W artykule scharakteryzowano system klimatyzacji centralnej kopalń podziemnych. Przedstawiono przykłady instalacji chłodniczych z wykorzystaniem wysokociśnieniowego wymiennika ciepła oraz reduktora ciśnienia hydrostatycznego. Omówiono sposób regulacji i monitoringu rozpływu wody lodowej w tych instalacjach oraz scharakteryzowano zasady sterowania parametrami wody lodowej.

W polskich kopalniach podziemnych o dużym obciążeniu cieplnym wyrobisk stosuje się systemy klimatyzacji scentralizowanej, projektowane w oparciu o urządzenia chłodnicze pośredniego działania. Woda lodowa wytwarzana na powierzchni rozprowadzana jest siecią rurociągów do chłodnic powietrza odległych o kilka do kilkunastu kilometrów. Chłodnice są często przebudowywane, a sieć rurociągów ulega ciągłej zmianie. Układ taki wymaga regulacji w zakresie wymaganych parametrów strumieni wody lodowej w poszczególnych odgałęzieniach sieci rurociągów. 

W kopalniach podziemnych stosuje się urządzenia chłodnicze o działaniu pośrednim lub bezpośrednim. Urządzenia te wykorzystuje się w systemach klimatyzacji lokalnej, grupowej i centralnej. Klimatyzacja centralna związana jest z lokalizacją agregatów chłodniczych na powierzchni, pod ziemią lub na powierzchni i pod ziemią oraz przekazywaniem ciepła skraplania do powietrza atmosferycznego [1, 2, 5, 7].

W systemach klimatyzacji centralnej wykorzystuje się agregaty wytwarzające wodę lodową, która rozprowadzana jest do chłodnic powietrza w kopalni podziemnej. Wymaga się, aby temperatura wody lodowej nie była wyższa niż 2oC. Przy sprowadzaniu wody lodowej rurociągami na dół kopalni wzrasta ciśnienie hydrostatyczne. W układach klimatyzacji centralnej wykorzystuje się reduktory ciśnienia hydrostatycznego lub wysokociśnieniowe wymienniki ciepła rozdzielające obiegi niskiego i wysokiego ciśnienia wody (rys. 1.). Z uwagi na głębokość kopalń podziemnych, ciśnienie hydrostatyczne w obiegach wysokociśnieniowych dochodzi do 12 MPa. Obieg niskiego ciśnienia stanowi sieć rurociągów rozprowadzających wodę do chłodnic powietrza. Z uwagi na rozległość wyrobisk w kopalni podziemnej sumaryczna długość rurociągów dochodzić może do kilkudziesięciu kilometrów. Ze względu na budowę złoża węgla kamiennego chłodnice powietrza lokalizowane są na różnych głębokościach w kopalni podziemnej. Ciśnienie wody lodowej w obiegu niskociśnieniowym dochodzić może do 4 MPa [1, 5, 7]. 

Rys. 1. Schemat poglądowy klimatyzacji centralnej w kopalni podziemnej

Chłodnice są lokalizowane w wyrobiskach podziemnych związanych z rejonami eksploatacyjnymi i przygotowawczymi. W kopalni węgla kamiennego jest od kilku do kilkunastu rejonów.  W rejonach występuje również zmienne w czasie obciążenie chłodnicze oraz konieczna jest przebudowa chłodnic powietrza z uwagi na skracanie wyrobisk lub drążenie nowych. Sieć rurociągów wody lodowej zmienia się – podłączane są nowe odgałęzienia od rurociągu magistralnego. Takie układy wymagają ciągłej regulacji rozpływu wody lodowej (rys. 2.).

Rys. 2. Schemat przykładowej instalacji obiegu wtórnego klimatyzacji centralnej

W polskich kopalniach podziemnych pracuje aktualnie pięć układów klimatyzacji centralnej, a dwa kolejne są w trakcie budowy. 

Aktualny stan regulacji i sterowania parametrami wody lodowej

Instalacja rurociągów wody lodowej i lokalizacja chłodnic powietrza zmienia się w czasie, a tym samym zmieniają się opory przepływu wody. Dodatkowo obciążenie cieplne wyrobisk również jest zmienne w czasie i chłodnice powinny być przebudowywane w miejsca o największym obciążeniu cieplnym. Często zachodzi konieczność podłączenia większej liczby chłodnic w danym rejonie i odłączenia chłodnic w innym rejonie. Instalację klimatyzacji centralnej projektuje się na maksymalne opory, jakie mogą wystąpić w planowanym rozwoju eksploatacji w podziemnej kopalni węgla kamiennego. Na etapie budowy określa się zakres regulacji rozpływu wody lodowej oraz zasady sterowania rozpływem wody w rozbudowywanej w przyszłości sieci rurociągów [3, 4].

Jeżeli po przebudowach rurociągów nie przeprowadzi się regulacji rozpływu wody to prędkość przepływającej wody przez chłodnice powietrza może być mniejsza. W rezultacie wydajność chłodnic powietrza często maleje, a opuszczająca je woda lodowa nie odbiera wymaganego strumienia ciepła (rys. 3.). Konieczne jest zatem kierowanie strumieni wody w poszczególne rejony i tym samym prowadzenie bieżącej regulacji rozpływu wody [2, 6].

Rys. 3. Przykładowe zmiany wydajności chłodniczej w chłodnicy powietrza o mocy 300 kW zabudowanej w wyrobisku podziemnym

Parametry przepływającej wody w instalacji obiegu wtórnego są monitorowane. Monitoring stanowi podstawę do przeprowadzenia regulacji w zakresie wymaganych strumieni wody lodowej w poszczególnych odgałęzieniach sieci rurociągów i w poszczególnych chłodnicach. W monitoringu wykorzystuje się iskrobezpieczne mierniki temperatury, ciśnienia oraz przepływomierze z częstotliwościowym sygnałem wyjścia 5 ÷ 15 Hz. Do regulacji przepływu wody wykorzystuje się przepustnice z napędem elektrycznym i sterownikiem zewnętrznym (komunikacja poprzez złącze RS485). Wszystkie urządzenia spełniają wymagania dyrektywy 94/9/EWG – ATEX do stosowania w górnictwie podziemnym.

Sterowanie parametrami wody w zależności od obciążenia cieplnego wyrobisk z chłodnicami powietrza jest możliwe, jeśli układ zbudowany jest w oparciu o wysokociśnieniowy wymiennik ciepła rozgraniczający obiegi: pierwotny (wysokociśnieniowy) i wtórny (niskociśnieniowy). Istnieje wtedy możliwość dostosowania strumienia wytwarzanej wody lodowej do całkowitego obciążenia chłodniczego instalacji.

W przypadku wykorzystywania trójkomorowego, rurowego podajnika cieczy, jako reduktora ciśnienia hydrostatycznego wody, automatyczne dostosowanie strumienia wytwarzanej wody lodowej jest ograniczone, z uwagi na brak możliwości płynnych zmian wartości całkowitego strumienia wody w tym reduktorze. Możliwa jest wtedy tylko manualna regulacja rozpływem wody lodowej. Poniżej, na podstawie wykonanych projektów technicznych przedstawiono sposoby wdrażanego aktualnie sterowania parametrami wody lodowej w tego typu instalacjach.

Instalacje z wysokociśnieniowym wymiennikiem ciepła

(...)

Instalacje z reduktorem ciśnienia hydrostatycznego typu pes

(...)

Podsumowanie

W systemach klimatyzacji centralnej występuje zmienne obciążenie chłodnicze instalacji, związane przede wszystkim z koniecznością częstej przebudowy chłodnic i rurociągów w instalacji. Konieczność przebudowy podyktowana jest względami technologicznymi eksploatacji węgla oraz koniecznością lokalizacji chłodnic w miejscach o najwyższej temperaturze powietrza. Przebudowa instalacji wymaga przeprowadzania bieżących regulacji w rozpływie wody lodowej.

Poprawą wykorzystania dostępnej mocy chłodniczej w takich instalacjach jest automatyczne sterowanie rozpływem wody lodowej. W układach z reduktorem ciśnienia PES wykorzystuje się zdalną regulację rozpływu wody do rejonów, a w układach z wysokociśnieniowymi wymiennikami ciepła sterowanie umożliwia automatyczne dostosowanie wymaganego natężenia przepływu wody lodowej w poszczególnych chłodnicach i w całej instalacji. 

Zdalna regulacja rozpływu wody oraz sterowanie parametrami wody lodowej umożliwiają efektywniejsze wykorzystanie mocy chłodniczej w klimatyzacji centralnej i poprawiają cieplne warunki pracy.

Przedsiębiorstwa górnicze coraz częściej przekonują się do pełnej automatyzacji tych procesów, pomimo wzrostu nakładów inwestycyjnych na urządzenia sterujące, które muszą spełnić wymagania pracy w trudnym środowisku kopalń podziemnych.

prof. dr hab. inż. Nikodem SZLĄZAK
AGH w Krakowie,
Wydział Górnictwa i Geoinżynierii,
Katedra Górnictwa Podziemnego

dr hab. inż. Dariusz OBRACAJ
AGH w Krakowie,
Wydział Górnictwa i Geoinżynierii,
Katedra Górnictwa Podziemnego

mgr inż. Kazimierz PIERGIES
AGH w Krakowie,
Wydział Górnictwa i Geoinżynierii,
Katedra Górnictwa Podziemnego

LITERATURA:

[1] ŁUSKA P., NAWRAT S., SZLĄZAK N.: Klimatyzacja kopalń w Polsce. Materiały 5 Szkoły Aerologii Górniczej. Wrocław. 13–16 październik 2009. Wyd. KGHM CUPRUM sp. z o.o. s. 253–266.
[2] SZLĄZAK N., OBRACAJ D., BOROWSKI M.: Efektywność chłodzenia powietrza w rejonach eksploatacyjnych w oparciu o centralną klimatyzację. Materiały Szkoły Eksploatacji Podziemnej 2002. Szczyrk. 18–22 lutego 2002. T. 2. Wyd. IGSMiE PAN. 2002. s. 1087–1099.
[3] SZLĄZAK N., OBRACAJ D., BOROWSKI M.: Wykorzystanie swobodnego chłodzenia w systemach klimatyzacji kopalń podziemnych. Chłodnictwo & Klimatyzacja. 2009. nr 4. s. 60–64.
[4] SZLĄZAK N., OBRACAJ D., BOROWSKI M.: Efektywność skojarzonego układu energetyczno-chłodniczego na przykładzie klimatyzacji kopalni podziemnej. XXXIII Dni Chłodnictwa. Nowe rozwiązania w konstruowaniu, projektowaniu i eksploatacji systemów chłodniczych i klimatyzacyjnych. Konferencja naukowo-techniczna. Poznań. 11–13 września 2001. Wyd. SYSTHERM Chłodnictwo i Klimatyzacja Sp. z o.o. Poznań. 2001, s. 197-206.
[5] SZLĄZAK N., OBRACAJ D., BOROWSKI M.: Kierunki rozwoju klimatyzacji w polskich kopalniach węgla kamiennego. XXXVII Dni Chłodnictwa. Aktualne tendencje w rozwiązaniach technicznych urządzeń i systemów chłodniczych i klimatyzacyjnych. Konferencja naukowo-techniczna. Poznań. 23–24 listopada 2005. Wyd. SYSTHERM Chłodnictwo i Klimatyzacja Sp. z o.o. Poznań. s. 243–256.
[6] SZLĄZAK N., TOR A., JAKUBÓW A.: Ocena funkcjonowania systemów klimatyzacji wyrobisk górniczych w kopalniach Jastrzębskiej Spółki Węglowej. 4 Szkoła Aerologii Górniczej. Kraków, s. 265-280.
[7] SZLĄZAK N., TOR A., JAKUBÓW A.: Klimatyzacja w kopalniach Jastrzębskiej Spółki Węglowej. Prace Naukowe GIG. Górnictwo i Środowisko. 2007. nr 4. Wyd. spec. s. 253–262.

Artykuł zrealizowano w ramach prac statutowych 11.11.100.774