Согласно отраслевым отчетам, глубина шахты увеличивается с каждым годом – на 30 метров.
С увеличением глубины возрастает и потребность в вентиляции и охлаждении, и Хауден знает это по опыту работы в самых глубоких шахтах Южной Африки.
Компания Howden была основана в 1854 году Джеймсом Хауденом в Шотландии как предприятие по морскому машиностроению и вышла на рынок Южной Африки в 1950-х годах, чтобы удовлетворять потребности горнодобывающей и энергетической отраслей. К 1960-м годам компания помогла оснастить глубокие золотодобывающие шахты страны всеми необходимыми системами вентиляции и охлаждения для безопасной и эффективной добычи руды на глубине нескольких километров.
«Изначально в шахте для охлаждения использовалась только вентиляция, но по мере увеличения глубины добычи потребовалось механическое охлаждение для компенсации растущей тепловой нагрузки в шахте», — рассказал IM Теунес Вассерман, руководитель подразделения систем охлаждения и компрессоров шахт компании Howden.
На многих глубоких золотодобывающих рудниках в Южной Африке установлены центробежные охладители Freon™ как над, так и под землей для обеспечения необходимого охлаждения персонала и оборудования, работающих под землей.
Несмотря на улучшение текущего положения дел, система отвода тепла подземной машины оказалась проблематичной, поскольку ее охлаждающая способность была ограничена температурой и количеством доступного отработанного воздуха, сказал Вассерман. В то же время качество шахтной воды привело к сильному загрязнению кожухотрубных теплообменников, используемых в этих первых центробежных чиллерах.
Для решения этой проблемы шахты начали закачивать холодный воздух с поверхности в землю. Хотя это и увеличивает охлаждающую способность, необходимая инфраструктура занимает место в бункере, а сам процесс энергоемкий и требует больших затрат энергии.
Для решения этих проблем горнодобывающие предприятия стремятся максимально увеличить количество холодного воздуха, подаваемого на поверхность с помощью установок охлажденной воды.
Это побудило компанию Howden внедрить амино-шнековые охладители на шахтах в Южной Африке, сначала в сочетании с существующими наземными центробежными охладителями. Это привело к резкому увеличению количества охлаждающей жидкости, подаваемой в эти глубокие подземные золотодобывающие шахты, что привело к снижению средней температуры поверхностных вод с 6-8°C до 1°C. Шахта может использовать ту же самую трубопроводную инфраструктуру, большая часть которой уже установлена, при этом значительно увеличивая объем охлаждения, подаваемого в более глубокие слои.
Примерно через 20 лет после появления WRV 510 компания Howden, ведущий игрок на рынке в этой области, разработала WRV 510 — винтовой компрессор большого размера с ротором диаметром 510 мм. Это был один из самых больших винтовых компрессоров на рынке в то время, и он соответствовал размеру чиллерного модуля, необходимого для охлаждения глубоких шахт в Южной Африке.
«Это кардинально меняет ситуацию, поскольку на шахтах можно установить один чиллер мощностью 10-12 МВт вместо множества чиллеров», — сказал Вассерман. «В то же время, аммиак как экологически чистый хладагент хорошо подходит для комбинаций винтовых компрессоров и пластинчатых теплообменников».
Вопросы, касающиеся аммиака, были формализованы в технических условиях и стандартах безопасности для аммиака в горнодобывающей промышленности, при этом компания Howden сыграла важную роль в процессе проектирования. Эти стандарты были обновлены и включены в законодательство Южной Африки.
Об этом успехе свидетельствует установка горнодобывающей промышленностью Южной Африки более 350 МВт аммиачных холодильных мощностей, что делает ее крупнейшей в мире.
Но инновации компании Howden в Южной Африке на этом не остановились: в 1985 году компания добавила к своему растущему ассортименту охладителей для шахт льдогенератор для поверхностного охлаждения.
Поскольку возможности охлаждения на поверхности и под землей исчерпаны или признаны слишком дорогими, шахтам необходимо новое решение для охлаждения, позволяющее расширить добычу на более глубокие уровни.
Компания Howden установила свой первый ледогенератор (пример ниже) в 1985 году на руднике EPM (East Rand Proprietary Mine) к востоку от Йоханнесбурга. Его конечная суммарная холодопроизводительность составляет около 40 МВт, а производительность по производству льда — 4320 т/ч.
В основе операции лежит образование льда на поверхности и его транспортировка по шахте к подземной ледяной плотине, где вода из ледяной плотины затем циркулирует в подземных охлаждающих станциях или используется в качестве технологической воды для бурения скважин. Растопленный лед затем откачивается обратно на поверхность.
Главное преимущество этой системы льдогенератора заключается в снижении затрат на перекачку, что уменьшает эксплуатационные расходы, связанные с системами поверхностного охлаждения воды, примерно на 75-80%. Это объясняется наличием «энергии охлаждения, запасенной в фазовых переходах воды», — пояснил Вассерман, добавив, что 1 кг/с льда обладает той же холодопроизводительностью, что и 4,5-5 кг/с замороженной воды.
Благодаря «превосходной эффективности позиционирования», температура подземной плотины может поддерживаться на уровне 2-5 °C, что улучшает тепловые характеристики подземной станции воздушного охлаждения и, таким образом, максимально увеличивает холодопроизводительность.
Еще одним преимуществом, делающим ледяную электростанцию ​​особенно актуальной в Южной Африке, стране, известной своей нестабильной энергосистемой, является возможность использования системы в качестве метода аккумулирования тепла, при котором лед образуется и накапливается в подземных ледяных плотинах в пиковые периоды.
Последнее преимущество привело к разработке поддерживаемого компанией Eskom проекта отраслевого партнерства, в рамках которого компания Howden исследует использование льдогенераторов для снижения пиковой нагрузки на электросети, проводя испытания на шахтах Мпоненг и Моаб Хоцонг, самых глубоких подземных шахтах в мире.
«Мы замораживали плотину ночью (после окончания рабочего дня) и использовали воду и растопленный лед в качестве источника охлаждения шахты в часы пик», — пояснил Вассерман. «Базовые системы охлаждения отключаются в пиковые периоды, что снижает нагрузку на электросеть».
Это привело к разработке льдогенератора «под ключ» в Мпоненге, где компания Howden завершила работы, включая строительные, электротехнические и механические работы, для льдогенератора мощностью 12 МВт и производительностью 120 т/ч.
В число недавних дополнений к основной стратегии охлаждения Мпоненга входят мягкий лед, охлажденная вода с поверхности, наземные воздухоохладители (BAC) и подземная система охлаждения. Также отмечается наличие в шахтных водах повышенных концентраций растворенных солей и хлоридов во время работ.
По его словам, богатый опыт Южной Африки и ее ориентация на решения, а не просто на продукцию, продолжают преобразовывать холодильные системы по всему миру.
Как отметил Вассерман, по мере того как все больше и больше шахт углубляются и занимают больше места, легко увидеть подобные решения, встречающиеся и в других частях мира.
Майнхардт сказал: «Компания Howden экспортирует свои технологии охлаждения глубоких шахт в Южную Африку уже несколько десятилетий. Например, в 1990-х годах мы поставляли решения для охлаждения подземных золотодобывающих рудников в Неваде».
«Интересная технология, используемая на некоторых южноафриканских шахтах, — это хранение термического льда для передачи нагрузки: тепловая энергия аккумулируется в больших ледяных плотинах. Лед производится в часы пик и используется в часы пик», — сказал он. «Традиционно холодильные установки рассчитаны на максимальную температуру окружающей среды, которая может достигать трех часов в день в летние месяцы. Однако, если есть возможность аккумулировать энергию охлаждения, можно снизить эту мощность».
«Если у вас тарифный план с достаточно высокой пиковой нагрузкой, и вы хотите перейти на более дешевые тарифы в непиковые периоды, то эти решения по производству льда могут стать веским экономическим обоснованием», — сказал он. «Первоначальные капиталовложения в установку могут компенсировать снижение эксплуатационных расходов».
В то же время, БАК, который десятилетиями используется в южноафриканских шахтах, приобретает все большее глобальное значение.
По сравнению с традиционными конструкциями воздухораспределительных установок, последнее поколение воздухораспределительных установок обладает более высокой тепловой эффективностью, более низкими пределами температуры шахтного воздуха и меньшими габаритами. Кроме того, в платформу Howden Ventsim CONTROL интегрирован модуль охлаждения по требованию (CoD), который автоматически регулирует температуру воздуха в шахтном стволе в соответствии с потребностями подземных выработок.
За прошедший год компания Howden поставила три новых типа БАК клиентам в Бразилии и Буркина-Фасо.
Компания также способна разрабатывать индивидуальные решения для сложных условий эксплуатации; недавним примером является «уникальная» установка аммиачных охладителей BAC для компании OZ Minerals на руднике Каррапатина в Южной Австралии.
«Компания Howden установила в Австралии сухие конденсаторы с аммиачными компрессорами Howden и воздухоохладителями замкнутого контура в условиях отсутствия доступной воды», — сказал Вассерман об установке. «Учитывая, что это «сухая» установка, а не открытые распылительные охладители, установленные в системах водоснабжения, эти охладители разработаны для максимальной эффективности».
В настоящее время компания тестирует решение для мониторинга бесперебойной работы наземной электростанции BAC мощностью 8 МВт (изображена ниже), спроектированной и построенной на серебряном руднике Yaramoko Fortuna (ранее Roxgold) в Буркина-Фасо.
Система, управляемая заводом Howden в Йоханнесбурге, позволяет компании консультировать по вопросам потенциального повышения эффективности и технического обслуживания для поддержания оптимальной работы предприятия. Установка BAC на горнодобывающем комплексе Caraiba в Эро-Коппер, Бразилия, также спроектирована с использованием этой функции.
Платформа Total Mine Ventilation Solutions (TMVS) продолжает строить устойчивые партнерские отношения, приносящие добавленную стоимость, и в 2021 году компания запустит в стране два технико-экономических обоснования систем вентиляции по запросу (Ventilation On Demand, VoD).
Прямо на границе с Зимбабве компания работает над проектом, который позволит использовать видео по запросу для автоматических дверей в подземных шахтах, обеспечивая их открытие с различной периодичностью и подачу необходимого количества охлаждающего воздуха в зависимости от конкретных потребностей транспортного средства.
Разработка этой технологии с использованием существующей горнодобывающей инфраструктуры и готовых источников данных станет важной частью будущей продукции компании Howden.
Опыт компании Howden в Южной Африке: узнайте, как проектировать системы охлаждения для решения проблемы плохого качества воды на глубоких золотодобывающих рудниках, как сделать эти решения максимально энергоэффективными, чтобы избежать проблем с электросетью, и как соответствовать одним из самых строгих требований к качеству воздуха, температуре и охране труда во всем мире. Регулирование – и впредь будет приносить пользу рудникам по всему миру.
International Mining Team Publishing Ltd, 2 Claridge Court, Lower Kings Road, Berkhamsted, Hertfordshire, England HP4 2AF, UK