Tutaj klimatyzacja to nie luksus. Bez niej nie byłoby miedzi
Kopalnia, zwłaszcza na głębokości ponad tysiąca metrów, to środowisko wrogie człowiekowi. Gdyby nie klimatyzacja i wentylacja, musiałby pracować w skafandrze. Jak kosmonauta...
Około dwudziestu lat temu KGHM przygotował plany wydobycia rudy miedzi z głębokości poniżej tysiąca metrów, gdzie jednym z największych problemów do rozwiązania była i nadal jest rosnąca temperatura powietrza.
– Problemem obniżania temperatury i wilgotności powietrza, czyli klimatyzacji, zajmujemy się w KGHM już ponad trzynaście lat – mówi kierujący działem klimatyzacji w Zakładach Górniczych „Rudna” Paweł Borkowski. – W roku 2003 kierownictwo i inżynierowie KGHM musieli zastanowić się, jak schłodzić powietrze w wyrobiskach górniczych. Zgodnie z przepisami w miejscu pracy powinna panować temperatura do 28 stopni Celsjusza. Gdy wynosi więcej, czas pracy należy skrócić do sześciu godzin. Powyżej 33 stopni ludzie nie mogą pracować, a może być prowadzona jedynie akcja ratownicza.
Nisko, coraz niżej
Przyrost temperatury powietrza związany jest przede wszystkim ze wzrostem głębokości zalegania złoża. Temperatura pierwotna skał w najgłębszych rejonach Zakładów Górniczych „Rudna”, czyli na głębokości 1200 metrów, wynosi około 47 stopni. Dodatkowo rosnąca odległość pól eksploatacyjnych od szybów wdechowych doprowadzających powietrze do kopalni oraz stosowanie dużej ilości maszyn z silnikami spalinowymi powoduje, że nawet przy intensywnej wentylacji doprowadzane powietrze jest gorące i wymaga schłodzenia do temperatury umożliwiającej wykonanie pracy przez człowieka.
Problemem jest również wilgotność powietrza: mniejsza wilgotność powietrza pozwala pracować w wyższych temperaturach.
– Na początku radziliśmy sobie przy pomocy klimatyzacji stanowiskowej realizowanej za pomocą małych klimatyzatorów o mocy chłodniczej ok. 4 kW, zabudowanych w kabinach operatorów młotów kruszących urobek podawany na przenośniki taśmowe. Następnie wprowadzono tzw. klimatyzację przodkową, polegającą na instalowaniu maszyn klimatyzacyjnych o mocy powyżej 250 kW, które pozwalały na schłodzenie wybranych rejonów wyrobisk górniczych.
W miarę upływu czasu i schodzenia coraz głębiej z eksploatacją złoża stosowane rozwiązania okazywały się niewystarczające. Konieczna stała się budowa systemu klimatyzacji centralnej z wytwarzaniem wody lodowej, tj. wody o temperaturze ok. 1,5 stopnia C w powierzchniowych stacjach klimatyzacyjnych.
Dlaczego klimatyzacja centralna? Doświadczenie i różne opracowania wykazały, że w kopalniach, gdzie zapotrzebowanie na moc chłodniczą przekracza 4 MW, najbardziej skuteczny jest właśnie system klimatyzacji centralnej.
Centralne klimatyzowanie
Jak zbudowany jest taki system? Woda lodowa z powierzchni doprowadzana jest na dół kopalni za pomocą rurociągów wybudowanych w szybie lub odwiertów wielkośrednicowych prowadzonych bezpośrednio w ziemi. W celu redukcji wysokiego ciśnienia wody (ponad 11 MPa), panującego w rurociągach doprowadzających wodę na dół kopalni, stosuje się podajniki trójkomorowe. Pozwalają one dziesięciokrotnie zredukować ciśnienie wody – do 1,1 MPa. Ciśnienie wody w rurociągach rozprowadzających wodę lodową po kopalni do miejsc, w których aktualnie pracują ludzie, nie przekracza 2 MPa. Ze względu na wzrost ciśnienia wody w rurociągach zasilających, spowodowany wzrostem głębokości wyrobisk górniczych, stosowane są zawory redukcyjne. Wymusza to także budowanie na powrocie wody lodowej przepompowni, których zadaniem jest zwiększenie energii ciśnienia powracającej wody w celu pokonania oporów przepływu i różnicy poziomów między najniżej położonymi punktami sieci, a podajnikiem trójkomorowym. Podstawowymi urządzeniami służącymi do przekazywania „chłodu” z wody lodowej do powietrza są zestawy wentylatorowo-chłodnicze. Składają się one z wodnej chłodnicy powietrza, połączonej wentylatorami. Zasada ich działania jest podobna do pracy układu chłodzenia silnika samochodowego, z tym że kierunek przepływu ciepła jest odwrotny. W naszym przypadku gorące powietrze przedmuchiwane jest przez chłodnicę, w której płynie zimna woda lodowa. Powietrze schładza się, natomiast woda – ogrzewa. Ciepła woda lodowa wraca na powierzchnię w celu ponownego schłodzenia w stacji klimatyzacyjnej. W ten sposób obieg się zamyka.
Proste? Tylko pozornie
Aby zwiększyć zasięg i efektywność działania systemu klimatyzacji centralnej, stosuje się różne rozwiązania. Na drodze transportu wody w najdalsze miejsca zabudowuje się maszyny klimatyzacyjne, które pozwalają dochłodzić wodę lodową. W stałych miejscach pracy, takich jak komory maszyn ciężkich, zabudowywane są „komory zraszania”. Powietrze przepływa wówczas przez tunel (o przekroju wyrobiska), w którym rozpylana jest woda lodowa obiegu wtórnego, czyli woda schłodzona w parowniku maszyny klimatyzacyjnej. Powstająca mgła złożona jest z bardzo małych kropelek wody. Dzięki bezpośredniemu kontaktowi zimnej wody z ciepłym powietrzem następuje jego schłodzenie i osuszenie. Ogrzana woda lodowa opada grawitacyjnie do zbiornika, z którego przepompowywana jest do parownika maszyny klimatyzacyjnej w celu ponownego jej schłodzenia.
Cały system musi być dopasowany do zmiennych warunków mikroklimatycznych w wyrobiskach górniczych. W różnych miejscach wymagana jest inna mocy chłodnicza i zasięg strugi schłodzonego powietrza. Do tego trzeba zapanować nad poziomem hałasu generowanego przez wentylatory.
103 kilometry rurociągu
– W tej chwili mamy dwa systemy klimatyzacji centralnej: szybów R IX i R XI. Łączna moc chłodnicza powierzchniowych stacji klimatyzacyjnych sięga 48 MW – dodaje Borkowski. – Pozwala to na schłodzenie 1 700 metrów sześc. wody na godzinę z temperatury 23 stopni do 15 stopni. Łączna długość naszych rurociągów to jakieś 103 kilometry. Oba systemy klimatyzacji obsługują powierzchnię ponad 30 km kw. Trzeba jednak pamiętać, że sytuacja jest dynamiczna, gdyż wyrobiska się przesuwają, a my musimy nadążyć za postępem prac związanych z eksploatacją złóż.
Aby zapewnić właściwe warunki mikroklimatu w coraz głębiej zlokalizowanych wyrobiskach górniczych, niezbędna jest ciągła rozbudowa systemów klimatyzacji. Dział klimatyzacji robi wszystko, aby jedno z najbardziej nieprzyjaznych człowiekowi środowisk przekształcić w bezpieczne miejsce pracy. Inżynierowie stale poszukują nowych rozwiązań. Starają się łączyć klasyczną wiedzę inżynierską wymagającą umiejętności konstrukcji i budowy maszyn z nowymi rozwiązaniami technicznymi z zakresu informatyki i systemów zarządzania, przy jednoczesnym uwzględnieniu wpływu naturalnych warunków środowiskowych na pracę systemów klimatyzacji.
Uruchomioną w 2015 roku powierzchniową stację klimatyzacyjną przy szybie R-XI wybudowano w oparciu o trigenerację. Oznacza to, że zastosowano silniki gazowe z generatorami prądotwórczymi. W wyniku spalania gazu silnik napędza generator, który produkuje prąd zużywany następnie do napędu sprężarkowych agregatów chłodniczych. Natomiast ciepło odzyskiwane ze spalin i wody chłodzącej silnik używane jest do napędu absorbcyjnych agregatów chłodniczych. Oba typy urządzeń chłodniczych wykorzystywane są w produkcji wody lodowej. Proces pracy powierzchniowej stacji klimatyzacyjnej, ze względu na bardzo dużą ilość informacji, których człowiek nie jest już w stanie przetworzyć, zarządzany jest przez nowoczesny system komputerowy – jedynie nadzorowany przez operatora. Można powiedzieć, że w ZG „Rudna” stworzono jeden z najnowocześniejszych systemów klimatyzacji centralnej, który dodatkowo wspierany jest przez klimatyzację przodkową i lokalną. Z dumą można pochwalić się nim na zewnątrz, również za granicą.
– Czy pan wie, że w ciągu dziesięciu lat w sumie mieliśmy zaledwie niespełna sto godzin przestojów w pracy całej instalacji? – nie bez dumy mówi tworzący system klimatyzacji w „Rudnej” Mirosław Koman. – Przed laty to były odważne, pionierskie decyzje. Żeby móc je zrealizować, podjęliśmy w gronie dyrekcji kopalni jeszcze jedną: stworzyliśmy zespół bardzo młodych ludzi, dla których nie było rzeczy niemożliwych. Średnia wieku osób uruchamiających system w kopalni nie przekraczała
30 lat. Dziś też nadzór nad nim sprawuje bardzo młoda kadra inżynierska. I mamy za sobą przełom. Odchodzimy od systemu centralnego podawania wody do kopalni rurociągami umieszczanymi w szybie na rzecz otworów wielkośrednicowych z powierzchni. Czyli prowadzimy rurociąg na powierzchni do miejsca, gdzie ponad 1000 metrów pod ziemią znajduje się wyrobisko. Wiercony jest otwór i woda lodowa doprowadzona tam, gdzie jest nam najbardziej potrzebna. Taniej, skuteczniej i bez ograniczania przekrojów szybów...
Paweł Borkowski pokazuje nam wykresy, obliczenia, wzory... Wszystko po to, aby pod ziemią obniżyć temperaturę o kilkanaście stopni i móc nadal wydobywać miedź.
– Do jakiej głębokości ten system może być sprawny? Czy to szansa na eksploatację złoża Bytom Odrzański? – pytamy.
– Na tak postawione pytanie dzisiaj nie odpowiem, gdyż to gdybanie – mówi Borkowski. – Ale przykład kopalni „Rudna” pokazuje, że potrzeba jest matką wynalazków, a my naprawdę potrafimy sobie radzić z przeciwnościami – dodaje.