Повышение эффективности энергообеспечения буровых работ на основе комплексного решения вопросов электро-и теплоснабжения

Геологоразведочные предприятия относятся к энергоёмким объектам, требующим непрерывной подачи энергии. Одна из главных статей затрат — расходы на энергообеспечение. При производстве геологоразведочных работ доля затрат, связанных с энергообеспечением, достигает 50% от общего финансирования [22].

По данным ОАО РАО «ЕЭС России» энергетически изолированные от единой энергосистемы (ЕЭС) районы составляют 70% территории страны. Это районы Крайнего Севера, Восточной Сибири, Дальнего Востока, Сахалина, Камчатки. Именно с этими пространствами связана главная перспектива открытия и освоения новых месторождений полезных ископаемых.

Если во времена СССР в условиях плановой экономики, низких тарифов на электроэнергию, финансирования геологоразведочных работ приоритетным направлением энергоснабжения была централизацованное энергоснабжение, то сегодня в условиях широкой приватизации объектов, разрыва производственных связей, роста цен на энергоносители, и отсутствия финансирования из госбюджета превалирующей становится ориентация на использование локальных энергоисточников.

Удельные затраты на выработку электрои теплоэнергии зачастую в оказывается меньшими чем затраты на их приобретение у региональных энергосистем [21]. В связи с этим сегодня изменяется и сама концепция подхода к вопросам энергообеспечения.

Обоснование оптимального варианта энергоснабжения, например, геологоразведочного объекта в современных условиях является ответственной задачей, от правильного решения которой в большой степени зависит величина общих затрат на производство работ.

Поэтому правильный выбор системы энергоснабжения геологоразведочных работ в современных условиях становится весьма актуальным вопросом. Как ни в какой другой отрасли, система энергоснабжения геологоразведочных работ зависит от многих факторов [31], и в частности от: удаленности от государственной энергосистемыкатегории потребителейразобщенности производственных объектовхарактера ведения работмощности технических едиництипа месторождения и горно-геологических условий его залеганияприродно-климатических и социально-экономических условий района.

Перечисленные факторы и условия предопределяют многообразие возможных вариантов систем энергороснабжения, что часто приводит к затруднениям при выборе оптимального из них.

Кроме электрической, каждая буровая установка потребляет большое количество тепловой энергии на технологические нужды и обогрев помещений.

Тепловая нагрузка буровой установки является важным фактором, оказывающим влияние на затраты при разведочном бурении.

Под тепловой нагрузкой буровой установки понимается величина теплового потока, необходимого для компенсации тепловых потерь зданием буровой установки и создания в рабочей зоне установки области с микроклиматом, обеспечивающим комфортные условия труда [33].

Тепловая нагрузка установок колонкового бурения в условиях Крайнего Севера изменяется от 30 до 60 кВт, что превышает потребляемую мощность электропривода [35].

При выборе способа энергоснабжения объекта сравнение между собой только вариантов электроснабжения зачастую приводит к ошибочным решениям. Например, обоснованный как оптимальный вариант энергоснабжения от госсети может оказаться экономически не состоятельным в случае, если не будут учтены при этом затраты на отопление.

Поэтому обоснование оптимального варианта энергоснабжения для каждого объекта и этапа (стадийности) производства работ должно производиться с учётом одновременного использования этих двух видов энергии по общему минимуму денежных потоков, что является актуальным вопросом в оптимизации энергообеспечения.

Чтобы сгруппировать системы электроснабжения, разработана классификация по наиболее важным признакам, принципиально отличающим рассматриваемые варианты друг от друга.

Известно, что электроснабжение может осуществляться от государственной линии электропередач (при наличии таковой), от стационарных, полустационарных и передвижных дизельных электростанций (ДЭС), а теплоснабжение — за счёт использования печного отопления, электрического обогрева и в редких случаях централизованного теплоснабжения.

При электроснабжении буровой от дизельной электростанции, использование электроэнергии для отопления не рационально, ибо КПД ДЭС составляет 30 — 40%, поэтому практически везде в качестве источников тепла рекомендуются металлические печи с КПД равным 0,7 -0,8. Однако использование для получения тепла мазута, угля или дров в труднодоступных районах обходятся очень дорого, из-за высокой стоимости доставки топлива. Помимо этого у печного отопления следующие недостатки: трудоёмкость процесса, загрязнение помещений и окружающей среды топливом и отходамиснижение полезного объёма помещений, высокая пожароопасность и вероятность отравления угарным газом при нарушении правил эксплуатации.

Поэтому на геологоразведочных работах в удалённых и труднодоступных районах, где в качестве энергоисточников применяются дизельные электростанции (ДЭС) весьма актуальным является детальное рассмотрение вопроса об использование их избыточного тепла для покрытия тепловой нагрузки бурового здания.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности геологоразведочных работ на твёрдые полезные ископаемые на основе комплексного рассмотрения вопросов электро — и теплоснабжения при обосновании оптимальной системы энергообеспечения с учётом использования вторичных энергоресурсов путём экспериментальных исследований макетного образца системы утилизации тепла дизельной электростанции.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи исследований:

1. Проведение анализа теплопотерь, особенностей теплопотребления и величин тепловых нагрузок при производстве буровых работ на твёрдые полезные ископаемые;

2. Изучение на основе аналитических и экспериментальных исследований возможности покрытия тепловой нагрузки технологического процесса и обеспечения оптимального температурного режима в рабочей зоне буровой установки за счёт использования утилизированного тепла передвижных ДЭС;

3. Технико — экономическое обоснование возможности повышения эффективности геологоразведочных работ за счёт совместного решения вопросов электро — и теплоснабжения;

4. Обоснование рационального применения электронагревательных приборов для дополнительного отопления и поддержания оптимальных температур в рабочей зоне буровой установки, в случае использования утилизации тепла передвижных ДЭС;

5. Исследование экономической эффективности от использования утилизационных установок.

Поставленные задачи решались путём анализа литературных источников и опыта работ, проводимых в этой области, теоретических и экспериментальных исследований с использованием математической статистики и с последующей обработкой результатов исследований на ЭВМ с применением стандартных пакетов программ Excel, MathCAD.

Исследование выполнялись в плане МинОбра научной части. Экспериментальная часть работы с использованием макетного образца утилизационной установки проводилась на учебном полигоне МГГРУ в городе Сергиев Посад.

Научная новизна данной работы заключается в том, что на основе теоретических и экспериментальных исследований автором впервые:

1. Определена закономерность изменения тепловой нагрузки здания буровой установки от влияния условий окружающей среды. Получены расчётные зависимости, увязывающие теплопотери буровых зданий с конкретными условиями их эксплуатации.

2. Разработаны математические модели затрат по типовым вариантам комплексного энергообеспечения буровых работ для технико-экономического обоснования оптимальной системы.

3. Установлены зависимости предельного расстояния электроснабжения от государственной сети от изменения потребляемой мощности при совместного решения вопросов электро — и теплоснабжения.

4. Установлены зависимости изменения КПД энергоустановки от электрической нагрузки и расхода теплоносителя, позволившие сделать заключения о возможности полного покрытия потребности в тепле бурового здания.

Практическая значимость работ заключается в том, что в результате теоретических и экспериментальных исследований:

1. Разработан метод инженерного расчёта по выбору оптимального варианта энергообеспечения геологоразведочных работ, учитывающий вопросы электро — и теплоснабжения.

2. Разработана конструкция универсального утилизатора к передвижным ДЭС, обеспечивающая повышение эффективности энергообеспечения и улучшить микроклимат и экологическую обстановку на месте работ.

Даны методические разработки для использования полученных результатов, как в практической деятельности геологоразведочных объектов, так и в учебном процессе. Основные положения диссертации обсуждались на заседаниях энергетической комиссии РАЕН, проводимых в рамках научных конференций «Новые идеи в науках о Земле» (г. Москва, МГГА — МГГРУ, апрель, 2001 — 2005 г.г.) с участием профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов Московского государственного геологоразведочного университета и Санкт-Петербургского горного университета, Академии Народного хозяйства при Правительстве Российской Федерации, представителей Министерства Природных ресурсов Российской Федерации, компании «Татнефть», РКК «Энергия».

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Глава № 1.

ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ НАГРУЗОК ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ БУРОВЫХ УСТАНОВОК.

Одним из основных факторов, влияющих на условия труда буровой бригады, является температура в рабочей зоне здания буровой установки, поддержание которой в заданных пределах определяется величиной теплопотерь бурового здания [34]. Поэтому анализ теплопотерь и особенности теплопотребления технологических потребителей на буровых работах является одна из главной задачей в вопросе энергообеспечения ГРР.

По правилам охраны труда и техники безопасности на геологоразведочных работах температура в рабочем помещении в холодное время года, должна быть в пределах от 10 °C до 23 °C [13].

Также в отапливаемых производственных помещениях в холодное время года, где есть большие тепловыделения от энергооборудования, температура в рабочем помещении допускается в пределах от 8 °C до 12 °C [18,19].

В условиях Севера применяются сборно-щитовые и каркасные здания, стены которых имеют многослойную структуру [33]. Одной из особенностей буровых зданий, применяемых в этом регионе, является полная обшивка буровой мачты слоем брезента или толя. В ограждающих конструкциях имеются технологические проёмы, общая площадь которых достигает 0,1 м². Скорость холодного воздуха, поступающего через технологические проёмы, составляет 1,5 — 2,5 м/с [34].

Буровые здания относятся к зданиям лёгкого типа, и характеризуется величиной D< 4 (см. приложения № 1). Низкая тепловая инерционность буровых зданий обусловливает жёсткую зависимость параметров микроклимата от изменения условий окружающей среды. В этой связи необходимо установить не только наибольшие значения величины теплопотерь при расчётных температурах окружающей среды и скорости ветра, но и характер их изменения при изменении параметров окружающей среды.

Другой особенностью теплоснабжения буровых установок является неравномерное распределение температур внутри здания.

Замеры температурного поля здания буровой, показали, что температура пола в рабочей зоне помощника бурильщика не превышает 5 °C при температуре окружающей среды -5 — -7 °С, в то время как у потолка-+14°С [34].

Подобное распределение температур вызывает значительные конвективные потоки воздуха внутри помещения, что оказывает влияние на теплопередачу внутренних поверхностей ограждающих конструкций.

Таким образом, теплообмен между зданием буровой установки и окружающей средой определяется процессом теплоотдачи. Конвективные потоки воздуха, вызванные перепадом температур внутри здания, увеличивают влияние теплопередачи в процессе теплообмена. Малая массивность сооружений обуславливает их низкую тепловую инерционность, что усиливает влияние факторов окружающей среды на величину теплопотерь. Поэтому при исследовании теплопотерь здания их следует рассматривать в строгой зависимости от изменений условий окружающей среды, а величину теплового потока через ограждающие конструкции — с учётом процессов теплопередачи.

Выводы.

1. Использование на буровых установках утилизация тепла ДЭС позволит обеспечить оптимальный уровень температуры в рабочей зоне буровой установки и повышает пожаробезопасность проводимых работ.

2. Использование утилизированного тепла передвижных ДЭС не только улучшит условия труда на буровых, но позволяет экономить топливо для отопления бурового здания до 3 кг у.т./час и даёт экономический эффект, величина которого составит до 30 000 руб. в месяц на одну установку.

3. Применение электронагревательных приборов для отопления буровых установок мощностью до 10 — 15 кВт экономически оправдано при использовании утилизации тепла передвижных дэс.

4. Использование глубокой утилизации тепла выхлопных газов при охлаждении их ниже точки росы (100- 120 °С) значительно снижает выбросы вредных веществ (сажи, окиси углерода и т. п.) с выхлопными газами в окружающую среду, что способствует улучшению экологической обстановки [34].

Заключение

.

Представленные в работе результаты Представленные в работе результаты теоретических и экспериментальных исследований — новое решение задачи повышения эффективности геологоразведочных работ за счёт утилизации тепла передвижных дизельных электростанций на основе комплексного решения вопросов электро — и теплоснабжения.

Основные научные выводы и практические рекомендации, полученные в результате проведенных исследований, заключаются в следующем:

1. Определена величина энергопотребления для отопления здания буровой установки в зависимости от условий окружающей среды. Установлено, что тепловая нагрузка бурового здания в кВт, примерно соответствует величине отрицательной температуры наружного воздуха в градусах.

2. Обоснована эффективность использования утилизированного тепла дизельной электростанции для обеспечения тепловой нагрузки буровой установки.

3. Разработанный универсальный утилизатор с воздушным теплоносителем для утилизации тепла передвижных ДЭС на буровых работах является наиболее подходящими устройством для обогрева бурового здания.

4. Экспериментальные исследования показали: при комплексной утилизации теплоты ДЭС на 1 кВт его электрической мощности приходится 1,5 — 2 кВт выделившегося тепла, утилизированной тепловой энергии, становится достаточно для обогрева здания буровой. при утилизации тепла охлаждающей жидкости и выхлопных газов КПД дизель — генераторной энергетической установки увеличивается практически вдвое. перерасход топлива при использовании утилизационной установки незначителен и соответствует (0,5 — 1,5кг) в зависимости от нагрузки, что не превышает 8% от расхода дизель генератора без утилизационной установки.

Тепловая нагрузка буровой установки, является важным фактором, оказывающим влияние на эффективность разведочного бурения и должна учитываться. Сравнение между собой только вариантов электроснабжения может привести к ошибочным решениям.

Обоснована возможность эффективного применения электронагревательных приборов при использовании утилизированного тепла передвижных ДЭС. Установлено, дозагрузка генератора дизельной электростанции будет оправдана, в случае если мощность электроприборов не превышает 10−15 кВт.

В случае применения рекомендуемой утилизационной установки на передвижной ДЭС экономический эффект составит 35% с одной установки.

Использование утилизированного тепла передвижных ДЭС не только улучшит условия труда на буровых, но позволяет экономить топливо для отопления бурового здания до 3 кг у.т./час.

Пересмотрена концепция энергообеспечения удалённых объектов в современных условиях в направлении решения области использования локальных энергоисточников.

Обобщая результаты проведенных исследований, можно сформулировать следующие защищаемые положения.

1. Тепловая нагрузка буровой установки, является важным фактором, оказывающим влияние на эффективность разведочного бурения. Использование на буровых установках утилизации тепла ДЭС позволит обеспечить оптимальный уровень температуры в рабочей зоне буровой установки.

2. Универсальный утилизатор с воздушным теплоносителем для утилизации тепла передвижных ДЭС на буровых работах является наиболее подходящим устройством для обогрева бурового здания.

3. Обоснование оптимального варианта энергообеспечения должно производиться с учётом электро — и теплоснабжения.

4. Применение электронагревательных приборов для отопления здания буровой установки экономически оправдано при использовании утилизации тепла передвижных ДЭС.