергии по шахте применяется напряжение 6 и 0,66 кВ. Напряжение 6 кВ применяется для питания стационарных электродвигателей мощностью 200–250 кВт и выше, напряжение 0,66 кВ – для питания электродвигателей меньшей мощности, а также двигателей забойных машин и механизмов. В ряде случаев при наличии определенных условий допускается применение в шахте напряжения 10 кВ. В проектах новых и в реконструированных шахтах применение напряжения 0,38 кВ может быть допущено только при наличии технико-экономических обоснований. В настоящее время в высокомеханизированных забоях применяют напряжение 1,14 кВ. Для питания ручного инструмента предусмотрено напряжение 0,127 кВ. Для освещения подземных выработок шахт − 0,127 и 0,22 кВ. Для электроснабжения электровозной откатки применяются сети постоянного тока напряжением 250 В или 550 В.

Согласно требованиям Правил безопасности мощность КЗ в любой точке подземной сети не должна превышать 50 MBА. В ряде случаев при применении мощных электродвигателей насосов при глубоких шахтах и гидрошахтах ПБ допускают отступление от этого требования, но при соблюдении ряда специальных мер.

Наиболее мощными потребителями электроэнергии, находящимися в подземных выработках шахт, разрабатывающих пологие и наклонные пласты, а также рудников являются высоковольтные электроприемники водоотливных установок, мощность которых в зависимости от глубины шахты и водопритока может достигать 2000 кВт.

Основные потребители электроэнергии низшего напряжения на шахтах и рудниках ‒ очистные механизированные комплексы, проходческие комбайны, породопогрузочные машины, конвейерный и электровозный транспорт. Суммарная установленная мощность электроприемников участков высокопроизводительных шахт составляет 800–1000 кВт.