Pierwszy na Świecie system centralnej klimatyzacji kopalni oparty o zawiesinę lodową – już pracuje w LW „Bogdanka” SA!

Duże wyzwanie

Lubelski Węgiel „Bogdanka” SA jest jednym z liderów na rynku producentów węgla kamiennego w Polsce. Przedsiębiorstwo wyróżnia się pod względem osiąganych wyników finansowych, poziomu wydobycia węgla kamiennego, a także w zakresie innowacyjnych inwestycji związanych z wydobyciem i pozyskaniem nowych złóż węgla, które gwarantują ciągłość jego wydobycia. W nowych rejonach wydobywczych drążone są wyrobiska i rozbudowywana jest infrastruktura wydobywcza pod ziemią. Z czasem następuje znaczne oddalenie się obszarów wydobywczych od szybów, a co za tym idzie, dochodzi do wydłużenia się rurociągów transportujących wodę lodową do chłodnic w układzie klimatyzacji centralnej. Pomimo izolacji termicznej, wydłużanie rurociągów transportujących wodę lodową powoduje coraz większe straty ciśnienia, które są powodem coraz wyższych kosztów transportu i wzrostu ciśnienia wody w rurociągach oraz strat cieplnych, które skutkują wzrostem temperatury wody lodowej dostarczanej do chłodnic w obszarach wydobywczych. Jeżeli temperatura wody lodowej na wejściu do chłodnic jest wyższa, niż zakładana w katalogach technicznych temperatura nominalna, spada wydajność chłodnic powietrza i coraz trudniej osiągać wymaganą temperaturę powietrza w miejscu wydobycia. Zgodnie z obowiązującymi przepisami przy temperaturze powietrza powyżej 27^o C czas pracy w przodkach i wyrobiskach ścianowych jest skrócony. A przy temperaturze powietrza powyżej 33^o C zostaje zatrzymana w tych rejonach eksploatacja. Ta wysoka temperatura powietrza jest głównym czynnikiem wpływającym na komfort pracy górników. Wpływa ona również na wzrost kosztów wydobycia węgla. Aby była możliwa dalsza bezpieczna i efektywna eksploatacja pokładów węgla w takich rejonach, z reguły niezbędne jest wdrożenie pewnych rozwiązań inwestycyjnych w zakresie rozbudowy infrastruktury układu klimatyzacji pod ziemią i na powierzchni.

Takie wyzwanie stało jeszcze nie tak dawno przed Spółką, która prowadzi obecnie intensywne prace wydobywcze na polu Stefanów, gdzie przekazano do eksploatacji pokład 391 w polu VIII. Udostępniono tam najdłuższy wybieg w całej historii Bogdanki i jeden z najdłuższych tego typu wybiegów na świecie, którego długość wyniosła około 7240 m. Jest to obecnie najgłębiej zalegający pokład spośród czterech pokładów położonych w obszarze górniczym Puchaczów V, na jakie kopalnia posiada już koncesje wydobywcze. Udostępnienie do eksploatacji tak dużego pokładu wiązało się z koniecznością zapewnienia dodatkowej ilości chłodu dla istniejącego systemu centralnej klimatyzacji kopalni, który musi być transportowany na znaczną odległość. W przyszłości należy się liczyć z dalszym wzrostem zapotrzebowania na chłodzenie wyrobisk kopalni w wyniku zwiększenia koncentracji wydobycia oraz schodzenia z eksploatacją nowych pokładów na głębsze poziomy. Spółka musiała więc zmierzyć się z problemem transportu dodatkowego „chłodu”, zwłaszcza w nowe rejony wydobywcze kopalni.

Jest problem, jest i rozwiązanie…

Przed rozbudową układ centralnej klimatyzacji kopalni oparty był na wytwarzaniu na powierzchni wody lodowej o temperaturze około 1,5^o C i jej przesyłaniu siecią rurociągów do chłodnic powietrza w rejonach eksploatacyjnych. Schłodzona w Powierzchniowej Stacji Klimatyzacyjnej (PSK) woda, w ilości około 264 m³/h, przepływa przez izolowane rurociągi szybowe i dalej przez Trójkomorową Śluzę Ciśnieniową (PES) w kierunku chłodnic przodkowych i ścianowych. Rurociąg powrotny przesyła wodę o temperaturze około 20^o C z powrotem przez PES, oraz powrotnym rurociągiem szybowym do PSK. W PSK woda powrotna jest znowu schładzana do temperatury około 1,5^o C za pomocą urządzeń chłodniczych z otwartymi wieżami chłodniczymi i ponownie (w zamkniętym obiegu) przesyłana poprzez PES do dołowych odbiorników chłodu ulokowanych na poziomie 990 m. Moc chłodnicza tego systemu klimatyzacyjnego wynosiła około 6 MW (pomiar na powierzchni). Aby zwiększyć wydajność istniejącego systemu klimatyzacji kopalni, wykorzystującego wodę lodową, należałoby znacznie zwiększyć strumień przepływu wody lodowej w rurociągach. Dotychczas był to jedyny stosowany sposób zwiększający moc chłodniczą instalacji centralnej. Niestety, aby można było to zrobić, należałoby nie tylko rozbudować PSK, ale także wymienić rurociągi wodne pionowe i poziome na większe (większość rurociągów nie jest przystosowana do wyższego ciśnienia pracy związanego ze wzrostem strumienia przepływającej wody lodowej) oraz rozbudować podajnik trójkomorowy (PES) wraz z układami pompowymi (i ewentualnym powiększeniem wyrobiska). Z uwagi na fakt, że klimatyzacja centralna obejmuje swoim działaniem cały rejon, takie rozwiązanie wymagałoby czasowego ograniczenia lub nawet wstrzymania wydobycia węgla i byłoby bardzo kosztowne. Alternatywnym rozwiązaniem może być budowa całkowicie nowego szybu z infrastrukturą, nowej PSK oraz zabudowa nowych rurociągów pionowych i poziomych oraz nowego PES. Takie rozwiązanie nie wymaga wstrzymania wydobycia, ale jest z kolei czasochłonne i również bardzo kosztowe. Należało zatem zastanowić się nad innymi rozwiązaniami problemu zwiększenia możliwości transportu chłodu z wykorzystaniem istniejącej infrastruktury. Rozważano zatem możliwość dochładzania wody lodowej w rurociągu wtórnym za pomocą urządzeń sprężarkowych. Niestety skutkiem ubocznym produkcji „chłodu” w tych urządzeniach jest zawsze produkcja ciepła (i to większej ilości), które trzeba z tych urządzeń odebrać. Każdy dodatkowy kW chłodu wyprodukowany w urządzeniach chłodniczych na dole, generuje kW dodatkowego ciepła na dole, który jeszcze bardziej pogarsza warunki klimatyczne. Ta zależność miała jednoznaczny wpływ na rozwój klimatyzacji kopalń – z chłodzenia lokalnego, klimatyzacji dołowej grupowej aż do klimatyzacji centralnej z urządzeniami chłodniczymi na powierzchni. Ciepło z dodatkowych dołowych urządzeń chłodniczych może być przekazane do powietrza w kopalni, ale wtedy opłacalność tego rozwiązania jest bardzo niska (niskie COP), albo może być też przekazane do wody powrotnej z układu klimatyzacji kopalni. Przekazanie tego nadmiarowego ciepła do wody powrotnej wiąże się z podniesieniem jej temperatury i koniecznością jej dodatkowego obniżenia w PSK (konieczność rozbudowy). Czyli końcowym efektem jest i tak konieczność rozbudowy PSK. Niestety takie rozwiązanie powoduje konieczność pokrycia podwojonych kosztów wytworzenia chłodu w stosunku do innych metod! Pierwszy raz koszty występują przy dochładzaniu lokalnym wody lodowej zasilającej w rurociągu dołowym, a drugi raz przy schładzaniu wody powrotnej (do której przekazano ciepło nadmiarowe) w PSK. Takie rozwiązanie z powodów ekonomicznych nie nadaje się więc do stosowania w układzie centralnym i może być stosowane tylko lokalnie, w małej skali mocy i tylko w sytuacji awaryjnej, krótkoterminowo, gdy nie da się zastosować innych rozwiązań.

W końcu rozważano też możliwość wykorzystania lodu wodnego lub śniegu, który w połączeniu z wodą lodową o obniżonej temperaturze byłby czynnikiem transportującym „chłód”. Po analizie odrzucono rozwiązanie stosowane w kopalniach w Afryce i Chinach, polegające na dostarczaniu śniegu grawitacyjnie otwartym rurociągiem spustowym bezpośrednio do otwartych zbiorników (podziemne stawy) ze względu na konieczność budowy dużych wentylowanych komór na zbiorniki wodne. Ponadto, rozwiązanie to nie nadaje się do kopalni węgla również ze względu na problemy ze wzrastającą wilgotnością powietrza pod ziemią oraz zanieczyszczeniem wody w tych otwartych zbiornikach (chodnikach pojemnościowych). Dodatkowo, dostarczany do tych zbiorników śnieg topi się w nich, a do rurociągu dołowego zasysana jest woda o temperaturze około 2-3^o C, czyli w zasadzie o takiej samej temperaturze jak za podajnikiem PES. Opierając się jednak na wiedzy i doświadczeniu polskich naukowców z ponad dwudziestoletnią obecnie praktyką w zakresie zawiesiny lodowej, Spółka postanowiła rozważyć możliwość zastosowania tego chłodziwa, zamiast wody lodowej, w układzie klimatyzacji kopalni. Koncepcję możliwości wykorzystania zawiesiny lodowej w kopalni LW „Bogdanka” wykonali w 2018 r. naukowcy z Politechniki Krakowskiej, a po podjęciu przez Zarząd LW „Bogdanka” SA decyzji o rozpoczęciu inwestycji, szczegółowy projekt wykonawczy systemu został wykonany przez firmę DPMtech przy współpracy pracowników AGH w Krakowie. Generalnym Wykonawcą inwestycji wraz z projektem została firma DPMtech Sp. z o.o. z Rybnika. W układzie należało zaprojektować dodatkowo systemy zabezpieczające i regulacyjne. W wyniku tej inwestycji powstał pierwszy w Polsce i na Świecie system chłodzenia powietrza w kopalni wykorzystujący zawiesinę lodową płynącą w rurociągu ciśnieniowym.

Aby ułatwić realizację kontraktu i ograniczyć jego koszty (uniknięcie czasochłonnych poprawek), cały budynek nowej hali maszynowej systemu, wraz z jej wyposażeniem, został zaprojektowany w modelu 3D. Wszystkie elementy nowego układu produkującego zawiesinę lodową są zlokalizowane w nowej hali maszynowej (rys. 1), która jest położona tuż przy starej PSK. Zaproponowane rozwiązanie, wykorzystujące zawiesinę lodową, pozwala na znaczne zwiększenie możliwości transportu „chłodu” w układzie klimatyzacji centralnej kopalni bez konieczności rozbudowania istniejącej infrastruktury, czyli bez zwiększenia średnicy rurociągów obiegu pierwotnego oraz wtórnego. Modernizacja systemu klimatyzacji kopalni w Bogdance pole Stefanów spowodowała wzrost mocy chłodniczej układu do 9,1 MW (bez uwzględnienia akumulacji „chłodu” w drobinkach śniegu). Obniżono też temperaturę mieszaniny na wlocie do rurociągów szybowych z 1,5^o C do 0^o C. W rejonach chłodnic, uzyskano obniżenie temperatury medium z 8÷12⁰ C do 0÷2⁰ C. Co bardzo istotne, budowa instalacji klimatyzacji nie wpłynęła na pracę istniejącej instalacji klimatyzacji w czasie modernizacji. Budowa nowej instalacji była prowadzona równolegle z pracą istniejącego układu klimatyzacji bez koniecznych wielomiesięcznych postojów i długiego wyłączania instalacji (jakby to miało miejsce w przypadku konwencjonalnej rozbudowy opartej o wymianę rurociągów). Co więcej, układ nawet po przebudowie umożliwia automatyczne lub ręczne przełączenie w tryb pracy sprzed przebudowy. Główną częścią rozbudowy systemu klimatyzacyjnego kopalni jest układ do produkcji drobinek śniegu, który w całości został zlokalizowany na powierzchni. Drobinki lodu (w postaci mokrego śniegu, a nie przemrożonego lodu) są produkowane w Hali Zawiesiny Lodowej (HZL). Układ do produkcji drobinek lodu składa się z generatora próżniowego drobinek lodu VIM (rys. 2) i koncentratora drobinek lodu (rys. 3), mieszalnika (rys. 4) oraz systemu pomp.

Generator VIM850 posiada maksymalną wydajność chłodniczą 3,1 MW i produkuje katalogowo 1120 ton/dobę lodu o zawartości drobinek lodu na poziomie 75%. Drobinki mają wymiary 0,5-1 mm. Wewnątrz generatora drobinek lodu VIM, dostarczana z rurociągu zasilającego woda ma kontakt z głęboką próżnią. W urządzeniu wykorzystuje się właściwości punktu potrójnego wody i tworzy się mieszanina wody ze śniegiem. Mieszanina jest wypompowywana z generatora do koncentratora, który oddziela wodę od kryształków śniegu i płucze drobinki w celu uzyskania wysokiej jakości. W generatorze VIM, para wodna jest w sposób ciągły zasysana, sprężana i wprowadzana do skraplacza przez specjalny kompresor. Generator VIM jest chłodzony przy wykorzystaniu wody chłodzącej o temperaturze 5^o C, dostarczanej ze standardowego agregatu wody lodowej (odseparowany obieg zamknięty) wyposażonego w wieżę chłodniczą. Do odbioru ciepła z agregatu amoniakalnego chłodzącego generator VIM zastosowano wieże chłodnicze. W nowej hali PSK jest też rozdzielnia elektryczna i TRAFO wraz ze sterownią. Agregat wody lodowej do chłodzenia generatora również został zabudowany w nowej hali PSK, a wieże chłodnicze agregatu bezpośrednio na dachu hali. W proponowanym rozwiązaniu wyprodukowany lód (w postaci mokrego śniegu) jest dostarczany z koncentratora do specjalistycznego mieszalnika za pomocą podajnika taśmowego. Rozwiązanie to nie ingeruje w istniejącą PSK i umożliwia również automatyczne odłączenie nowego układu do produkcji drobinek lodu i pracę układu klimatyzacji na samej wodzie lodowej w przypadku małych potrzeb chłodniczych kopalni lub np. przy pracach serwisowych systemu. Indywidualnie dostosowano również (w zakresie modernizacji mechanicznej i sterowania) trójkomorowo rurowy podajnik cieczy PES do pracy z zawiesiną lodową.

Działanie układu – wyniki pomiarów

Strumień wody w ilości około 264 m³/h o temperaturze 1,5^o C na wyjściu z PSK zostaje skierowany do nowej Hali Zawiesiny Lodowej (HZL) i jest rozdzielany na dwie części. Mniejsza jego część, 40-47 m³/h, w zależności od bieżących parametrów pracy układu, jest kierowana na zasilanie generatora VIM. Na wyjściu z generatora VIM oraz koncentratora lodu uzyskuje się strumień 40-47 ton/h lodu o udziale drobinek śniegu na poziomie 75%. Oznacza to, że do mieszalnika dostaje się 30-35 ton/h drobinek lodu i 10-12 ton/h wody o temperaturze 0^o C. W mieszalniku następuje zmieszanie wyprodukowanych w generatorze VIM drobinek lodu oraz wody o temperaturze 1,5^o C (około 214 m³/h). Na skutek zmieszania następuje ochłodzenie całej wody w mieszalniku i wyrównanie się jej temperatury w okolicach 0 ^oC. Po zmieszaniu zawiesina lodowa jest pompowana do rurociągów szybowych. Przyjmując, że strumień całkowity mieszaniny (wody lodowej i drobinek lodu) wynosi 264 tony/h i uwzględniając szacowane straty ciepła oraz straty mieszania, zawartość masowa drobinek lodu w mieszaninie wynosi na wejściu do rurociągu szybowego około 10%. Za podajnikiem PES, na wejściu do dołowego rurociągu wtórnego w kierunku rejonów wydobywczych (na poziomie 990 m) udział drobinek lodu w mieszaninie wynosi około 8%. Z uwagi na to, że w cieczy będą znajdowały się drobinki lodu, które stabilizują temperaturę wody lodowej w rurociągu na poziomie 0^o C, można uzyskać ten sam poziom temperatury na zasilaniu większości chłodnic powietrza w kopalni (w zależności od podziału strumienia zawiesiny lodowej w rurociągu kopalni na poszczególne rejony oraz jakości izolacji cieplnej rurociągu). Niska temperatura zasilania chłodnicy oraz zawartość drobinek lodu w wodzie lodowej daje możliwość np. dwukrotnego wykorzystania tego samego strumienia wody lodowej (chłodnice wpięte szeregowo). Taka możliwość istnieje, gdy na wyjściu z chłodnicy woda ma jeszcze temperaturę 9-10^o C. W przypadku gdy temperatura wody na wyjściu z chłodnicy jest wyższa, ale jeszcze znacznie niższa od temperatury wody powrotnej, można ją wykorzystać do chłodzenia maszyn, rurociągów z wodą przeciwpożarową oraz urządzeń dołowych, i dopiero potem skierować tę wodę do rurociągu powrotnego. Na rys. 5 pokazano jaką temperaturę wody osiągnięto w rurociągach dołowych 5 km od wyjścia z dołowej komory PES w przypadku zasilania zawiesiną lodową (około 0^o C) w porównaniu do pracy układu z wodą lodową (powyżej 8 ^oC).

Po rozbudowie układu klimatyzacji kopalni w Bogdance o system produkcji zawiesiny lodowej znacznie poprawiła się efektywność chłodzenia w przodkach i rejonach ścianowych we wszystkich rejonach kopalni. Przed modernizacją układu klimatyzacji, nie była możliwa do osiągnięcia temperatura wody lodowej na poziomie 0^o C, zwłaszcza na zasilaniu chłodnic przodkowych. Przy wysokiej temperaturze wody na ich zasilaniu, chłodnice te osiągały tylko ok. 60% ich katalogowej wydajności. Po zasileniu chłodnic zawiesiną lodową możliwe jest uzyskanie katalogowych wydajności chłodnic lub nawet wyższych. Dla temperatury 0^o C na chłodnicy wzrost jej wydajności wynosi około 20% powyżej wydajności katalogowej. Efektem tego jest uzyskanie znaczącego obniżenia temperatury powietrza kopalnianego w wyrobiskach ścianowych i przodkowych średnio do temperatury rzędu 20^o C, co potwierdzają służby wentylacyjne kopalni. Obecnie taka sytuacja jest możliwa dzięki temu, że zawiesina lodowa ma doskonałe zdolności magazynowania „chłodu”. Obrazowo można powiedzieć, że „chłód” wyprodukowany na powierzchni i zawarty w drobinkach lodu jest dostępny w większej ilości na chłodnicach przodkowych, niż w układach tradycyjnych z wodą lodową. Oznacza to, że porównywanie MW na wodzie lodowej do MW mocy chłodniczej układu na zawiesinie, liczone na powierzchni, nie jest równoważne. Zdecydowanie korzystniej to porównanie wypada dla układów tylko z zawiesiną lodową niż dla układów z wodą lodową. Wiąże się to z bardzo wysoką zdolnością drobinek lodu w zawiesinie do magazynowania „chłodu”. Przykładowo, do osiągnięcia w odległych rejonach kopalni temperatury wody lodowej około 3^o C zamiast 7,5 ^oC, trzeba by było w tradycyjnym układzie zwiększyć czterokrotnie strumień wody lodowej w rurociągu (wymienić rurociągi), oraz, co za tym idzie, rozbudować dotychczasową moc PSK aż o dodatkowe 18 MW! W zastosowanej rozbudowie układu o zawiesinę lodową, o dodatkowej mocy na powierzchni wynoszącej 3,1 MW, można uzyskać temperaturę wody lodowej w tych rejonach na poziomie 0-2^o C i to bez wymiany rurociągów. Stosunek wymaganej mocy chłodniczej wynosi więc w tym przypadku ok. 6, na korzyść układu z zawiesiną lodową. Widać więc, że otwierają się nowe możliwości w zakresie budowy i rozbudowy centralnych systemów klimatyzacji kopalń w Polsce. Należy jednak jeszcze raz podkreślić, że LW „Bogdanka” SA jest pierwszą i jak dotąd jedyną na Świecie kopalnią, która zastosowała tą nowatorską technologię wykorzystującą zawiesinę lodową do klimatyzacji kopalni – są więc uzasadnione powody do dumy!

Tadeusz Wrzaszczyk¹, Łukasz Mika², Damian Lach³, Ryszard Płoneczka³

¹  Lubelski Węgiel „Bogdanka” SA

²  AGH Kraków, Wydział Energetyki i Paliw

³  DPMtech Sp. z o.o. Rybnik