CC BY
35
© А.Г. Журавлев, 2008
УДК 622.684:629.114 А.Г. Журавлев
ТЕХНИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ КАРЬЕРНЫХ АВТОСАМОСВАЛОВ СКЭУ НА ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТАХ
и я о мере неизбежного увеличения глубины карьеров уже-
-Кж. сточаются требования к техническим характеристикам карьерных автосамосвалов. К основным направлениям их совершенствования с точки зрения технологии горного производства, в частности, можно отнести следующие:
- повышение преодолеваемого уклона, при обеспечении достаточного уровня безопасности;
- повышение скорости движения в грузовом направлении;
- снижение выброса вредных веществ с отработавшими газами;
- повышение грузоподъемности; и др.
Перечисленным выше требованиям отвечают карьерные автосамосвалы с комбинированной энергосиловой установкой (КЭУ) [1]. Такой самосвал в качестве силовой установки имеет комбинацию: газотурбинный двигатель (ГТД) - аккумулятор энергии (АЭ). Особенность работы КЭУ заключается в остановке двигателя внутреннего сгорания при спуске автосамосвала в карьер и привод электротрансмиссии от тягового аккумулятора энергии, заряжаемого энергией, рекуперируемой на спуске [2].
Одним из основных вопросов при обосновании эффективности применения автосамосвалов с КЭУ является оценка определение области применения автосамосвалов с КЭУ в зависимости от горно-технических условий.
При выводе условий ограничения горно-технических условий исходим из условия условиям равенства рекуперируемой на спуске энергии и потребляемой на спуске энергии, в том числе вспомогательным оборудованием, а также затрачиваемой при маневрировании, ожидании погрузки и погрузке.
344
При этом данная граница определяет переход от работы КЭУ по задаваемому циклу с полной рекуперацией энергии к частичному подзаряду АЭ от ГТД в процессе движения с грузом.
Оценку выделяемой при спуске энергии можно провести по экспериментальным данным, полученным специалистами ИГД УрО РАН для карьерных автосамосвалов БелАЗ-7519 [3]. На основании имеющихся были установлены зависимости количества выделяемой при спуске энергии от длины участка и уклона автодороги.
Ые = 1,116 • 7 • V - 2,258 • V, кВт, (1)
Жзар = 4,018 • 7 • Ь - 8,129 • Ь , МДж. (2)
где 1 - уклон, %; V - скорость, км/ч; Ь - длина участка, км; 1 - время прохождения участка, ч.
График зависимости, выделяемой карьерным автосамосвалом на спуске энергии от горно-технических условий представлен на рис. 1.
Полученные зависимости позволили провести численное моделирование энергетических параметров транспортного цикла карьерного автосамосвала на примере БелАЗ-7519. Расчеты проводились для кимберлитовых карьеров АК «АЛРОСА». Характерные виды полученных диаграмм возможного баланса энергии в АЭ приведены на рис. 2, 3, 4.
Анализ результатов моделирования показал, что во всех случаях выделяемая на спуске энергия значительно превышает энергию, необходимую для тягового режима за время спуска. Однако энергия, необходимая на тяговые режимы при движении по горизонтальным участкам автодорог на участках погрузки и разгрузки, при транспортировании горной массы за пределами карьера на значительные расстояния являются лимитирующим фактором и определяют условия рационального применения автосамосвалов с КЭУ. Под такими условиями в данном случае понимается возможность автосамосвала не запускать ДВС при движении в порожнем направлении, а также минимизирование движения с приводом от ГТД по горизонтальным участкам, поскольку в этом случае ГТД работает в неэкономичных режимах недоиспользования мощности и общий расход топлива значительно возрастает.
Применение автосамосвала с КЭУ по предложенной технологии (движение от пункта разгрузки к пункту погрузки с
345
Рис. 1. Зависимость выделяемой автосамосвалом БелАЗ-7519 на спуске энергии от уклона и протяженности спуска
W, МДж
t, с
Рис. 2. Энергия в аккумуляторе автосамосвала с КЭУ за транспортный цикл при работе на карьере тр. «Комсомольская» в конце отработки (до перегрузки на борту карьера): расстояние транспортирования 5050 м, высота подъема 350 м, средневзвешенный уклон 6,9% (транспортирование по горизонтали от борта карьера до склада или фабрики возможно по рекуперируемой энергии на расстояние до 2 км)
346
МДж
Рис. 3. Энергия в аккумуляторе автосамосвала с КЭУ за транспортный цикл при работе на карьере тр. «Нюрбинская» в конце отработки со дна на отвал-расстояние транспортирования 6300 м, высота подъема 345 м, средневзвешенный уклон 5,5%
Рис. 4. Энергия в аккумуляторе автосамосвала с КЭУ за транспортный цикл при работе на карьере тр. «Нюрбинская» по положению горных работ на 2005 г. со дна на отвал: расстояние транспортирования 3460 м, высота подъема 125 м, средневзвешенный уклон 3,6%
Таблица 1
Основные возможные режимы работы КЭУ
347
№ п/п Наименование АЭ ГТД
1 С полной рекуперацией Полностью заряжается на спуске за счет рекуперации энергии Работает только в грузовом направлении. Нагрузкой является только трансмиссия и вспомогательное оборудование автосамосвала
2 С частичной рекуперацией Не полностью заряжается на спуске. Дополнительная подзарядка производится от ГТД при движении автосамосвала в грузовом направлении. Работает только в грузовом направлении. Нагрузкой являются, электротрансмиссия, вспомогательное оборудование и тяговый аккумулятор энергии
3 Безрекуперативный Частично незначительно подзаряжается при торможении и на спуске Работает на протяжении всего транспортного цикла
питанием тягового привода от АЭ при остановленном двигателе) технически возможно в случаях незначительного расстояния транспортирования по горизонтальной поверхности (т.е. на отвал, на близко расположенную дробильно-обогатитель-ную фабрику и т.д.). В иных случаях автосамосвал с КЭУ работоспособен, но требуется либо дозарядка аккумулятора энергии (АЭ) во время движения с грузом (это вызывает дополнительные потери и перерасход топлива из-за многократного преобразования энергии) либо запуск ГТД и движение с питанием от ГТД по горизонтальной поверхности.
Таким образом, рациональными условиями применения автосамосвалов с КЭУ является транспортирование из карьера до перегрузочного (концентрационного) пункта в карьере или на борту карьера. Причем выгоды от применения автосамосвалов с КЭУ возрастают при переходе на более крутые уклоны и повышении высоты подъема горной массы автосамосвалами. Работа автосамосвалов в карьере близком к конечному контуру наиболее выгодна, поскольку энерговыделение при спуске автосамосвала в карьер покрывает энергозатраты при транспортировке горной массы по горизонтальным дорогам на расстояния до 1,5-2 км.
Моделирование показало, что режимы работы предлагаемой комбинированной энергосиловой установки можно описать тремя
348
случаями: заряжается ли АЭ при спуске в карьер полностью или необходима его подзарядка от ГТД, либо горно-технические условия не обеспечивают возможность движения автосамосвала без привода от ГТД (табл. 1).
Численно область применения автосамосвалов с КЭУ определяется выражениями, связывающими горно-технические условия
Н >
г
ср.в.
( О рю N Л 2,489-+ 8,96-а--20,231
к гор + 20,231
Ь, м, (3)
ПаэПтдПр П АЗ ^ гор
к + 2,023, %. (4)
( О га N ^ 0,249—г*-^- + 0,896-в:^--2,023
ПаэПтдПр паз^г,
гор
где Нк - высота подъема горной массы (в пределе - глубина карьера), м; гср.в. - средневзвешенный уклон автодорог, %; Оа - снаряженный вес автосамосвала, кН; g - ускорение свободного падения, g=9,81 м/с2; ю0 - сопротивление качению колес автосамосвала; кгор - коэффициент горизонтальных участков; Паэ, Лтд, ПР - коэффициенты полезного действия соответственно аккумулятора энергии, тягового электродвигателя, редуктора мотор-колеса; Кво. - средняя суммарная мощность вспомогательного оборудования, работающего при движении автосамосвала, кВт; угор -скорость автосамосвала на горизонтальных участках, км/ч; Ь -длина соответственного общая спуска и горизонтальных участков трассы на спуске, км.
Графики зависимостей (3) и (4) приведены на рис. 5.
Выражения (3) и (4) ограничивают область горно-техни-ческих условий, в которых автосамосвал с КЭУ работает по наиболее экономичному циклу (количество энергии, выделяемой при спуске автосамосвала, достаточно для тягового режима в порожнем направлении и привода вспомогательного оборудования).
В условиях, когда КЭУ работает в режиме с частичной рекуперацией (согласно табл. 1) при движении автосамосвала в грузовом направлении, на участках с профилем, близким к , %
Аср.в.?
349
0,05 0,1
0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4
Нп, м 600,0
500,0
400,0
300,0
200,0
100,0
Ь, км
0 1 2 3 4 5 6 7
9 10
Рис. 5. График зависимости предельного минимального средневзвешенного уклона автодорог и минимальной высоты подъема горной массы карьерным автосамосвалом с КЭУ от доли горизонтальных участков в общем расстоянии транспортирования и плеча откатки
горизонтальному, АЭ подзаряжается от ГТД, при этом ГТД развивает мощность порядка 50 % от номинальной.
к
гор
350
При уклонах порядка 2 % и менее рекуперации энергии практически не происходит, и ГТД работает в течение всего транспортного цикла. Для оценки технической возможности создания карьерного автосамосвала с КЭУ были разработаны несколько компоновочных решений автосамосвалов с КЭУ, в которых в качестве двигателя внутреннего сгорания использован ГТД, в качестве аккумулятора энергии: аккумулятор кинетической энергии (махович-ный накопитель), химические аккумуляторы и суперконденсаторы (табл. 2).
Из разработанных предложений наилучшими тягово-динамическими качествами обладает автосамосвал с газотурбинным двигателем ВК-2500 и суперконденсаторным накопителем энергии. На основании приведенных данных для указанной конструкции автосамосвала были установлены зависимости расхода топлива от горнотехнических условий с учетом режима работы КЭУ. Результаты расчетов приведены в табл. 3 и 4.
Одной из основных проблем при использовании карьерных автосамосвалов является сверхнормативное загрязнение атмосферы карьеров. Как показывают исследования многих ученых, существующие методы вентиляции и проветривания карьеров либо недостаточно эффективны, либо экономически и энергетически нецелесообразны [3,4]. Применение средств индивидуальной защиты для операторов карьерной техники, в том герметизация кабин с оборудованием их фильтро-вентиляционными установками, также не решает полностью проблему охраны здоровья трудящихся и простоев горного оборудования по причине сверхнормативного загрязнения рабочей зоны карьера.
Благодаря применению в конструкции автосамосвала с КЭУ газотурбинного двигателя, обладающего на порядок меньшей по сравнению с дизельным двигателем токсичностью и дымностью, а также использование газотурбинного двигателя (ГТД) только на 40-50 % всего транспортного цикла, обеспечивают автосамосвалам с КЭУ существенно меньшие выбросы вредных веществ в атмосферу.
С целью определения сокращения выбросов вредных веществ в атмосферу автосамосвалом с КЭУ по сравнению с существующими автосамосвалами были проведены соответствующие исследования.
351
5 Таблица 2
Сравнение характеристик дизель-электрических автосамосвалов БелАЗ-75131 и БелАЗ с КЭУ
БелАЗ с КЭУ
Параметр, показатель БелАЗ-75131 Вариант 1 с супер-маховиком Вариант 2 с электролитическими АКБ Вариант 3 с суперконденсатором
Масса автосамосвала, т - снаряженного - полная 100 236 97 236 94 236 96 236
Грузоподъемность, т 136 139 142 140
Двигатель мощность двигателя, кВт (л.с.) КТА-50С 1194 (1622) ГТУ-1Т 1320 (1800) ГТД-1250 920 (1250) ВК-2500 1400 (1900)
Масса двигателя и его систем, кг 6900 4200 1200 1750
Тяговый аккумулятор энергии (АЭ) - мощность АЭ, кВт - энергоемкость АЭ, МДж - супермаховик с про-тивовра-щающимися маховиками 225 140 электролитические АКБ типа НК 450 40 суперконденсаторы асимметричные 450 80
Запас хода при движении от АЭ, км до 3,5 до 1 до 2
Масса АЭ, кг Объем АЭ, м3 - 1015 1,6 900 0,67 2700 1,75
Срок службы АЭ, лет - До спис. самосв. 1 Свыше 20
Масса энергосиловой установки (включая трансмиссию), кг 24 900 21800 19200 20600
Удельный расход топлива двигателя в номинальном режиме, г/кВт-ч 210 210 210 315
Расход масла двигателем, л/ч 3 0,01 0,01 0,02
Жидкостная система охлаждения есть нет нет нет
Скорость на уклоне 12%, км/ч 8 11 11 12
Время подготовки автосамосвала к движению при отрицательных температурах, мин до 40 до 5 до 10 до 5
Содержание вредных веществ в отработавших газах, г/кВт-ч
- оксид углерода (СО) - углеводороды (СХНУ) - оксид азота (КОх) 9,5 3,4 18,35 0,101 - 0,826 0,124 - 1,02 1,59 - 4,24 0,101 - 0,826 0,124 - 1,02 1,59 - 4,24 0,101 - 0,826 0,124 - 1,02 1,59 - 4,24
Уровень шумов и вибраций в кабине при работе двигателя меньше в 5 раз меньше в 5 раз меньше в 5 раз
■м
5 Таблица 3
Значения путевого расхода топлива в зависимости от горно-технических условий
кгор = 0,2 Расход топлива путевой, л/100км
Плечо откатки Ь, м
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
10 895,8 662,8 585,2 546,4 523,1 507,5 496,5 488,1 481,7 476,5
20 1054,0 778,7 662,4 604,3 569,4 546,2 529,5 517,1 507,4 499,7
50 1633,6 937,4 925,5 812,4 708,4 662,0 628,8 604,0 584,6 569,1
100 1516,5 1091,4 878,8 976,3 892,4 832,5 787,6 752,7 724,7
150 2095,7 1477,5 1168,4 982,9 859,3 998,0 932,4 881,4 840,5
200 1863,6 1458,0 1214,6 1052,4 936,5 849,5 781,9 989,6
250 2249,7 1747,5 1446,3 1245,4 1101,9 994,3 910,6 843,7
С 300 2037,1 1677,9 1438,5 1267,4 1139,1 1039,3 959,5
М 350 1909,6 1631,5 1432,9 1283,9 1168,0 1075,4
о 400 2141,2 1824,5 1598,3 1428,7 1296,7 1191,2
(в Ч о 450 2017,6 1763,8 1573,5 1425,4 1307,0
с я 500 1929,3 1718,3 1554,1 1422,8
н о и 550 2094,8 1863,1 1682,8 1538,7
- в 600 2007,8 1811,5 1654,5
Примечания:
- КЭУ работает в 3-м режиме согласно табл. 1
- КЭУ работает во 2-м режиме согласно табл. 1
662
662
| 662 I КЭУ работает в 1-м режиме согласно табл. 1 Таблица 4
Значения удельного расхода топлива в зависимости от горно-технических условий
Кгор = 0,2 Расход топлива удельный, г/т- км
Плечо откатки Ь, м
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
10 59,5 44,0 38,9 36,3 34,7 33,7 33,0 32,4 32,0 31,6
20 70,0 51,7 44,0 40,1 37,8 36,3 35,2 34,3 33,7 33,2
50 108,5 62,2 56,1 48,6 47,0 44,0 41,8 40,1 38,8 37,8
100 100,7 72,5 58,4 59,4 53,9 49,9 46,9 44,6 42,7
150 139,2 98,1 77,6 65,3 57,1 60,9 56,5 53,1 50,4
200 123,7 96,8 80,6 69,9 62,2 56,4 61,7 58,1
250 149,4 116,0 96,0 82,7 73,2 66,0 60,5 56,0
3 300 135,3 111,4 95,5 84,2 75,6 69,0 63,7
С 350 126,8 108,3 95,1 85,3 77,6 71,4
№ я 400 142,2 121,2 106,1 94,9 86,1 79,1
о - 450 134,0 117,1 104,5 94,6 86,8
о С 500 128,1 114,1 103,2 94,5
н о 550 139,1 123,7 111,7 102,2
со 600 133,3 120,3 109,9
Дв, млн.у.т
сокращение ^ объемов горнокапитальных работ
снижение токсичности отработавших га-
зов
Н, м
200
250
300
350
400
450
500
Рис. 6. Зависимость сокращения выбросов вредных веществ в атмосферу карьера за весь срок отработки от глубины карьера при замене дизель-электрических автосамосвалов на автосамосвалы с КЭУ: 1 - общее сокращение выбросов вредных веществ, 2 - сокращение за счет снижения токсичности выбросов автосамосвала
Для сравнения приняты дизель-электрический автосамосвал с двигателем 8ДМ-21АМ производства ООО «УДМЗ» и автосамосвал с КЭУ, в составе ГТД ВК-2500 производства ФГУП «Завод им. В.Я. Климова» и суперконденсаторный накопитель энергии (см. вариант 3 в табл. 2).
Сокращение выбросов вредных веществ с отработавшими газами проводилось по оригинальной методике на основе данных производителей двигателей внутреннего сгорания с учетом данных и методик [6], [7]. Сокращение загазованности оценивалось по двум составляющим: снижение токсичности отработавших газов и сокращение суммарного выброса вредных веществ за счет уменьшения количества вскрыши. Показатели выбросов токсичных веществ отработавших газов приняты по экспериментальным данным испытаний двигателя 8ДМ-21АМ (предоставлены ООО «УДМЗ») [8, 9]. Показатели токсичности отработавших газов ГТД приняты по данным ФГУП «Завод им. В.Я. Климова».
356
Сокращение выброса вредных веществ за счет сокращения объема вскрышных работ оценивается посредством расчета суммарного выделения вредных веществ при перемещении дополнительного объема горной массы. Дополнительный объем вскрыши определяется по методике приведенной в работе [10].
В результате моделирования, проведенного для условий карьера тр. «Комсомольская», установлено, что для автосамосвала с КЭУ по сравнению с дизель-электрическим автосамосвалом сокращение выбросов вредных веществ за транспортный цикл, приведенное к СО, составляет 82,3 %, т.е. 5,67 раза. При этом выброс вредных веществ автосамосвалом с КЭУ составляет 17,6 % от выбросов дизель-электрического автосамосвала.
Установлена зависимость сокращения выбросов вредных веществ в атмосферу карьера от глубины карьера, а также зависимость сокращения площади, занимаемой карьером и отвалами, от глубины карьера при замене дизель-электрических автосамосвалов на автосамосвалы с КЭУ (рис. 3).
Результаты расчетов технических и технологических параметров автосамосвалов с КЭУ были использованы Институтом «Уралгипрору-да» для подготовки технико-экономических предложений по применению карьерных автосамосвалов с комбинированной энергосиловой установкой на карьерах Уральского региона в рамках работы, выполненной для Министерства промышленности, энергетики и науки Свердловской области. Расчеты показали сокращение годовых затрат на транспортирование горной массы по сравнению с дизельными автосамосвалами порядка 25 %.
Выводы
1. Карьерный автосамосвал с КЭУ наиболее эффективно может быть использован в определенных горно-технических условиях. Эффективность работы КЭУ возрастает при повышении средневзвешенного уклона карьерных автодорог, увеличении высоты подъема горной массы и уменьшения протя-женности горизонтальных участков на пути транспортировки.
2. Расход топлива карьерным автосамосвалом с КЭУ при прочих равных условиях ниже автосамосвала с одиночным двигателем внутреннего сгорания. Удельный расход топлива карьерным автосамосвалом с КЭУ ниже, чем у существующих автосамосвалов. При этом автосамосвалы с КЭУ обеспечивают более высокую производительность. Данные результаты получены с учетом более высокого расхода топлива существующими серийно выпускаемыми ГТД.
357
3. Сегодня существуют разработки и опытные образцы газотурбинных двигателей с расходом топлива, близким к дизельным двигателям. При развитии этого направления предлагаемая в статье концепция комбинированной энергосиловой установки - наиболее перспективное направление совершенствования карьерных автосамосвалов.
4. За счет применения газотурбинного двигателя автосамосвал с комбинированной энергосиловой установкой обеспечивает сокращение выбросов вредных веществ с отработавшими газами более, чем в 5 раз.
5. Полученные результаты могут быть использованы при обосновании эффективности использования автосамосвалов с КЭУ на горнодобывающих предприятиях, оценке показателей эксплуатационных свойств.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Яковлев В.Л., Тарасов П.И. О возможности создания карьерных автосамосвалов с комбинированной энергосиловой установкой. - Горный журнал. -2004. - Специальный выпуск. - С. 78-80.
2. Тарасов П.И., Журавлев А.Г. О создании комбинированных энергосиловых установок для карьерных самосвалов // Проблемы карьерного транспорта. Материалы VIII Международной научно-практической конференции, 20-23 сентября 2005 г. - Екатеринбург: УрО РАН, 2005.
3. Тарасов П.И. Исследование влияния горнотехнических факторов на расход топлива карьерным автотранспортом: Дис. ... канд. техн. наук / ИГД МЧМ СССР - Свердловск, 1982. - 238 с.
4. Филатов С.С. Вентиляция карьеров. - М.: Недра, 1981. - 206 с.
5. Морин А. С. Трубопроводная вентиляция на карьерах. // Горная промышленность. - 2002. - №3. - С. 40-43.
6. Кулешов А.А. Экологические проблемы эксплуатации дизельной техники на карьерах и пути их решения / А.А. Кулешов // Горный журнал. - 1994. - №1. -С. 35-40.
7. Лиханов В.А., Сайкин А.М. Снижение токсичности автотракторных дизелей. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: Колос, 1994. - 224 с.
8. Отчет №81-91. Создание малотоксичного дизеля 8ДМ-21АМТ мощностью 900 л.с. для карьерного дизель-троллейвоза грузоподъемностью 120 т. -Свердловск: Производственное объединение «Турбомоторный завод», 1991. - 21 с.
9. Протокол согласования испытательного цикла для измерения выбросов вредных веществ с отработавшими газами дизелей ДМ-21А, предназначенных для автосамосвалов БелАЗ с электротрансмиссией. - Екатеринбург: ПО «Турбомоторный завод», 1993. - 7 с.
10. Горшков Э.В. Обоснование рациональных параметров технологического автотранспорта при повышенных уклонах карьерных автодорог. Дисс. на соискание степени канд. техн. наук. - Свердловск, 1984. - 178 с. ШИЗ
358
— Коротко об авторе -
Журавлев А.Г. - к.т.н., ИГД УрО РАН.
© П.И. шршии,
УДК 622.684: 629.114 П. И. Тарасов
ПУТИ ЭКОНОМИИ ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА НА КАРЬЕРНОМ АВТОТРАНСПОРТЕ
Лри всех неоспоримых достоинствах автомобильного карьерного транспорта сфера его эффективного применения наряду с другими проблемами сдерживается возрастающими объемами расхода дизельного топлива.
На горно-обогатительных комбинатах карьерным автотранспортом потребляется 70-80 % от общего количества дизельного топлива, а уровень использования топливных ресурсов по основным показателям не соответствует современным требованиям. Традиционные методы снижения расхода дизельного топлива (нормирование, диагностика и др.), не требующие технического обеспечения и капитальных вложений, не могут обеспечить значительное снижение общего расхода топлива. Достижение более высоких результатов может быть обеспечено внедрением комплекса мероприятий. Совокупность организационно-технических и социально-экономических мероприятий по экономии топлива составляет комплексную программу, обеспечивающую экономию топлива на конечном этапе - при перевозке горной массы.
Рассматриваемые способы снижения расхода топлива разработаны на базе данных, полученных по результатам экспериментальных и теоретических исследований по топливной экономичности большегрузных карьерных автосамосвалов БелАЗ грузоподъемностью 27, 40, 75, 110, 180 т, проведенных на карьерах Башкирского, Качарского, Соколовско-Сарбайс-кого, Печенганикель, Полтавского, Северного и Ковдорского ГОКов, а также на карьерах АК «Ал-роса», имеющих различные горнотехнические и климатические условия эксплуатации, отражающие практически все климатические зоны России и стран СНГ.
359
